趙梅花，吳茜瓊，孫南海，李廣倫，武超

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 洛陽(yáng)，471023)

戶用型微電網(wǎng)是為了滿足特殊地理位置及特殊環(huán)境用電需求而建設(shè)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，是能實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)。特殊的用戶環(huán)境要求微電網(wǎng)既能實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)斷開的獨(dú)立運(yùn)行(孤島運(yùn)行)[1-3]。

戶用型微電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝置主要有蓄電池組及超級(jí)電容組等儲(chǔ)能微源，因儲(chǔ)能微源端電壓不等于直流母線電壓，一般采用雙向直流-直流(DC/DC)變換裝置與直流母線間接相連。通過對(duì)雙向DC/DC斬波器工作模式的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能微源的充放電管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理[4-5]。

論文研究對(duì)象為戶用型微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器，依據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)能量平衡與能量管理的要求，對(duì)雙向DC/DC變換器的控制策略進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)雙向全橋 DC/DC提出了雙重移相控制策略。該控制策略雖抑制了電路的回流功率，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件及硬件的實(shí)現(xiàn)難度較大。

文中以升降壓型雙向DC/DC變換器為研究對(duì)象，依據(jù)微電網(wǎng)發(fā)配電系統(tǒng)對(duì)能量管理的要求，分別設(shè)計(jì)了直流-直流變換器運(yùn)行于降壓(Buck)與升壓(Boost)模式下的充、放電控制策略。采用仿真研究驗(yàn)證控制策略實(shí)現(xiàn)了預(yù)定控制目標(biāo)。

1 戶用型微電網(wǎng)基本架構(gòu)

圖1為文中研究的戶用型直流微電網(wǎng)架構(gòu)。

圖1 戶用型微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 The architecture diagram for a residential micro-grid system

圖1的構(gòu)架主要由光伏陣列及升壓斬波器(Boost)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及整流器(AC/DC)、儲(chǔ)能微源(蓄電池組、超級(jí)電容組)及雙向DC/DC變換器、直流母線及DC/AC逆變器、交/直流用電負(fù)載、市電網(wǎng)、系統(tǒng)控制與能量管理等模塊構(gòu)成。其中系統(tǒng)控制與能量管理模塊統(tǒng)一調(diào)度和控制各功能模塊之間協(xié)調(diào)工作，完成微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)。

圖1架構(gòu)中儲(chǔ)能微源進(jìn)行充放電的管理與控制是通過對(duì)雙向DC/DC變換器的控制來實(shí)現(xiàn)的。儲(chǔ)能微源包括蓄電池組與超級(jí)電容組，文中僅以蓄電池組的充放電為例進(jìn)行研究，蓄電池組額定端電壓為240V。

充電原則：當(dāng)蓄電池組端電壓小于額定電壓240V時(shí)，采用恒流充電模式；當(dāng)端電壓升到264V高于額定電壓10%時(shí)，切換到恒壓充電模式；當(dāng)下列其中一種現(xiàn)象(最高單體電壓大于3.65V、或蓄電池荷電狀態(tài)SOC>0.9、或充電電流小于0.2A)發(fā)生時(shí)，蓄電池能量管理系統(tǒng)(energy storage systems，EMS)將給工控機(jī)發(fā)出相應(yīng)的故障信號(hào)，此時(shí)工控機(jī)根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)綜合控制原則，形成輸出控制指令，控制雙向DC/DC終止充電運(yùn)行模式。

放電原則：當(dāng)放電過程中出現(xiàn)下列其中一種現(xiàn)象(蓄電池組端電壓降至210V、或SOC<0.2、或最低單體電壓小于2.5V)發(fā)生時(shí)，EMS給工控機(jī)發(fā)出故障信號(hào)，工控機(jī)發(fā)出輸出控制指令，控制雙向DC/DC終止放電運(yùn)行模式。

2 Buck/Boost雙向DC/DC變換器工作模式

2.1 Buck/Boost雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為升降壓雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，AB端為低壓端，使用時(shí)接電池組或超級(jí)電容器組輸出端，CD端為高壓端，使用時(shí)與直流母線相連。

圖2 Buck/Boost雙向DC/DC變換器拓?fù)銯ig.2 The topology of a bidirectional DC/DC converter

2.2 Buck工作模式

關(guān)斷VT2，控制VT1按PWM方式工作，雙向DC/DC變換器就工作于Buck模式，此時(shí)直流母線為蓄電池組充電，其充電等效電路如圖3所示，圖中的Cbat起濾波、儲(chǔ)能及穩(wěn)壓作用。

圖3(a)中，關(guān)斷VT2，VT1受控于PWM高電平導(dǎo)通，直流母線與電感 L共同為蓄電池組充電，其充電回路為Udc(+)→VT1→RL→L→Cbat→Udc(-)。

(a)直流母線及電感L共同為蓄電池充電

(b)電感L給蓄電池充電圖3 Buck運(yùn)行模式Fig.3 Buck running mode

圖3(b)中，關(guān)斷VT2，VT1受控于PWM低電平關(guān)斷、電感 L為蓄電池組充電，其充電回路為L(zhǎng)(+)→Cbat→VD2→RL→L(-)。

2.3 Boost工作模式

關(guān)斷VT1，控制VT2按PWM方式工作，雙向DC/DC變換器就工作于Boost模式，蓄電池組放電為直流母線供電。其放電時(shí)等效電路如圖4所示。

(a)蓄電池給電感L充電

(b)蓄電池和電感L共同為直流母線充電

圖4(a)中，關(guān)斷VT1，VT2受控于PWM高電平導(dǎo)通，蓄電池組放電，為電感 L充電儲(chǔ)能，充電路徑為Cbat(+)→L→RL→VT2→Cbat(-)。

圖4(b)中，關(guān)斷VT1，VT2受控于PWM低電平關(guān)斷，此時(shí)蓄電池組和電感 L共同為直流母線充電。其充電回路為Udc(-)→Cbat→L→RL→VD1→Udc(+)。

3 雙向DC/DC充放電控制策略

3.1 恒流充電控制策略

根據(jù)蓄電池組充電規(guī)則設(shè)計(jì)了如圖5所示的恒流充電控制策略。

(a)蓄電池充電DC-DC等效電路

(b)電流閉環(huán)恒流充電控制策略圖5 恒流充電控制策略Fig.5 Control strategy of constant current charging mode

圖5(b)中，平均電流參考值i*bat來自能量管理系統(tǒng)(EMS)。能量管理系統(tǒng)根據(jù)Udc、微網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡、蓄電池SOC，以及蓄電池子系統(tǒng)與超級(jí)電容子系統(tǒng)協(xié)同工作等綜合原則，確定充電電流參考值。

ibat為蓄電池充電電流的實(shí)際值，通過電流傳感器獲得。電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)制波，對(duì)稱三角波為載波，通過PWM發(fā)生器生成PWM波去控制VT1工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。

3.2 恒壓放電控制策略

當(dāng)直流母線電壓Udc<460V時(shí)，由蓄電池放電來維持Udc的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的直流母線電壓Udc與蓄電池放電電流雙閉環(huán)控制策略如圖6所示。

圖6中直流母線電壓的給定值U*dc=460V，反饋值Udc來自直流母線電壓，通過直流電壓傳感器獲得。i*bat來自電壓閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出，ibat為蓄電池放電電流的實(shí)際值，通過電流傳感器獲得。電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)制波，對(duì)稱三角波為載波，通過PWM發(fā)生器生成PWM波去控制VT2工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。

(a)蓄電池放電DC/DC等效電路

(b)恒壓放電DC/DC控制策略圖6 恒壓放電模式控制策略Fig.6 Control strategy of constant voltage discharging mode

4 雙向DC-DC控制策略仿真

直流微電網(wǎng)U*dc=460V，當(dāng)U*dc>460V時(shí)，DC/DC工作于Buck模式，直流母線電壓為蓄電池組充電；當(dāng)U*dc<460V時(shí)，DC/DC工作于Boost模式，蓄電池組放電為直流母線供電。

根據(jù)圖5、圖6的控制策略，分別搭建Matlab仿真模型，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真研究，仿真波形如圖7、圖8及圖9所示。

(a) Ude=470V時(shí)恒流充電仿真波形

(b) Ude突變時(shí)恒流充電仿真波形

由圖7(a)可知，當(dāng)U*dc=470V>460V時(shí)， DC/DC變換器工作于Buck模式，直流母線對(duì)蓄電池組恒流充電(充電電流為規(guī)定負(fù)，放電電流為正)。

在圖7(b)中，當(dāng)U*dc在470V以上發(fā)生波動(dòng)時(shí)，如圖在0.1s時(shí)母線電壓突增20V，0.2s再恢復(fù)到原來的數(shù)值時(shí)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程控制系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)恒流充電。

圖8中，在0～0.15s內(nèi)，U*dc=440V (低于額定值460V)，此時(shí)雙向DC/DC運(yùn)行于Boost模式，蓄電池組放電支撐直流母線電壓；在0.15s時(shí)刻，U*dc由440V突然增加到480V，此時(shí)雙向DC/DC以Buck模式運(yùn)行，直流母線為蓄電池組充電。實(shí)現(xiàn)了充電與放電狀態(tài)的平穩(wěn)切換。

圖9可知，當(dāng)直流母線電壓給定值U*dc不變，隨著負(fù)載變化，雙向DC/DC在恒壓充放電控制策略作用下實(shí)現(xiàn)Buck與Boost模式的平滑切換，從而保持直流母線電壓Udc的穩(wěn)定。

圖8 U*dc突變時(shí)動(dòng)態(tài)仿真波形Fig.8 Dynamic simulation waveform in case of sudden change of U*dc

圖9 負(fù)載變化時(shí)動(dòng)態(tài)仿真波形Fig.9 Dynamic simulation waveform while the load changes

5 結(jié)論

文中主要研究了微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)Buck/Boost型雙向DC/DC變換器的控制策略。分別提出了Buck運(yùn)行模式下的平均電流控制策略和Boost運(yùn)行模式下的恒母線電壓控制策略?？刂撇呗缘目尚行酝ㄟ^仿真結(jié)果獲得了驗(yàn)證。