基于儲能電池系統的微電網設計①

王少東，羅秀英，朱海濤，代妮娜，雷國平

(1.國網重慶市電力公司，重慶 400000；2.重慶三峽學院電子與信息工程學院，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，世界電力系統開始去中心化和脫碳化。過度使用化石燃料發電不僅導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境問題。這導致了對替代解決方案的探索，如太陽能光伏(solar photovoltaic,SPV)、風能和其他類型的可再生能源(renewable energy sources,RES)來發電[1]。RES集成到本實用功能中的快速進展已重新規劃了集中式實用程序的結構，提出了分布式能源系統(distributed energy system,DES)，RES是分布式能源(distributed energy resources,DERs)的關鍵組成部分。能源是不可預測的，它們的發電是不可控制的。快速崛起的電驅動發電，給電網的可控、安全運行帶來了新的挑戰。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害、物理和網絡攻擊以及級聯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。他們得到了一種網格結構的解決方案，即在主電網故障時可以自動隔離的網格分區中進行發電和需求的局部管理，這種方法被稱為“微電網”。

微電網由大量的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。在未來的電力系統中，微電網將成為可再生能源、儲能系統和負荷有效集成的重要組成部分。文獻[2]對微電網和不同的能量管理系統進行了詳細的綜述。由于功率轉換階段的減少，直流微電網比交流微電網更靈活。此外，直流微電網不受交流系統中常見的頻率同步、無功潮流、諧波電流等電能質量問題的影響。因此，與交流微電網相比，直流微電網的整體控制不那么復雜。由于直流微電網建模能力有限，在建筑電力系統、數據中心、住宅小區、插電式混合動力汽車等領域得到了廣泛的應用。

2 相關工作

可再生能源發電的迅猛發展，給微電網的安全、可靠和可控運行帶來了諸多挑戰。微電網領域的主要研究方向是微電網的能量管理與控制。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。Athira等人[4]提出了一種帶混合儲能系統(hybrid energy storage system,HESS)的孤島式直流微電網原型模型。在由先進光伏發電機組組成的微電網的能量管理中，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功率優化方法。

本文介紹了一種適用于住宅配電系統的獨立直流微電網的設計與仿真。詳細討論了一種簡單的帶儲能系統和功率轉換單元的直流微電網的結構。在MATLAB中對微電網模型進行了仿真，分析了微電網各部件的性能。

3 獨立式直流微電網設計

圖1展示了一個獨立的直流微電網，帶有SPV源，單向和雙向DC-DC轉換器，能量采集系統(energy storage system,ESS)和直流負載。SPV系統采用最大功率跟蹤(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和直流母線。該系統采用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 獨立式直流微電網系統Fig.1 Block diagram of stand-alone DC microgrid system.

3.1 SPV電池的數學模型

圖2顯示了SPV電池的等效電路。它由電流源(Iph)、二極管(D)以及串聯電阻Rse和并聯電阻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(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，必須改變電源調節單元的工作點，以匹配PV源的負載電阻。MPPT控制器與SPV系統協調，在MPP條件下運行系統。光伏能源轉換系統采用MPPT，以連續調整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]。在傳統的MPPT算法中，P&O算法主要應用于SPV系統。這種技術是基于爬坡原理，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，它將之前存儲在內存中的計算數據用于MPP跟蹤。本文采用LUT MPPT控制器對MPP進行跟蹤。與其他傳統MPPT相比，LUT MPPT具有更大的優勢，因為它的計算時間更短。輸出響應速度快，輸出穩定。LUT是使用先前計算的數據開發的。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轉換器

SPV系統的能量收集需要一個高效的DC-DC變換器，SPV系統主要采用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的切換，并放電電池以向負載提供能量。設計了一種雙開關雙向直流變換器(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調節器調節，為直流母線提供恒定的48 V。采用標準設計方程設計DC-DC變換器。SPV面板的規格以及升壓和雙向直流變換器的設計參數見表1，在MATLAB2016a版本軟件中進行仿真。

表1 關鍵參數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從預先分配的數據中提取占空比，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變換器和升壓調節器的輸出電壓。DC-DC變換器升壓變化的輸入直流電壓，產生變化的直流輸出。設計的系統直流母線電壓為48 V。為了在直流母線側獲得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升壓穩壓器。圖6顯示了調節器產生的穩壓直流輸出。調節器的控制由PI控制器實現，在所有條件下提供恒定的輸出電壓(48 V)。由結果可以看出，當調節器的輸入電壓發生變化時，PI控制器調節占空比，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。可以看出，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 結論

本文介紹了一種帶儲能系統的單機直流微電網系統的設計與仿真。通過仿真所建立的微電網模型，分析了變換器、穩壓器、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，給出了仿真結果并進行了詳細討論。