基于狀態觀測器的獨立直流微網協調控制

王 武，王曉靜，胡冠中

(1.許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000；2.河南輕工職業學院，河南 鄭州 450000)

可再生能源發電隨環境變化呈現出間歇性和波動性特點，對電網穩定和供電質量帶來一定挑戰，微電網的概念應運而生.直流微電網控制結構簡單，能高效接納各種分布式能源，減少中間能量轉換環節，提高能源利用效率，受到廣泛關注.獨立直流微電網因失去大電網支撐，直流母線電壓受分布式電源影響較大，需要配備一定容量的儲能單元及時儲存和補充電能，彌補分布式電源輸出與負荷消耗之間的功率差值，協調發電與用電之間的功率平衡.為了實現微網內能量平衡，保證電力電子設備和負荷正常運行，必須對電源和儲能實施協同控制.有文獻通過分析儲能SOC值與放電電流的關系，協調分配各儲能單元輸出功率[1]；有文獻提出直流微電網的多模態協調控制策略[2]；有文獻提出基于一致性算法分層協調控制策略，以維持直流母線電壓的穩定[3].提出一種基于狀態觀測的直流微網協調控制系統，以實現光伏發電單元和儲能單元的協調配合，維持系統能量吞吐平衡.

1 獨立直流微電網結構

獨立直流微網的結構如圖1所示，系統主要由儲能單元、光伏發電單元、直流負載三部分組成，儲能單元和光伏發電單元通過變換器連接至直流母線，直流負載直接連接到直流母線上.各儲能單元通常作為系統主電源運行于下垂控制模式，當達到最大充放電功率時，切換至定功率運行；光伏發電系統通常運行于最大功率點跟蹤模式，在出力過大時切換至限功率模式.

圖1 獨立直流微網結構

系統實際運行時，光伏發電功率與負荷功率會發生變化，儲能裝置會發生功率吞吐，其功率關系描述為

PPV=PL+PBS+.

(1)

PPV+PBS-=PL.

(2)

上式中，PPV表示光伏發電輸出功率，PL為直流負荷總額定功率，PBS+為儲能裝置儲存的電功率，PBS-為儲能裝置輸出的電功率.

2 光伏發電模塊控制

為了充分利用光伏發電能源，光伏發電單元通常工作在MPPT模式下.由于光伏實際輸出受光照影響，當其發電輸出超過負荷與儲能單元的充電功率總和時，限制光伏輸出功率以維持直流母線電壓穩定.因此，光伏發電單元中加入了電流觀測器，通過觀測器實現光伏發電單元的模式切換控制.光伏發電單元的控制結構如圖2所示.

圖2 光伏發電單元控制系統結構

(3)

其中，η表示與最大充電狀態的偏離程度，一般取值區間為[-0.98,-0.92].

3 儲能模塊控制

系統僅給出一路儲能單元的控制結構，為了保證儲能單元之間出力均勻，減小線路和其它干擾引起的出力偏差，采用電壓觀測器及均流控制器，控制結構如圖3所示.

圖3 儲能模塊控制系統結構

(4)

均流控制器可描述為

(5)

下垂控制可描述為

vESSref=vn-RdroopiiESS.

(6)

下垂系數可描述為

(7)

儲能單元的電壓輸出參考值為

vESSref=vn-RdroopiiESS+ΔvESSV+ΔvESSi.

(8)

在上述模型中，SOCi為儲能電池的SOC值，SOCiMAX、SOCiMIN分別為其上、下限值，σ為調節系數，用以修正其均衡速度.

4 仿真與結論

為了證明本系統所用控制方法的有效性，通過算例進行仿真，系統中用了2個風力發電單元、2個儲能單元，直流負載用可調電阻器代替，儲能單元的額定功率為1.2 kW和0.8 kW，光伏發電單元的額定功率為1.5 kW和0.5 kW，分別在兩種工況下進行了系統驗證，具體工況如表1所示.

表1 仿真實驗及結果

工況1下，光伏發電單元按照額定功率分配均勻出力，只發出一半功率，選擇最大充電狀態的偏離程度系數為η=-0.95，在某時刻加入均流控制，驗證控制作用對母線電壓的影響；工況2下，選擇儲能元件SOC變化相對劇烈的情況，用以驗證功率吞吐和母線電壓穩定情況.通過算例仿真可見，提出的基于狀態觀測的獨立直流微電網協調控制方法能夠實現光伏發電單元和儲能單元的協調配合，維持系統能量吞吐平衡.后期將加強多單元、多節點控制系統的研究，并加強各節點通信網絡研究，加強不同類型分布式能源接入和不同類型儲能系統接入的協同控制研究以及并網系統的協調控制.