光儲獨立直流微電網的協同控制策略研究

周建萍, 朱建萍, 崔 屹, 薛亞林, 王 朔

(1.上海電力學院自動化工程學院,上海200090；2.上海發電過程智能管控工程技術研究中心，上海200090)

光儲獨立直流微電網的協同控制策略研究

周建萍1,2, 朱建萍1, 崔 屹1, 薛亞林1, 王 朔1

(1.上海電力學院自動化工程學院,上海200090；2.上海發電過程智能管控工程技術研究中心，上海200090)

針對由光伏、蓄電池及可變負載組成的獨立直流微電網，提出電壓和電流分段式協同控制策略。該控制策略將能量管理劃分為4種工作模式，采用最大功率點跟蹤控制充分利用太陽能，將蓄電池作為支撐單元，當光伏模塊不能穩定直流母線電壓的時候，蓄電池才工作，從而降低蓄電池的切換頻率。為了防止過充，將蓄電池充電分為恒流充電和恒壓充電兩種模式，從而增加蓄電池的使用壽命。建立Matlab仿真模型，其仿真結果驗證所提控制策略的可行性。

光伏陣列；蓄電池；最大功率點跟蹤控制；恒流充電；恒壓充電

隨著環境污染和能源短缺越來越嚴重，開發利用清潔的可再生能源迫在眉睫。太陽能作為可再生能源是世界上最清潔、最易于大規模開發的清潔能源之一，因此利用太陽能進行光伏發電將越來越受到人們的重視[1]。獨立運行的光伏發電系統是目前太陽能光伏發電應用的非常重要的一種方式，其應用非常廣泛，可以解決偏遠山區和無電網地區的供電問題。由于光伏電池的出力情況受外界自然條件影響呈現出強烈的時變性和不確定性，因此系統必須配備儲能單元保證系統中能量的供需平衡[2－5]。由于獨立運行的微電網承受擾動的能力相對較弱，為確保直流微電網的穩定運行和能量的充分利用，及對蓄電池使用壽命的考慮，制定合理的協同控制策略至關重要。

目前對獨立光伏直流微電網能量協同控制策略的研究主要是針對光伏模塊和儲能模塊的控制展開的[6－9]。文獻[6]重點介紹直流微電網中光伏發電系統的幾種工作模式及其轉換過程，并沒有對系統如何實現能量調配給出詳細方案。文獻[8]通過檢測光伏發電功率與負載所需功率制定能量管理控制策略，控制蓄電池和光伏側的變換器協調工作，但所設計的系統以蓄電池儲能單元作為主功率單元，這會導致蓄電池工作模式的頻繁切換，增加系統諧波、降低儲能元件的使用壽命。

近幾年，對DC/DC變換器控制的研究，有母線電容電流控制[9]、功率前饋控制和直接功率控制[10]等。本文研究的直流微電網系統由光伏發電單元、蓄電池儲能單元和直流負載組成，文中根據微電網實際運行特點，詳細分析了光伏單元和儲能單元的控制方法，提出了一種電壓和電流分段控制相結合的系統控制策略。該控制策略考慮到光伏發電的最大利用，在光伏模塊能自我調節穩定直流母線電壓時，蓄電池工作在停機模式，不僅增加蓄電池的使用壽命，同時也避免了蓄電池充放電頻繁切換造成諧波污染；實現了蓄電池充、放電兩種工作模式的自主切換，并且考慮蓄電池的充電特性，為防止電池過充制定恒流和恒壓兩種充電策略，通過控制蓄電池的充電電壓和電流實現了這兩種充電策略的平滑切換，提高了充電效率。

1 協同控制策略

本文研究的光儲獨立直流微電網由主電路和控制電路兩部分構成，主電路元件包括光伏電池、蓄電池、直流負載及單、雙向DC/DC變換器。圖1為系統主電路圖，其中為光伏電池輸出電壓，為光伏電池輸出電流；為直流母線端電壓；為蓄電池端電壓，為蓄電池模塊的電感電流。

圖1 光儲獨立直流微電網主電路圖

光儲獨立直流微電網的運行控制策略主要包括：光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)控制和恒壓控制，蓄電池Boost(放電)工作模式控制、Buck(充電)工作模式控制和停機模式控制。如圖1所示，光伏發電單元采用單向DC/DC電路實現MPPT控制和恒壓控制，蓄電池儲能單元采用雙向DC/DC電路實現充放電自動切換控制和兩段式充電控制。圖2為系統能量流動控制流程圖。

圖2 系統能量流動控制流程圖

如圖2所示，系統具體分為如下4種工作模式：(1)工作模式一(單向MPPT+雙向Boost)。當直流母線電壓小于等于直流母線電壓設定最小值，且蓄電池端電壓大于等于蓄電池端電壓設定最小值時，光伏電池工作在MPPT模式，雙向DC/DC工作在升壓放電(Boost)模式，此時由雙向DC/DC變換器控制直流母線電壓穩定；(2)工作模式二 (單向MPPT+雙向停機)。此種工作模式僅考慮(為直流母線電壓設定最大值)時，因為蓄電池工作模式的頻繁切換會影響其使用壽命，在光伏模塊能穩定直流母線的時候，盡量減少儲能單元的使用，所以蓄電池停止工作，僅光伏電池工作在MPPT模式，光伏電池發出的電能直接供給負載；(3)工作模式三(單向恒壓+雙向Buck)。當，且時，光伏電池發出的能量大于負載的消耗，光伏電池由MPPT模式切換為恒壓控制模式，蓄電池工作在降壓充電(Buck)模式，此時由單向DC/DC變換器維持直流母線穩定；(4)工作模式四(單向恒壓+雙向停機)。當,且＞時，光伏電池仍然工作在恒壓模式，蓄電池由于充電完成，因此工作在停機模式，直流母線的穩定繼續由單向DC/DC變換器維持。

在直流微電網系統中可通過設計單、雙向DC/DC變換器的控制電路實現這四種工作模式的控制及它們之間的切換?？紤]到蓄電池的充電特性，在電池充電初期階段，蓄電池的端電壓較低，那么充電電流會很大，容易導致變換器和蓄電池的損壞，因此充電初期采用恒流充電法對蓄電池充電；隨著充電時間的增長，蓄電池可接受電流也隨之減少，此時充電電流超出了可接受電流，長時間運行會導致蓄電池的損壞，在充電后期采用恒壓控制的方法會避免這種現象[11]。因此，對蓄電池的充電應分兩個步驟進行，分別是恒流充電和恒壓充電。充電初始階段蓄電池以一恒定的電流進行充電，此時電池端電壓逐漸上升，當電池端電壓時，電池轉入恒壓充電階段直至電流充滿，充電電流減小為0時停止。

2 單向DC/DC變換器的控制

單向DC/DC變換器將光伏陣列與微電網直流母線相連，起到電能變換的作用，由于光伏電池輸出電壓較小，要經升壓后才能與直流母線相連，因此該DC/DC變換器為Boost升壓變換器。光伏陣列產生的電能受外界環境溫度和光照強度的影響，本文建立的光伏陣列的數學模型考慮到這兩點，并在此基礎上采用變步長電導增量法實現光伏發電的最大功率點跟蹤。由上文所提的協同控制策略可知，該變換器運行在MPPT和恒壓這兩種工作模式。為充分利用太陽能，光伏模塊Boost變換器通常工作于MPPT模式，只有當蓄電池已經飽和，且直流母線電壓已經到達最大臨界電壓時，光伏模塊Boost變換器才由MPPT模式變換為恒壓控制模式。

圖3 單向DC/DC變換器

3 雙向DC/DC變換器的控制

雙向DC/DC變換器連接蓄電池和微電網直流母線，擔負著平衡電網內部功率和調整直流母線的任務。由圖1可知變換器電路由2個IGBT管組成，但這兩個IGBT管不能同時工作，需要隨充、放電模式的轉換切換電路結構，當蓄電池處于充電狀態，S1截止，S2導通，其雙向DC/DC變換器變成Buck電路；蓄電池工作在放電狀態時，S1導通，S2截止，變換器變成Boost電路。該切換邏輯如圖4所示。

圖4 充放電模式切換邏輯圖

3.1 雙向DC/DC變換器的放電模式

式中：PWM1為蓄電池放電(Boost模式)或者停機時由變換器的輸出經PWM調制后生成的占空比信號。當PWM1=0時，此時2個IGBT管都不工作，雙向DC/DC變換器處于停機模式；當PWM1≠0時，雙向DC/DC變換器工作在Boost模式，蓄電池放電，并補充光伏陣列輸出功率小于負荷需求的那部分電量。產生PWM1控制信號的控制電路如圖5所示。圖5中，雙向DC/DC變換器的放電電流參考值，該控制電路采用雙閉環控制電路，外環為電壓控制，控制內環為電流控制。雙閉環控制電路具有較快的反應速度和較小的靜差，一旦檢測到直流母線滿足放電條件時，儲能模塊能盡快做出反應，使直流母線電壓達到額定值。

圖5 雙向DC/DC變換器恒壓放電控制電路框圖

3.2 雙向DC/DC變換器的充電模式

其中，PWM2為蓄電池充電時(Buck模式)由變換器的輸出經PWM調制后生成的占空比信號。由上文可知，蓄電池的充電階段分為兩種工作模式，分別是恒流充電和恒壓充電。這兩種充電模式的控制電路原理圖分別如圖6(a)和圖6(b)所示。圖6中，為蓄電池儲能模塊額定電流，為蓄電池端電壓額定值，為充電電流參考值。本文采用電壓電流雙閉環控制實現恒壓充電，且在電流控制環中加入電流限幅環節，防止在充電過程中出現過電流充電，對電池造成損壞。

圖6 模式控制框圖

4 實驗驗證

為驗證本文所提出的協同控制策略的可行性，在Matlab/Simulink中進行仿真研究。本文涉及的模型包括光伏電池、蓄電池、直流負載、單向升壓DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器這5部分。若不考慮儲能系統，則引起直流母線電壓變化的根本原因就是光伏陣列發出功率與直流負荷功率不平衡。若光伏陣列發出的功率大于直流負荷，則直流母線電壓上升；若光伏陣列發出的功率小于直流負荷功率，則直流母線電壓下降。

實驗中，根據光伏陣列的數學公式建立仿真模型，參考光伏電池的技術參數，光伏電池的相關參數如表1所示。

表1 光伏電池實驗參數

仿真所用的光伏陣列由15個光伏電池并聯組成。蓄電池儲能模塊參考Simulink中已有模塊，設置其實驗參數：額定電壓，額定容量50 Ah，初始電荷量50%。根據蓄電池端電壓波動范圍為±5%，設定蓄電池最大最小端電壓分別為，額定電流。直流負載通過可變的電阻模擬。直流母線額定電壓，根據直流母線電壓波動范圍為±5%設定最大最小臨界電壓分別為。

光伏發電的輸出功率受光照強度和環境溫度的影響，在環境溫度不變時，隨著光照強度的增強，光伏發電的輸出功率呈線性變大；在光照強度不變時，隨著環境溫度的升高，光伏發電輸出功率呈線性減少。本文設計了3種實驗方案，將光伏電池溫度固定為25℃，對光照強度變化范圍為[1 000 1 200 1 400 1 500]W/m2進行仿真，以上兩個條件保持不變，分別改變蓄電池初始電荷量和直流負載大小進行比較。本實驗設計的3種實驗方案具體如下：

(1)方案1：光伏電池溫度固定為25℃，設定光照強度的變化范圍為[1 000 1 200 1 400 1 500]W/m2，直流負載為20 Ω，蓄電池初始電荷量為50%，仿真結果如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7 方案1條件下性能

在直流負載為20 Ω時，如圖7(a)、圖7(b)所示，直流母線沒有超過400 V，蓄電池端電壓也沒有增加，可判斷光伏電池一直工作在MPPT模式。在0～2 s內，光照強度較弱，直流母線電壓低于360 V，可見此時系統工作在模式一，通過蓄電池放電作用使得直流母線電壓上升到360 V；在2～5 s內，光照強度逐漸增大，直流母線電壓已大于360 V，系統由模式一切換到模式二，蓄電池停止工作，如圖7(b)所示，蓄電池端電壓只有微小的變化，可見蓄電池處于停機模式，符合所制定的控制策略。

(2)方案2：光伏電池溫度和光照強度不變，參照方案1，直流負載仍為20 Ω，蓄電池初始電荷量由50%變成80%，仿真所得結果如圖8所示。

初始電荷量為80%時，如圖8(b)所示，蓄電池端電壓明顯高于初始電荷量為50%的情況。對比圖8(a)中，在0～2 s內，直流母線電壓低于360 V時，蓄電池儲能模塊工作于Boost放電模式，系統工作于模式一，由仿真波形可見電壓下降速度圖7(b)高于圖8(b)，所以初始電荷量為50%時的放電速度高于初始電荷量為80%時的放電速度。在2～4 s內，直流母線電壓升高到360 V，系統由模式一切換到模式二，蓄電池停止工作。在4～5 s內，直流母線電壓高于400 V，蓄電池輸出電壓幾乎不變，此時系統由模式二切換到模式四，蓄電池仍然不工作，符合所制定的控制策略。

(3)方案3：光伏電池溫度和光照強度不變，參照方案1，蓄電池初始容量為50%，直流負載由20 Ω變換到50 Ω，仿真結果如圖9所示。

圖9 直流負載為50 Ω方案3下的性能

直流負載由20 Ω變為50 Ω時，直流負載功率減少，直流母線電壓升高，當直流母線電壓高于400 V時已超過直流母線的最大臨界電壓，光伏模塊轉為恒壓控制模式，如圖9(a)所示，在0.2 s以后，隨著光照強度的增加，直流母線電壓始終維持在380 V左右。在0～2 s內，蓄電池端電壓幾乎不變，可判斷此時蓄電池不工作，系統工作在模式四；在2～5 s內，光伏發電功率大于直流負載所需功率，此時光伏發電已經不能維持直流母線電壓的穩定，蓄電池模塊檢測到端電壓小于50.4 V，系統由模式四切換到模式三，蓄電池開始工作在Buck充電模式，吸收系統中多余的電能，如圖9(b)所示，蓄電池端電壓有所升高，系統由模式四切換到模式三，驗證了此時蓄電池工作在充電模式。

通過以上三種實驗方案仿真分析，可以得到所提控制策略具有如下優點：(1)光伏發電基本工作在最大功率輸出模式，只有當母線電壓超過最大波動范圍時，光伏發電才轉化為恒壓輸出模式，從而實現了光伏發電的充分利用；(2)當光伏發電不能穩定直流母線電壓在允許范圍內，蓄電池才開始工作，通過充電吸收多余能量、通過放電補充缺少能量。從而避免了由于直流母線電壓正常波動而產生的蓄電池充放電頻繁切換，一方面提高了蓄電池的工作壽命，另一方面減少了蓄電池充放電切換帶來的諧波問題；(3)考慮蓄電池的充電特性，蓄電池充電采用恒流和恒壓兩段式充電策略，使其根據充電時的電壓電流值自動切換充電模式，從而避免了過充，提高了蓄電池的使用壽命。

5 結論

采用電壓和電流分段控制相結合的控制策略，確保了光儲獨立直流微電網系統中兩個變換器的協同工作。從而實現了光伏發電的最大利用，降低了蓄電池儲能模塊的頻繁切換，增加蓄電池的使用壽命，平衡了系統內部功率，維持直流母線電壓的穩定，提高了電能質量。Matlab仿真結果證明了所提控制策略是正確和可行的。

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表6 圓柱形電池的循環壽命測試方法

圖2 AA800 mAh/g圓柱密封鐵鎳電池循環壽命性能檢測結果

重復1～50次循環，直至任一個第50次循環的放電時間少于72 min為止。這時，按照第50循環的規定再進行一次循環。當連續兩個這樣的第50次循環的放電時間都少于3 h時，循環壽命試驗終止。決定電池性能的是電池的實際溫度，而不是環境溫度。

4.6 過充電

L、M、H或X圓柱型電池，試驗之前，電池在環境溫度(20±5)℃下以恒流0.2C放電至終止電壓0.9 V，電池在環境溫度(20±5)℃下以恒流0.1C充電48 h，充電后在相同的環境溫度下擱置1～4 h。然后電池在環境溫度 (20±5)℃下以恒流0.2C放電至終止電壓0.9 V，電池放電時間不少于5 h。AA800 mAh/g圓柱密封鐵鎳電池過充電性能檢測結果見表7。

4.7 安全裝置

電池在環境溫度 (20±5)℃下以恒流0.2C強制放電至終止電壓0.0 V；然后，將電流提高到1.0C，并在相同環境溫度下繼續強制放電60 min；在放電期間及放電結束后，電池符合不破裂或爆炸，但允許有漏液和變形。AA800 mAh/g圓柱密封鐵鎳電池安全裝置動作檢測結果見表8所示。

表7 AA800mAh/g圓柱密封鐵鎳電池過充電性能檢測結果

表8 AA800 mAh/g圓柱密封鐵鎳電池安全裝置動作檢測結果

5 結語

本研制工作采用碳包覆納米技術、復合消氫劑，正負極采用先進的濕法拉漿技術，改變電極和電液的導電通道，使電池的充放電效率由原來的40%左右提高到了85%以上，實現了鐵鎳電池的密封。為儲能電源等方面的需求開辟了一條新的途徑。

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DC/DC converter’s cooperative control strategy research of independent DC micro-grid composed of PV and energy storage

Segmented cooperative control strategy of voltage and current was proposed for independent DC micro-grid composed of photo-voltaic,batteries and variable load.Energy management was divided by the control strategy into four operating modes.In order to make full use of solar energy,maximum power point tracking control was adopted.The battery,as a supporting unit,worked only when the PV modules can not stabilize the DC bus voltage,which could reduce the switching frequency of the battery.In order to prevent overcharge,the battery charge could be divided into constant-current and constant-voltage charge modes, thus increasing the battery's life.Simulation models were made in Matlab and the simulation results demonstrate the feasibility of the proposed control strategy.

PV array;battery;maximum power point tracking(MPPT);constant current charging;constant voltage charging

TM914

A

1002-087X(2016)12-2400-05

2016-05-21

國家自然科學基金項目(61275038)；上海市重點科技攻關計劃(14110500700)；上海市科學技術委員會工程技術研究中心項目資助（14DZ2251100）

周建萍（1978—），女，江西省人，副教授，工學博士，主要研究方向為分布式發電與微電網技術。