含混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

盧錦玲，張 偉，張祥國(guó)，何同祥，聞若彤

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定 071003）

在不可再生能源日益枯竭的背景下，太陽(yáng)能作為一種可再生能源具有清潔、資源豐富的特點(diǎn)受到世界各國(guó)的關(guān)注[1-3]。由于光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，為保證微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要在微電網(wǎng)中加入儲(chǔ)能裝置，通過(guò)對(duì)光儲(chǔ)系統(tǒng)中功率變換器控制方法的整合與協(xié)調(diào)，調(diào)節(jié)有功、無(wú)功功率的輸出，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性[4-6]。

為有效提高光伏系統(tǒng)的利用率，就需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point track?ing），目前大量MPPT控制方法被相繼提出，包括恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等傳統(tǒng)控制策略以及相關(guān)的改進(jìn)算法。文獻(xiàn)[7-11]提出了粒子群算法、模糊邏輯控制等許多智能控制算法。但目前在工程實(shí)踐中應(yīng)用較廣的還是傳統(tǒng)方法以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)控制方式。

儲(chǔ)能技術(shù)如今己經(jīng)得到廣泛研究，取得了大量的技術(shù)成果[12]。傳統(tǒng)單一蓄電池能量密度大但響應(yīng)速度慢，分布式電源頻繁的功率波動(dòng)會(huì)造成蓄電池頻繁充放電，影響電池壽命。而超級(jí)電容功率密度大且響應(yīng)速度快，二者相結(jié)合形成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠發(fā)揮各自特點(diǎn)，在平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)的同時(shí)，延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元壽命[13]。文獻(xiàn)[14]在光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種采用模糊控制的蓄電池充放電策略；文獻(xiàn)[15]采用一階巴特沃思濾波環(huán)節(jié)對(duì)功率波動(dòng)指令進(jìn)行分解，分別對(duì)高頻與低頻分量給予補(bǔ)償，但在交接頻率附近存在較高的低頻功率分量，且忽略了SOC的控制，易造成儲(chǔ)能過(guò)充過(guò)放；文獻(xiàn)[16]研究了二階高頻濾波信號(hào)作為超級(jí)電容器功率指令時(shí)的容量恢復(fù)特性，有效平抑了風(fēng)電功率波動(dòng)；文獻(xiàn)[17]提出了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)下基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的能量管理策略，防止儲(chǔ)能設(shè)備過(guò)充過(guò)放。

為有效平抑光伏與負(fù)荷突變引起的功率波動(dòng)，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，本文在光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)中加入混合儲(chǔ)能裝置，構(gòu)建二階低通濾波環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)功率波動(dòng)進(jìn)行分配，使蓄電池和超級(jí)電容分別吸收或釋放功率波動(dòng)中的低頻與高頻分量，同時(shí)結(jié)合儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)來(lái)控制各儲(chǔ)能單元變換器的工作狀態(tài)。在此過(guò)程中儲(chǔ)能工作狀態(tài)將影響光伏發(fā)電系統(tǒng)采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，或恒壓降功率模式來(lái)控制光伏與儲(chǔ)能間的穩(wěn)定運(yùn)行。利用Matlab/Simulink 搭建了含混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)仿真模型，通過(guò)分析仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所提協(xié)調(diào)控制策略在并網(wǎng)與孤島運(yùn)行時(shí)的有效性。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 為含有混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)。光伏電池通過(guò)Boost 變換電路接入直流母線，蓄電池與超級(jí)電容分別通過(guò)雙向DC/DC 變換器并聯(lián)接入直流母線來(lái)釋放或吸收電能，雙向DC/DC變換電路的2 個(gè)IGBT 的導(dǎo)通方式?jīng)Q定儲(chǔ)能單元工作在充電或放電模式。直流母線與DC/AC變流器相連，為交流側(cè)負(fù)荷進(jìn)行供電，同時(shí)在公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）處通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)及變壓器與大電網(wǎng)相連。

圖1 含混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Photovoltaic micro-grid system with hybrid energy-storage

系統(tǒng)中能量關(guān)系如圖2所示，其中，Psource為發(fā)電單元的功率之和；Pinv為逆變器輸出功率；PL為負(fù)荷功率；Pg為大電網(wǎng)提供或吸收的功率；Psto為儲(chǔ)能裝置功率；Pbat為蓄電池輸出/吸收功率；Psc為超級(jí)電容輸出/吸收功率；Ppv為光伏電池輸出功率。各單元間的功率關(guān)系滿足

圖2 系統(tǒng)能量關(guān)系Fig.2 Energy relation in the system

式中，Pg、Pbat、Psc根據(jù)輸出或吸收為正或負(fù)。

2 能量協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制策略主要包括功率分配管理以及對(duì)各個(gè)變換器的控制。通過(guò)對(duì)各變換器獨(dú)立的控制和統(tǒng)一設(shè)定切換依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了分散與統(tǒng)一的有機(jī)結(jié)合，使系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活可靠。

2.1 功率分配管理

功率分配是通過(guò)平衡系統(tǒng)的功率來(lái)達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的作用，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷與光伏電池的輸出功率，并計(jì)算出混合儲(chǔ)能承擔(dān)的功率參考值。根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容的性能對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備要吸收或釋放的功率進(jìn)行分配，并通過(guò)儲(chǔ)能元件的SOC來(lái)決定儲(chǔ)能的工作模式，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提高儲(chǔ)能使用壽命。

運(yùn)用功率分配型控制方法，直流母線電壓將由光伏和儲(chǔ)能設(shè)備共同協(xié)調(diào)控制，因此直流發(fā)電側(cè)輸出的功率Psource_ref要與逆變器實(shí)際的輸出功率Pinv相持平。光伏發(fā)電單元運(yùn)行在MPPT 模式，而混合儲(chǔ)能單元?jiǎng)t用來(lái)平衡兩者間的功率差，即

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)二階低通濾波環(huán)節(jié)將混合儲(chǔ)能輸出功率分配給蓄電池和超級(jí)電容，此方法具有更好的截止特性，能夠使超級(jí)電容承擔(dān)更少的低頻功率，提高其高頻功率的補(bǔ)償能力，同時(shí)又避免了蓄電池需要承擔(dān)較高頻率的補(bǔ)償功率。二階低通濾波器傳遞函數(shù)H（s）為

式中：s為拉普拉斯算子；ωn為固有頻率；ζ為阻尼比。

結(jié)合式（5）～式（11），功率指令分配如圖3 所示，圖中Qref為無(wú)功功率指令，Qinv_ref為逆變器無(wú)功功率指令值。

圖3 功率分配框圖Fig.3 Block diagram of power distribution

在混合儲(chǔ)能運(yùn)行過(guò)程中，為避免蓄電池與超級(jí)電容過(guò)充過(guò)放，在控制環(huán)中設(shè)置儲(chǔ)能單元的SOC充放電限值管理。當(dāng)兩儲(chǔ)能單元的SOC 均在限值范圍內(nèi)時(shí)，各單元按照上述功率分配運(yùn)行。超級(jí)電容能量密度小，充放電過(guò)程中易達(dá)到限定值，因此當(dāng)超級(jí)電容的SOCsc不在限值范圍之內(nèi)時(shí)

則停止工作，功率波動(dòng)由蓄電池獨(dú)自承擔(dān)；在蓄電池充電時(shí)，如果SOCbat大于限充值SOCbat_H，則蓄電池停止工作，光伏發(fā)電單元由MPPT 模式轉(zhuǎn)為恒壓降功率模式；放電時(shí)，當(dāng)SOCbat小于限放值SOCbat_H時(shí)，蓄電池停止工作，光伏發(fā)電單元保持MPPT模式，同時(shí)需切除部分負(fù)荷。

2.2 各接口變換器控制策略

2.2.1 混合儲(chǔ)能雙向DC/DC 變換器控制策略

混合儲(chǔ)能根據(jù)功率分配指令輸出指定功率或電流，通常工作在恒流充電或恒流放電模式。本文采用電流分頻方法間接達(dá)到功率分配的目的，設(shè)計(jì)了圖4所示的控制框圖，超級(jí)電容變換器的控制策略與蓄電池相同，因此圖中僅給出蓄電池充放電的控制策略。

由圖4 可知，將直流母線電壓參考值Udc_ref與實(shí)際值Udc的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電流參考值iref，經(jīng)過(guò)二階低通濾波環(huán)節(jié)可分別得到蓄電池和超級(jí)電容的充放電電流參考值Ibat_ref和Isc_ref，之后與其實(shí)際電流相比較，將差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)后，得到調(diào)制波D為

圖4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control block diagram of hybrid energy-storage system

式中，F(xiàn)pi為比例積分函數(shù)。

之后調(diào)制波與10 kHz 的三角載波通過(guò)比較器后產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，同時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)能單元的SOC，經(jīng)過(guò)邏輯判斷控制變換器的開(kāi)關(guān)管通斷，防止過(guò)充過(guò)放。

2.2.2 光伏Boost 變換電路控制策略

為充分利用太陽(yáng)能，Boost 變換器通常工作在MPPT模式，當(dāng)系統(tǒng)工作在孤島模式下，光伏輸出功率大于負(fù)荷功率，同時(shí)儲(chǔ)能單元達(dá)到儲(chǔ)能上限時(shí)，變換器將結(jié)合SOC值切換為恒壓模式，達(dá)到降功率目的，防止儲(chǔ)能單元過(guò)充。控制框圖如圖5 所示，其中Upv、Ipv分別為光伏電池輸出電壓和電流；IL、ILref分別為變換器電感電流和電壓外環(huán)所得電流參考值。

圖5 光伏單元控制策略Fig.5 Control strategy for photovoltaic cell

本文采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，以消除傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法達(dá)到最大功率點(diǎn)Pmax附近時(shí)，擾動(dòng)難以停止出現(xiàn)左右振蕩的現(xiàn)象。該方法核心思想是在擾動(dòng)過(guò)程中不斷改變擾動(dòng)步長(zhǎng)。開(kāi)始時(shí)在控制器中設(shè)置一個(gè)固定的擾動(dòng)步長(zhǎng)，當(dāng)檢測(cè)到擾動(dòng)方向變反時(shí)，將原有的指定步長(zhǎng)減去某個(gè)常數(shù)作為新步長(zhǎng)沿著變反的方向擾動(dòng)，直到擾動(dòng)方向再次變反；然后將新步長(zhǎng)再減去同一個(gè)常數(shù)作為再次擾動(dòng)的步長(zhǎng)進(jìn)行擾動(dòng)；如此反復(fù)循環(huán)，直至步長(zhǎng)減為0，這時(shí)光伏電池就工作在最大功率點(diǎn)處。

2.2.3 DC/AC 變換器控制策略

直流側(cè)發(fā)電單元通過(guò)三相電壓型逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟娊尤氪箅娋W(wǎng)，同時(shí)為交流負(fù)荷提供能量。控制原理如圖6所示。

圖6 DC/AC 逆變器控制框圖Fig.6 Control block diagram of DC/AC inverter

并網(wǎng)模式下，交流側(cè)PCC 點(diǎn)閉合，由大電網(wǎng)維持微電網(wǎng)功率平衡與電壓、頻率穩(wěn)定；此時(shí)逆變器采用PQ 控制方式，可依據(jù)系統(tǒng)能量管理指令輸出恒定功率。PQ控制法是基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制方式建立的，其中外環(huán)為功率控制環(huán)，確保逆變器的輸出能夠跟蹤到基準(zhǔn)功率；內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，用來(lái)產(chǎn)生正確的參考電壓，最后利用SVPWM技術(shù)來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)管。

孤島模式下，交流側(cè)PCC 點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)逆變器控制模式切換為V/f控制模式，來(lái)保證系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定以及有功、無(wú)功功率的平衡。V/f 控制采用電壓電流雙環(huán)控制方式，外環(huán)為電壓環(huán)，控制其幅值達(dá)到參考電壓值udref和uqref；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對(duì)電感電流進(jìn)行控制；頻率由鎖相環(huán)來(lái)控制，以保證系統(tǒng)頻率達(dá)到我國(guó)工頻標(biāo)準(zhǔn)50 Hz。最后經(jīng)過(guò)SVP?WM來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。

3 系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證本文所提能量協(xié)調(diào)控制策略在含有混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了如圖1所示的系統(tǒng)仿真模型，并針對(duì)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

運(yùn)行工況1：系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式，逆變器處于PQ控制模式，輸出有功指令Pinv_ref=18 kW；光伏電池初始在標(biāo)況（25 ℃、1 000 W/m2）下工作，工作狀態(tài)為MPPT 模式，t= 0.35 s 時(shí)，光照強(qiáng)度增加到1 200 W/m2，t=0.50 s時(shí)光照強(qiáng)度減少到900 W/m2；t=0.7 s 時(shí)負(fù)荷由13 kW 增加到30 kW。仿真結(jié)果如圖7所示，給出了功率P、直流母線電壓Udc以及儲(chǔ)能電流曲線。

圖7 的仿真結(jié)果顯示，0.20～0.35 s 光伏電池輸出功率為20 kW，由于Ppv>Pinv，此時(shí)混合儲(chǔ)能設(shè)備吸收多余功率，充電功率為2 kW；0.35～0.50 s時(shí)Ppv增加到23.5 kW，充電功率增加到5.5kW；0.5～0.8 s時(shí)Ppv降低為18 kW，Ppv=Pinv，此時(shí)光伏發(fā)電功率滿足負(fù)荷需求，混合儲(chǔ)能處于空閑模式。0.2～0.7 s時(shí)由于Pinv>PL，因此大電網(wǎng)吸收功率Pg=5 kW；0.7～0.8 s 交流側(cè)負(fù)荷增加到30 kW，此時(shí)Pinv

圖7 運(yùn)行工況1 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under operating condition 1

根據(jù)儲(chǔ)能電流曲線可知，在0.35 s 和0.50 s 光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，超級(jí)電容快速出力，短時(shí)間內(nèi)對(duì)能量差進(jìn)行快速充電和放電，并逐漸減少恢復(fù)到0附近，低頻分量逐漸增加，蓄電池緩慢補(bǔ)充穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率差。光伏陣列輸出功率能夠隨光照強(qiáng)度改變而快速跟蹤到新的最大功率點(diǎn)，并保持穩(wěn)定，說(shuō)明所用MPPT算法動(dòng)態(tài)性能良好。直流母線電壓維持在額定值700 V左右，滿足系統(tǒng)條件。

在相同的擾動(dòng)運(yùn)行方式下，若采用一階低通濾波方法可以得到如圖8所示的儲(chǔ)能電流曲線。通過(guò)對(duì)比可知，采用功率分配型二階低通濾波方法可以更有效的分離低頻與高頻分量，降低儲(chǔ)能電流波動(dòng)幅值，更快的平抑光伏與負(fù)荷引起的功率波動(dòng)。

圖8 并網(wǎng)一階濾波方法儲(chǔ)能電流波形Fig.8 Energy-storage current waveforms in gridconnected mode obtained using the first-order filtering method

運(yùn)行工況2：系統(tǒng)工作在孤島模式，逆變器處于V/f控制模式，光伏電池工作狀態(tài)與光照強(qiáng)度變化同工況1，0.7 s 時(shí)負(fù)荷由15 kW 增加到25 kW。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 運(yùn)行工況2 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results under operating condition 2

由圖9仿真結(jié)果可知，在孤島模式下，PCC點(diǎn)斷開(kāi)，Pinv=PL，交流側(cè)負(fù)荷需求全部由直流側(cè)發(fā)電單元提供，因此Pg=0 W。在設(shè)定的擾動(dòng)方式下，光伏輸出功率與工況一相同，0.2～0.7s 間Ppv>PL，混合儲(chǔ)能設(shè)備吸收多余能量，維持功率平衡。0.7～0.8 s負(fù)荷突增，Ppv

圖10 為在孤島模式下運(yùn)用一階低通濾波方法得到的儲(chǔ)能電流波形，與圖9電流波形對(duì)比可以明顯看出，本文所提方法能夠更快平抑功率波動(dòng)，降低儲(chǔ)能電流波動(dòng)幅值，使超級(jí)電容承擔(dān)更少的低頻分量，也避免了蓄電池需要承擔(dān)較高頻率的補(bǔ)償功率。

圖10 孤島一階濾波方法儲(chǔ)能電流波形Fig.10 Energy-storage current waveforms in islanded mode obtained using the first-order filtering method

運(yùn)行工況3：設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的仿真過(guò)程。逆變器有功輸出指令Pinv_ref=18 kW；光伏電池在標(biāo)況（25 ℃、1000 W/m2）下工作，工作狀態(tài)為MPPT 模式；負(fù)荷為25 kW；t= 0.4 s 時(shí)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式切換為孤島模式；t=0.6 s 時(shí)再由孤島模式切換到并網(wǎng)模式。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 結(jié)果可以看出，并網(wǎng)切換為孤島模式時(shí)，Pinv由有功輸出指定值變?yōu)樨?fù)荷值，大電網(wǎng)不再對(duì)功率缺額進(jìn)行補(bǔ)充，光伏輸出功率無(wú)法滿足負(fù)荷需求，此時(shí)超級(jí)電容快速響應(yīng)，瞬時(shí)放電，之后蓄電池出力逐漸增大到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)孤島模式運(yùn)行。0.6 s 后順利切換回并網(wǎng)模式。在切換過(guò)程中電壓維持在700 V左右，由此可知，本文所用協(xié)調(diào)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)模式切換，發(fā)揮出混合儲(chǔ)能的必要性和優(yōu)勢(shì)。

圖11 運(yùn)行工況3 仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results under operating condition 3

運(yùn)行工況4：設(shè)計(jì)了能量過(guò)剩的情況，即混合儲(chǔ)能充電，蓄電池SOC 達(dá)到設(shè)定上限值SOCbat_H。微電網(wǎng)系統(tǒng)工作在孤島模式，光伏電池在標(biāo)況（25 ℃、1 000 W/m2）下工作；為使蓄電池快速達(dá)到設(shè)定上限值，因此將初始荷電狀態(tài)設(shè)置為84.998%，t=0.55 s時(shí)負(fù)荷由15 kW 增加到25 kW。仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12 仿真結(jié)果可知，孤島模式下逆變器輸出功率與負(fù)荷功率相等，Pinv=PL；0.10～0.25 s時(shí)光伏輸出功率大于負(fù)荷所需功率，即Ppv>PL，盈余功率由混合儲(chǔ)能設(shè)備吸收，蓄電池工作在充電模式，0.25 s 時(shí)蓄電池SOC 達(dá)到上限值85%，控制蓄電池停止工作。光伏電池采取降功率處理方式，Boost變換器由MPPT 模式切換為恒壓控制模式，光伏輸出功率逐漸降低到15 kW，超級(jí)電容進(jìn)行短時(shí)快速的功率補(bǔ)償，并逐漸減少為0，直流母線電壓雖有所上升，但仍在要求范圍內(nèi)。t=0.55 s時(shí)負(fù)荷增加到25 kW，為維持直流母線電壓穩(wěn)定，此時(shí)光伏變換器先切換回MPPT 模式，但Ppv

圖12 運(yùn)行工況4 仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results under operating condition 4

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了含有混合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在并/離網(wǎng)模式以及模式切換下的能量協(xié)調(diào)控制策略。通過(guò)與常規(guī)一階低通濾波方法在并/離網(wǎng)模式的對(duì)比以及各工況仿真結(jié)果可以看出，混合儲(chǔ)能采用的功率分配型二階低通濾波控制方法，能更有效的分離出功率波動(dòng)的低頻與高頻分量，同時(shí)結(jié)合儲(chǔ)能單元的SOC限值管理控制其工作狀態(tài)，快速消除光伏與負(fù)荷引起的功率波動(dòng)，發(fā)揮蓄電池與超級(jí)電容各自優(yōu)勢(shì)，防止儲(chǔ)能過(guò)充過(guò)放，延長(zhǎng)使用壽命。而光伏電池可以根據(jù)儲(chǔ)能工作狀態(tài)采用不同控制方法，通過(guò)獨(dú)立與統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)了光伏、儲(chǔ)能及負(fù)荷間的能量平衡，維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。