直流微網供電系統控制技術研究

周廣玉，高 騰

1.泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000；2.武漢永力睿源科技有限公司，湖北 武漢 430025

直流微網供電系統控制技術研究

周廣玉1，高 騰2*

1.泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000；2.武漢永力睿源科技有限公司，湖北 武漢 430025

根據風能發電與太陽能發電的相輔特性以及蓄電池的儲能特性，構建了一套多電源供電的直流微網系統發電模型.通過對此系統的能量流動及運行特性的分析，提出了此系統的能量管理方案.分別繪制出了直流微網各組成部分的模塊方框圖以及仿真模型.針對逆變器的拓撲結構得出了其控制的數學模型，采用基于SVPWM的電壓電流雙閉環控制實現了微網在并網和離網兩種運行模式下的穩定運行和自動平滑切換.最后通過仿真測試驗證了分布式電源、蓄電池、負載以及電網在不同的工況下此能源控制方案的可行性，實現了此供電系統的穩定運行.

風力發電；太陽能發電；蓄電池；直流微網；供電系統控制技術

新能源的開發和利用是當前社會發展進步的一個重要環節.風能和太陽能做為可再生能源，在時間和空間上具有互補的特性，開發風與光互補復合發電系統可以最大限度地利用風能和太陽能，是新能源開發利用的有效途徑［1-2］.

由于分布式發電系統是一個不被控制的單元，并且電網為了減小其它能源對其帶來的干擾采取限定和隔離的工作模式，這樣就大大降低了分布式能源的利用效率［3］.為了讓分布式能源與電網的矛盾得到解決，提高分布式發電系統的利用率，以分布式電源為主導的直流微網系統得到了人們的關注.其功能特點主要表現為：

1）微網能夠補償電網的一些缺陷.比如電網正常工作時電壓和頻率會出現不穩定的現象，微網可以維持其穩定運行.電網出現故障時，微網也可以離網運行，起到不間斷供電的作用.并且微網還可以對一些偏遠的地方提供供電，彌補了電網供電的局限性.

2）微網可以改善電網的電能質量.微網系統大部分都采用的是電力電子設備，因此它可以提供給一些有特別電能需求的用戶使用［5］.

1 直流微網系統

以太陽能光伏發電和風力發電做為分布式供電能源，蓄電池做為分布式電源的儲能設備來構建一套多電源供電的直流微網系統.其中太陽能發電系統采用MPPT控制可實現光能的最大利用，風力發電系統采用最大風能捕捉可實現風能的最大利用.逆變器采用SVPWM電壓、電流雙閉環控制，可實現微網在并網和離網兩種工作模式之間的來回切換.該系統可以根據用戶的不同用電需求來靈活配置使用［6-11］，使得系統具有可調度性.

2 直流微網系統的能量管理

直流微網系統結構如圖1所示，從圖1中可以看出直流微網供電系統的能量主要來自于風能和太陽能，蓄電池在供電充足的情況下吸收剩余部分的能量［12-15］；當風能和太陽能提供的能量不足時，蓄電池將釋放其存儲的能量，從而保證了微網系統的電能質量.為了合理分配系統在不同的外界環境條件下的能量流動形式，歸納設計了9種工作模式，其控制流程如圖2所示.

圖1 直流微網系統結構圖Fig.1 Structure diagram of direct current micro grid

圖2 微網供電系統控制流程圖Fig.2 Control flowchart of micro power system

其中Pin為分布式電源輸入功率、P1為重要負載所需要的功率，P2為一般負載所需要的功率、Pout為重要負載和一般所需的總功率.

電網正常供電時：

模式1：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量為100%時，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部并網逆變，維持母線電壓（800 V）穩定.

模式2：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量小于100%時，雙向DC∕DC處于Buck工作模式，輸入能量一部分給電池充電，一部分并網逆變，維持母線電壓（800 V）穩定.

模式3：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）時，無論電池處于何種狀態雙線DC∕DC都不工作，輸入能量全部并網逆變，剩余能量由電網提供，且維持母線電壓（800 V）穩定.

電網異常時：

模式4：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量為100%時，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部離網逆變，維持母線電壓（800 V）穩定.

模式5：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量小于100%時，雙向DC∕DC處于Buck工作模式，輸入能量一部分給電池充電，一部分離網逆變，維持母線電壓（800 V）穩定.

模式6：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）大于重要負載所需的能量（P1）并且電池電能容量不少于25%時，電池放電，雙向DC∕DC處于Boost工作模式，輸入能量全部離網逆變，維持母線電壓（800 V）穩定.

模式7：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）大于重要負載所需的能量（P1）并且電池電能容量小于25%時，為了延長電池的壽命電池停止放電，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部離網逆變，斷路器斷開一般負載供電電路，維持母線電壓（600 V）穩定.

模式8：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）且小于重要負載所需的能量（P1）、并且電池電能容量不少于25%時，電池放電，雙向DC∕DC處于Boost工作模式，輸入能量全部離網逆變，斷路器斷開一般負載供電電路，維持母線電壓（600 V）穩定.

模式9：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）且小于重要負載所需的能量（P1）、并且電池電能容量小于25%時，此時能量已經不滿足逆變的要求，電池停止放電，雙向DC∕DC不工作，逆變器停止工作.

綜上所述可以得出系統在不同的運行環境條件下，可利用DC∕DC具備能量的雙向流動特性來實現電池充放電的可靠運行.當電網供電正常時，為了延長電池壽命，無論在什么情況下電池均不提供能量，只有在離網且分布式電源供電不足以支撐時，電池才提供能量來維持母線電壓穩定，以保證逆變器輸出的電能質量.其9種工作模式如表1所示.

表1 直流微網工作模式Tab.1 Working mode of direct current micro grid

3 仿真模型

3.1 光伏電池模型

采用太陽能電池生產廠家提供的參數來建立滿足工程要求的光伏電池模型如圖3所示，光伏電池電流和電壓關系為：

式（1）中 IPV為輸出電流；Upv為輸出電壓；Iph為光生電流；ISC為短路電流；UOC為開路電壓；Im為最大功率點電流；Um為最大功率點電壓；Pm為最大功率點功率；Tref=25℃，γ為太陽輻照度；γref=1 000 W∕m2，α、β、γ為補償系數，取 α=0.002 5℃，β =0.000 5（W∕m2），γ=0.002 88℃.

光伏電池仿真模型如圖4所示.

圖3 光伏電池的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of photovoltaic cells

3.2 風力發電機模型

風力機模擬根據風速和風力機轉速，計算風力機輸出轉矩，然后將該轉矩作為發電機輸入轉矩.圖5為風力發電機的結構圖，由風力機的相關理論可知：

式（2）中 ρ為空氣密度，A為風力機葉片掃掠面積，ν為風速，CP為風能利用參數，Pw為風力機的輸出功率，Pm為風力機的輸出功率，λ為葉尖速比，β為槳矩角，R為風機半徑，T為輸出轉矩.

圖4 光伏電池的仿真模型Fig.4 Photovoltaic cells simulation model

圖5 風力發電機的結構圖Fig.5 Structure diagram of wind power generator

仿真模型如圖6所示.

3.3 蓄電池模型

蓄電池的等效模型如圖7所示.其中受控源Eb的表達式為：

圖6 風力機仿真模型Fig.6 Simulation model of wind power generator

圖7 蓄電池等效模型Fig.7 Battery equivalent model

式（3）中：E0為電池的恒定電壓；Eb為電池的空載電壓；Uk為極化電壓；Q為電池的容量；C為指數區域幅值；B為指數區域時間常數的倒數.

蓄電池仿真模型如圖8所示.

圖8 蓄電池仿真模型Fig.8 Battery simulation model

4 微網逆變器模型及控制技術研究

逆變器部分采用的是基于SVPWM電壓、電流雙閉環控制策略的三相電壓源型并網逆變器，其拓撲結構如圖9所示.

圖9 三相電壓型逆變器的拓撲結構Fig.9 Topology structure of three phase voltage source inverter

其中：ia、ib、ic是輸出的三相電流，idc為直流母線的電流，i是輸入電流，ua、ub、uc是電網電壓，uar、ubr、ucr是逆變器輸出電壓，udc是直流母線電壓，sa、sb、sc為橋臂的開關函數.

根據ia+ib+ic=0、ua+ub+uc=0可得三相電壓型逆變器在三相靜止坐標系下的數學模型.

對式（4）進行坐標變換，可以得到同步旋轉的d-q軸坐標系下的數學模型：

通過傳統的PI調節器可實現d-q軸電流的解耦控制，具體控制策略如圖10所示.

圖10 矢量解耦控制框圖Fig.10 Block diagram of vector decoupling control

5 仿真結果

根據圖1所示的拓撲圖在MATLAB的Simu?link環境下建立直流微網供電系統仿真圖.該仿真系統主要由光伏系統模型、風力發電系統模型、儲能電池系統模型、并網逆變器模型、電網模型以及負載和斷路器模型組成.直流側分布式能源的輸出通過母線電容接至逆變器，并通過雙向DC∕DC與儲能電池相連；交流側逆變輸出通過LCL濾波器通過斷路器與電網以及負載相連接.控制電路主要由逆變器的SVPWM模型、能量控制模塊和系統的整體控制模塊組成.

5.1 各分布式電源的仿真分析

根據系統需求光伏系統輸出額定功率20 kW，工作電壓375 V，開路電壓470 V，短路電流62 A.可配置光伏電池模塊仿真參數如表2所示.

表2 光伏電池模塊仿真參數Tab.2 Simulation parameters of photovoltaic module

根據系統需求風力發電系統輸出額定功率為10 kW可選取仿真參數如表3所示.

表3 風機模擬發電仿真參數Tab.3 Simulation parameters of wind power system

選取光伏發電系統在光照強度為S=1 000 W∕m2，溫度為θ=25℃的仿真環境.如圖11所示，在0.1 s～0.2 s時改變溫度，保持光照強度不變，在0.3 s～0.4 s時改變光照強度，保持溫度不變.通過仿真可觀察到其輸出電壓在378 V上線波動，在短時間的光照和溫度發生變化時實現了最大功率跟蹤的功能.

由圖12的仿真結果觀察可得風速變化時，永磁同步機的轉矩可以很快的跟隨，實現了最大風能捕捉功能.

5.2 微網系統的仿真運行分析

在并網狀態下，如圖13仿真圖形所示，分布式能源提供能量在0.15 s的時候發生下降，此時供電不足以負載使用，剩余的能量通過電網供給來維持母線電壓穩定，母線電壓略有下降.在0.3 s的時候輸入能量恢復，母線電壓穩定回到了800 V.在分布式電源能量變化時，控制系統能量流動模式如下：PS0C=100%時由模式1切到模式3再到模式1；PS0C＜100%時由模式2切到模式3再到模式2.

圖11 MPPT仿真結果（a）溫度仿真圖；（b）光照強度仿真圖；（c）輸出電壓仿真圖Fig.11 Simulation results of MPPT（a）Simulation diagram of temperature；（b）Simulation diagram of illumination；（c）Simulation diagram of output voltage

圖12 最大風能捕捉仿真圖（a）風速仿真圖；（b）輸出電流仿真圖；（c）轉矩仿真圖Fig.12 Simulation diagram ofcapturing maximum windenergy（a）Simulation diagram of wind speed；（b）Simulation diagram of output current；（c）Simulation diagram of torque

圖13 能量波動時母線電壓波形（a）輸入功率仿真圖；（b）母線電壓仿真圖Fig.13 Energy fluctuation of bus voltage waveform（a）Simulation diagram of input power；（b）Simulation diagram of bus voltage

在電網異常逆變器工作在離網狀態下，各種工作模式波形如圖 14（a）、14（b）所示，分析可得，前0.15 s分布式電源輸出功率大于負載所需功率，PS0C=100%時系統工作在模式4，PS0C＜100%時系統工作在模式5.在0.15 s時分布式能源突然下降，設定此時PS0C≥25%，為了維持母線電壓穩定（800 V），蓄電池放電，此時系統工作在模式6.輸出能量恢復后，蓄電池停止放電，系統回到模式4或模式5繼續工作.

由圖14（c）、14（d）分析可得，前 0.15 s分布式電源輸出功率大于負載所需功率，PS0C=100%時系統工作在模式4，PS0C＜100%時系統工作在模式5.在0.15 s時分布式能源突然下降不能滿足負載需求，若此時PS0C＜25%，蓄電池停止工作，此時母線電壓下降穩定到600 V，切除一般負載，系統工作在模式7.在0.3 s輸出能量恢復后，母線電壓恢復至800 V，接入一般負載，系統回到模式4或模式5繼續工作.

由圖 14（e）、14（f）分析可得，前 0.15 s系統工作在模式8，在0.15 s時，分布式電源已無法滿足重要負載的需求，設定此時蓄電池的PS0C＜25%.直流母線電壓下降，當下降到550 V時，無法保證逆變器電能質量需停止逆變器，此時系統工作在模式9.在0.45 s時輸入能量恢復，系統繼續工作在模式8.

圖14 輸出功率和母線電壓波形（a）、（c）、（e）太陽能和風能輸出功率波形；（b）、（d）、（f）母線電壓波形Fig.14 Output power and bus voltage waveform（a，c and e） Solar and wind power output waveform ；（b，d and f）Bus voltage waveform

6 結 語

以上對分布式電源各組成部分分別進行了參數的設計以及仿真分析，驗證了該設計方案的可行性；最后對該系統在并網和離網時不同的工作情況下進行了仿真分析，實現了系統在并網和離網之間來回切換，保證了系統的穩定運行，驗證了此控制方案的可行性.研究工作中，對較為復雜的分布式發電拓撲控制技術將在今后的工作中作進一步的深入研究.

［1］王成山，揚占剛，王守相，等.微網實驗系統結構特征及控制模式分析［J］.電力系統自動化，2010，34（1）：99-105.WANG C S，YANG Z G，WANG S X，et al.Analysis of structural characteristics and control approaches of experimental micro grid systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（1）：99-105.

［2］吳衛民，何遠彬，耿攀，等.直流微網研究中的關鍵技術［J］.電工技術學報，2012，27（1）：98-106.WU W M，HE Y B，GENG P，et al.Key technologies for DC Micro-Grids ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（1）：98-106.

［3］趙庚申，王慶章，許盛之.最大功率點跟蹤原理及實現方法的研究［J］.太陽能學報，2006，27（10）：997-1001.ZHAO G S，WANG Q Z，XU S Z.Research on realization means and principle of maximum power point tracing［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27（10）：997-1001.

［4］魯宗相，王彩霞.微網研究綜述［J］.電力系統自動化，2007，31（19）：100-106.LU Z X，WANG C X.Overview on micro grid research［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（19）：100-106.

［5］裴瑋，李澎森，李惠宇，等.微網運行控制的關鍵技術及其測試平臺［J］.電力系統自動化，2010，34（1）：94-98.PEI W，LI P S，LI H Y，et al.Test bed and information integration of EMS for a micro grid with muti-energy generation systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（1）：94-98.

［6］耿華，許德偉，吳斌，等.永磁直驅變速風電系統的控制及穩定性分析［J］.中國機電工程學報，2009，29（23）：68-75.GENG H，XU D W，WU B，et al.Control and stability analysis forthe permanentmagnetic synchronous generatorbased direct driven variablespeed wind energy conversion system ［J］. Proceedings of the CSEE，2009，29（23）：68-75.

［7］RADWAN A A A，MOHAMEDE Y A-R I.Linear active stabilization of converter-dominated DC micro grids［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3（1）：203-216.

［8］CHANG Y C，LIAW C M.Establishmentofa switched-reluctance generator-based common DC micro grid system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（9）：2512-2527.

［9］王成山，肖朝霞，王守相.微網綜合控制與分析［J］.電力系統自動化，2008，32（7）：98-103.WANG C S，XIAO Z X，WANG S X.Synthetical control and analysis of micro grid［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）：98-103.

［10］WANG C，NEHRIR M H，GAO H.Control of PEM fuel cell distributed generation systems ［J］. IEEE Transactions on Energy Convertion，2006，21（2）：586-595.

［11］KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（1）：248-257.

［12］GUERRERO J M，MATAS J，DE Vicuna L G，et al.Wireless-controlstrategy for parallel operation of distributed-generation inverters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1461-1470.

［13］MUTOH N.Method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）：1055-1065.

［14］艾斌，楊紅興.風光互補發電系統的優設計I［J］.太陽能學報，2003，24（4）：540-547.AI B，YANG H X.Optimum sizing of PV∕Wind hybrid system（I） cad method ［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2003，24（4）：540-547.

［15］王成山，鄭海峰，謝瑩華，等.分布式電能存儲技術的應用前景與挑戰［J］.電力系統自動化，2014，38（16）：1-8.WANG C S，ZHEN H F，XIE Y H，et al.Prospects and challenges of distributed electricity storage technology［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38（16）：1-8.

本文編輯：陳小平

Control Technology of Direct-Current Micro-Grid Power Supply System

ZHOU Guangyu1，GAO Teng2*
1.Taian Special Vehicle Co.，LTD，Tai'an 271000，China；2.Wuhan Yongli Rayco Technology Co.，LTD，Wuhan 430025，China

This paper constructs a multiple power supply model of direct current micro grid system based on characteristics of the supplement between the wind and solar power generation and the battery storage of the direct current（DC）micro grid power system.And the paper also proposes solutions for the energy management of the system by analyzing the energy flowing and operating.In addition，the paper draws the module block diagrams and the simulation models of the DC micro grid components.Then the mathematical model is obtained according to the topology construction of the inverter.Besides，the stable operation and automatic smooth switch of the micro grid is achieved both in grid and off grid operation model by using the double closed loop control of the SVPWM based voltage and current.Finally，the feasibility of the energy controlling is verified by the simulation test under different working conditions such as distributed generation，the load and the power grid，realizing the stable operation of the system.

wind power generation；solar power generation；battery；direct current micro grid；controlling technology of power system

TK513.5

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.014

2017-03-20

周廣玉，助理工程師.E-mail：guangyu0604@163.com

*通訊作者：高 騰，碩士，工程師.E-mail：56507925@qq.com

周廣玉，高騰.直流微網供電系統控制技術研究［J］.武漢工程大學學報，2017，39（4）：394-402.

ZHOU G Y，GAO T.Control technology of direct current micro grid power supply system［J］.Journal of Wuhan In?stitute of Technology，2017，39（4）：394-402.

1674-2869（2017）04-0394-09