光儲直流微電網的控制策略分析及應用

吳晨

（方大特鋼科技股份有限公司 江西省南昌市 330012）

隨著經濟的不斷發展，全球氣候隨著碳排量的不斷上升日趨嚴峻，低碳甚至是無碳已經逐漸成為各國研究的目標。隨著我國經濟的不斷發展，社會用電量的不斷提高，電網規模的日益增大，傳統能源缺口問題逐漸成為社會發展面臨的一大難題。在這一背景下，具有污染少、成本低廉、建設靈活等特點的分布式發電系統逐漸替代傳統能源，進入電網輸配電系統[1]。本文主要對光儲直流微電網的控制策略進行了分析，并基于光伏功率波動負載功率恒定以及光伏功率恒定負載功率波動兩種工況進行了仿真，以下進行具體的分析和介紹。

1 基于三有源橋DC-DC變換器的光儲直流微網

光伏板通過Boost 電路進行實現MPPT 控制，并作為三有源橋DC-DC 變換器的輸入，作為直流微網的主要功率輸入源。三有源橋二次側作為直流母線，連接直流負載，若光伏輸入功率過大直流母線也可通過并網逆變器將多余功率回饋給電網，基于三有源橋DC-DC 變換器的光儲直流微網典型應用圖如圖1 所示。

圖1：基于三有源橋DC-DC 變換器的光儲直流微網典型應用圖

三有源橋三次側通過雙向Buck/Boost 電路與蓄電池組連接，蓄電池組主要用于平抑光伏功率波動，即當光伏輸入功率超額時蓄電池組充電、光伏輸入功率缺額時蓄電池組放電，以維持直流微網直流母線電壓穩定，光儲直流微網正常運行時的功率流向如圖2 所示。

圖2：基于三有源橋DC-DC 變換器的光儲直流微網主要功率流向示意圖

2 三有源橋DC-DC變換器功率環、直流母線電壓環雙環解耦控制

本節以2kW 直流微網系統為例，定義當三有源橋處于靜態工作點時，光伏模塊產生的功率都由負載消耗即PPV=PL，蓄電池組基本不進行功率流動，即P3=Pb=0W，Ib=0A。可以得到求取三有源橋DC-DC 變換器的靜態工作點以及三有源橋DC-DC 變換器靜態工作點附近的功率-移相角特性曲線，其中兩條特性曲線的交點即可得到光儲直流微網系統的靜態工作點Q(φ120,φ130)中的φ120 與φ130。最終通過上述方法確定系統靜態工作點為Q(33.25°,16.62°)，得到系統的靜態工作點Q 后，即可設計DCES 解耦控制參數[2-3]。得到靜態工作點之后，結合三有源橋DC-DC 變換器移相+解耦控制策略，可以得到應用于直流微網系統的三有源橋DC-DC 變換器的控制框圖如圖3 所示。

圖3：并聯型DCES 的SPS 解耦控制框圖

由圖3 可知，三有源橋DC-DC 變換器控制框圖主要由直流母線電壓和輸入電流（功率）控制環兩個環路組成。兩個控制環通過解耦控制后可以實現針對直流母線電壓和輸入電流（功率）的直接控制，即通過一二次側之間的移相角φ12 直接控制直流母線電壓，通過一二次側之間的移相角φ13 直接控制輸入電流（功率）及其分配。

3 儲能功率控制策略分析

直流母線電壓環可以實現不同負載下直流母線電壓的穩定，而功率環則可以將光伏模塊產生的功率波動體現在三次側的端口電壓上。比如當光伏輸入功率偏大而負載消耗功率恒定時，電壓環維持直流母線電壓穩定，而功率環則將溢出的功率傳輸到三次側，倘若儲能模塊不進行功率傳輸，則三次側端口電壓升高。因此為了維持整個直流微電網的瞬時功率穩定[4-5]，儲能系統需要針對三有源橋DC-DC 變換器三次側端口電壓進行相應的充放電控制，平抑光伏組件的瞬時功率波動。

圖4 所示為蓄電池組雙向Buck/Boost 變換器的控制示意圖，其中V3ref為三有源橋DC-DC 變換器三次側端口電壓參考值，V3為端口三實際電壓。當V3超出其參考值的1.05 倍時，系統認定此時光伏輸出功率較大，需要蓄電池組充電來平抑該部分的溢出功率，因此雙向Buck/Boost 變換器處于Buck 模式，將光伏產生的多余功率轉移到蓄電池中[6-8]；當V3低于其參考值的0.95 倍時，系統認定此時光伏輸出功率較小，需要蓄電池組放電來平抑該部分的缺額功率，因此雙向Buck/Boost 變換器處于Boost 模式，光伏模塊的缺額功率由蓄電池放電提供。

圖4：雙向Buck/Boost 電路的控制框圖

綜上所述，儲能及其雙向DC/DC 變換器的控制通過監控三有源橋DC-DC 變換器三次側端口電壓實現，盡管沒有直接控制直流母線電壓，但通過參與功率分配的方式維持了直流微電網的瞬時功率平衡，間接實現了對直流母線電壓的控制。

5 仿真結果分析

基于MATLAB/Simulink 平臺以及針對光儲直流微網的整體控制策略，本文搭建了包括光伏+MPPT 控制模塊、三有源橋DC-DC 變換器模塊、負載模塊以及儲能及其雙向DCDC 模塊的整體仿真模型。本文基于MATLAB/Simulink 平臺對所提直流微網拓撲及其控制策略進行仿真。

5.1 光伏功率波動工況仿真結果分析

該工況下光伏模塊由于光照強度變化輸出功率也隨之小幅變化，假定認為負載消耗功率恒定。仿真中設置光照強度小幅波動，利用功率控制環維持輸入電流I1在靜態值I1nom。圖5(a)展示了當光伏功率由于光照強度波動而小幅波動時直流微網光伏、儲能以及負荷三部分功率的仿真波形。仿真模型中在1s 與2s 處設置光照強度波動：在1s 前光照強度S 為額定值1000W/m2，此時光伏模塊輸出功率為191W，輸入電流I1 基本維持在I1nom處不變，負荷消耗功率PL維持在191W 恒定，蓄電池只有5W 的小功率輸出，此時直流微網系統負荷消耗功率基本都由光伏模塊提供；光照強度S 在1s 處由額定值1000W/m2突變到1200W/m2，此時光伏模塊輸出功率由191W 突變到237W，輸入電流I1基本維持在I1nom處不變，負荷消耗功率PL維持在191W 恒定，蓄電池組由5W 的小功率功率放電變為37W 的充電功率，此時直流微網系統中光伏模塊的功率由負載和蓄電池共同消耗，因此光伏電池功率小幅上升時直流微網系統可以通過相應控制既可以維持直流母線電壓與功率的穩定又可以實現蓄電池組平抑光伏功率波動；光照強度S 在2s處由1200W/m2突變到800W/m2，此時光伏模塊輸出功率由237W 突降到147W，輸入電流I1基本維持在I1nom處不變，負荷消耗功率PL維持在191W 恒定，蓄電池由以37W 的功率充電變為以50W 功率放電，此時直流微網系統負荷消耗功率由光伏模塊和蓄電池組共同提供，因此光伏電池功率小幅下降時直流微網系統可以通過相應控制既可以維持直流母線電壓與功率的穩定又可以實現蓄電池組平抑光伏功率波動，即蓄電池組補充缺額功率。

圖5：光伏功率波動負載恒定工況下光儲直流微網仿真圖

圖5 展示了當光伏功率由于光照強度波動而小幅波動時光伏+MPPT 模塊的具體仿真波形。在1s 前光照強度S 為額定值1000W/m2，此時光伏模塊輸出功率為196W，光伏輸出電壓為35V，輸出電流為5.6A；光照強度S 在1s 處由額定值1000W/m2突變到1200W/m2，此時光伏模塊輸出功率為243W，光伏輸出電壓為36.2V，輸出電流為6.75A；光照強度S 在2s 處由1200W/m2突變到800W/m2，此時光伏模塊輸出功率為150W，光伏輸出電壓為33.5V，輸出電流為4.5A。因此當光照強度發生變化時，光伏模塊可以通過MPPT 控制實現最大功率點跟蹤，提高系統的能源利用率。

綜上所述，當光伏功率小幅波動時本章所提光儲直流微網及其控制策略可以在維持直流母線電壓穩定的前提下利用蓄電池組平抑瞬時功率波動。

5.2 負載投切工況仿真結果分析

該工況下由于負載的啟動與關閉導致負載功率出現瞬時上升與跌落，假定認為負載的投切過程是瞬時的，光照強度基本不發生變化因此光伏模塊輸出功率可以認為是穩定的，系統整體以及各模塊仿真結果如圖6 所示。仿真中設置負載功率大幅波動，利用功率控制環維持輸入電流I1在靜態值I1nom。

圖6：負載消耗功率波動光伏輸出功率恒定工況下光儲直流微網仿真圖

圖6 展示了當負載功率由于負載投切而大幅波動時光伏+MPPT 模塊的具體仿真波形。由圖易知當負載發生大幅波動時，光伏輸出功率經過短時間即可恢復MPPT 控制，功率維持在196W 恒定。

6 結論

本文在MATLAB/Simulink 平臺搭建光儲直流微網仿真模型，并基于光伏功率波動負載功率恒定以及光伏功率恒定負載功率波動兩種工況進行仿真。當光伏功率小幅波動時本章所提光儲直流微網及其控制策略可以在維持直流母線電壓穩定的前提下利用蓄電池組平抑瞬時功率波動；當負載功率大幅波動時本章所提光儲直流微網及其控制策略可以在維持直流母線電壓穩定的前提下利用蓄電池組平抑瞬時功率波動。