微型电网双向DC/DC控制策略研究

2019-05-04赵梅花吴茜琼孙南海李广伦武超

邵阳学院学报（自然科学版） 2019年3期

赵梅花，吴茜琼，孙南海，李广伦，武超

(洛阳理工学院电气工程与自动化学院,河南洛阳，471023)

户用型微电网是为了满足特殊地理位置及特殊环境用电需求而建设的微电网系统，是能实现自我控制、保护和管理的自治系统。特殊的用户环境要求微电网既能实现与配电网的并网运行，又能实现与配电网断开的独立运行(孤岛运行)[1-3]。

户用型微电网的储能装置主要有蓄电池组及超级电容组等储能微源，因储能微源端电压不等于直流母线电压，一般采用双向直流-直流(DC/DC)变换装置与直流母线间接相连。通过对双向DC/DC斩波器工作模式的控制，实现对储能微源的充放电管理，进而实现对整个微电网系统的能量管理[4-5]。

论文研究对象为户用型微电网储能系统双向DC/DC变换器，依据微电网系统能量平衡与能量管理的要求，对双向DC/DC变换器的控制策略进行研究。文献[6]对双向全桥 DC/DC提出了双重移相控制策略。该控制策略虽抑制了电路的回流功率，但控制结构复杂，软件及硬件的实现难度较大。

文中以升降压型双向DC/DC变换器为研究对象，依据微电网发配电系统对能量管理的要求，分别设计了直流-直流变换器运行于降压(Buck)与升压(Boost)模式下的充、放电控制策略。采用仿真研究验证控制策略实现了预定控制目标。

1 户用型微电网基本架构

图1为文中研究的户用型直流微电网架构。

图1 户用型微电网架构Fig.1 The architecture diagram for a residential micro-grid system

图1的构架主要由光伏阵列及升压斩波器(Boost)、风力发电机组及整流器(AC/DC)、储能微源(蓄电池组、超级电容组)及双向DC/DC变换器、直流母线及DC/AC逆变器、交/直流用电负载、市电网、系统控制与能量管理等模块构成。其中系统控制与能量管理模块统一调度和控制各功能模块之间协调工作，完成微网系统运行目标。

图1架构中储能微源进行充放电的管理与控制是通过对双向DC/DC变换器的控制来实现的。储能微源包括蓄电池组与超级电容组，文中仅以蓄电池组的充放电为例进行研究，蓄电池组额定端电压为240V。

充电原则：当蓄电池组端电压小于额定电压240V时，采用恒流充电模式；当端电压升到264V高于额定电压10%时，切换到恒压充电模式；当下列其中一种现象(最高单体电压大于3.65V、或蓄电池荷电状态SOC>0.9、或充电电流小于0.2A)发生时，蓄电池能量管理系统(energy storage systems，EMS)将给工控机发出相应的故障信号，此时工控机根据微电网系统综合控制原则，形成输出控制指令，控制双向DC/DC终止充电运行模式。

放电原则：当放电过程中出现下列其中一种现象(蓄电池组端电压降至210V、或SOC<0.2、或最低单体电压小于2.5V)发生时，EMS给工控机发出故障信号，工控机发出输出控制指令，控制双向DC/DC终止放电运行模式。

2 Buck/Boost双向DC/DC变换器工作模式

2.1 Buck/Boost双向DC/DC变换器拓扑结构

图2为升降压双向DC/DC变换器拓扑结构。其中，AB端为低压端，使用时接电池组或超级电容器组输出端，CD端为高压端，使用时与直流母线相连。

图2 Buck/Boost双向DC/DC变换器拓扑Fig.2 The topology of a bidirectional DC/DC converter

2.2 Buck工作模式

关断VT2，控制VT1按PWM方式工作，双向DC/DC变换器就工作于Buck模式，此时直流母线为蓄电池组充电，其充电等效电路如图3所示，图中的Cbat起滤波、储能及稳压作用。

图3(a)中，关断VT2，VT1受控于PWM高电平导通，直流母线与电感 L共同为蓄电池组充电，其充电回路为Udc(+)→VT1→RL→L→Cbat→Udc(-)。

(a)直流母线及电感L共同为蓄电池充电

(b)电感L给蓄电池充电图3 Buck运行模式Fig.3 Buck running mode

图3(b)中，关断VT2，VT1受控于PWM低电平关断、电感 L为蓄电池组充电，其充电回路为L(+)→Cbat→VD2→RL→L(-)。

2.3 Boost工作模式

关断VT1，控制VT2按PWM方式工作，双向DC/DC变换器就工作于Boost模式，蓄电池组放电为直流母线供电。其放电时等效电路如图4所示。

(a)蓄电池给电感L充电

(b)蓄电池和电感L共同为直流母线充电

图4(a)中，关断VT1，VT2受控于PWM高电平导通，蓄电池组放电，为电感 L充电储能，充电路径为Cbat(+)→L→RL→VT2→Cbat(-)。

图4(b)中，关断VT1，VT2受控于PWM低电平关断，此时蓄电池组和电感 L共同为直流母线充电。其充电回路为Udc(-)→Cbat→L→RL→VD1→Udc(+)。

3 双向DC/DC充放电控制策略

3.1 恒流充电控制策略

根据蓄电池组充电规则设计了如图5所示的恒流充电控制策略。

(a)蓄电池充电DC-DC等效电路

(b)电流闭环恒流充电控制策略图5 恒流充电控制策略Fig.5 Control strategy of constant current charging mode

图5(b)中，平均电流参考值i*bat来自能量管理系统(EMS)。能量管理系统根据Udc、微网系统功率平衡、蓄电池SOC，以及蓄电池子系统与超级电容子系统协同工作等综合原则，确定充电电流参考值。

ibat为蓄电池充电电流的实际值，通过电流传感器获得。电流闭环PI调节器的输出作为调制波，对称三角波为载波，通过PWM发生器生成PWM波去控制VT1工作，实现预定的控制目标。

3.2 恒压放电控制策略

当直流母线电压Udc<460V时，由蓄电池放电来维持Udc的稳定。设计的直流母线电压Udc与蓄电池放电电流双闭环控制策略如图6所示。

图6中直流母线电压的给定值U*dc=460V，反馈值Udc来自直流母线电压，通过直流电压传感器获得。i*bat来自电压闭环PI调节器的输出，ibat为蓄电池放电电流的实际值，通过电流传感器获得。电流闭环PI调节器的输出作为调制波，对称三角波为载波，通过PWM发生器生成PWM波去控制VT2工作，实现预定的控制目标。