王少東，羅秀英，朱海濤，代妮娜，雷國平

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400000；2.重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，重慶 404100；3.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100089)

1 引言

最近，世界電力系統(tǒng)開始去中心化和脫碳化。過度使用化石燃料發(fā)電不僅導(dǎo)致了燃料成本的上升和化石燃料的消耗，還造成了全球變暖等環(huán)境問題。這導(dǎo)致了對替代解決方案的探索，如太陽能光伏(solar photovoltaic,SPV)、風(fēng)能和其他類型的可再生能源(renewable energy sources,RES)來發(fā)電[1]。RES集成到本實用功能中的快速進展已重新規(guī)劃了集中式實用程序的結(jié)構(gòu)，提出了分布式能源系統(tǒng)(distributed energy system,DES)，RES是分布式能源(distributed energy resources,DERs)的關(guān)鍵組成部分。能源是不可預(yù)測的，它們的發(fā)電是不可控制的。快速崛起的電驅(qū)動發(fā)電，給電網(wǎng)的可控、安全運行帶來了新的挑戰(zhàn)。在20世紀90年代末，美國和歐洲開始探索分散式解決方案，以一種在面對自然災(zāi)害、物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊以及級聯(lián)電力故障時最大限度地提高可靠性和彈性的方式，管理成千上萬個DERs的集成。他們得到了一種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的解決方案，即在主電網(wǎng)故障時可以自動隔離的網(wǎng)格分區(qū)中進行發(fā)電和需求的局部管理，這種方法被稱為“微電網(wǎng)”。

微電網(wǎng)由大量的RES組成，負載和ESS以一種很好的方式連接在一起，從而能夠減少負載和電源之間的物理距離。在未來的電力系統(tǒng)中，微電網(wǎng)將成為可再生能源、儲能系統(tǒng)和負荷有效集成的重要組成部分。文獻[2]對微電網(wǎng)和不同的能量管理系統(tǒng)進行了詳細的綜述。由于功率轉(zhuǎn)換階段的減少，直流微電網(wǎng)比交流微電網(wǎng)更靈活。此外，直流微電網(wǎng)不受交流系統(tǒng)中常見的頻率同步、無功潮流、諧波電流等電能質(zhì)量問題的影響。因此，與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)的整體控制不那么復(fù)雜。由于直流微電網(wǎng)建模能力有限，在建筑電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、住宅小區(qū)、插電式混合動力汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 相關(guān)工作

可再生能源發(fā)電的迅猛發(fā)展，給微電網(wǎng)的安全、可靠和可控運行帶來了諸多挑戰(zhàn)。微電網(wǎng)領(lǐng)域的主要研究方向是微電網(wǎng)的能量管理與控制。在文獻[3]中，研究了一種具有功率跟蹤控制的集中式能量管理系統(tǒng)。Athira等人[4]提出了一種帶混合儲能系統(tǒng)(hybrid energy storage system,HESS)的孤島式直流微電網(wǎng)原型模型。在由先進光伏發(fā)電機組組成的微電網(wǎng)的能量管理中，Al-Dhaifallah等人[5]提出了一種微型燃氣輪機。Han等人[6]提出了基于分層控制的微電網(wǎng)功率優(yōu)化方法。

本文介紹了一種適用于住宅配電系統(tǒng)的獨立直流微電網(wǎng)的設(shè)計與仿真。詳細討論了一種簡單的帶儲能系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換單元的直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。在MATLAB中對微電網(wǎng)模型進行了仿真，分析了微電網(wǎng)各部件的性能。

3 獨立式直流微電網(wǎng)設(shè)計

圖1展示了一個獨立的直流微電網(wǎng)，帶有SPV源，單向和雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，能量采集系統(tǒng)(energy storage system,ESS)和直流負載。SPV系統(tǒng)采用最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制器，從SPV源獲取最大功率輸出。MPPT控制連接到光伏電源的DC-DC變換器。雙向DC-DC變換器連接儲能系統(tǒng)和直流母線。該系統(tǒng)采用12 V電池作為ESS。蓄電池充電所需的12 V由雙向DC-DC變換器提供。這12 V直流再次轉(zhuǎn)換回48 V直流，為直流母線和連接到直流母線的48 V直流負載提供電源。

圖1 獨立式直流微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of stand-alone DC microgrid system.

3.1 SPV電池的數(shù)學(xué)模型

圖2顯示了SPV電池的等效電路。它由電流源(Iph)、二極管(D)以及串聯(lián)電阻Rse和并聯(lián)電阻Rp組成。理想SPV電池的輸出電流可以表示為

I=Iph-ID-Ish

(1)

其中，Iph為SPV電池產(chǎn)生的輸出電流，Id為肖克萊方程。

Iph=G·[Isc-KI(Tc-Tr)]

(2)

其中，Isc為SPV電池的短路電流。短路溫度系數(shù)用KI表示，SPV電池的參考溫度用Tr表示，SPV電池的標準測試條件(Standard Test Conditions,STC)是電池溫度，Tc=25 ℃，太陽輻照G=1 000 W/m2。

(3)

其中，Is是二極管飽和電流，q為電子電荷(1.60×10-19℃)，k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)。σ是理想因素。

圖2 SPV電池的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of SPV battery.

3.2 SPV特征

SPV的輸出是間歇性和隨機的，即SPV模塊/陣列的功率輸出隨著SPV電池上入射光的溫度或輻照度的變化而變化。因此，SPV電池的特性是非線性的。SPV電池在不同輻照度和溫度下的功率-電壓特性分別如圖3所示。

圖3 不同輻照度條件下SPV電池的P-V特性Fig.3 P-V characteristics of SPV battery under different irradiance conditions.

3.3 MPPT

當(dāng)輻照增加時，SPV電流增加，反之亦然。但不同輻照條件下的電壓水平幾乎相同。同樣，SPV電壓隨溫度的升高而降低，而電流幾乎保持不變。結(jié)果表明，功率隨溫度和輻照的變化而變化，SPV的最大功率點(maximum power point,MPP)隨輻照的增加而增大，隨溫度的升高而減小。因此，為了獲得最大功率，必須改變電源調(diào)節(jié)單元的工作點，以匹配PV源的負載電阻。MPPT控制器與SPV系統(tǒng)協(xié)調(diào)，在MPP條件下運行系統(tǒng)。光伏能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用MPPT，以連續(xù)調(diào)整DC-DC變換器的工作點，使其從太陽能陣列提取最大功率，而不管天氣條件[7]。最常用的最大功率跟蹤算法是擾動觀察(perturbation and observation,P&O)算法。還有其他幾種算法，如增量電導(dǎo)算法、恒壓算法、短路電流算法。許多文獻也提出并討論了軟計算和混合MPPT[8]。在傳統(tǒng)的MPPT算法中，P&O算法主要應(yīng)用于SPV系統(tǒng)。這種技術(shù)是基于爬坡原理，即光伏組件的工作點向功率增加的方向移動。P&O算法雖然有其優(yōu)點，但也存在一定的缺陷。P&O的主要缺點是它引起占空比的振蕩，從而迫使工作點在MPP周圍來回移動。還有一種簡單的MPP跟蹤脫機方法，叫做查找表(look-up table,LUT)MPPT，它將之前存儲在內(nèi)存中的計算數(shù)據(jù)用于MPP跟蹤。本文采用LUT MPPT控制器對MPP進行跟蹤。與其他傳統(tǒng)MPPT相比，LUT MPPT具有更大的優(yōu)勢，因為它的計算時間更短。輸出響應(yīng)速度快，輸出穩(wěn)定。LUT是使用先前計算的數(shù)據(jù)開發(fā)的。LUT有兩個輸入范圍，500～1 300 W/m2，間隔100 W/m2，溫度范圍25～55 ℃，間隔10 ℃。輻照度和溫度是LUT的輸入，占空比直接作為輸出。

3.4 DC-DC轉(zhuǎn)換器

SPV系統(tǒng)的能量收集需要一個高效的DC-DC變換器，SPV系統(tǒng)主要采用DC-DC升壓變換器，圖4顯示了DC-DC升壓變換器的電路。雙向DC-DC變換器完成從電源到儲能系統(tǒng)的切換，并放電電池以向負載提供能量。設(shè)計了一種雙開關(guān)雙向直流變換器(48～12 V)，并連接到48 V直流母線上。電池在降壓模式下充電，在升壓模式下放電。

圖4 DC-DC升壓變換器電路Fig.4 DC-DC boost converter circuit.

4 結(jié)果與討論

所選SPV模塊的額定輸出功率為100 W。DC-DC變換器有18 V輸入和36 V輸出。升壓變換器的輸出由48 V調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，為直流母線提供恒定的48 V。采用標準設(shè)計方程設(shè)計DC-DC變換器。SPV面板的規(guī)格以及升壓和雙向直流變換器的設(shè)計參數(shù)見表1，在MATLAB2016a版本軟件中進行仿真。

表1 關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters.

圖5給出了給定輸入情況下MPPT控制器的占空比跟蹤。基于輸入LUT從預(yù)先分配的數(shù)據(jù)中提取占空比，因此輸出相對于輸入的變化是瞬時的，占空比是恒定的。

圖5 MPPT控制器產(chǎn)生的占空比Fig.5 Duty cycle generated by MPPT controller.

圖6為SPV模塊、DC-DC變換器和升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓。DC-DC變換器升壓變化的輸入直流電壓，產(chǎn)生變化的直流輸出。設(shè)計的系統(tǒng)直流母線電壓為48 V。為了在直流母線側(cè)獲得48 V的恒定輸出電壓，在DC-DC升壓變換器和直流母線之間連接48 V升壓穩(wěn)壓器。圖6顯示了調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的穩(wěn)壓直流輸出。調(diào)節(jié)器的控制由PI控制器實現(xiàn)，在所有條件下提供恒定的輸出電壓(48 V)。由結(jié)果可以看出，當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入電壓發(fā)生變化時，PI控制器調(diào)節(jié)占空比，輸出電壓回到參考值，保持48 V輸出恒定。

圖6 SPV的輸出特性Fig.6 SPV output characteristics.

ESS在雙向變換器的buck模式工作時充電，在boost模式工作時放電。為了研究ESS的充放電特性，將48 V電池作為負載連接到直流母線上，雙向變換器以Buck方式工作。圖7描述了ESS電池和負載電池的充放電情況?？梢钥闯?，ESS在放電的同時，直流母線負載(48 V電池)正在充電。

圖7 ESS電池充放電情況Fig.7 ESS battery charge and discharge.

5 結(jié)論

本文介紹了一種帶儲能系統(tǒng)的單機直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。通過仿真所建立的微電網(wǎng)模型，分析了變換器、穩(wěn)壓器、MPPT控制器、ESS和負載等部件在不同輸入條件下的運行和性能，給出了仿真結(jié)果并進行了詳細討論。