馬越超

摘 要：為提高直流微電網(wǎng)用戶側(cè)用電經(jīng)濟(jì)性及供電可靠性，本文在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)建立了以用戶日購(gòu)電最少為目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制策略，以實(shí)現(xiàn)低價(jià)購(gòu)電，高價(jià)自足，余電上網(wǎng)的工作模式。且在并網(wǎng)模式下制定了負(fù)荷投切控制策略，從而減少系統(tǒng)的失負(fù)荷率，提高直流微電網(wǎng)的可靠性。通過(guò)MATLAB/Simulink下的仿真驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：分時(shí)電價(jià)；直流微電網(wǎng)；能量管理；協(xié)調(diào)控制

Research on Energy Coordination Management and Control Strategy ofDC Microgrid with Wind-energy Storage Based on Time-of-use Price

Ma Yuechao

（ Electric Engineering Department，Baotou Vocational ＆Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：Based on the time-of-use price，a coordinated control strategy of DC microgrid with wind-energy storage is put forward in the article to improve the users economy and power supply reliability of DC microgrid，which can realize the minimum daily power purchase of users by purchasing with low price，meeting needs with high price and being online with surplus power.In the grid-connected mode，a load switching control strategy is developed to reduce the load loss rate of the system and improve the reliability of DC microgrid.The effectiveness of the control strategy is verified by the simulations on MATLAB/Simulink.

Key words：time-of-use price;DC microgrid;energy management;coordinate control

為了解決能源危機(jī)，同時(shí)提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減少經(jīng)濟(jì)損失，越來(lái)越多學(xué)者將研究重心放在了由風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源組成的微電網(wǎng)上。微電網(wǎng)中的直流微電網(wǎng)由于其具有無(wú)諧波污染、控制簡(jiǎn)單且無(wú)需考慮頻率、相位等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。［1］

目前，對(duì)直流微電網(wǎng)的研究主要集中在母線電壓的分層控制上，如文獻(xiàn)［2］提出了可按母線電壓的變化情況自主實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)控制的改進(jìn)分級(jí)控制策略。文獻(xiàn)［3］提出了能在多微源之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)控制的改進(jìn)下垂控制。文獻(xiàn)［4］提出了以提高光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性為目標(biāo)的混合儲(chǔ)能下垂控制策略。以上控制策略均對(duì)母線電壓的穩(wěn)定起到了積極作用，但這些控制策略的設(shè)計(jì)僅是從微電網(wǎng)角度出發(fā)，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)，需要從用戶側(cè)角度出發(fā)來(lái)控制微電網(wǎng)。分時(shí)電價(jià)作為引導(dǎo)用戶削峰填谷的手段之一，可以極大地縮減用戶的購(gòu)電支出，因此基于分時(shí)電價(jià)的研究已引起學(xué)者們的重視。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)分時(shí)電價(jià)的研究主要集中在家庭能量管理系統(tǒng)中。如文獻(xiàn)［5］中研究的24小時(shí)分時(shí)電價(jià)控制下的家庭能量系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，提出了利用蓄電池實(shí)施控制的四種運(yùn)行方案，改善了用戶的用電效率。文獻(xiàn)［6］以用戶經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，將分時(shí)電價(jià)引入到了直流微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制策略中，結(jié)合蓄電池充、放電剩余容量，進(jìn)行了售電和購(gòu)電。文獻(xiàn)［7-9］建立了分時(shí)電價(jià)下系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略。文獻(xiàn)［10］在交流微電網(wǎng)中設(shè)置了三種電稅，并以此設(shè)定了蓄電池荷電態(tài)的兩個(gè)閾值，從而來(lái)控制蓄電池的充放電。文獻(xiàn)［11］建立了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型，并利用多目標(biāo)粒子群算法降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高了能源利用率。以上文獻(xiàn)均在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化分析和控制策略設(shè)計(jì)，但未論及微電網(wǎng)優(yōu)化控制時(shí)負(fù)荷的投切控制以及并網(wǎng)逆變器（grid-connected converter，GCC）在多種運(yùn)行狀態(tài)下的基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的協(xié)調(diào)控制策略和系統(tǒng)供電質(zhì)量。

本文在以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)最少購(gòu)電，將分時(shí)電價(jià)引入到風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略中，設(shè)計(jì)了聯(lián)網(wǎng)自由模式、聯(lián)網(wǎng)限流模式的協(xié)調(diào)控制策略。并將負(fù)載進(jìn)行了三級(jí)區(qū)分，制定了并/離網(wǎng)狀態(tài)下不同的負(fù)荷投切策略。通過(guò)在Matlab/Simulink上的仿真，驗(yàn)證了本文所提控制策略能在減少用戶購(gòu)電成本的基礎(chǔ)上，達(dá)到最小失負(fù)荷的目的。

1 風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為本文構(gòu)建的并網(wǎng)模式下風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該直流微電網(wǎng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池、直流負(fù)荷和各級(jí)變換器構(gòu)成。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)AC/DC變換器接至直流母線上。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用蓄電池經(jīng)DC/DC變換后與直流負(fù)載并接在直流母線處，能量管理協(xié)調(diào)控制器包括對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池變換器、負(fù)載投切的控制。本文根據(jù)用電優(yōu)先級(jí)將負(fù)荷分為一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷，在并網(wǎng)模式下，根據(jù)蓄電池SOC的狀態(tài)（state of charge，SOC）只減載三級(jí)負(fù)荷，從而減小系統(tǒng)的失負(fù)荷率。

2 風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略

本系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)并網(wǎng)變換器以及蓄電池SOC的狀態(tài)，來(lái)決定風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)中各變換器的運(yùn)行模式。

2.1 能量管理總體結(jié)構(gòu)

圖2為本文設(shè)計(jì)的能量管理總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)逆變器是否限流，系統(tǒng)可工作在聯(lián)網(wǎng)自由和聯(lián)網(wǎng)限流兩種模式下，對(duì)應(yīng) GCC能在整流、逆變和限流三種控制模式間切換；蓄電池可在充電和浮充兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一直工作在最大功率跟蹤 （maximum power point tracking，MPPT） 模式下，以提高可再生能源利用率。

2.2 能量管理模式

并網(wǎng)情況下，按照GCC輸出能量是否到達(dá)容量上限，可分為聯(lián)網(wǎng)自由模式和聯(lián)網(wǎng)限流模式兩種運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)論在何種運(yùn)行狀態(tài)下，為提高可再生能源利用率，風(fēng)機(jī)始終為MPPT控制。結(jié)合文獻(xiàn)［11］可知，23：00～7：00為谷價(jià)；8：00～11：00及17：00～22：00為峰價(jià)，其余時(shí)段為平價(jià)，由此定義 0：00～7：00為電價(jià)低，其余時(shí)間段為電價(jià)高。

（1）聯(lián)網(wǎng)自由運(yùn)行下的能量管理模式

電價(jià)低時(shí)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)滿充為目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以便在電價(jià)高時(shí)能維持系統(tǒng)功率平衡；電價(jià)高時(shí)，為提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，減少用戶購(gòu)電量，由蓄電池維持直流母線電壓平衡。該運(yùn)行狀態(tài)下的能量管理模式具體如下。

模式1：電價(jià)低且風(fēng)電功率小于負(fù)載功率時(shí)，蓄電池充電，電網(wǎng)通過(guò)GCC整流后為微電網(wǎng)提供缺額能量，以穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡方程見式（1）。

PW+Pg=pL-PB（1）

式中，PW為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率，Pg為電網(wǎng)功率，PL為負(fù)載功率，PB為蓄電池功率。

模式2：電價(jià)低且蓄電池SOC達(dá)到上限SOCmax，蓄電池轉(zhuǎn)為浮充控制，GCC穩(wěn)壓。該模式下的功率平衡方程見式（2）。

PW+Pg=PL（2）

模式3：電價(jià)低且風(fēng)電功率大于負(fù)載功率，蓄電池充電。若此時(shí)風(fēng)電功率不足以同時(shí)支撐負(fù)載和蓄電池的所需總能量時(shí)，由電網(wǎng)經(jīng)GCC整流來(lái)彌補(bǔ)直流微電網(wǎng)中的功率差額，從而穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡方程見式（3）。

PW+Pg=PL-PB（3）

模式4：電價(jià)低且風(fēng)電功率遠(yuǎn)大于負(fù)載功率，蓄電池充電。若此時(shí)風(fēng)電功率能夠在滿足負(fù)載和蓄電池的總能量的基礎(chǔ)上，并有盈余，此時(shí)可通過(guò)GCC將系統(tǒng)內(nèi)部多余能量返送至電網(wǎng)，在穩(wěn)定直流母線電壓的同時(shí)增加用戶收益。該模式下的功率平衡方程見式（4）。

PW=PL+Pg-PB（4）

模式5：電價(jià)高且風(fēng)電功率小于負(fù)載功率，蓄電池通過(guò)放電來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓，GCC停機(jī)。該模式下的功率平衡方程見式（5）。

PW=PL+Pg-PB（5）

模式6：電價(jià)高，且當(dāng)蓄電池放電至SOC下限時(shí)，為提高供電可靠性，系統(tǒng)不減載，用戶高價(jià)購(gòu)電，GCC由停機(jī)切換為恒壓控制，工作在整流或逆變模式（逆變模式存在于GCC恒壓后，風(fēng)電功率大于負(fù)載功率的情況下），從而穩(wěn)定直流母線電壓，此時(shí)功率平衡關(guān)系見式（6）。

PW+Pg=PL，PW＜PL

PW=PL+Pg，PW＞PL（6）

模式7：電價(jià)高且風(fēng)機(jī)輸出功率大于負(fù)載功率，蓄電池通過(guò)充電來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓，并網(wǎng)逆變器停機(jī)。該模式下功率平衡關(guān)系見式（7）。

PW+Pg=PL-PB（7）

模式8：電價(jià)高且當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到上限時(shí)，蓄電池浮充，GCC從停機(jī)切換為恒壓控制，工作在逆變模式來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下功率平衡關(guān)系見式（8）。

PW+Pg=PL（8）

（2）聯(lián)網(wǎng)自由運(yùn)行下的能量管理模式

模式9：電價(jià)低，交流主網(wǎng)與直流微網(wǎng)的交換功率恒定，GCC失去調(diào)壓作用。風(fēng)電輸出功率小于負(fù)載功率，蓄電池放電以穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡關(guān)系見式（9）。

PW+Pg+PB=PL（9）

模式10：電價(jià)高，若蓄電池能量不足，則采取減載（僅減載三級(jí)負(fù)荷L4）的方式來(lái)維持功率平衡，減載后由GCC穩(wěn)定母線電壓。該模式下的功率平衡關(guān)系見式（10）。

PW+Pg+PB=PL（10）

2.3 模式選擇

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，首先分析當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和分時(shí)電價(jià)高低情況，在此基礎(chǔ)上結(jié)合蓄電池SOC大小，由微電源和負(fù)載之間的能量關(guān)系，確定具體的工作模式，詳細(xì)模式選擇流程如圖3所示。

3 負(fù)載控制策略

為了降低系統(tǒng)的失負(fù)荷率，將系統(tǒng)中的負(fù)載分為三個(gè)等級(jí)，其中 L1為一級(jí)負(fù)載，L2為二級(jí)負(fù)載，L3和L4均為三級(jí)負(fù)載，為了保證用戶的用電質(zhì)量，在并網(wǎng)情況下，僅減載三級(jí)負(fù)荷。并在SOC達(dá)到設(shè)定閾值SOCset（0.45）時(shí)，恢復(fù)三級(jí)負(fù)荷供電。相應(yīng)負(fù)載投切控制策略如圖4所示。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證本文所提能量管理優(yōu)化方法的有效性，按照?qǐng)D1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在Matlab/Simulink中搭建了風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)的仿真模型。其中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率和GCC容量均為4kW，蓄電池SOC上、下限分別為0.4、0.8，直流母線電壓Udc為720V，L1～L4分別為0.5 kW、1 kW、2 kW及2.5kW。相應(yīng)仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真開始時(shí)，低電價(jià)，初始風(fēng)速為8m/s，風(fēng)電輸出功率約為1.2kW，負(fù)載L1、L2接入系統(tǒng)，負(fù)載總功率為1.5kW，蓄電池以約1kW功率進(jìn)行恒流充電，GCC向直流微電網(wǎng)提供約1.3kW功率以維持直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)工作于模式1下。

2：00時(shí)，負(fù)載L3、L4接入系統(tǒng)，負(fù)載功率突變?yōu)?kW，由于負(fù)載功率過(guò)大且電價(jià)低，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為模式9工作，GCC輸出最大功率4kW后，由蓄電池提供約1kW的剩余功率缺額。

5：00時(shí)，負(fù)載L3、L4切出，GCC退出限流模式，蓄電池以約1kW充電，GCC重新控制母線電壓，整流輸出功率約1.3kW，系統(tǒng)重新回到模式1。

7：00時(shí)，電價(jià)變高，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，GCC停機(jī)，由蓄電池放出約0.5kW功率缺額來(lái)穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)工作于模式5下。

10：00時(shí)，風(fēng)速變?yōu)?2m/s，風(fēng)電功率升至4kW，蓄電池以約2.5kW功率充電來(lái)穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為模式7運(yùn)行。

約12：30時(shí)，SOC到達(dá)上限，蓄電池變?yōu)楦〕?，GCC由停機(jī)轉(zhuǎn)為恒壓控制，將系統(tǒng)內(nèi)部多余2.5kW功率通過(guò)逆變的形式回送給電網(wǎng)，系統(tǒng)變?yōu)槟Ｊ?。

14：00時(shí)，由于負(fù)載L3、L4接入，GCC再次停止工作，此時(shí)蓄電池放出約2kW功率來(lái)穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)再次工作在模式5下。

18：00時(shí)，風(fēng)速變?yōu)?m/s，此時(shí)風(fēng)速約為1.7 kW，蓄電池放出約4.3kW功率，約19：30時(shí)，蓄電池SOC放電到達(dá)下限，蓄電池停止工作，GCC工作并整流輸出功率，但GCC到達(dá)工作容量上限后，系統(tǒng)仍有功率缺額。為了維持系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，減載L4，系統(tǒng)工作在模式10。

21：00時(shí)，負(fù)載L3、L4切出，負(fù)載功率變?yōu)?.5kW，GCC吸收約0.2kW功率，系統(tǒng)工作在模式6。

23：00時(shí)，電價(jià)變低，蓄電池以約1kW功率充電，GCC穩(wěn)壓，發(fā)出約0.8kW的功率進(jìn)行穩(wěn)壓，系統(tǒng)運(yùn)行模式3下。

5 結(jié)論

本文以分時(shí)電價(jià)為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)，在不同運(yùn)行模式下，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能、蓄電池、GCC各變換器之間的協(xié)調(diào)控制策略。通過(guò)仿真結(jié)果可知，當(dāng)電價(jià)低時(shí)，通過(guò)低價(jià)購(gòu)電，保證了蓄電池滿充，并在系統(tǒng)存在多余功率時(shí)，通過(guò)返送電網(wǎng)提高用戶收益；電價(jià)高時(shí)，可利用蓄電池平衡微電網(wǎng)內(nèi)部功率，減少了用戶的購(gòu)電量。并結(jié)合負(fù)荷投切控制策略，降低了系統(tǒng)的失負(fù)荷率。

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（責(zé)任編輯 孫 慧）