張富洲，姚楠，郭雪麗，王修龐，李吉浩

(國(guó)網(wǎng)南陽供電公司，河南南陽473005)

低壓微型直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略

張富洲，姚楠，郭雪麗，王修龐，李吉浩

(國(guó)網(wǎng)南陽供電公司，河南南陽473005)

直流微電網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和能耗較小等優(yōu)點(diǎn)，將成為偏遠(yuǎn)山村和未來家庭的主要供電結(jié)構(gòu)。以由太陽電池陣列、蓄電池組和可控負(fù)載等組成的低壓微型光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)系統(tǒng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式，采用了主從并聯(lián)和母線電壓下垂相結(jié)合的控制模式，實(shí)現(xiàn)了直流微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制。最后，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和光伏直流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)能量協(xié)調(diào)控制策略的合理性和正確性。

直流微電網(wǎng)；主從并聯(lián)控制；電壓下垂控制；最大功率點(diǎn)跟蹤

在追求低碳社會(huì)的今天，太陽能作為一種清潔的分布式再生能源被廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)的不斷提高，直流微電網(wǎng)將得到快速發(fā)展。直流微電網(wǎng)具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和能量損耗較小等優(yōu)點(diǎn)，將成為偏遠(yuǎn)山村和未來家庭主要供電模式之一[1-2]。

直流微電網(wǎng)的研究重點(diǎn)是分布式發(fā)電模塊、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載之間的協(xié)調(diào)控制[3-4]。目前，微電網(wǎng)中常用的協(xié)調(diào)控制方法為主從并聯(lián)法和母線電壓下垂法[5]。采用主從并聯(lián)法的直流微電網(wǎng)中須包含主單元和從單元。主單元負(fù)責(zé)穩(wěn)定母線電壓，采用恒壓控制；從單元采用恒流控制，控制策略簡(jiǎn)單可靠，唯一的不足是各單元之間需要快速通信，對(duì)通信條件要求較高。而母線電壓下垂控制法是利用各個(gè)單元的輸出電流，改變單元的等效輸出電阻，實(shí)現(xiàn)均流控制。母線電壓下垂控制在本地實(shí)現(xiàn)，不需要各單元之間的快速通信，提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

為充分利用以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用主從并聯(lián)和母線電壓下垂相結(jié)合的控制策略[6-7]。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，采用主從并聯(lián)控制方法，以微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的接口電路為主單元，控制母線電壓恒定；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，采用母線電壓下垂控制方法，各單元根據(jù)下垂控制曲線，控制輸出電流，從而維持微電網(wǎng)的能量平衡。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的低壓微型光伏直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由光伏電池陣列發(fā)電、蓄電池組儲(chǔ)能和直流負(fù)載等單元組成。系統(tǒng)直流母線電壓Udc為350 V，光伏電池陣列通過Boost功率變換器向直流母線輸入電能；蓄電池組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連，實(shí)現(xiàn)充放電的功能；直流負(fù)載通過Buck變換器從直流母線吸收電能；整個(gè)直流微電網(wǎng)通過三相全橋逆變器與主電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)控制。

圖1 直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

2.1 直流微電網(wǎng)并網(wǎng)模式的控制策略

主電網(wǎng)運(yùn)行正常時(shí)，以三相全橋逆變器作為主單元，蓄電池組作為負(fù)載，不能工作在放電模式。當(dāng)光伏陣列產(chǎn)生的能量大于負(fù)載所需能量時(shí)，三相全橋逆變器工作在逆變模式，把微電網(wǎng)內(nèi)剩余能量以單位功率因數(shù)輸送到主電網(wǎng)；當(dāng)光伏陣列產(chǎn)生的能量不足時(shí)，三相全橋逆變器工作在整流模式，并以單位功率因數(shù)從主電網(wǎng)內(nèi)獲取電能。三相全橋逆變器不但要維持微電網(wǎng)中的能量，而且還必須穩(wěn)定微電網(wǎng)中直流母線電壓Udc=350 V。

2.2 直流微電網(wǎng)孤島模式的控制策略

當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)采用直流母線電壓下垂控制方法，光伏電池陣列和蓄電池組的靜態(tài)V-I特性曲線如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)內(nèi)能量單元的靜態(tài)V-I特性曲線

由圖2(a)可得，當(dāng)350 V

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，Boost變換器工作在電壓下垂控制模式，規(guī)定此時(shí)負(fù)載功率為額定值的40%，則Boost變換器的下垂控制曲線斜率kpv為：

式中：Usp為空載時(shí)的設(shè)置點(diǎn)電壓，這里取370 V；Um為下垂曲線上最低電壓值，這里取350 V；Pl=4 kW，為負(fù)載額定功率；n=2，為光伏電池陣列的組數(shù)。

雙向DC/DC變換器的電壓下垂控制曲線斜率kb為：

式中：Umbc=360 V，為最大充電電流Ibc對(duì)應(yīng)的最小母線電壓；Umbd=340 V，為最大放電電流Ibd對(duì)應(yīng)的最大母線電壓，設(shè)置Ibc=－20 A，Ibd=20 A。

基于以上分析，直流微電網(wǎng)各單元的6種可能的工作模式如表1所示。

?????????????????????? Boost??? ??DC/DC??????????????/V??? MPPT ???/?? ??(??) 350??? MPPT ???/?? ??(??) 350??? ??? ???/?? ??(??) 350??? ???? ???/?? ??? 350～370??? MPPT ???/??/ ? ??? 330～350??! ??? ? ??? 330～350

3 接口變換器控制策略

光伏直流微電網(wǎng)的接口變換器的大信號(hào)平均模型如圖3所示，圖中標(biāo)出了各單元電流正方向。

圖3 光伏直流微電網(wǎng)大信號(hào)平均模型

3.1 主電網(wǎng)接口電路控制策略

主電網(wǎng)接口電路為三相全橋逆變器，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。直流母線電壓采用PI控制器，并網(wǎng)電流采用比例諧振(PR)控制器。并網(wǎng)模式下，母線電壓Udc恒為350 V。

圖4 三相全橋逆變器控制框圖

3.2 光伏陣列接口電路控制策略

光伏陣列接口電路為Boost變換器，根據(jù)圖3得出該變換器的平均模型為：

Boost變換器有最大功率跟蹤控制和電壓下垂控制兩種模式。當(dāng)主電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)直流母線由三相全橋逆變器穩(wěn)定，Boost變換器運(yùn)行在最大功率跟蹤控制模式，本文采用的MPPT算法為基于PI控制器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，該模式控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，Boost變換器運(yùn)行在電壓下垂控制模式，控制曲線如圖2(a)和式(1)所示。母線電壓Udc高于350V時(shí)，采用下垂控制模式，Udc低于350 V時(shí)，采用MPPT控制模式，以最大功率輸出，穩(wěn)定母線電壓。下垂控制模式結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 Boost逆變器最大功率跟蹤控制框圖

圖6 Boost逆變器下垂控制框圖

3.3 蓄電池組接口電路控制策略

蓄電池組接口電路為雙向DC/DC變換器，根據(jù)圖3得出該變換器的平均模型為：

式中：dB為開關(guān)T8的占空比。

主電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，雙向DC/DC變換器只有充電和不工作兩種模式，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。SOC算法根據(jù)蓄電池組輸出電壓得到合適的充電電流，充電方法采用三階段充電法，電流控制環(huán)節(jié)采用PI控制器。

圖7 并網(wǎng)模式下蓄電池組充電控制框圖

當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，雙向DC/DC變換器運(yùn)行在電壓下垂控制模式，控制曲線如圖2(b)和式(2)所示。母線電壓Udc滿足340 V

圖8 孤島模式下蓄電池組充放電控制框圖

3.4 負(fù)載接口電路控制策略

負(fù)載接口電路為常用的Buck變換器，根據(jù)圖3得出該變換器的平均模型為：

該變換器采用電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖9所示。通過改變負(fù)載電壓Ul的大小，調(diào)節(jié)負(fù)載功率，電壓和電流環(huán)均采用PI控制器。

圖9 負(fù)載接口電路控制框圖

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述控制策略的正確性，基于Matlab搭建了系統(tǒng)仿真平臺(tái)，系統(tǒng)仿真模型如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)仿真模型

由圖10可知，該系統(tǒng)由光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、負(fù)載模塊和電網(wǎng)側(cè)接口模塊等組成，其中光伏發(fā)電模塊由5組額定功率為2 000 W的光伏陣列發(fā)電單元組成，蓄電池組由10塊12 V/100 Ah的蓄電池串聯(lián)而成。

4.1 并網(wǎng)模式仿真結(jié)果

并網(wǎng)模式下，光伏直流微電網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果如圖11(a)所示，為便于觀察，縮小了變壓器二次側(cè)電壓μs。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，光伏發(fā)電模塊和儲(chǔ)能模塊不工作，負(fù)載功率為1 000 W，雙開關(guān)Buck-Boost變換器工作在Buck模式，負(fù)載電壓恒定，即Ud=220 V，通過改變負(fù)載電阻的大小，調(diào)節(jié)負(fù)載功率。由圖11(a)可知，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間為0.15 s，三相全橋逆變器工作在整流模式，穩(wěn)定運(yùn)行的母線電壓Udc為350 V，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為單位功率因數(shù)，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖11 并網(wǎng)模式的仿真結(jié)果(1)

當(dāng)t=0.4 s時(shí)，光伏發(fā)電模塊開始工作，并工作在MPPT模式，外界條件設(shè)置為：溫度T=25℃，光強(qiáng)S=600 W/m2，仿真結(jié)果如圖11(b)所示，Ppv為單組光伏陣列輸出功率，Upv為單組光伏陣列輸出電壓，光伏發(fā)電模塊發(fā)出總功率約為5 000 W，負(fù)載功率不變，三相逆變器由整流模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀兡Ｊ剑绷髂妇€電壓Udc經(jīng)過0.1 s的暫態(tài)過程仍恒定為350 V，并以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸送功率約為4 000 W。

當(dāng)t=0.8 s時(shí)，負(fù)載功率增加為2 000 W，光伏發(fā)電模塊輸出功率不變，仿真結(jié)果如圖12(a)所示，逆變器向電網(wǎng)輸送功率減為3 000 W，單相并網(wǎng)電流i2峰值由17.14 A降為12.85 A。

圖12 并網(wǎng)模式的仿真結(jié)果(2)

當(dāng)t=1.2 s時(shí)，負(fù)載功率為2 000 W，光伏發(fā)電模塊輸出功率仍為5 000 W，蓄電池組模塊開始工作，雙向DC/DC變換器工作在Buck模式，基于蓄電池SOC的充電電流ib為10 A，變換器輸出電壓約為130 V，逆變器向電網(wǎng)輸送功率減為1 700 W左右。

整個(gè)過程，直流母線穩(wěn)態(tài)電壓在并網(wǎng)控制器的控制下始終為350 V，動(dòng)態(tài)過程短，且超調(diào)較??；電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)在逆變模式和整流模式始終為單位功率因數(shù)；系統(tǒng)能量由雙向DC/AC單元來平衡。仿真結(jié)果和以上分析驗(yàn)證了光伏微電網(wǎng)控制系統(tǒng)抗擾能力強(qiáng)，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 孤島模式仿真結(jié)果

孤島模式下，雙向DC/AC單元停止，微網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開，模擬主電網(wǎng)故障時(shí)光伏直流微電網(wǎng)的工作狀態(tài)。光伏直流微電網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果如圖13(a)所示，啟動(dòng)時(shí)光伏發(fā)電模塊工作在電壓下垂模式，啟動(dòng)電壓值略低于370 V，本文取365 V；外界溫度T=25℃，外界光強(qiáng)S=600 W/m2，單組光伏陣列可輸出最大功率約為1 000 W；負(fù)載功率為1 000 W，Boost變換器向直流母線輸出電流ip=0.55 A。當(dāng)t=0.4 s時(shí)，負(fù)載功率增加為3 000 W，此時(shí)直流母線電壓Udc跌至355 V。以上過程中，負(fù)載功率由光伏發(fā)電模塊提供。

圖13 孤島模式的仿真結(jié)果

當(dāng)t=0.8 s時(shí)，負(fù)載功率增加到6 000 W，此時(shí)Boost工作在MPPT模式，光伏發(fā)電模塊輸出最大功率5 000 W，1 000 W的功率缺額由蓄電池組提供，雙向DC/DC變換器工作在Boost模式，并由電壓下垂控制器控制蓄電池組輸出電流的大小，仿真結(jié)果如圖13(b)所示。由圖可知，Boost變換器輸出電流ip由1.7 A增加為2.89 A，蓄電池組輸出電流ib=7.1 A，此時(shí)母線電壓Udc穩(wěn)定在346.4 V。

當(dāng)t=1.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度降低，光伏發(fā)電模塊最大輸出降為4 000 W，負(fù)載功率不變，蓄電池組輸出功率增加到2 000 W，直流母線電壓Udc降為342.8 V，Boost變換器輸出電流ip由2.89 A減小到2.33 A，蓄電池組輸出電流增加到14.4 A。

當(dāng)t=1.6 s時(shí)，光伏發(fā)電模塊輸出功率為0，模擬夜晚?xiàng)l件光伏電池陣列工作情況，負(fù)載功率仍為6 000 W；由于蓄電池組的最大輸出電流被限制為20 A，其提供的最大輸出功率約為2 400 W，蓄電池組提供不了足夠能量，導(dǎo)致母線電壓一直跌落，蓄電池組輸出電流也一直增大到限定值。如果直流母線電壓低于330 V，微電網(wǎng)切斷負(fù)載，停止工作。

5 結(jié)論

本文以低壓微型光伏直流微電網(wǎng)為研究對(duì)象，提出了微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式下的控制策略。針對(duì)光伏直流微電網(wǎng)中各個(gè)模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的狀態(tài)空間平均模型。詳細(xì)分析了微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式下的控制策略，給出了各個(gè)模塊在不同模式下可能的工作狀態(tài)。對(duì)模塊的工作狀態(tài)，提出了合理有效的控制策略?；谙到y(tǒng)模型分析和控制策略，給出了系統(tǒng)相關(guān)硬件參數(shù)，搭建了光伏直流微電網(wǎng)Matlab仿真平臺(tái)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所采用控制策略的合理性和可行性。

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Coordinated control strategy for low voltage miniature DC microgrid

ZHANG Fu-zhou,YAO Nan,GUO Xue-li,WANG Xiu-pang,LI Ji-hao
(State Grid Nanyang Power Supply Company,Nanyang Henan 473005,China)

DC microgrid has advantages of simple structure,reliable operation and low power consumption and could become the main power supply structure for remote mountain villages and future family.The low voltage miniature DC photovoltaic microgrid system with components of solar arrays,batteries and controllable load was studied,and for the island against the system and network operation mode,the master-slave parallel and bus voltage droop control mode were used to achieve the DC micro-grid energy coordination and control.Based on Matlab/Simulink simulation platform and photovoltaic DC micro-grid experimental device,the system was simulated and experimental tested,and the results verify the system energy coordinated control strategy is correct and reasonable.

DC microgrid;master-slave parallel control;bus voltage droop control;MPPT

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1695-04

2015-08-28

張富洲(1969—)，男，河南省人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榉植际诫娫吹慕尤肱c控制。