基于能量路由器的光伏储能系统控制策略研究

刘 瑞,王 鹤,艾凤明

(沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

随着各国对能源需求的不断提高，光能等新能源应用广泛。光伏储能系统也在新能源飞机上得到应用。当前太阳能飞机已经具备了飞行高度高、续航能力强等能力[1]，但由于单一的光伏系统存在很多问题，尤其是飞机电网稳定性问题与因环境而导致光伏在时域上发电能力差异等问题给电网的正常运行带来挑战。2008年基金会的支持下，北卡州立大学成立了研究未来可再生电能传递与管理系统的组织[2-4]，用以连接不同类型的分布式能源与电力网络。在光伏储能系统中，能量路由器的使用使得主动控制技术逐步取代被动控制技术，提高电网运行稳定性。根据能量路由的结构不同，常见的光伏储能系统架构有集中式并网、组串式并网、集成式并网以及集成式并网等不同内部架构[5-7]。能量路由器不仅能够协调控制系统中多种形式能量，而且可以高效利用可再生分布式能源，并且在此基础上电网能够安全可靠的运行。针对光伏储能架构控制策略，国内外学者进行了大量研究。文献[8]实现了源网荷的光伏储能系统拓扑架构和多端口控制策略。文献[9]以系统中储能元件参数特性设计了一种控制策略，采用分层控制对稳定性进行了优化，但架构可靠性有待提高。文献[10]通过控制直流母线电压实现了对工作状态的切换，从仿真层面上实现了对特定负载供能的需求。

本文设计基于MPC(Multi-port Converter)的能量路由器系统结构，面向太阳能飞机供电架构，由可再生能源、储能、电网/负载接入系统组成，能够通过协调控制的方法达到与电网的能量转换，以及可再生能源的高效利用，使系统在不同的工作模式下都能够保持电压稳定，满足机载系统能源需求。

1 系统架构和工作模态

本文设计了如图1所示主要由分布式电源、储能装置组成的基于能量路由器光伏储能系统结构。此外在该系统中还包含有机载负载以及电力电子变换器等元件。

图1 能量路由器系统结构图

能量路由器系统一共存在两种运行状态。当光伏电池与电网相连时，我们将这种供电方式成为并网模式；而当负载仅由光伏电池与锂电池相连时，我们称之为孤岛模式。

表1 能量路由器系统参数表

能量路由器系统运行于并网模式时，系统的直流模块以及交流模块存在能量的双向流动，系统内部功率平衡由光伏电池、蓄电池及电网的协调运行完成。当系统能量过剩，即光伏电池以及蓄电池供应能量大大满足系统需求仍存在剩余时，变换器反向工作，电网吸收剩余能量以保证直流母线电压不会有所升高；当系统能量不足，光伏电池与蓄电池提供能量的同时，电网提供能量以保证直流母线电压不会有所跌落。

能量路由器系统运行于孤岛模式时，系统的直流模块以及交流模块不存在能量的双向流动，系统内部功率平衡由光伏电池和蓄电池的协调运行完成。系统不与电网相连，光伏电池和蓄电池根据控制要求工作在不同模式下，相互协调以使系统工作更加稳定。

2 控制策略研究

根据上一节所设计的能量路由器结构，光伏电池、蓄电池、电网或负载的接入使系统难以稳定运行，因此，需要研究控制各端口变换器工作在相应模式的控制策略和系统协调控制策略以解决这一问题。本文所提出的分层控制的控制层级如图2所示。分层控制的第一层控制是各端口变换器的控制策略，第二层控制是孤岛模式下系统的协调控制。

图2 能量路由器控制层级

2.1 底层控制策略的设计

提高其输出功率是光伏电池的能量优化控制的主要目标。本文中的光伏电池能够工作在三种模式之下：最大功率点跟踪即MPPT模式、直流母线恒压控制即CVC模式和最基本的停机状态。光伏电池端口的控制策略如图3所示。

图3 光伏电池端口控制方法框图

系统中蓄电池的模式选择以及控制框图如图4所示。着重讨论孤岛模式下，当光伏电池能量大于负载需求时，蓄电池进入充电模式，消耗系统剩余能量，当SOC达到90%时，蓄电池截止；当光伏电池能量小于负载需求时，蓄电池进入放电模式，释放能量，当蓄电池SOC下降至40%时，蓄电池截止。

图4 蓄电池模块模式选择控制框图

图5 电网/负载端口的控制图

2.2 直流母线电压分区控制算法的设计

本文基于直流母线这一参数提出了分区控制算法，该算法保证系统能够经济可靠稳定的运行。通过对直流母线电压的区域划分实现能量路由器系统的工作模态的划分，使直流母线电压发生波动时切换至相应的工作模态，系统能够持续稳定运行。本文选取多个区域进行划分，本文选取五个区域。区域划分依据为系统的直流母线电压，直接决定整个系统的运行状态。直流母线电压改变时，能量路由器的工作模态随之改变。选取的各区与电压参考值关系如下

UL2

其中，UL2是系统稳定电压下限，UH2是系统稳定电压上限；UL1是系统稳定蓄电池放电模式的边界值，UH1是蓄电池充电模式的边界值；Udc_ref是直流母线电压的额定值。由此划分出5个区域范围，即区域范围一为UL1≤Udc≤UH1，区域范围二为UH1UH2，区域范围五为Udc

能量路由器系统的运行控制要求以及直流母线电压的额定值决定边界值的选取。对于整个系统的运行控制要求，我们需要做到的是高效、稳定；但对于其直流母线电压的范围确定没有明确标准。本文设置的4个直流母线电压边界值如下表2所示。设置两边界值的相差为5%，即UL2=90%Udc_ref，UL1=95%Udc_ref，UH1=105%Udc_ref，UH2=110%Udc_ref。

表2 直流母线电压分区边界值

当能量路由器系统运行时，合理的协调控制策略对于保障系统运行以及直流母线电压稳定至关重要。孤岛模式下能量路由器系统的稳定运行主要在于保持负载与电源间的功率平衡。本文中能量路由器系统内的功率平衡是通过各端口自身的调整以及各端口之间的相互配合来实现的，而各端口间的唯一连接是输出端的直流母线，由直流母线电压判定系统工作状态，各端口变换器通过合理的控制算法来调节控制其输出，最终实现各端口间的负载功率的合理分配。

在本文中，设定直流母线电压设为400 V，电压波动范围为±5%。根据上文论述的电压划分的五个区域，在每个区系统使用不同的工作策略。系统在同一时间只能稳定运行在一种模式，当直流母线电压波动至某一区间时，系统会灵活切换工作模式，以维持系统稳定运行。

(1)工作模式一：直流母线电压处于区域一UL1≤Udc≤UH1

在实际工作情况中，系统没有绝对的稳定状态，直流母线电压依旧有波动。因此，为避免蓄电池频繁动作，将蓄电池设定为截止状态。此时，负载所需能量全部由光伏电池所提供，光伏电池工作在MPPT模式。由于此模式没有恒压控制的环节，所以当光伏电池的最大输出功率受环境因素影响发生微小变化时，允许直流母线电压在区域范围内产生轻微波动。

图6 直流母线电压分区控制策略图

(2)工作模式二：直流母线电压处于区域二UH1

在光照较强或负载减少的情况下，荷端功率低于光伏点输出功率，且蓄电池尚有能力吸收能量进入到充电模式，蓄电池存储能量。此时，光伏电池工作在MPPT模式，光伏电池为蓄电池恒压充电，在蓄电池未达到过充状态时吸收剩余能量。蓄电池端在此模态中对直流母线起主要控制作用。

(3)工作模式三：直流母线电压处于区域三UL2≤Udc≤UL1

该工作模式的表象是母线电压欠压，荷端功率高于光伏电池输出功率，蓄电池放电为荷端供能，维持电压稳定在一定的范围。此时，光伏电池工作在MPPT模式，蓄电池处于放点状态，且恒压维持母线电压稳定。

(4)工作模式四：直流母线电压处于区域四Udc>UH2

直流母线电压偏高表明系统内部出现功率剩余，光伏电池所能提供的能量能够满足负载所需要的能量，多余能量可供给蓄电池进入充电模式，而蓄电池的容量已接近饱和，充满截止。此时，光伏电池切换至恒压模式，降低光伏电池的输出功率，保证系统的能量平衡，在此模态中对直流母线起主要控制作用。

(5)工作模式五：直流母线电压处于区域五Udc

在夜间或阴雨天等自然条件不满足光伏电池发电时，光伏电池无输出，不给负载提供能量，而蓄电池尚有能力进入放电模式，提供负载所需要的能量，维持其正常运行。此时，光伏电池停机，蓄电池工作在恒压放电模式，在此模态中对直流母线起主要控制作用。

因此，能量路由器系统采用主从控制与分层控制相结合的协调控制中各端口变换器工作表如下表3所示。

表3 能量路由器系统各端口变换器工作表

综上所述，主从控制与分层控制相结合的协调控制策略可以实现能量路由器系统的经济可靠运行。各端口变换器根据直流母线电压选择工作在适当模式，以保证系统运行的稳定性，维持系统的功率平衡。

3 结果与讨论

为了验证上述理论，本文首先设计了能量路由器硬件电路，编写了软件部分的程序，搭建了能量路由器实验测试平台，并利用该硬件平台进行并网模式和孤岛模式下各模态的实验验证，根据实验结果分析系统的运行状态及其稳定性。

3.1 并网模式的模态实验分析

光伏并网模态下，由光伏电池端口及电网端口参与能量路由，由光伏电池发电释放能量汇聚到公共直流母线，再通过双向DC/AC变换器逆变成交流电压回馈至电网。实验结果如图7所示，给出能量路由器的光伏侧电压、直流母线电压、电网侧电压和电流波形。

图7 光伏并网实验结果

由实验波形可看出，能量路由器系统运行在光伏并网模态时，电网系统正常工作。通过上位机可以读出，直流母线电压基本稳定在400 V，并网电压约为233 V，并网电流约为20.8 A，由光伏电池为电网提供能量。

电网供电模态下，由光伏电池端口、蓄电池端口及电网端口参与能量路由，由光伏电池发电以及电网释放的能量汇聚到公共直流母线，再给蓄电池充电，充电方向为正。实验结果如图8所示，给出能量路由器的光伏侧电压、直流母线电压、电网侧电流和蓄电池侧电流波形。

图8 电网供电实验结果

由实验波形可看出，能量路由器系统运行在电网供电模态时，直流母线电压始终稳定在400 V，电池电流在充电过程趋于平稳时，稳定在16 A。

电网支撑模态下，由光伏电池端口、蓄电池端口及电网端口参与能量路由，光伏电池与已经储能完成的蓄电池同时向电网供电，放电方向为正。实验结果如图9所示，给出能量路由器的光伏侧电压、直流母线电压、电网侧电流和蓄电池侧电流波形。

图9 电网支撑实验结果

由实验波形可看出，能量路由器系统运行在电网支撑模态时，直流母线电压始终稳定在400 V，电池电流在放电过程趋于平稳时，稳定在15 A。

3.2 孤岛模式的多模态实验分析

本文对几种典型的孤岛模式模态转换进行实验验证：

第一种情况是能量路由器系统先是运行在工作模式二，光伏电池工作在MPPT模式下提供负载所需能量，而由负载消耗所剩余的能量供蓄电池充电，在某一时刻蓄电池达到其过充电压，SOC达上限，充满后退出系统，直流母线电压有所降低，系统切换至工作模式一，光伏电池工作在MPPT模式下单独给负载提供其所需能量。实验时，设置充电方向为负。

图10是工作模式二切换至模式一的实验结果，从该图中可以看到蓄电池侧电流、直流母线电压和负载侧电流波形。实验初始时刻能量路由器运行在工作模式二，蓄电池存储电能，光伏电池输出功率用于负载及蓄电池供电，且系统直流母线电压维持在410 V。在某一时刻，蓄电充满退出系统，即蓄电池处于截止状态。当母线电压下降至400 V，即系统切换至工作模式一，负载仅由光伏电池供电。

图10 工作模式二切换至模式一实验结果

第二种情况是能量路由器系统先是运行在工作模式二，光伏电池工作在MPPT模式下提供负载所需能量，而由负载消耗所剩余的能量供蓄电池充电，模拟在某一时刻光伏电池受外界环境影响，如阴雨天气，光伏电池完全供应不了能量，直流母线电压下降，所以蓄电池由充电模式切换至放电模式，蓄电池单独提供负载所需要的功率。实验时，设置充电方向为负，放电方向为正。

图11是工作模式二切换至模式五的实验结果，给出能量路由器的直流母线电压，荷端电流以及储能端电流。实验初始时刻能量路由器运行在工作模式二，蓄电池存储能量，负载所需功率低于光伏电池输出功率。

图11 工作模式二切换至模式五实验结果

直流母线电压在412 V。在某一时刻，光伏电池退出系统，直流母线电压有所波动，下降至378 V，为使母线电压回升，系统中蓄电池参与供电。

第三种情况是能量路由器系统先是运行在工作模式二，光伏电池工作在MPPT模式下提供负载所需能量，而由负载消耗所剩余的能量供蓄电池充电，模拟在某一时刻光伏电池受外界环境影响，如光照减弱或阴天，其所提供能量不能满足负载所消耗的能量，直流母线电压有所下降，所以双向变换器间快速切换，蓄电池进入放电模式，两种电池同时为负载供能。实验时，设置充电方向为负，放电方向为正。

图12是工作模式二切换至模式三的实验结果，给出能量路由器的直流母线电压，荷端电流以及储能端电流。实验初始时刻能量路由器运行在工作模式二，蓄电池存储能量，负载所需功率低于光伏电池输出功率，能量路由器系统直流母线电压在412 V。在某一时刻，光照强度变弱，负载所需功率高于光伏电池输出功率，直流母线电压有所波动，下降至389V，蓄电池切换至放电模式以补偿系统功率缺额。

图12 工作模式二切换至模式三实验结果

第四种情况是能量路由器系统先是运行在工作模式三，光伏电池工作在MPPT模式下，负载所需功率高于光伏电池输出功率，此时蓄电放电以支持负载使用，模拟在某一时刻光伏电池受外界环境影响，如光照增强时，其所提供能量远大于负载所消耗的能量，直流母线电压有所上升，所以双向变换器间快速切换，蓄电池由放电模式切换至充电模式，光伏电池所能提供的能量供给负载消耗后所剩余的能量送至蓄电池中。实验时，设置充电方向为负，放电方向为正。

图13是工作模式三切换至模式二的实验结果，给出能量路由器的直流母线电压，荷端电流以及储能端电流。实验初始时刻能量路由器运行在工作模式三，荷端功率高于光伏电池输出功率，蓄电池处于放电模式以供电负载功率需求，直流母线稳定电压在387 V。在某一时刻，光照强度变强，荷端功率低于光伏电池输出功率，直流母线电压有所波动，上升至411 V，蓄电池切换至充电模式以吸收系统剩余功率。

图13 工作模式三切换至模式二仿真结果

由上述实验结果可以看出，直流母线电压在400±20 V小范围内波动，本文所应用的分层协调控制策略具有一定的稳定性及可靠性，负载或自身条件发生改变时，光伏电池和蓄电池能够及时切换工作模式，系统持续稳定运行。

4 结论

本文主要针对太阳能飞机光伏储能系统的协调控制策略做出理论分析与研究，在应用能量路由器的基础上针对多类型能源的接入及功率平衡的需求，提出一种主从控制与分层控制相结合的系统协调控制策略。对现有的控制策略进行了优化，在分层控制思想的基础上，采用多种方法保证母线电压稳定，并将母线电压分区控制策略与分层控制策略进行融合，形成了全系统的控制策略，实现了能量流动路径优化，能够满足机载运行需求。