獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)母線電壓分層協(xié)調(diào)控制策略

康家玉， 白一鍇， 王素娥， 張曉飛

（陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安710021）

0 引 言

人們對(duì)能源日益枯竭和環(huán)境污染等問題的關(guān)注使利用可再生能源的分布式發(fā)電成為了熱點(diǎn)，而分布式電源供能發(fā)電的基本實(shí)現(xiàn)形式即為微網(wǎng)［1-2］。直流微網(wǎng)相比于交流微網(wǎng)不存在頻率跟蹤、無功波動(dòng)的問題，提高了系統(tǒng)電能質(zhì)量與穩(wěn)定性，其控制方法也較為簡(jiǎn)單［3］。家用電動(dòng)、電熱設(shè)備等常用電器負(fù)荷類型的轉(zhuǎn)變使住宅直流供電開始興起，成為推動(dòng)直流微網(wǎng)發(fā)展的重要應(yīng)用［4］。直流母線電壓的穩(wěn)定性對(duì)直流微網(wǎng)的可靠運(yùn)行具有重要影響，其中分布式電源的隨機(jī)波動(dòng)性以及負(fù)載的大規(guī)模投切都會(huì)引起母線電壓的不穩(wěn)定［5］，進(jìn)而維持直流母線電壓穩(wěn)定的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)分布式電源發(fā)出功率與負(fù)載、儲(chǔ)能等單元吸收功率的匹配，常用的控制策略有分布式控制、分層控制、集中式控制等［6］。文獻(xiàn)［7］中采用了一種分布式控制保證各微源功率均分，提高了電壓質(zhì)量。文獻(xiàn)［8］中設(shè)計(jì)功率控制策略，通過對(duì)微網(wǎng)中央控制器的集中式控制實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部功率分配。針對(duì)分布式控制與集中式控制通信壓力大的問題，文獻(xiàn)［9］中采用了電壓分層協(xié)調(diào)控制方法，但對(duì)于儲(chǔ)能單元無法工作時(shí)采用的減載操作控制效果不夠理想。儲(chǔ)能單元在維持微網(wǎng)中母線電壓穩(wěn)定時(shí)起到了至關(guān)重要的作用，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命，研究其更優(yōu)的控制技術(shù)成為了熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［10］中提出了基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，通過對(duì)超級(jí)電容與蓄電池下垂曲線的分析合理劃分工作區(qū)間協(xié)調(diào)控制母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)［11］中設(shè)計(jì)了監(jiān)控管理系統(tǒng)，在維持母線電壓穩(wěn)定的前提下對(duì)蓄電池進(jìn)行循環(huán)充電，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。文獻(xiàn)［12］中為避免蓄電池過度充放電，考慮蓄電池SOC，提出了一種包含一次分散控制和二次集中控制的協(xié)調(diào)控制策略，較好地控制了母線電壓的穩(wěn)定。

本文以獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)單組蓄電池易出現(xiàn)過流故障及過充過放情況的問題，提出了一種基于雙蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，并快速平抑系統(tǒng)中功率波動(dòng)，穩(wěn)定母線電壓。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)主要由光伏發(fā)電單元、兩組蓄電池儲(chǔ)能單元以及直流負(fù)荷組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電單元將太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出，通過Boost升壓斬波電路與母線電壓等級(jí)進(jìn)行匹配，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），控制光伏發(fā)電單元輸出其最大功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩組蓄電池組（B1，B2），通過雙向DC/DC 電路連接直流母線，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，控制蓄電池組充放電來平衡微網(wǎng)功率、穩(wěn)定母線電壓。

2 母線電壓控制策略

2.1 電壓分層協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)光伏發(fā)電單元、蓄電池儲(chǔ)能單元與負(fù)載功率平衡原則，以直流母線電壓參考值為閾值，將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程劃分為穩(wěn)態(tài)階段與暫態(tài)階段，得到母線電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，該策略與主從控制、集中式控制相比其不依賴控制器之間的通信聯(lián)系，更簡(jiǎn)單靈活，能夠使直流微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性更高。

獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)無大電網(wǎng)支持，需要依靠自身來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功率波動(dòng)［13］。考慮到光伏發(fā)電單元的隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)，輸出功率難以控制，為了保證能源最大限度地利用使其工作在MPPT模式下。采用雙蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究表明引起電池?fù)p壞失效與最大放電深度、電池充放電次數(shù)有關(guān)，并且充放電次數(shù)越多，最大放電深度越大則電池的使用壽命越短［14］，因此本文選取蓄電池SOC上、下限分別為80%和20%，以蓄電池作為平衡節(jié)點(diǎn)平抑系統(tǒng)中的功率波動(dòng)。穩(wěn)態(tài)階段下，針對(duì)負(fù)荷發(fā)生突變的情況，使兩組蓄電池共同工作，采用功率平抑控制根據(jù)功率分配模塊協(xié)調(diào)缺額或冗余功率；暫態(tài)階段下，使兩組蓄電池輪換工作，采用改進(jìn)下垂控制恢復(fù)母線電壓至穩(wěn)定值，總體控制策略框圖如圖2 所示。其中狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊是根據(jù)參考電壓Uref與實(shí)際檢測(cè)電壓Udc比較的差值ΔU 判斷層級(jí)，運(yùn)行流程如圖3 所示。允許直流母線電壓有1%Udc的波動(dòng)，以此設(shè)定母線電壓閾值。若ΔU在1%Udc間波動(dòng)，則認(rèn)為此時(shí)為穩(wěn)態(tài)階段，否則為暫態(tài)階段。

2.2 穩(wěn)態(tài)階段母線電壓控制

當(dāng)0.99Udc＜Udc＜1. 01Udc時(shí)，母線電壓波動(dòng)較小，處于穩(wěn)態(tài)階段。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

式中：PPV為光伏單元輸出功率；PL為直流負(fù)荷總額定功率。光伏發(fā)電單元工作在MPPT 模式下，為了防止在母線電壓小波動(dòng)時(shí)蓄電池頻繁動(dòng)作，使蓄電池工作在空閑模式。

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，用對(duì)電壓微分得到的電壓變化率dU/dt代替電壓變化量ΔU檢測(cè)該情況是否發(fā)生并發(fā)出信號(hào)使兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作平衡突變功率。如負(fù)荷突增時(shí)母線電壓降低至閾值以下，電壓變化率反向增加超過理想情況（理想情況為母線電壓基本恒定），則狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊收到信號(hào)使兩組蓄電池準(zhǔn)備放電，負(fù)荷突減時(shí)則相反。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

圖2 獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)整體控制策略框圖

圖3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行流程圖

式中：PBS1、PBS2分別為第1、2 組蓄電池的功率，“＋，-”表示蓄電池充電與放電。兩組蓄電池參考電壓相同，忽略線路阻抗，滿足：

Rc為蓄電池SOC達(dá)到100%時(shí)的內(nèi)阻，則兩組蓄電池功率分配滿足：

功率分配模塊根據(jù)式（6）對(duì)缺額或多余功率進(jìn)行分配得到兩組蓄電池的參考功率，充電模式下SOC 值低的蓄電池組吸收較多功率；放電模式下SOC 值低的蓄電池組提供較少功率。采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，如圖2 所示和蓄電池實(shí)際功率Pb1、Pb2比較后得到的誤差經(jīng)過PI 后得到參考電流I*b1和利用測(cè)得的實(shí)際工作電流對(duì)其進(jìn)行跟蹤，最后進(jìn)入PWM模塊輸出信號(hào)控制開關(guān)管通斷。

2.3 暫態(tài)階段母線電壓控制

當(dāng)Udc＞1.01Udc或Udc＜0.99Udc時(shí)，超過閾值范圍處于暫態(tài)階段。此時(shí)使兩組蓄電池通過狀態(tài)標(biāo)記分別工作在兩種模式下，即一組充一組放，檢測(cè)到任一組SOC值達(dá)到上限或下限則兩組蓄電池切換工作狀態(tài)，如此不僅能解決蓄電池過充或過放引起損壞失效的問題，還減少了充放電次數(shù)，延長(zhǎng)其使用壽命。兩組蓄電池的標(biāo)記是通過狀態(tài)判別模塊引出布爾量x 與SOC監(jiān)測(cè)模塊引出布爾量y 組成邏輯判斷模塊完成的，其中B1與B2標(biāo)記狀態(tài)相反。布爾量x、y與各標(biāo)記模式關(guān)系如表1 所示。

表1 各模式下布爾量x、y值

蓄電池的充放電控制由下垂控制實(shí)現(xiàn)，考慮到傳統(tǒng)下垂控制無法應(yīng)對(duì)因母線電壓波動(dòng)而引起的電壓偏差問題［15］，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)的下垂公式中增加補(bǔ)償項(xiàng)進(jìn)行2 次控制，使其能夠追蹤光伏功率與負(fù)載功率的變化，移動(dòng)下垂曲線控制蓄電池的工作狀態(tài)，從而對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整使其快速恢復(fù)至穩(wěn)定值。補(bǔ)償控制器將光伏單元輸出功率與負(fù)荷所需功率進(jìn)行比較得到補(bǔ)償電壓，如下：

式中：k1、k2為控制器參數(shù)，則經(jīng)2 次控制的蓄電池改進(jìn)下垂控制公式如下：

根據(jù)式（7）、（8）得到下垂控制曲線如圖4 所示，線A為傳統(tǒng)下垂控制下蓄電池工作曲線，線B、C 為經(jīng)二次控制后蓄電池工作曲線。

圖4 蓄電池工作下垂曲線平移示意圖

當(dāng)Udc＜0.99Udc時(shí)，光伏單元工作在MPPT 模式下提供盡可能大的功率，但仍不能夠滿足負(fù)載需求，此時(shí)下垂曲線向上移動(dòng)，如線B 所示，輸出電流增大使B1工作于放電模式補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額。蓄電池充放電控制策略如圖2 所示。若檢測(cè)到蓄電池B1的SOC達(dá)到下限，則通過狀態(tài)標(biāo)記模塊使B1、B2切換工作狀態(tài)，令B2開始放電而B1接受充電標(biāo)記準(zhǔn)備工作在充電模式下。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

當(dāng)Udc＞1.01Udc時(shí)，仍令其工作在MPPT模式下，但光伏單元功率過剩，此時(shí)下垂曲線將向下移動(dòng)，如線C所示，電流反向增加帶有充電標(biāo)記的B2工作于充電模式儲(chǔ)存系統(tǒng)多余能量。蓄電池充放電控制策略如圖2 所示。若檢測(cè)到B2的SOC達(dá)到下限，則通過狀態(tài)標(biāo)記模塊與B1切換工作狀態(tài)，令B1開始放電而B2接受充電標(biāo)記準(zhǔn)備工作在充電模式下。此時(shí)系統(tǒng)中功率關(guān)系如下：

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出控制策略對(duì)于直流母線電壓穩(wěn)定性控制的可行性與有效性，在Matlab/Simulink 中建立仿真模型，對(duì)各層下工作狀態(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析。仿真模型主要包括：工作在標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率為6 kW的光伏陣列（溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1. 0 kW/m2）；兩組額定電壓為120 V，標(biāo)稱容量為100 Ah的蓄電池；初始帶有2 和4 kW負(fù)載，共6 kW。額定直流母線電壓設(shè)置為400 V，正常工作范圍為380 ～420 V。

3.1 穩(wěn)態(tài)階段仿真分析

該階段下光伏發(fā)電單元工作在MPPT 模式，提供6 kW 功率滿足負(fù)載需求，B1、B2初始SOC 分別為60%、30%，此時(shí)蓄電池處于空閑狀態(tài)。設(shè)定仿真時(shí)間為0.5 s，如圖5 所示，此時(shí)母線電壓穩(wěn)定在400 V 左右，有波動(dòng)但誤差不超過4 V。

圖5 穩(wěn)態(tài)階段下母線電壓仿真波形圖

0.25 s時(shí)投入3 kW負(fù)載模擬外界負(fù)載突變情況，如圖6 所示，兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作，按照SOC 值進(jìn)行功率分配，B1、B2分別提供2、1 kW功率。圖7 為使用一組蓄電池和使用兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)控制時(shí)電流的對(duì)比圖，從圖中可以看出在僅使用單組蓄電池控制時(shí)，負(fù)載突變瞬間放電電流過大，超過20 A，易引起過流故障，而在兩組蓄電池協(xié)調(diào)控制下瞬時(shí)電流突變較小。

圖6 雙組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作仿真波形圖

圖7 使用單組和雙組蓄電池協(xié)調(diào)控制時(shí)電流對(duì)比圖

穩(wěn)態(tài)階段下，系統(tǒng)中各單元的功率如圖8 所示，在負(fù)荷突變時(shí)由蓄電池組進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。圖9 為負(fù)荷突變后母線電壓變化波形圖，由圖可知，本文針對(duì)負(fù)載突變提出的雙蓄電池組在共同協(xié)調(diào)控制策略能夠有效抑制過電流情況的發(fā)生，并快速穩(wěn)定母線電壓。

3.2 暫態(tài)階段仿真分析

該階段下光伏發(fā)電單元仍工作在MPPT 模式下，切除掉2 kW負(fù)載模擬直流微網(wǎng)中負(fù)載功率降低，此時(shí)母線電壓升高超過閾值。設(shè)定B1的SOC 值為50%，B2的SOC值為79.3%。如圖10、11 所示，兩組蓄電池采用改進(jìn)型下垂控制，首先令B2工作于充電模式下，B1不工作，大約0.3 s左右B2的SOC 值達(dá)到上限，則停止工作與B1切換狀態(tài)，B1開始充電，直流微網(wǎng)母線電壓變化如圖12 所示，0.63 s時(shí)母線電壓穩(wěn)定于402 V，在閾值范圍內(nèi)，相應(yīng)的B1也停止放電。圖13 為兩組蓄電池在傳統(tǒng)控制下母線電壓的變化曲線圖，對(duì)比可知，蓄電池在采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)母線電壓波動(dòng)較大，恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，效果不理想。由此，本文提出的兩組蓄電池在改進(jìn)型下垂控制下輪換協(xié)調(diào)控制方式能夠有效實(shí)施并更好地使母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 穩(wěn)態(tài)階段下各單元輸出功率圖

圖9 負(fù)荷突變后母線電壓變化波形圖

圖10 蓄電池B2 的SOC值變化仿真波形圖

圖11 蓄電池B1 的SOC值變化仿真波形圖

圖12 改進(jìn)下垂控制下母線電壓變化仿真波形圖

圖13 傳統(tǒng)下垂控制下母線電壓變化仿真波形圖

4 結(jié) 語

本文針對(duì)獨(dú)立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定控制問題，提出一種基于雙蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，以蓄電池作為協(xié)調(diào)控制的主體，平衡系統(tǒng)中各單元的功率，達(dá)到維持母線電壓穩(wěn)定的目的。通過與單組蓄電池的仿真對(duì)比驗(yàn)證了穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，兩組蓄電池在采用功率平抑控制方法下能夠進(jìn)行共同協(xié)調(diào)工作，并更好地應(yīng)對(duì)負(fù)荷的突變，防止過流情況的發(fā)生，恢復(fù)母線電壓穩(wěn)定；通過對(duì)蓄電池狀態(tài)切換的仿真及傳統(tǒng)下垂控制與改進(jìn)下垂控制的對(duì)比，驗(yàn)證了暫態(tài)階段時(shí)，兩組蓄電池在改進(jìn)下垂控制方法下輪換協(xié)調(diào)工作方式工作穩(wěn)定，解決蓄電池過充過放的問題，更好更快地恢復(fù)母線電壓穩(wěn)定。