鄒磊 李光平

摘 要：為推動智慧城市新能源系統(tǒng)的建設(shè)，本文將建立一種基于智能微電網(wǎng)的充電系統(tǒng)，給智慧出行提供新的思路。智能微電網(wǎng)充電系統(tǒng)運行于孤島模式，由于不需要與大電網(wǎng)電氣聯(lián)系，因而可以靈活地建立在城市的各個角落。孤島智能電網(wǎng)充電系統(tǒng)是否能良好運行取決于母線電壓的穩(wěn)定性及能量流動的平穩(wěn)性。因此本文重點研究母線電壓的控制和能量流動管理方法，針對孤島運行的交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過控制策略，旨在當(dāng)系統(tǒng)外部發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠及時做出應(yīng)對，保持母線電壓穩(wěn)定，也能讓交流側(cè)與直流側(cè)之間的能量互通。本文建立了一個典型的交直流微電網(wǎng)模型，并利用Matlab仿真驗證了控制策略的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： 智能微電網(wǎng);智慧能源;母線電壓穩(wěn)定;能量流動

文章編號： 2095-2163（2019）03-0069-06?中圖分類號： TM910.6?文獻標志碼： A

0?引?言

隨著電動汽車、代步平衡車等產(chǎn)品的快速增長，給人們的出行帶來了極大的方便，而且電池能源相對于燃油更加清潔，對環(huán)境的污染起到了一定的緩解作用。但是隨之而來的問題也比較明顯，例如：大量的電動產(chǎn)品會使電網(wǎng)負荷不斷增大，對電網(wǎng)的運行效率有很大的沖擊，而增加配電設(shè)備容量將會涉及變電站建設(shè)、線路建設(shè)、多部門協(xié)調(diào)及復(fù)雜的施工改造等問題，成本巨大，推動過程緩慢，將不利于電動汽車的推廣和普及;同時，目前市面上大多電動產(chǎn)品的電池續(xù)航能力令人堪憂，經(jīng)常需要充電，有時甚至?xí)诼飞暇统霈F(xiàn)電量不足的情況。

針對上述一些問題，本文以光儲交直流微電網(wǎng)為研究對象，搭建一個基于智能微電網(wǎng)的充電系統(tǒng)，并運行于孤島模式。

1?智能微電網(wǎng)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的智能微電網(wǎng)的充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由光伏裝置（PV）、儲能模塊以及交直流負荷單元組成。

圖1中，直流側(cè)光伏裝置通過升壓式DC-DC電路接入到直流母線中，儲能裝置通過雙向DC-DC電路接入到直流母線中，交流側(cè)光伏裝置通過DC-AC逆變器接入到交流母線中，負荷單元分為直流負荷和交流負荷。

2?系統(tǒng)各裝置的控制

2.1?雙向逆變器的控制

雙向逆變器可以實現(xiàn)能量的雙向流動，既可以把直流電源輸出的直流電逆變成交流電，供給交流負荷，或者直接流入電網(wǎng)，又可以把電網(wǎng)的交流電整流為直流電，供給直流負荷，或者給儲能裝置充電[1-3]。雙向逆變器在微電網(wǎng)中有著重要的作用，為微電網(wǎng)內(nèi)部的能量流動提供了可靠依據(jù)。

主逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。主逆變器連接著直流子系統(tǒng)和交流子系統(tǒng)，本文規(guī)定直流子系統(tǒng)向交流子系統(tǒng)發(fā)送能量的方向為正方向，Cq為直流側(cè)的濾波電容，交流側(cè)采用LC濾波器。

基于基爾霍夫定律下的電路關(guān)系的數(shù)學(xué)表述如下：

對式（9）、式（10）經(jīng)由拉氏變換后得到電壓外環(huán)控制框圖，與電流內(nèi)環(huán)聯(lián)立，可得電壓電流雙環(huán)控制及解耦控制框圖分別如圖3、圖4所示。

2.2?光伏裝置的控制

大力發(fā)展光伏發(fā)電是中國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，對中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、促進節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[4-6]。

光伏裝置的控制仿真圖如圖5所示。光伏電池在一定的溫度和輻照度下工作，溫度和輻照度會隨著實際的外界條件而改變。光伏裝置經(jīng)過升壓電路后，輸出作用于微電網(wǎng)系統(tǒng)。MPPT（maximum power point）、即最大功率點算法，外界氣候環(huán)境確定時，光伏電池所發(fā)功率的最大值也是唯一的。常見的有2種基本的MPPT方法：擾動觀察法和電導(dǎo)增量法。本文采用的是擾動觀測法，即平移輸出電壓值，尋找到最大的功率輸出點。

2.3?儲能裝置的控制

在實際應(yīng)用中，太陽能、風(fēng)能等新能源受時間段和天氣因素的影響較大，因此，其發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不易調(diào)度、波動性大[7]。這類新能源屬于一種不可調(diào)控類的電力能源，致使電網(wǎng)接納面臨電能質(zhì)量控制、配電管理及電力調(diào)度等亟待解決的關(guān)鍵問題。伴隨風(fēng)電、光電系統(tǒng)對配電網(wǎng)滲透率的日益提升，其對配電網(wǎng)經(jīng)濟運行及電能質(zhì)量所產(chǎn)生的負面影響將越來越大，已成為時下學(xué)界的研究熱點之一[8-10]。而配置儲能系統(tǒng)則恰好可以應(yīng)對這些問題。從發(fā)電側(cè)看，儲能裝置的“平滑電流輸出”功能可以為分布式光伏發(fā)電中的電網(wǎng)接入提供良好技術(shù)支持;對于用電側(cè)，儲能系統(tǒng)的“削峰填谷”功能為實現(xiàn)錯時用電提供了可能[11-12]。配置儲能系統(tǒng)是未來風(fēng)電、光電應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

儲能裝置的仿真模型和孤島模式下的控制框圖詳見圖6、圖7。為了保持直流子系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定，儲能裝置在孤島模式下采用電壓外環(huán)控制。Udc-ref為給定的直流母線參考電壓，Udc為測得的直流母線實時電壓值，經(jīng)過作差后利用PI控制得到電流的參考值，與實際電流再次作差，此后經(jīng)過PI控制，從而形成PWM驅(qū)動信號。

3?仿真與分析

3.1?工況分析

微源輸出功率的變化以及負載的變化會影響到整個微電網(wǎng)的能量流動方向，根據(jù)能量流動方向的不同，列出孤島運行時的典型工況。對此可做研究闡述如下。

工況一：直流側(cè)向交流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池充電。

工況二：交流側(cè)向直流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池充電。

工況三：直流側(cè)與交流側(cè)之間無能量交換，蓄電池充電。

工況四：直流側(cè)向交流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池放電。

工況五：交流側(cè)向直流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池放電。

工況六：直流側(cè)與交流側(cè)之間無能量交換，蓄電池放電。

工況七：直流側(cè)向交流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池既不充電、也不放電。

工況八：交流側(cè)向直流側(cè)發(fā)送能量，蓄電池既不充電、也不放電。

工況九：直流側(cè)與交流側(cè)之間無能量交換，蓄電池既不充電、也不放電。

（Pe：直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)交換能量，規(guī)定直流子系統(tǒng)向交流子系統(tǒng)發(fā)送能量為正。

Pdcpv：直流側(cè)光伏產(chǎn)生的能量，規(guī)定為正。

Pacpv：交流側(cè)光伏產(chǎn)生的能量，規(guī)定為正。

Pdcload：直流負載消耗的能量，規(guī)定為負。

Pacload：交側(cè)負載消耗的能量，規(guī)定為負。

Pbatterry：儲能單元充放電能量，規(guī)定放電為正，充電為負）。

基于此，可推得如下數(shù)學(xué)公式：

3.2?仿真與分析

3.2.1?從工況一切換到工況二

表1顯示了整個交直流混合微電網(wǎng)在孤島模式下，從工況一切換到工況二，各個部分的實時功率值。由于交流側(cè)負載的減少造成了直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)之間的能量流動的方向變換，主要表現(xiàn)為直流子系統(tǒng)向交流子系統(tǒng)從發(fā)出10 Kw到消耗10 Kw的過程。

交直流混合微電網(wǎng)各個部分的實時功率值如圖8所示。1 s時，交流負載突然減小，由30 Kw減小到10 Kw。圖9為儲能裝置的容量，一直表現(xiàn)為充電狀態(tài)，充電速率在1 s后變大。圖10為直流母線電壓，1 s前穩(wěn)定在700 V，1 ?s時發(fā)生超調(diào)，然后在1.15 s時重新穩(wěn)定在700 V，超調(diào)31 V，幅度約為4.5%。圖11為交流母線三相電壓，在1 s時，有輕微超調(diào)，然后穩(wěn)定。圖12為直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)之間A相電壓電流，在1 s時，電流發(fā)生換向，并快速穩(wěn)定下來，電流幅度不變。

3.2.2 在孤島模式下，從工況一切換到工況四

表2顯示了整個交直流混合微電網(wǎng)在孤島模式下，從工況一切換到工況四，各個部分的實時功率值。由于直流光伏的輸出減少造成了儲能裝置的能量流動的方向變換，主要表現(xiàn)為儲能裝置從充電到放電的過程。

交直流混合微電網(wǎng)各個部分的實時功率值如圖13所示。1 s時，直流光伏的輸出突然減小，由40 Kw減小到20 Kw，儲能裝置的能量流動換向，從消耗能量到產(chǎn)生能量。圖14為儲能裝置的容量，從充電到放電。圖15為直流母線電壓，1 s前穩(wěn)定在700 V，1 s時發(fā)生跌落，然后在1.15 s時重新穩(wěn)定在700 V，跌落30 V，幅度約為4.4%。圖16為交流母線三相電壓，一直處于穩(wěn)定。圖17為直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)之間A相電壓電流，電壓電流均穩(wěn)定，沒有換向。

4?結(jié)束語

本文建立了一種基于智能微電網(wǎng)的充電系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中的各個裝置進行了控制策略的研究，實驗結(jié)果表明，母線電壓的控制效果良好，能量流動平穩(wěn)?？捎糜诔鞘兄须妱悠嚨某潆姡嬲龑崿F(xiàn)節(jié)能減排，增強了電動汽車充電的靈活性。

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