田慧雯，李咸善，陳 鐵, 譚 思

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

對(duì)于孤島模式運(yùn)行的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)，其電能具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性，一般在系統(tǒng)中配備有儲(chǔ)能裝置。儲(chǔ)能裝置多采用蓄電池和超級(jí)電容器。超級(jí)電容的高密度特性可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的功率吸納或放出，但是不能長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)荷提供電能；蓄電池能較長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)荷提供電能，但具有循環(huán)利用壽命低、功率密度低等缺點(diǎn)，當(dāng)前混合儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[1-2]。該系統(tǒng)中鉛酸電池能量密度較大，作為系統(tǒng)長(zhǎng)期儲(chǔ)能設(shè)備，而超級(jí)電容功率密度高，作為短期儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的即時(shí)變化功率。超級(jí)電容和鉛酸蓄電池的特性比較如表1所示[3-4]。

表1 超級(jí)電容和鉛酸蓄電池的特性比較Table 1 Comparison of supercapacitor and battery

由于光伏電池可以直接產(chǎn)生直流電，蓄電池及超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備也適合于直流電輸出，本文采用直流微網(wǎng)。目前日本的Sendai智能微電網(wǎng)中采用了直流系統(tǒng)[5]。直流電傳輸可以避免非同步問題引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的問題；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)中，直流輸電可以避免無(wú)功引起的電壓下降。當(dāng)直流微電網(wǎng)需要與現(xiàn)有的交流大電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，直流微網(wǎng)只采用一個(gè)DC/AC變流器，因此總體成本和損耗相對(duì)交流微網(wǎng)低。

本文詳細(xì)研究基于混合儲(chǔ)能的光伏微網(wǎng)孤島運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出光伏電池、蓄電池與超級(jí)電容器這三個(gè)能量單元的電路模型，根據(jù)控制的目的分別設(shè)計(jì)出三個(gè)能量單元的控制電路及控制方式。為了提高蓄電池的使用壽命，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)出蓄電池與超級(jí)電容器相結(jié)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用基于能量管理的蓄電池電流多滯環(huán)控制策略，并通過Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出直流母線的電壓波形圖及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電流波形圖，來(lái)分析系統(tǒng)中各能量單元控制方法及提高系統(tǒng)可靠性方面的有效性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成，主電路元件包括光伏組件、蓄電池組、超級(jí)電容器、負(fù)載及相應(yīng)的變換器，如圖1所示。光伏組件、蓄電池組及超級(jí)電容器通過DC/DC變換器接入500 V直流母線，直流微網(wǎng)采用DC/AC變流器變?yōu)楣ゎl交流電后接入交流電網(wǎng)，從而為負(fù)荷供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)能量管理及控制

2.1 逆變器控制

本文設(shè)計(jì)的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式下，沒有大電網(wǎng)為其提供電壓和頻率支撐，因此微網(wǎng)必須具備能夠維持自身的電壓和頻率的能力[6-10]。在這種情況下，微網(wǎng)應(yīng)采用V/f控制。采用這種控制方法的布式電源在滿足負(fù)荷功率的情況下，無(wú)論系統(tǒng)負(fù)荷功率如何變化，其端口輸出的電壓和頻率都維持恒定的值。

圖2 電壓逆變器V/F控制示意圖Fig.2 Schematic of voltage inverter V/F control

電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流給定值i2ref進(jìn)行電流控制，能夠快速抑制負(fù)載擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；電壓外環(huán)用于穩(wěn)定負(fù)載電壓u2，改善輸出電壓波形，提高輸出精度，同時(shí)給電流內(nèi)環(huán)提供電流指定信號(hào)，控制框圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制框圖Fig.3 Block diagram of double closed loop control

2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

光伏陣列輸出電流與光照強(qiáng)度、溫度和端電壓有關(guān)，設(shè)在參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓， Im、Vm為最大功率點(diǎn)電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列電壓為V，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流I為

其中

式中：S為光伏陣列傾斜面上的總太陽(yáng)輻射；T為太陽(yáng)電池溫度；Sref、Tref為太陽(yáng)輻射和光伏電池溫度參考值，一般取為1 kW/m2，25 ℃；a為在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（Amps/℃）；b為在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/℃）；Rs為光伏陣列的串聯(lián)電阻, 它受光伏組件的串并聯(lián)數(shù)影響,一般只有幾歐姆。

光伏陣列采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略，保證光能得到最大的利用[12-13]。本文采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，通過給光伏陣列工作點(diǎn)電壓施加擾動(dòng)α·︱dP/dV︱（α為系數(shù)），同時(shí)記錄擾動(dòng)后的輸出功率，如果輸出功率增加，則保持原方向繼續(xù)擾動(dòng)，否則反方向擾動(dòng)，最終使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近。該方法相較于固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法滿足了搜索的穩(wěn)定性和快速性, 改善擾動(dòng)觀測(cè)的精度，并且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容易。BOOST電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。Vk、Ik分別為光伏電池當(dāng)前輸出電壓值和輸出電流值。

圖4 Boost電路及其控制Fig.4 Boost circuit and its control

2.3 混合儲(chǔ)能單元控制策略及其改進(jìn)

由于系統(tǒng)采用直流母線連接的結(jié)構(gòu)，因此必須維持直流母線電壓udc的穩(wěn)定。

單一采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，蓄電池為了維持直流母線電壓恒定，往往需要頻繁的吸收和發(fā)出較大的功率，且經(jīng)常在充電與放電狀態(tài)間切換[14-17]。采用蓄電池與超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能方式能改善蓄電池的工作條件。

具體而言，機(jī)械電氣設(shè)備中的絕緣電阻是設(shè)備主要參數(shù)，如果絕緣電阻沒有滿足電氣設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，就極有可能出現(xiàn)電氣故障等問題[1]；溫度同樣也是機(jī)械電氣設(shè)備中的重要運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)設(shè)備周圍溫度出現(xiàn)異常升高或降低的情況下，就極有可能造成設(shè)備構(gòu)件因凍脹作用出現(xiàn)變形情況，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性造成極為不利影響。

本文提出根據(jù)負(fù)載與光伏陣列輸出功率差值來(lái)確定蓄電池充放電電流的改進(jìn)控制策略，相對(duì)于直流母線電壓，功率對(duì)于負(fù)載的變化更為敏感，基于功率差值的電流控制策略更能快速平衡系統(tǒng)的瞬時(shí)功率。該控制策略能避免蓄電池在大電流高電壓的情況下充放電，及長(zhǎng)期在充電與放電狀態(tài)間切換所造成充放電電流的劇烈波動(dòng)。

直流母線電壓udc與各能量單元功率的關(guān)系為

式中：Cdc為直流母線電容；udc為直流母線電壓；PPV為光伏陣列輸出功率；PLoad為負(fù)荷功率；PStorage為混合儲(chǔ)能單元需要調(diào)節(jié)的功率。

要使udc維持穩(wěn)定，就要使系統(tǒng)的功率達(dá)到平衡，即

本文將控制直流母線電壓恒定與系統(tǒng)功率平衡相結(jié)合。蓄電池控制框圖如圖5所示。將當(dāng)前負(fù)載與光伏陣列輸出的功率差ΔPk=PPV-PLoad輸入電流多滯環(huán)控制器，輸出蓄電池電流參考值IL1-ref與實(shí)際蓄電池電流值IL1進(jìn)行比較，誤差e經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，通過PWM調(diào)制成PWM波，從而驅(qū)動(dòng)雙向DC-DC變換電路開關(guān)開通或是關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流IL1對(duì)電流參考值IL1-ref的無(wú)靜差跟蹤控制。蓄電池充電時(shí)控制開關(guān)S1，放電時(shí)控制S2。

圖5 蓄電池控制框圖Fig.5 Block diagram of battery control

蓄電池電流多滯環(huán)控制框圖如圖6所示。比較當(dāng)前ΔPk與前一時(shí)刻ΔPk-1的值，判斷滯環(huán)曲線的方向；根據(jù)當(dāng)前功率差值的絕對(duì)值|ΔPk|，并結(jié)合滯環(huán)曲線得出蓄電池參考電流的絕對(duì)值I，通過比較功率差值ΔPk與0的大小關(guān)系，確定蓄電池參考電流IL1-ref的符號(hào)，并發(fā)送到電流調(diào)節(jié)器。特別地，當(dāng)功率差值ΔPk∈(-P1, P1)時(shí)，即功率差值較小時(shí)，可僅由超級(jí)電容器調(diào)節(jié)，蓄電池不工作。

圖6 蓄電池電流多滯環(huán)調(diào)節(jié)策略框圖Fig.6 Block diagram of battery current multi-hysteresis control strategy

超級(jí)電容器通過雙向DC/DC變換電路并接在直流母線上，由于超級(jí)電容器通過變換電路進(jìn)行升壓放電，減少了所需單體電容器的個(gè)數(shù)，從而節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

通過對(duì)蓄電池的充放電控制，蓄電池已調(diào)節(jié)了大部分光伏陣列輸出功率與負(fù)載的差額功率，但直流母線電壓還無(wú)法維持在所要求的范圍內(nèi)。超級(jí)電容器采用維持直流母線電壓恒定的雙閉環(huán)控制策略，完成剩余差額功率的調(diào)節(jié)。外環(huán)為直流母線電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為超級(jí)電容器工作電流控制環(huán)，維持直流母線電壓與給定電壓值udc-ref相等。控制框圖如圖7所示。直流母線電壓udc與給定電壓值udc-ref進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出超級(jí)電容器參考電流IL2_ref，參考電流IL2_ref與實(shí)際電流IL2比較后誤差e2經(jīng)電流調(diào)節(jié)器，通過PWM調(diào)制成PWM波，驅(qū)動(dòng)雙向DC-DC變換電路的開關(guān)。

圖7 超級(jí)電容器控制策略框圖Fig.7 Block diagram of supercapacitor control

3 動(dòng)態(tài)仿真與分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)基于混合儲(chǔ)能的光伏獨(dú)立微網(wǎng)的能量單元及主要元件進(jìn)行建模，根據(jù)圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建了該光伏微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖8所示。在實(shí)現(xiàn)各能量單元的控制策略及其能量管理的相互協(xié)調(diào)配合的同時(shí)，對(duì)基于混合儲(chǔ)能的光伏獨(dú)立微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。

圖8 混合儲(chǔ)能光伏微網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of hybrid energy storage-based photovoltaic island microgrid

仿真參數(shù)如下：光伏陣列額定容量為16.85 kW，蓄電池容量為100 Ah，額定電壓240 V，超級(jí)電容器電容10 F，額定電壓250 V。直流母線電壓500 V，交流母線為工頻220 V。設(shè)定光伏電池初始工作在溫度為25 ℃，光照為1 000 W/m2環(huán)境下，在0.4 s處，光照降低至900 W/m2，在0.8 s處光照降低至700 W/m2，光照強(qiáng)度及系統(tǒng)負(fù)荷如圖9所示，仿真時(shí)間為1 s。

圖9 光照強(qiáng)度及系統(tǒng)負(fù)荷Fig.9 Light intensity and system load power

如圖10為微網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率波形。曲線1為系統(tǒng)中蓄電池吸收或輸出功率，曲線2為光伏陣列輸出功率與負(fù)荷功率差。從圖中可以看出，蓄電池實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)了大部分光伏陣列輸出功率與負(fù)荷功率的差值，剩余的功率差由超級(jí)電容器進(jìn)行調(diào)節(jié)，曲線3為超級(jí)電容器輸出功率。

圖10 微網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率Fig.10 Output active power of microgrid

如圖11所示，曲線1為采用混合儲(chǔ)能方式的蓄電池充放電電流波形，曲線2為單一采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)蓄電池的充放電電流，正值為充電電流，負(fù)值為放電電流。從中可以看出單一采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，蓄電池充放電電流波動(dòng)大，常在充電與放電狀態(tài)間切換，這對(duì)蓄電池是不利的。當(dāng)采用混合儲(chǔ)能方式時(shí)，蓄電池根據(jù)負(fù)載、光伏電池的狀況和系統(tǒng)指令以分段恒流的方式充放電，蓄電池充放電電流波動(dòng)小，且不會(huì)引起過放電及過充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電的靈活控制，優(yōu)化蓄電池的工作過程，延長(zhǎng)使用壽命。

圖11 蓄電池充放電電流波形Fig.11 Battery charging and discharging current waveform

如圖12為采用蓄電池儲(chǔ)能及采用混合儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)輸出的有功功率，曲線1為采用本文設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)輸出功率，曲線2為系統(tǒng)負(fù)荷曲線，曲線3為采用單一蓄電池儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)輸出功率。從圖上可以看出，曲線1與曲線2幾乎重合，表明采用本文設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能更加快速精準(zhǔn)地的跟蹤負(fù)荷的波動(dòng)，有效實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)的瞬時(shí)功率平衡，提高了微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖12 蓄電池儲(chǔ)能及混合儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)輸出有功功率Fig.12 Output active power of battery energy storage and hybrid energy storage system

以上都屬于系統(tǒng)功率差值較大情況下的仿真,但系統(tǒng)功率差值通常處于較小的范圍。圖13為系統(tǒng)中功率差值較小時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容器的出力情況。從圖可以看出，在功率差值較小時(shí)，系統(tǒng)僅由超級(jí)電容器調(diào)節(jié)功率差，蓄電池不工作，這樣可以減少蓄電池處于工作狀態(tài)的時(shí)間，從而提高蓄電池的使用壽命。

圖13 功率差值較小情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Fig.13 Output power energy of storage system under small power difference

如圖14所示，設(shè)定在0.6～0.62 s、0.8～0.82 s時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷有短時(shí)的波動(dòng)，曲線1為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率；曲線2為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率。從圖中可以看出，蓄電池儲(chǔ)能由于其自身的限制，無(wú)法快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，且輸出功率有限，不能滿足負(fù)載功率小擾動(dòng)情況下的需求，采用混合儲(chǔ)能方式時(shí)，提高了系統(tǒng)峰值功率，滿足系統(tǒng)功率的波動(dòng)。

圖14 小擾動(dòng)情況下儲(chǔ)能單元輸出有功功率Fig.14 Output active power of storage unit under small perturbation

4 結(jié)論

針對(duì)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)能量的間歇性和波動(dòng)性，提出了采用蓄電池與超級(jí)電容器相結(jié)合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合了蓄電池及超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，使微網(wǎng)能迅速平衡瞬時(shí)功率，維持系統(tǒng)自身電壓和頻率恒定，保證孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在蓄電池控制策略上本文提出了功率跟蹤多滯環(huán)電流控制，實(shí)時(shí)跟蹤功率需求的變化，靈活調(diào)整蓄電池充放電電流，避免了蓄電池經(jīng)常在充電與放電狀態(tài)間切換，以及蓄電池大功率的充放電。該方法有利于提升蓄電池的使用壽命。仿真結(jié)果也表明本文提出的光伏微網(wǎng)孤網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略的有效性。本文的不足之處在于蓄電池在充電過程中始終采用恒流模式，因此如何優(yōu)化蓄電池充電過程，提高充電時(shí)間的問題有待進(jìn)一步深入研究。

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