張繼紅 ，蘭永健 *，趙 銳 ，趙繼勇 2，楊培宏 ，吳振奎

（1.光熱與風(fēng)能發(fā)電自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古申源建設(shè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

近年來(lái)，能源危機(jī)、氣候變暖、環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題日趨嚴(yán)峻。為此，以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的清潔能源利用研究受到了世界各國(guó)的高度重視［1-3］。由于太陽(yáng)能、光伏等可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性等典型特征，出力受環(huán)境影響因素較大。為了充分利用這些清潔能源，增強(qiáng)綠色發(fā)電占比，提升分布式發(fā)電效率，微網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。微網(wǎng)是一種含分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等設(shè)備，并按一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件連結(jié)在一起的小型電網(wǎng)系統(tǒng)，按照能否并網(wǎng)運(yùn)行，微網(wǎng)可以分為并網(wǎng)型和獨(dú)立型兩種［4-5］。按照負(fù)載與各微源接入母線的不同，又可分為交流型、直流型以及交直流混合型［6-7］。同交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)無(wú)相位同步與趨膚效應(yīng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性較好。此外，由于直流微網(wǎng)減少了能量變化的中間環(huán)節(jié)，從而提高了能源利用效率。

由于直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行效率等突出優(yōu)勢(shì)逐步受到了學(xué)者們的青睞，因此，針對(duì)直流微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制及能量管理成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，并有不少文獻(xiàn)報(bào)道了相關(guān)控制方案。例如文獻(xiàn)［2］給出了對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和母線電壓的分段控制策略，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷功率的波動(dòng)預(yù)測(cè)，但未考慮不同電壓閾值的設(shè)定范圍，適于系統(tǒng)容量和規(guī)模較小微網(wǎng)；文獻(xiàn)［5］詳細(xì)研究了電壓分級(jí)控制方法，達(dá)到了微網(wǎng)的分層控制目的，但存在母線電壓波動(dòng)較大且模式切換次數(shù)較多現(xiàn)象，不具有普遍性；文獻(xiàn)［9］提出了變功率控制策略以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡和電壓的穩(wěn)定控制；文獻(xiàn)［10］采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂茖?duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，穩(wěn)定了電壓，達(dá)到了預(yù)期控制效果，但存在操作繁瑣，訓(xùn)練時(shí)間加長(zhǎng)等現(xiàn)象。

針對(duì)獨(dú)立型直流微網(wǎng)系統(tǒng)，本文提出了一種由超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。首先，以直流母線電壓值波動(dòng)范圍間接判斷微網(wǎng)是否處于功率、能量平衡狀態(tài)；其次，為充分利用光伏發(fā)電能效，采用改進(jìn)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率跟蹤；最后，負(fù)荷波動(dòng)的高頻成分采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容進(jìn)行平抑，發(fā)揮了超級(jí)電容的功率型儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，而負(fù)荷波動(dòng)的低頻成分采用混合儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行平抑，發(fā)揮了電池的能量?jī)?yōu)勢(shì)。

1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及單元模型

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，光伏通過(guò)單向DC/DC變流器與母線相連，蓄電池和超級(jí)電容通過(guò)雙向DC/DC變流器與母線連接，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，負(fù)載均采用恒功率負(fù)載，分別由直流負(fù)載和交流負(fù)載組成，并通過(guò)DC/DC和AC/DC變流器與母線相連，母線電壓為700 V。

圖1 孤島型直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the isolated DC microgrid system

1.2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

光伏電池通過(guò)光生伏特效應(yīng)將一次能源的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為二次能源的電能，通過(guò)直流方式輸出［8］。由于單體電池的功率較小，因此文中采用28塊光伏板，通過(guò)七串四并組成光伏陣列，選用的光伏電池型號(hào)為GR-M125-190W-G36V，由貢水新能源科技有限公司生產(chǎn)，具體參數(shù)為Uoc=316.4 V，ISC=22.48，Um=255.5 V，Im=20.8 A，其數(shù)學(xué)模型如下。式（1）-式（3）中：Sref和S分別表示為光照強(qiáng)度參考值和光照強(qiáng)度；α和β分別電流和電壓變化溫度系數(shù)；T表示電池溫度；Isc和Usc分別表示短路電流和開(kāi)路電壓。

1.3 蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型

蓄電池的種類(lèi)很多，包括鈉硫電池、鉛酸蓄電池和鋰離子電池等［9-10］。綜合比較后本文采用發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟的鉛酸蓄電池。理想的蓄電池模型可等效為受控電壓源U與電阻R的串聯(lián)，但在實(shí)際應(yīng)用中，充放電內(nèi)阻也是需要考慮的。本文將采用內(nèi)阻模型作為鉛酸蓄電池的數(shù)學(xué)模型，其中各項(xiàng)參數(shù)受荷電狀態(tài)及充放電電流影響，因此可表示為：

荷電狀態(tài)（State of Charge，簡(jiǎn)稱(chēng)“SOC”）表達(dá)式：

式（4）-式（6）中，Ubat為蓄電池的工作電壓；SOC0為蓄電池的初始荷電狀態(tài)；Q為蓄電池容量；Ut為開(kāi)路電壓；R為內(nèi)阻；I為充放電電流；Rchg、Rdis為充、放電電阻。

1.4 超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型

超級(jí)電容為功率型器件，具有功率密度高，充放電速度快和使用壽命長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)，可以很好地抑制突變功率波動(dòng)，且后期維護(hù)較為方便，并能與蓄電池配合組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)［11-12］。圖2給出了超級(jí)電容的等效模型，由理想電阻Rs和電容C串聯(lián)構(gòu)成。圖2中，isc為等效工作電流，usc為等效工作電壓。

圖2 超級(jí)電容等效模型Fig.2 Super capacitor equivalent model

由圖2可以得到，超級(jí)電容器等效模型的電路方程為：超級(jí)電容器荷電狀態(tài)SOC的數(shù)學(xué)方程為：

超級(jí)電容存儲(chǔ)能量：

式（8）、式（9）中，Qt表示超級(jí)電容在t時(shí)刻存儲(chǔ)的能量；QN表示超級(jí)電容電荷總能量；Umin表示正常工作時(shí)最小電壓；Umax則表示最大電壓；U0表示初始電壓值。

2 微網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

2.1 光伏發(fā)電控制策略

光伏發(fā)電通常有最大功率發(fā)電和恒壓發(fā)電兩種工作模式。為了充分利用可再生能源及提高發(fā)電效率，本文將采用最大功率跟蹤模式，即（Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱(chēng)“MPPT”）［13-15］，使光伏電池以最大輸出功率運(yùn)行。

目前常用的MPPT跟蹤方法包括了電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法、模糊控制法等［16-18］。本文在綜合衡量常見(jiàn)跟蹤方法各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的功率跟蹤策略，該方法可實(shí)時(shí)改變占空比步長(zhǎng)，在距最大功率點(diǎn)遠(yuǎn)處則增加步長(zhǎng)，以加快追蹤速度；在距最大功率點(diǎn)近處則減小步長(zhǎng)以確保追蹤精度，具體的實(shí)現(xiàn)方法和步驟如圖3所示。

圖3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法算法流程圖Fig.3 The flow chart of the variable-step perturbation observation algorithm

2.2 混合儲(chǔ)能控制策略

2.2.1 混合儲(chǔ)能運(yùn)行機(jī)理

針對(duì)圖1所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能控制原理如圖5所示。采用超級(jí)電容和蓄電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，考慮到儲(chǔ)能的各自?xún)?yōu)勢(shì)和特性差異，分別擔(dān)任負(fù)荷功率的高頻及低頻波動(dòng)成分。超級(jí)電容具有充放電次數(shù)多、壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)，可以有效平抑負(fù)荷中的波動(dòng)頻次高、響應(yīng)速度快的負(fù)荷情況；相反，蓄電池則可以彌補(bǔ)能量密度較大，功率密度較低的負(fù)荷波動(dòng)情況［19-22］。圖4給出了直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，為精確功率分配，由上下兩層控制構(gòu)成，能量管理中心屬于上層控制，負(fù)責(zé)收集各模塊的數(shù)據(jù)信息，并發(fā)出指令給下層的控制器，控制各模塊完成功率的協(xié)調(diào)分配。

圖4 直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 DC micronet system structure block diagram

2.2.2 算法分析

針對(duì)光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)，由于光伏發(fā)電的隨機(jī)性和負(fù)荷投切的不確定性，引起的直流母線電壓波動(dòng)較為常見(jiàn)，為保證電壓波動(dòng)范圍符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用改進(jìn)下垂控制和電壓前饋方式進(jìn)行平抑負(fù)荷功率波動(dòng)?？刂圃頌樵诳紤]儲(chǔ)能SOC狀態(tài)的前提下，根據(jù)母線波動(dòng)幅值情況實(shí)時(shí)修正下垂系數(shù)大小，補(bǔ)償功率缺額。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅以超級(jí)電容為例進(jìn)行分析，為促進(jìn)負(fù)載電流的均分，將負(fù)載電流和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。即在放電過(guò)程中SOC值較高的超級(jí)電容釋放較多能量，而SOC值較低的超級(jí)電容則釋放較少能量；充電過(guò)程中SOC值高的超級(jí)電容吸收較少能量，而SOC值較低的則吸收較多能量，這樣有助于SOC的快速平衡。該控制的計(jì)算公式如下：

式（10）-式（12）中，SOCi0為第i組超級(jí)電容的初始荷電狀態(tài)；Rm為初始下垂系數(shù)；i為超級(jí)電容組的序號(hào)；km為SOC的補(bǔ)償因子；SOCavg為超級(jí)電容平均荷電狀態(tài)；p表示SOC收斂的速度因子。

具體算法將分為充電和放電兩種情況進(jìn)行分析。當(dāng)idci＞0，此時(shí)超級(jí)電容處于放電狀態(tài)，如果儲(chǔ)能單元SOC值小于平均值，即SOCi＜SOCavg，此時(shí)R(SOCi)＞Rm，因此該組超級(jí)電容會(huì)提供較小的負(fù)荷電流；若儲(chǔ)能單元的SOC值大于平均值，即SOCi＞SOCavg，此時(shí)R(SOCi)＜Rm，因此其將提供較大的負(fù)荷電流。同理，當(dāng)idci＜0時(shí)，超級(jí)電容將處于充電狀態(tài)，特性與上述放電狀態(tài)相反，此處便不作贅述；當(dāng)運(yùn)行中超級(jí)電容的荷電狀態(tài)相同時(shí)，Km為1。

針對(duì)充放電時(shí)會(huì)引起母線電壓的波動(dòng)和提高功率補(bǔ)償精度，本文在改進(jìn)下垂控制的基礎(chǔ)上增加了電壓前饋補(bǔ)償方式。通過(guò)將母線電壓實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較，然后將差值輸入PI控制器得到補(bǔ)償量，再把補(bǔ)償量疊加到參考值，通過(guò)實(shí)時(shí)變化補(bǔ)償量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而來(lái)減小母線電壓的波動(dòng)，基于前饋控制的改進(jìn)下垂控制圖如圖5所示。

圖5 基于電壓前饋補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)下垂控制框圖Fig.5 Improved sagging control block diagram based on voltage feed-forward compensation

2.2.3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制方案

超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能的功率分配，由低通濾波器（Low-pass Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)“LPF”）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)超級(jí)電容和蓄電池各自的特性，由蓄電池承擔(dān)平滑的部分，吸收或釋放低頻功率，這樣可以減少充放電的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化充放電過(guò)程，延長(zhǎng)使用壽命［23-26］。超級(jí)電容具有功率密度大及響應(yīng)快等特點(diǎn)，讓其吸收或釋放高頻功率波動(dòng)的部分，這樣可以抑制光伏發(fā)電突變或負(fù)載突變對(duì)直流母線造成的沖擊。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以更快速地電壓校正和減少電池的運(yùn)行頻度，且不需要進(jìn)行大量的計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

式（13）中，T為濾波器的時(shí)間常數(shù)；s為微分算子。

針對(duì)直流微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配如圖6所示。

圖6 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配圖Fig.6 A power distribution map for a hybrid energy storage system

得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率為：

儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率Phess經(jīng)過(guò)低通濾波器得到蓄電池的功率：

則超級(jí)電容器所要承擔(dān)的功率為：

式（14）-式（16）中，Pdc表示維持母線電壓所需功率；Ppv表示光伏電池所發(fā)出的功率；Phess表示儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率；Pbat表示蓄電池承擔(dān)的功率；Psc表示超級(jí)電容承擔(dān)的功率。

3 仿真與分析

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink搭建了相關(guān)模型并進(jìn)行仿真研究［27-30］。光伏電池、蓄電池及超級(jí)電容的具體參數(shù)如表1所示，仿真時(shí)間為10 s。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表Table1 The system parameter table

仿真驗(yàn)證在獨(dú)立模式下混合儲(chǔ)能控制策略的有效性，通過(guò)改變直流負(fù)載的大小，造成一定的功率波動(dòng)，進(jìn)而造成直流母線電壓的改變，來(lái)驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制情況。在T=25℃，S=1 000 W/m2的標(biāo)準(zhǔn)條件下，光伏電池板的額定發(fā)電容量為5 000 W，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7（a）給出了采用擾動(dòng)觀察法的光伏電源輸出功率仿真圖，由仿真圖可以看出追蹤到最大功率點(diǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)，大約在0.04 s處；圖7（b）為變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的仿真圖，由圖可以看出大概在0.004 s時(shí)追蹤到最大功率處。通過(guò)對(duì)比，可以得出變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法追蹤到最大功率點(diǎn)的速度幾乎為普通方法的10倍，所用時(shí)間極短，幾乎可以忽略，這對(duì)實(shí)際環(huán)境中變化很快的光照和溫度具有更大優(yōu)勢(shì)。

圖7（c）給出了光伏輸出和負(fù)載的功率變化情況，圖7（d）為混合儲(chǔ)能的功率分配情況，圖7（e）為直流母線的電壓。為了更好的驗(yàn)證本文所提出的控制策略，仿真時(shí)采用的光照強(qiáng)度為600 W/m2。由圖可以看出，當(dāng)t=0～4 s時(shí)，光伏電池的輸出功率保持在3 kW，直流負(fù)載的功率為3 kW，ppv=pload，此時(shí)為了維持母線電壓的穩(wěn)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要進(jìn)行功率交換；4～8 s時(shí)，光伏電池的輸出功率為3 kW，在4 s時(shí)直流負(fù)載由3 kW突然增加到4 kW，ppv＜pload，為了避免母線電壓降低，因此需要混合儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放剩余能量，超級(jí)電容迅速承擔(dān)由負(fù)荷突變引起的高頻功率波動(dòng)，蓄電池則緩慢變化，承擔(dān)低頻功率部分；在8 s時(shí)直流負(fù)載由4 kW突然驟減到2 kW，考慮到最大程度利用太陽(yáng)能，光伏電池仍以最大輸出功率運(yùn)行，輸出功率為3 kW。因此，8～10 s時(shí)，ppv＞pload，此時(shí)為了避免直流母線電壓升高，需要混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余能量，超級(jí)電容迅速動(dòng)作，提供因負(fù)載驟減而引起的功率沖擊，蓄電池則承擔(dān)平滑部分。在負(fù)載突增和驟減時(shí)，直流母線電壓有小幅跌落和升高，但可以迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖7 獨(dú)立型直流微網(wǎng)工作的系列曲線Fig.7 Series curves for independent DC micronet work

4 結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)獨(dú)立型直流微網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，采用改進(jìn)下垂控制與電壓前饋控制方式有效平抑負(fù)荷波動(dòng)的高頻及低頻成分，保證了功率的合理分配，抑制了母線電壓波動(dòng)現(xiàn)象，提高了電能質(zhì)量，對(duì)于規(guī)?；瘍?chǔ)能的工程實(shí)踐具有理論指導(dǎo)價(jià)值。