基于混合儲能的光伏微電網(wǎng)研究

李 爍，陸洲杰，吳光源，李俊波，吳欣怡

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

近年來，隨著環(huán)境日益惡化與能源問題層出不窮，國家提出“雙碳”戰(zhàn)略，以光伏、風(fēng)電為主的分布式電源并入電網(wǎng)得到了各地方政府的支持[1-2]。分布式電源并網(wǎng)難點在于其靈活性與消納性，因此相關(guān)研究人員提出了直流微電網(wǎng)的概念。通過將光伏、儲能以及風(fēng)電等分布式能源并入直流微電網(wǎng)中，實現(xiàn)更好利用的目的，避免棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象。與交流電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)不用考慮線路中的頻率、相位、無功功率、潮流等指標(biāo)[3]，將母線電壓穩(wěn)定與有功功率平衡作為重要的參考指標(biāo)。但將光伏、風(fēng)電等分布式電源接入直流微電網(wǎng)，其功率的隨機性以及如電動汽車等直流負(fù)荷的增加，會導(dǎo)致直流母線電壓發(fā)生一定波動，此時需要接入儲能來維持母線電壓的穩(wěn)定，從而有利于分布式電源的消納，降低碳排放，滿足“雙碳”戰(zhàn)略的要求。

文獻(xiàn)[4]針對含混合儲能直流微電網(wǎng)中母線電壓的穩(wěn)定，分析了直流微電網(wǎng)中各變換器的結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計了各自變換器協(xié)調(diào)運行的控制策略，進(jìn)一步提高直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]從混合儲能分配功率的低通濾波器角度出發(fā)，運用模糊控制器對低通濾波器的時間常數(shù)進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)混合儲能功率精確分配。文獻(xiàn)[6]提出了穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能控制策略，該策略考慮了超級電容荷電狀態(tài)的偏移性，在蓄電池電流環(huán)控制中加入虛擬沖擊電流擾動項，避免超級電容出現(xiàn)過充過放問題，提高了直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。文獻(xiàn)[7]將直流微電網(wǎng)中混合儲能功率分配進(jìn)行細(xì)化，把儲能單元電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)分為4種運行等級，實現(xiàn)了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和各電源之間協(xié)同出力。文獻(xiàn)[8]將混合儲能運用到風(fēng)電發(fā)電的場景中，設(shè)計了混合儲能雙層規(guī)劃模型，使用智能算法求解模型，實現(xiàn)混合儲能最佳配置,并最大程度地平抑風(fēng)電并網(wǎng)的功率波動。文獻(xiàn)[9]考慮了混合儲能功率分配與超級電容SOC二者之間的矛盾，考慮把虛擬阻抗和虛擬電壓源加入到儲能并網(wǎng)變換器的控制器中，該方法有效解決了二者之間的矛盾，降低了混合儲能的配置費用。

本文將混合儲能加入直流微電網(wǎng)中，首先建立了整個系統(tǒng)拓?fù)湟约肮夥δ艿葦?shù)學(xué)模型；其次給出相應(yīng)變化器控制策略，協(xié)調(diào)各部分電源出力，以此來穩(wěn)定母線電壓，合理運用儲能設(shè)備來抑制光伏并網(wǎng)帶來的功率波動性；最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證所采取控制策略具有一定的有效性與可行性。

1 系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

該系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，該拓?fù)溆晒夥娫?、蓄電池、超級電容和直流?fù)載4部分組成。單相光伏發(fā)電單元通過Boost變換器接入母線，超級電容器通過雙向Buck-Boost變換器接入直流微電網(wǎng)，蓄電池接入單向Buck變換器匯入母線，二者以并聯(lián)形式組成混合儲能參與供能。光伏為主要供電單元，混合儲能主要負(fù)責(zé)負(fù)載波動時母線電壓的穩(wěn)定，超級電容響應(yīng)速度明顯優(yōu)于蓄電池。圖1中Ppv為光伏輸入功率；PSc為超級電容交換功率；PBat為蓄電輸送功率；Pload為負(fù)載消耗功率。

圖1 混合儲能光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 控制策略

2.1 光伏控制策略

光伏陣列并網(wǎng)電路圖和控制圖如圖2所示。圖2中Upv、Ipv分別為光伏陣列的輸出電壓、輸出電流；C1、C2分別為光伏陣列并網(wǎng)變換器輸入電容、輸出電容；L1為變換器電感，VD1為光伏并網(wǎng)變換器續(xù)流二極管。本文只考慮了光伏并網(wǎng)運行，在變步長MPPT模式下，光伏陣列輸出電壓Upv和輸出電流Ipv通過電壓閉環(huán)比較控制器產(chǎn)生PWM信號來控制DC-DC變換器中開關(guān)管的開通與關(guān)斷。光伏陣列最大功率追蹤控制常用的方法有恒壓法、電導(dǎo)增量法和擾動觀察法。其中恒壓法是將單一電池的參考電壓設(shè)為固定值，該方法控制簡單，但不能迅速地應(yīng)對外界環(huán)境變化。擾動觀察法是將其輸出電壓作為擾動量，首先計算光伏陣列的輸出功率，與上一時刻的功率對比，若輸出功率增大，則擾動與上次擾動方向保持一致；若輸出功率減小，則改變輸出電壓，該方法可以基本實現(xiàn)最大功率的實時跟蹤，但是該方法很難兼顧快速性和穩(wěn)定性。本文所采取的變步長MPPT，其原理是對光伏陣列輸出電壓添加擾動，通過判斷擾動前后dP/dV正負(fù)性。若dP/dV>0，則光伏板工作在最大功率點的左側(cè)，應(yīng)增加擾動；反之降低擾動。與恒壓法以及擾動觀察法相比，變步長MPPT能更好地實現(xiàn)高精度性與較快的跟蹤速度。

圖2 光伏發(fā)電電路圖及其控制圖

2.2 混合儲能控制策略

圖3 混合儲能并網(wǎng)電路圖及其控制圖

3 仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink搭建的仿真模型[11-14]如圖4所示，該模型主要由光伏發(fā)電模塊、蓄電池、超級電容以及負(fù)載4部分組成。仿真參數(shù)如下：①光伏串列開路電壓為200 V，短路電流20 A，最大功率點電壓為150 V，最大功率點電流為18 A，光伏板環(huán)境溫度為25 ℃，初始光照為2000 W/m2；②蓄電池為鋰離子材質(zhì)，且為最初SOC為95%；③超級電容容量為50 F，且初始電壓為420 V，串聯(lián)數(shù)為6；④母線電壓參考值為500 V。本文將仿真時間設(shè)為0.5 s，具體分析如下。

圖4 光伏混合儲能系統(tǒng)仿真圖

光伏輸出功率如圖5所示，時間在0.2 s時光照發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出功率發(fā)生波動，需要混合儲能來抑制功率的差額來平衡母線電壓。

圖5 光伏輸出功率變化

混合儲能的輸出功率變化如圖6所示，由圖6(a)可知，當(dāng)時間在0.05～0.2 s，超級電容處于充電狀態(tài)，輸出功率小于零，當(dāng)時間在0.2～0.3 s，負(fù)載發(fā)生2次波動，超級電容的響應(yīng)速度迅速，呈階梯狀彌補功率的缺額；由圖6(b)可知，蓄電池對功率響應(yīng)速度相對于超級電容較慢，但隨著時間的推移，蓄電池主要承擔(dān)功率缺額的作用。

(a)超級電容功率

混合儲能的SOC變化如圖7所示，圖7(a)為并網(wǎng)下超級電容SOC的變化曲線，當(dāng)時間在0.05～0.2 s，超級電容充電SOC呈現(xiàn)上升趨勢，時間在0.2 s以及0.3 s時，負(fù)載發(fā)生了2次跳變；圖7(b)為并網(wǎng)下蓄電池SOC的變化曲線，由于本文只考慮到蓄電池充電，所以其SOC呈現(xiàn)下降趨勢，與超級電容的變化曲線相比，在負(fù)載功率發(fā)生缺額情況下，超級電容具有更快的反應(yīng)速度。

(a)超級電容SOC

直流母線的電壓變化如圖8所示，本文將直流母線參考電壓設(shè)為500 V，由圖8可知，在光伏功率發(fā)生波動以及負(fù)載功率發(fā)生跳變的情況下，本文將超級電容與蓄電池加入到模型中，采取合適的控制策略，母線電壓基本保持穩(wěn)定，具有一定的可靠性。

圖8 直流母線電壓

4 結(jié)語

本文將超級電容與蓄電池作為混合儲能進(jìn)行仿真，從混合儲能功率曲線及其容量變化曲線可知，當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生一定變化時，超級電容響應(yīng)迅速，有利于蓄電池更好地工作，采用的控制策略也對母線電壓穩(wěn)定具有一定作用。但本文針對混合儲能控制策略采用的是單級控制，并沒有采取電壓電流雙閉環(huán)控制，導(dǎo)致仿真結(jié)果具有誤差性與局限性。