畢大強，趙潤富，葛寶明，王 珺

（1.清華大學(xué)電機系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

引言

微電網(wǎng)是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一組由微電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元。微電網(wǎng)是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤島運行。隨著配電系統(tǒng)的發(fā)展，直流微電網(wǎng)將比交流微電網(wǎng)更具優(yōu)勢。直流微電網(wǎng)中各種微型電源與直流母線的連接形式更為簡單，不需考慮交流電源輸出電壓的頻率、相位等問題，所以，系統(tǒng)成本和損耗將大幅減少[1]。由于無集膚效應(yīng)，直流電源線提供了更強的帶載能力。交流微電網(wǎng)存在一些復(fù)雜的問題，如分布式電源間的同步、無功功率流動、諧波電流和三相不平衡等，使得交流微電網(wǎng)的控制比直流微電網(wǎng)的控制復(fù)雜得多[2]。直流微電網(wǎng)的普及應(yīng)用，將對人們生產(chǎn)、生活等方面產(chǎn)生深遠影響。

為了使直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，一個可靠的能量管理系統(tǒng)是必不可少的。文獻[3]分別介紹了直流微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式下的運行特性，利用蓄電池和超級電容兩個儲能元件配合工作來維持直流微電網(wǎng)的功率平衡，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是，在并網(wǎng)模式下，大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間始終存在著功率交換，使得微電網(wǎng)自給自足的優(yōu)點沒有充分的發(fā)揮出來。文獻[4]介紹了分布式光伏發(fā)電直流型微電網(wǎng)的工作原理，直流微電網(wǎng)內(nèi)設(shè)一條公共主直流母線和許多分支直流母線，并且不同供電單元分支直流母線電壓值可以設(shè)置得不一樣，從而增強了光伏電源和本地負荷接入的靈活性。但是，該文只允許大電網(wǎng)作為備份電源放電，而當微電網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)生盈余電能時不能并入大電網(wǎng)，從而造成了電能的浪費。文獻[5]只是介紹了直流微電網(wǎng)孤島運行時的特點，沒有考慮到直流微電網(wǎng)在并網(wǎng)下的控制策略，使得微電網(wǎng)的使用范圍縮小。綜合以上文獻中的特點，該文提出了一種新的控制策略，結(jié)合微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及綜合控制目標，分別設(shè)計了系統(tǒng)在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式下的光伏發(fā)電單元的控制策略。針對并網(wǎng)離網(wǎng)模式切換時系統(tǒng)控制方式的變化，研究了模式切換時的判斷條件及切換過程的控制策略，以實現(xiàn)兩種模式之間的平滑過渡。直流母線電壓是判斷直流微電網(wǎng)可靠性的唯一標準，不同的工作模式下由不同的變換器來維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)工作模式的選擇

本文設(shè)計的系統(tǒng)原理圖如圖1所示，光伏電池陣列由單向DC-DC控制，為了降低因某個光伏電池組件工作異常對整個系統(tǒng)的影響，并考慮到單相DC-DC輸入輸出電壓的變化范圍，本系統(tǒng)采用三組Boost變換器并聯(lián)控制的策略，三組光伏陣列由各自的Boost變換器控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，互不影響工作。鋰電池的工作狀態(tài)由雙向DC-DC控制。當大電網(wǎng)正常時，直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，當大電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，直流微電網(wǎng)則將并網(wǎng)開關(guān)斷開，進行離網(wǎng)控制[6]。

圖1 直流微電網(wǎng)控制原理圖

1.1 離網(wǎng)控制策略

在離網(wǎng)控制模式下，由光伏電池和鋰電池配合工作，維持直流母線電壓的穩(wěn)定[7]。通過檢測直流母線電壓Uo，鋰電池端電壓Ur，光伏電池發(fā)出的總能量Ppv，負載需求能量Pload，可以將系統(tǒng)分為五個工作模式。系統(tǒng)中，直流母線電壓額定值、電壓上限、電壓下限分別由Uo*、Uo_max、Uo_min表示。鋰電池的過充電壓、過放電壓分別由Ur_max、Ur_min表示，鋰電池的充放電電流由Ir表示，其中鋰電池放電時電流為正值?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

（1）當鋰電池滿足 Ur_min＜Ur＜Ur_max時，光伏電池工作在MPPT模式，雙向DC-DC工作在Boost模式，由雙向DC-DC控制直流母線電壓的穩(wěn)定。

（2）當 Ur＞=Ur_max時，此時需要判斷直流母線電壓的大小，當直流母線電壓Uo＞=Uo_max時，說明此時光伏發(fā)出的能量大于負載所需，Boost變換器轉(zhuǎn)換為恒壓工作模式，雙向DC-DC轉(zhuǎn)為穩(wěn)壓限流模式，即由單相DC-DC控制直流母線電壓的穩(wěn)定，對鋰電池以一個恒定的電壓進行充電。

（3）在工作模式（2）時，當負載端功率突然增加很大或者光照變?nèi)鯐r，以至于光伏電池發(fā)出的能量無法維持直流母線電壓的穩(wěn)定，當檢測到Uo＜=Uo_min時，光伏電池將轉(zhuǎn)換為MPPT模式，雙向DC-DC轉(zhuǎn)為Boost模式，重新由雙向DC-DC維持直流母線電壓穩(wěn)定。

圖2 離網(wǎng)模式流程圖

（4）當工作模式（1）時，當檢測到 Ur＜=Ur_min時，將對鋰電池進行過放保護，此時將控制鋰電池的放電電流，使其放電電流為0。此時，若檢測到直流母線電壓Uo＜=Ur_min時，說明光伏單獨發(fā)出的能量已不能滿足負載需求，此時需要減小負載。在這種模式下，鋰電池只允許充電不允許放電。

（5）在工作模式（4）時，當鋰電池充了部分電后滿足 Ur_min＜Ur＜Ur_max時，系統(tǒng)可正常運行。

1.2 并網(wǎng)控制策略

在并網(wǎng)模式下，由大電網(wǎng)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，光伏電池始終處于最大功率跟蹤狀態(tài)。在儲能系統(tǒng)剩余容量正常時，大電網(wǎng)希望微電網(wǎng)減少與大電網(wǎng)的功率交換，實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部的 “自給自足”。所以，由光伏總能量與負載需求總能量的差值給鋰電池進行充放電[8]，使得大電網(wǎng)與微電網(wǎng)交換的功率很小。由于在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，負載的隨機性比較大，實時檢測負載功率較難，又因為光伏能量與負載能量的差值在量值上等于鋰電池功率與電網(wǎng)功率的差值，所以，由鋰電池功率與電網(wǎng)功率的差值來控制鋰電池的充放電電流。當鋰電池充電到其所允許的最大充電電壓時，將控制其不充電，此時光伏發(fā)出的能量傳送給大電網(wǎng)。當鋰電池小于其所允許的最大放電電壓時，將控制鋰電池不放電，此時由大電網(wǎng)給負載供電，并且給鋰電池充電到正常電壓范圍。為了保證當直流微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)到離網(wǎng)切換時，鋰電池具有一定的充放電能力，所以，在并網(wǎng)模式下，設(shè)定鋰電池所允許的最大充放電電壓比在離網(wǎng)模式下的設(shè)定區(qū)間要小些[3]。

2 系統(tǒng)控制電路的實現(xiàn)

2.1 離網(wǎng)控制原理圖

當鋰電池處于正常工作狀態(tài)時，單向DC-DC工作在MPPT模式，雙向DC-DC工作在Boost模式，即由雙向DC-DC控制直流母線電壓的穩(wěn)定。當光伏發(fā)出的能量大于負載所需時，多余的能量就向鋰電池充電。反之，由鋰電池放電給負載。由此可知，電池的能量是可雙向流動的，具體的控制原理圖如圖3所示。

當鋰電池過充時，若檢測到直流母線電壓達到最大允許值，單向DC-DC就切換到恒壓工作模式，雙向DC-DC就切換到穩(wěn)壓限流工作模式。此時，由光伏電池維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并且以一個恒定的電壓給鋰電池進行充電。由此可知，此時鋰電池只允許充電不允許放電。具體的控制原理圖如圖4所示。

2.2 并網(wǎng)控制原理圖

圖3 工作模式（1）控制原理圖

圖4 工作模式（2）控制原理圖

并網(wǎng)模式下，光伏電池始終處于MPPT模式，由AC-DC逆變器維持直流母線電壓的穩(wěn)定，由光伏總能量與負載需求總能量的差值控制鋰電池的充放電，電池的能量是可雙向流動的。具體的控制原理圖如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)控制原理圖

3 實驗驗證

通過實驗，驗證整個系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。根據(jù)原理圖搭建實驗平臺，使用的試驗樣機如圖6所示，實驗中所用到的參數(shù)如表1所示。實驗波形中Ua、Ia分別表示電網(wǎng)A相的電壓和電流，其中當Ia與Ua同向時代表光伏電池在給電網(wǎng)輸送功率。

表1 直流微電網(wǎng)各部分組成參數(shù)

圖7 給出了在并網(wǎng)模式下，當鋰電池充滿時系統(tǒng)的工作模式。開始時鋰電池正常工作，光伏電池能量一部分給負載供電，剩余的能量給鋰電池充電。在t1時刻，鋰電池的端電壓達到了105 V，此時將控制鋰電池不再充電，光伏電池剩余的能量將輸送給電網(wǎng)。圖8是圖7在t2與t3時刻之間電網(wǎng)電壓和電流的放大波形。

圖6 實驗平臺

圖9 給出的實驗波形是系統(tǒng)在離網(wǎng)與并網(wǎng)切換的實驗波形，t1時刻，啟動各個變換器工作，系統(tǒng)啟動時有個小電流流入電網(wǎng)，很快便恢復(fù)到正常，流入電網(wǎng)電流接近于0。t2時刻，斷開電網(wǎng)，t3時刻電網(wǎng)恢復(fù)到正常，由波形可看出，在離網(wǎng)與并網(wǎng)模式切換時，直流母線電壓基本不變，系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖10 給出了在離網(wǎng)模式下系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換的仿真波形。光伏電池工作在MPPT模式，雙向DC-DC工作在Boost模式，開始時，光伏電池發(fā)出的功率遠大于負載需求，多余的能量向鋰電池進行充電。t1時刻檢測到Ur＞=112 V時，鋰電池的充電電流將逐漸減少，此時迫使直流母線電壓上升。當Uo＞=135 V時，光伏切換到恒壓模式，雙向DC-DC切換到穩(wěn)壓限流模式。t2時刻，突然加大負載，當前模式無法維持母線電壓穩(wěn)定，當Uo<=112 V時，系統(tǒng)更換工作模式，重新恢復(fù)到MPPT工作模式下工作。

圖7 并網(wǎng)模式下，當電池充滿時系統(tǒng)的工作狀況

圖8 并網(wǎng)模式下，當電池充滿時光伏電池向電網(wǎng)輸送能量時電網(wǎng)電壓電流波形

圖9 系統(tǒng)在離網(wǎng)并網(wǎng)切換的實驗波形

圖10 系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換的實驗波形

圖11 給出了離網(wǎng)工作模式下，鋰電池在欠壓保護工況下的實驗波形。在t1時刻，電池管理系統(tǒng)發(fā)出SOC過低的信號，此時將控制鋰電池不再放電，由于此時Uo仍大于80 V，所以光伏電池發(fā)出的功率仍能滿足負載需求，在t2時刻減少負載，光伏能量給鋰電池充電。充電一段時間后(t3時刻)，電池管理系統(tǒng)將SOC過低標志位清零，此刻之后，鋰電池和光伏電池又可以共同為負載供電，維持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

圖11 鋰電池欠壓保護時的實驗波形

本文提出一種直流微電網(wǎng)的能量控制策略，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。當外界條件發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)總能很好的發(fā)揮其控制作用，使得系統(tǒng)總是以最優(yōu)的工作狀態(tài)運行，維持了直流母線電壓的穩(wěn)定并且實現(xiàn)了系統(tǒng)并網(wǎng)離網(wǎng)工作模式的平滑切換。通過物理實驗驗證了所提控制策略的可行性。

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