基于開關(guān)表的直流微電網(wǎng)控制及其仿真

鄧偉鋒

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，淮南 232001）

在電力行業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，伴隨著的是高能源消耗和高污染排放，為此國(guó)內(nèi)外紛紛開啟用可再生能源來補(bǔ)充或者部分替代化石能源的“電力能源革命”。基于可再生能源興起的微電網(wǎng)已經(jīng)成為高效開發(fā)利用清潔能源和降低環(huán)境污染的重要途徑之一[1-9]。

由于分布式電源發(fā)電周期性的波動(dòng)[5]，微電源注入微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率并不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9]單獨(dú)針對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性展開研究，提出一種不含通信鏈路的分布式電源管理方案，直接利用直流母線電壓的變化來實(shí)現(xiàn)電源與儲(chǔ)能裝置的通信。文獻(xiàn)[10]提出了一種微電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)與負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)控制方案，討論了基于模糊開關(guān)控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略。

在此，以光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種基于開關(guān)表的直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略，采用電壓分層協(xié)調(diào)控制確保不同工況下網(wǎng)內(nèi)有功功率平衡，實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

直流微電網(wǎng)由分布式電源、各類換流器、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及負(fù)荷構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合靈活多變。圖1所示為其中一種結(jié)構(gòu)類型。

圖1 直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 DC microgrid topology structure

設(shè)計(jì)了一種新型直流母線電壓控制方案，以協(xié)調(diào)控制光伏電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及負(fù)荷，保證直流母線電壓的穩(wěn)定，發(fā)揮微電源的發(fā)電效率。

直流微電網(wǎng)中的功率平衡方程式為

式中：PPV為其注入母線的功率；Pbat為蓄電池通過雙向DC/DC變換器和直流母線之間的傳輸功率；Pload為網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷通過各自換流器從母線獲得的功率。當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，Pbat>0，此時(shí)蓄電池相當(dāng)于負(fù)載，從母線獲得功率；當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)，Pbat<0，此時(shí)蓄電池通過放電來補(bǔ)償微電網(wǎng)內(nèi)的功率缺額，恢復(fù)母線電壓穩(wěn)定。

提出了一種開關(guān)表控制方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 采用開關(guān)表控制的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 DC microgrid structure controlled by switch table

2 一種新的母線電壓控制策略

采用電壓分層協(xié)調(diào)控制確保不同工況下網(wǎng)內(nèi)有功功率平衡，實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。以直流母線參考電壓為基準(zhǔn)值，設(shè)置4個(gè)位于該基準(zhǔn)值兩側(cè)相對(duì)稱的電壓臨界值，將母線電壓劃分成5個(gè)電壓控制分區(qū)。

研究發(fā)現(xiàn)，相鄰電壓臨界值的設(shè)置必須合理，如果兩臨界值過于靠近，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)等因素過于敏感，造成控制器的誤動(dòng)作，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；如果臨界值的設(shè)置太過疏遠(yuǎn)，反而會(huì)允許母線電壓的波動(dòng)過大也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，設(shè)置母線電壓的臨界值以母線電壓偏離參考電壓的5%為間隔，設(shè)置4個(gè)電壓分層臨界值，即VH2=110%Vdc，ref，VH1=105%Vdc，ref，VL1=95%Vdc，ref，VL2=90%Vdc，ref，圖 3 為微電網(wǎng)母線電壓分層。

圖3 直流母線電壓分區(qū)Fig.3 DC bus voltage partition

圖3中，母線電壓在各區(qū)域的工作模式如下：

處于區(qū)域1時(shí)，為正常運(yùn)行狀態(tài)；

處于區(qū)域2時(shí)，開啟充電模式；

處于區(qū)域3時(shí)，蓄電池放電來恢復(fù)功率平衡；

處于區(qū)域4時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)功率過低，為低壓模式；

處于區(qū)域5時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)功率過高，為超壓模式。

確定母線電壓所處的分層區(qū)域如圖4所示，利用電壓分層算法確定母線電壓所處的區(qū)塊，輸入為母線電壓瞬時(shí)測(cè)量值，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為母線電壓分區(qū)編號(hào)輸出，利用DSP或者單片機(jī)技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)該電壓分層算法。

圖4 電壓分層算法流程Fig.4 Algorithm flow chart of voltage stratification

在確定母線電壓所處的電壓區(qū)域后，制定一份開關(guān)表，使得微電網(wǎng)在不同母線電壓工況下能夠協(xié)調(diào)控制，確定光伏電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及負(fù)載的工作情況，即運(yùn)行開關(guān)表 （見表1），這些控制信號(hào)經(jīng)PWM脈寬調(diào)制后將作用于各自相應(yīng)的功率開關(guān)管上，“1”表示閉合，“0”表示斷開。

表1 基于直流母線電壓的開關(guān)控制表Tab.1 Switch control table based on DC bus voltage

通過對(duì)“充電模式”的過程來說明該控制策略。假設(shè)初始狀態(tài)直流母線電壓處于區(qū)域1，即“穩(wěn)定運(yùn)行”，此時(shí)5路開關(guān)狀態(tài)分別為，光伏電池工作于MPPT模式，恒壓控制器處于休眠狀態(tài)，電池充放電控制器也處于休眠狀態(tài)，負(fù)荷滿載運(yùn)行，此時(shí)的5路開關(guān)狀態(tài)為［1 0 0 0 1］，當(dāng)某一時(shí)刻直流母線電壓升高，滿足約束條件 105%Vdc，ref

3 試驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證該控制策略的可行性，圖5為所搭建的開關(guān)表控制器MatLab/Simulink控制仿真模型。圖6為搭建的仿真電路，仿真試驗(yàn)設(shè)置干擾源，模擬直流微電網(wǎng)的擾動(dòng)因素，母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)值約為670 V，仿真時(shí)間為1 s，仿真算法采用ode23s。

圖5 基于開關(guān)表的母線電壓控制器設(shè)計(jì)Fig.5 Design of DC bus voltage controller based on switch table

如圖7和圖8所示，仿真試驗(yàn)中，在0.47 s處設(shè)置了母線電壓擾動(dòng)。圖7為直流微電網(wǎng)未采用控制器時(shí)受到外界干擾時(shí)的母線電壓波動(dòng)情況，由圖可見母線電壓的波動(dòng)幅度非常大，因此對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊也比較大。

圖8為直流微電網(wǎng)采用開關(guān)表控制器時(shí)母線電壓變化情況，由圖可見在0.47 s以后，母線電壓并未因此產(chǎn)生大的波動(dòng)，母線電壓平穩(wěn)恢復(fù)。

對(duì)比這2種方式的母線電壓變化情況，可以得出，在采用了開關(guān)表控制器之后，直流微電網(wǎng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)，另外母線電壓的調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短了。仿真結(jié)果表明該控制策略的可行性。

圖6 仿真試驗(yàn)電路Fig.6 Simulation test circuit

圖7 無控制器下母線電壓曲線Fig.7 Bus voltage curve without controller

圖8 開關(guān)表控制器下的母線電壓曲線Fig.8 Bus voltage curve with switch table controller

4 結(jié)語(yǔ)

文中研究了光伏微電網(wǎng)的控制方式，以直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，提出一種基于開關(guān)表的直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略，并通過MatLab仿真驗(yàn)證了該控制策略：①能夠保證系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定，控制器對(duì)擾動(dòng)能夠作出迅速響應(yīng)，保證直流微電網(wǎng)快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行；②通過設(shè)置合理的電壓分層臨界值，調(diào)整電池的充放電母線電壓臨界值，減少不必要的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)電池的工作壽命。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略具有可行性，增強(qiáng)了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和一定的抗干擾能力。