基于開關表的直流微電網控制及其仿真

鄧偉鋒

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，淮南 232001）

在電力行業高度發達的今天，伴隨著的是高能源消耗和高污染排放，為此國內外紛紛開啟用可再生能源來補充或者部分替代化石能源的“電力能源革命”。基于可再生能源興起的微電網已經成為高效開發利用清潔能源和降低環境污染的重要途徑之一[1-9]。

由于分布式電源發電周期性的波動[5]，微電源注入微電網的實時功率并不穩定。文獻[9]單獨針對微電網儲能系統的動態特性展開研究，提出一種不含通信鏈路的分布式電源管理方案，直接利用直流母線電壓的變化來實現電源與儲能裝置的通信。文獻[10]提出了一種微電源、儲能系統與負荷之間的協調控制方案，討論了基于模糊開關控制的儲能系統的充放電控制策略。

在此，以光伏發電系統為研究對象，提出了一種基于開關表的直流微電網母線電壓控制策略，采用電壓分層協調控制確保不同工況下網內有功功率平衡，實現“即插即用”功能。

1 系統結構及原理分析

直流微電網由分布式電源、各類換流器、儲能系統以及負荷構成，其結構可根據實際應用場合靈活多變。圖1所示為其中一種結構類型。

圖1 直流微電網拓撲結構Fig.1 DC microgrid topology structure

設計了一種新型直流母線電壓控制方案，以協調控制光伏電池、儲能系統以及負荷，保證直流母線電壓的穩定，發揮微電源的發電效率。

直流微電網中的功率平衡方程式為

式中：PPV為其注入母線的功率；Pbat為蓄電池通過雙向DC/DC變換器和直流母線之間的傳輸功率；Pload為網內負荷通過各自換流器從母線獲得的功率。當蓄電池處于充電狀態時，Pbat>0，此時蓄電池相當于負載，從母線獲得功率；當蓄電池處于放電狀態時，Pbat<0，此時蓄電池通過放電來補償微電網內的功率缺額，恢復母線電壓穩定。

提出了一種開關表控制方式拓撲結構，如圖2所示。

圖2 采用開關表控制的直流微電網結構Fig.2 DC microgrid structure controlled by switch table

2 一種新的母線電壓控制策略

采用電壓分層協調控制確保不同工況下網內有功功率平衡，實現“即插即用”功能。以直流母線參考電壓為基準值，設置4個位于該基準值兩側相對稱的電壓臨界值，將母線電壓劃分成5個電壓控制分區。

研究發現，相鄰電壓臨界值的設置必須合理，如果兩臨界值過于靠近，則會導致系統對于擾動等因素過于敏感，造成控制器的誤動作，不利于系統穩定運行；如果臨界值的設置太過疏遠，反而會允許母線電壓的波動過大也不利于系統的穩定運行。因此，設置母線電壓的臨界值以母線電壓偏離參考電壓的5%為間隔，設置4個電壓分層臨界值，即VH2=110%Vdc，ref，VH1=105%Vdc，ref，VL1=95%Vdc，ref，VL2=90%Vdc，ref，圖 3 為微電網母線電壓分層。

圖3 直流母線電壓分區Fig.3 DC bus voltage partition

圖3中，母線電壓在各區域的工作模式如下：

處于區域1時，為正常運行狀態；

處于區域2時，開啟充電模式；

處于區域3時，蓄電池放電來恢復功率平衡；

處于區域4時，微網系統功率過低，為低壓模式；

處于區域5時，微網內功率過高，為超壓模式。

確定母線電壓所處的分層區域如圖4所示，利用電壓分層算法確定母線電壓所處的區塊，輸入為母線電壓瞬時測量值，經過一系列數據處理轉化為母線電壓分區編號輸出，利用DSP或者單片機技術均能實現該電壓分層算法。

圖4 電壓分層算法流程Fig.4 Algorithm flow chart of voltage stratification

在確定母線電壓所處的電壓區域后，制定一份開關表，使得微電網在不同母線電壓工況下能夠協調控制，確定光伏電池、儲能系統以及負載的工作情況，即運行開關表 （見表1），這些控制信號經PWM脈寬調制后將作用于各自相應的功率開關管上，“1”表示閉合，“0”表示斷開。

表1 基于直流母線電壓的開關控制表Tab.1 Switch control table based on DC bus voltage

通過對“充電模式”的過程來說明該控制策略。假設初始狀態直流母線電壓處于區域1，即“穩定運行”，此時5路開關狀態分別為，光伏電池工作于MPPT模式，恒壓控制器處于休眠狀態，電池充放電控制器也處于休眠狀態，負荷滿載運行，此時的5路開關狀態為［1 0 0 0 1］，當某一時刻直流母線電壓升高，滿足約束條件 105%Vdc，ref

3 試驗仿真

為了驗證該控制策略的可行性，圖5為所搭建的開關表控制器MatLab/Simulink控制仿真模型。圖6為搭建的仿真電路，仿真試驗設置干擾源，模擬直流微電網的擾動因素，母線電壓穩定運行時值約為670 V，仿真時間為1 s，仿真算法采用ode23s。

圖5 基于開關表的母線電壓控制器設計Fig.5 Design of DC bus voltage controller based on switch table

如圖7和圖8所示，仿真試驗中，在0.47 s處設置了母線電壓擾動。圖7為直流微電網未采用控制器時受到外界干擾時的母線電壓波動情況，由圖可見母線電壓的波動幅度非常大，因此對整個微電網系統沖擊也比較大。

圖8為直流微電網采用開關表控制器時母線電壓變化情況，由圖可見在0.47 s以后，母線電壓并未因此產生大的波動，母線電壓平穩恢復。

對比這2種方式的母線電壓變化情況，可以得出，在采用了開關表控制器之后，直流微電網的抗干擾能力大大增強，另外母線電壓的調節時間也縮短了。仿真結果表明該控制策略的可行性。

圖6 仿真試驗電路Fig.6 Simulation test circuit

圖7 無控制器下母線電壓曲線Fig.7 Bus voltage curve without controller

圖8 開關表控制器下的母線電壓曲線Fig.8 Bus voltage curve with switch table controller

4 結語

文中研究了光伏微電網的控制方式，以直流微電網母線電壓穩定性為出發點，提出一種基于開關表的直流微電網母線電壓控制策略，并通過MatLab仿真驗證了該控制策略：①能夠保證系統母線電壓的穩定，控制器對擾動能夠作出迅速響應，保證直流微電網快速恢復穩定運行；②通過設置合理的電壓分層臨界值，調整電池的充放電母線電壓臨界值，減少不必要的充放電次數，延長電池的工作壽命。仿真結果表明，所提出的控制策略具有可行性，增強了直流微電網的穩定性和一定的抗干擾能力。