獨立運行直流微網協調控制策略

張繼紅 ，蘭永健 *，趙 銳 ，趙繼勇 2，楊培宏 ，吳振奎

（1.光熱與風能發電自治區重點實驗室，內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古申源建設有限責任公司，內蒙古 包頭 014030）

0 引言

近年來，能源危機、氣候變暖、環境惡化等一系列問題日趨嚴峻。為此，以太陽能、風能為代表的清潔能源利用研究受到了世界各國的高度重視［1-3］。由于太陽能、光伏等可再生能源發電具有隨機性、波動性等典型特征，出力受環境影響因素較大。為了充分利用這些清潔能源，增強綠色發電占比，提升分布式發電效率，微網應運而生。微網是一種含分布式電源、儲能、負荷等設備，并按一定的經濟技術條件連結在一起的小型電網系統，按照能否并網運行，微網可以分為并網型和獨立型兩種［4-5］。按照負載與各微源接入母線的不同，又可分為交流型、直流型以及交直流混合型［6-7］。同交流微網相比，直流微網無相位同步與趨膚效應、設備結構簡單、可控性較好。此外，由于直流微網減少了能量變化的中間環節，從而提高了能源利用效率。

由于直流微網的結構特點和運行效率等突出優勢逐步受到了學者們的青睞，因此，針對直流微網的協調控制及能量管理成為近年來研究的熱點，并有不少文獻報道了相關控制方案。例如文獻［2］給出了對節點電壓和母線電壓的分段控制策略，實現了負荷功率的波動預測，但未考慮不同電壓閾值的設定范圍，適于系統容量和規模較小微網；文獻［5］詳細研究了電壓分級控制方法，達到了微網的分層控制目的，但存在母線電壓波動較大且模式切換次數較多現象，不具有普遍性；文獻［9］提出了變功率控制策略以實現微網內部功率的平衡和電壓的穩定控制；文獻［10］采用神經網絡滑模控制對最大功率點進行跟蹤，穩定了電壓，達到了預期控制效果，但存在操作繁瑣，訓練時間加長等現象。

針對獨立型直流微網系統，本文提出了一種由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統協調控制策略。首先，以直流母線電壓值波動范圍間接判斷微網是否處于功率、能量平衡狀態；其次，為充分利用光伏發電能效，采用改進擾動觀察法實現光伏發電的最大功率跟蹤；最后，負荷波動的高頻成分采用混合儲能系統的超級電容進行平抑，發揮了超級電容的功率型儲能優勢，而負荷波動的低頻成分采用混合儲能蓄電池進行平抑，發揮了電池的能量優勢。

1 直流微網結構及單元模型

1.1 微網結構

本文所研究的直流微網系統結構如圖1所示。圖1中，光伏通過單向DC/DC變流器與母線相連，蓄電池和超級電容通過雙向DC/DC變流器與母線連接，實現能量的雙向流動，為簡單起見，負載均采用恒功率負載，分別由直流負載和交流負載組成，并通過DC/DC和AC/DC變流器與母線相連，母線電壓為700 V。

圖1 孤島型直流微電網系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the isolated DC microgrid system

1.2 光伏電池數學模型

光伏電池通過光生伏特效應將一次能源的太陽能轉化為二次能源的電能，通過直流方式輸出［8］。由于單體電池的功率較小，因此文中采用28塊光伏板，通過七串四并組成光伏陣列，選用的光伏電池型號為GR-M125-190W-G36V，由貢水新能源科技有限公司生產，具體參數為Uoc=316.4 V，ISC=22.48，Um=255.5 V，Im=20.8 A，其數學模型如下。式（1）-式（3）中：Sref和S分別表示為光照強度參考值和光照強度；α和β分別電流和電壓變化溫度系數；T表示電池溫度；Isc和Usc分別表示短路電流和開路電壓。

1.3 蓄電池數學模型

蓄電池的種類很多，包括鈉硫電池、鉛酸蓄電池和鋰離子電池等［9-10］。綜合比較后本文采用發展較早，技術較為成熟的鉛酸蓄電池。理想的蓄電池模型可等效為受控電壓源U與電阻R的串聯，但在實際應用中，充放電內阻也是需要考慮的。本文將采用內阻模型作為鉛酸蓄電池的數學模型，其中各項參數受荷電狀態及充放電電流影響，因此可表示為：

荷電狀態（State of Charge，簡稱“SOC”）表達式：

式（4）-式（6）中，Ubat為蓄電池的工作電壓；SOC0為蓄電池的初始荷電狀態；Q為蓄電池容量；Ut為開路電壓；R為內阻；I為充放電電流；Rchg、Rdis為充、放電電阻。

1.4 超級電容數學模型

超級電容為功率型器件，具有功率密度高，充放電速度快和使用壽命長等顯著特點，可以很好地抑制突變功率波動，且后期維護較為方便，并能與蓄電池配合組成混合儲能系統［11-12］。圖2給出了超級電容的等效模型，由理想電阻Rs和電容C串聯構成。圖2中，isc為等效工作電流，usc為等效工作電壓。

圖2 超級電容等效模型Fig.2 Super capacitor equivalent model

由圖2可以得到，超級電容器等效模型的電路方程為：超級電容器荷電狀態SOC的數學方程為：

超級電容存儲能量：

式（8）、式（9）中，Qt表示超級電容在t時刻存儲的能量；QN表示超級電容電荷總能量；Umin表示正常工作時最小電壓；Umax則表示最大電壓；U0表示初始電壓值。

2 微網系統控制策略

2.1 光伏發電控制策略

光伏發電通常有最大功率發電和恒壓發電兩種工作模式。為了充分利用可再生能源及提高發電效率，本文將采用最大功率跟蹤模式，即（Maximum Power Point Tracking，簡稱“MPPT”）［13-15］，使光伏電池以最大輸出功率運行。

目前常用的MPPT跟蹤方法包括了電導增量法、擾動觀察法、模糊控制法等［16-18］。本文在綜合衡量常見跟蹤方法各自特點的基礎上，提出一種改進擾動觀察法的功率跟蹤策略，該方法可實時改變占空比步長，在距最大功率點遠處則增加步長，以加快追蹤速度；在距最大功率點近處則減小步長以確保追蹤精度，具體的實現方法和步驟如圖3所示。

圖3 變步長擾動觀察法算法流程圖Fig.3 The flow chart of the variable-step perturbation observation algorithm

2.2 混合儲能控制策略

2.2.1 混合儲能運行機理

針對圖1所示的微網結構，本文設計的混合儲能控制原理如圖5所示。采用超級電容和蓄電池組成混合儲能系統，考慮到儲能的各自優勢和特性差異，分別擔任負荷功率的高頻及低頻波動成分。超級電容具有充放電次數多、壽命長等突出特點，可以有效平抑負荷中的波動頻次高、響應速度快的負荷情況；相反，蓄電池則可以彌補能量密度較大，功率密度較低的負荷波動情況［19-22］。圖4給出了直流微網的結構圖，為精確功率分配，由上下兩層控制構成，能量管理中心屬于上層控制，負責收集各模塊的數據信息，并發出指令給下層的控制器，控制各模塊完成功率的協調分配。

圖4 直流微網系統結構框圖Fig.4 DC micronet system structure block diagram

2.2.2 算法分析

針對光伏直流微網系統，由于光伏發電的隨機性和負荷投切的不確定性，引起的直流母線電壓波動較為常見，為保證電壓波動范圍符合國標標準，本文采用改進下垂控制和電壓前饋方式進行平抑負荷功率波動。控制原理為在考慮儲能SOC狀態的前提下，根據母線波動幅值情況實時修正下垂系數大小，補償功率缺額。為簡單起見，僅以超級電容為例進行分析，為促進負載電流的均分，將負載電流和超級電容的荷電狀態進行關聯。即在放電過程中SOC值較高的超級電容釋放較多能量，而SOC值較低的超級電容則釋放較少能量；充電過程中SOC值高的超級電容吸收較少能量，而SOC值較低的則吸收較多能量，這樣有助于SOC的快速平衡。該控制的計算公式如下：

式（10）-式（12）中，SOCi0為第i組超級電容的初始荷電狀態；Rm為初始下垂系數；i為超級電容組的序號；km為SOC的補償因子；SOCavg為超級電容平均荷電狀態；p表示SOC收斂的速度因子。

具體算法將分為充電和放電兩種情況進行分析。當idci＞0，此時超級電容處于放電狀態，如果儲能單元SOC值小于平均值，即SOCi＜SOCavg，此時R(SOCi)＞Rm，因此該組超級電容會提供較小的負荷電流；若儲能單元的SOC值大于平均值，即SOCi＞SOCavg，此時R(SOCi)＜Rm，因此其將提供較大的負荷電流。同理，當idci＜0時，超級電容將處于充電狀態，特性與上述放電狀態相反，此處便不作贅述；當運行中超級電容的荷電狀態相同時，Km為1。

針對充放電時會引起母線電壓的波動和提高功率補償精度，本文在改進下垂控制的基礎上增加了電壓前饋補償方式。通過將母線電壓實際值與參考值進行比較，然后將差值輸入PI控制器得到補償量，再把補償量疊加到參考值，通過實時變化補償量來實現對參考電壓的動態補償，從而來減小母線電壓的波動，基于前饋控制的改進下垂控制圖如圖5所示。

圖5 基于電壓前饋補償的改進下垂控制框圖Fig.5 Improved sagging control block diagram based on voltage feed-forward compensation

2.2.3 混合儲能系統運行控制方案

超級電容和蓄電池組成的混合儲能的功率分配，由低通濾波器（Low-pass Filter，簡稱“LPF”）來實現的。根據超級電容和蓄電池各自的特性，由蓄電池承擔平滑的部分，吸收或釋放低頻功率，這樣可以減少充放電的循環次數，進而優化充放電過程，延長使用壽命［23-26］。超級電容具有功率密度大及響應快等特點，讓其吸收或釋放高頻功率波動的部分，這樣可以抑制光伏發電突變或負載突變對直流母線造成的沖擊。這種方法的優勢在于可以更快速地電壓校正和減少電池的運行頻度，且不需要進行大量的計算及數據存儲。一階低通濾波器的傳遞函數為：

式（13）中，T為濾波器的時間常數；s為微分算子。

針對直流微網系統設計的混合儲能系統功率分配如圖6所示。

圖6 混合儲能系統功率分配圖Fig.6 A power distribution map for a hybrid energy storage system

得到混合儲能系統承擔的功率為：

儲能系統承擔功率Phess經過低通濾波器得到蓄電池的功率：

則超級電容器所要承擔的功率為：

式（14）-式（16）中，Pdc表示維持母線電壓所需功率；Ppv表示光伏電池所發出的功率；Phess表示儲能系統承擔的功率；Pbat表示蓄電池承擔的功率；Psc表示超級電容承擔的功率。

3 仿真與分析

為驗證所提控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink搭建了相關模型并進行仿真研究［27-30］。光伏電池、蓄電池及超級電容的具體參數如表1所示，仿真時間為10 s。

表1 系統參數表Table1 The system parameter table

仿真驗證在獨立模式下混合儲能控制策略的有效性，通過改變直流負載的大小，造成一定的功率波動，進而造成直流母線電壓的改變，來驗證協調控制情況。在T=25℃，S=1 000 W/m2的標準條件下，光伏電池板的額定發電容量為5 000 W，仿真結果如圖7所示。

圖7（a）給出了采用擾動觀察法的光伏電源輸出功率仿真圖，由仿真圖可以看出追蹤到最大功率點的時間較長，大約在0.04 s處；圖7（b）為變步長擾動觀察法的仿真圖，由圖可以看出大概在0.004 s時追蹤到最大功率處。通過對比，可以得出變步長擾動觀察法追蹤到最大功率點的速度幾乎為普通方法的10倍，所用時間極短，幾乎可以忽略，這對實際環境中變化很快的光照和溫度具有更大優勢。

圖7（c）給出了光伏輸出和負載的功率變化情況，圖7（d）為混合儲能的功率分配情況，圖7（e）為直流母線的電壓。為了更好的驗證本文所提出的控制策略，仿真時采用的光照強度為600 W/m2。由圖可以看出，當t=0～4 s時，光伏電池的輸出功率保持在3 kW，直流負載的功率為3 kW，ppv=pload，此時為了維持母線電壓的穩定，儲能系統不需要進行功率交換；4～8 s時，光伏電池的輸出功率為3 kW，在4 s時直流負載由3 kW突然增加到4 kW，ppv＜pload，為了避免母線電壓降低，因此需要混合儲能系統釋放剩余能量，超級電容迅速承擔由負荷突變引起的高頻功率波動，蓄電池則緩慢變化，承擔低頻功率部分；在8 s時直流負載由4 kW突然驟減到2 kW，考慮到最大程度利用太陽能，光伏電池仍以最大輸出功率運行，輸出功率為3 kW。因此，8～10 s時，ppv＞pload，此時為了避免直流母線電壓升高，需要混合儲能系統吸收多余能量，超級電容迅速動作，提供因負載驟減而引起的功率沖擊，蓄電池則承擔平滑部分。在負載突增和驟減時，直流母線電壓有小幅跌落和升高，但可以迅速恢復穩定。

圖7 獨立型直流微網工作的系列曲線Fig.7 Series curves for independent DC micronet work

4 結語

文章針對獨立型直流微網系統，設計了混合儲能協調控制策略，采用改進下垂控制與電壓前饋控制方式有效平抑負荷波動的高頻及低頻成分，保證了功率的合理分配，抑制了母線電壓波動現象，提高了電能質量，對于規模化儲能的工程實踐具有理論指導價值。