家庭光伏儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)下垂控制優(yōu)化

朱學(xué)暢,遲長(zhǎng)春,馮菲玥

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海 201306)

智能電器的升級(jí)推動(dòng)著智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展,光伏技術(shù)也向著家庭化方向蓬勃發(fā)展。獨(dú)立運(yùn)行的直流微電網(wǎng)為偏遠(yuǎn)地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)用電便利提供以一種新的技術(shù)思路[1-3]。以光伏技術(shù)為主要組成的分布式電源在面向家庭端的微電網(wǎng)中發(fā)揮了重要的作用。光伏發(fā)出的是直流電,直接與用電設(shè)備連接,可以減少逆變和整流環(huán)節(jié),在一定程度上會(huì)減少對(duì)電網(wǎng)的影響,從而最大化節(jié)約社會(huì)資源[4]。直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能模塊的控制一般采用下垂控制,但傳統(tǒng)的下垂控制未解決儲(chǔ)能的蓄電池組過充過放及直流母線電壓跌落的問題[5]。文獻(xiàn)[6]歸納了新能源時(shí)代直流電微電網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)問題,針對(duì)家庭微電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行技術(shù)梳理,說明家庭式智能電網(wǎng)的可行性,并展望未來微電網(wǎng)的發(fā)展。文獻(xiàn)[7]提出一種家庭微電網(wǎng)的能量管理策略,通過并網(wǎng)與離網(wǎng)模式下不同的控制策略保證母線電壓的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[8]提出一種利用指數(shù)函數(shù)減小電池組荷電差的方法,但是收斂速度相對(duì)緩慢。文獻(xiàn)[9]通過分析智能微電網(wǎng)的現(xiàn)狀,認(rèn)為制定直流電壓標(biāo)準(zhǔn)非常重要。本文以面向家庭式的微電網(wǎng)著手,按照現(xiàn)存的電壓水平,選擇較低的220V直流母線側(cè)電壓進(jìn)行研究。以直流微電網(wǎng)的光伏分布式儲(chǔ)能模型為對(duì)象,講述其工作原理,分析傳統(tǒng)下垂控制手段存在的缺陷,對(duì)荷電狀態(tài)不均衡問題,采用優(yōu)化下垂系數(shù)的方法,并通過二次電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?提高母線電壓,使電壓跌落問題得到解決。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

家庭儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由分布式電能單元、儲(chǔ)能單元和直接用能單元組成[10-11]。由于無(wú)法預(yù)測(cè)光伏出力和直流負(fù)荷的波動(dòng),所以需要在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能單元來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的平衡,穩(wěn)定直流母線電壓。采用多組小容量的儲(chǔ)能單元組成整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng),防止因某一儲(chǔ)能單元故障而導(dǎo)致整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。分布式電能單元中光伏單元提供的直流電的電壓級(jí)較低,經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器提高電壓等級(jí)輸入直流母線,而電網(wǎng)中的交流電通過整流器變成一定電壓等級(jí)的直流電接入母線端。直流母線上的電能大部分進(jìn)入儲(chǔ)能單元,用于電能備用,并且功率型的儲(chǔ)能元件可以補(bǔ)充或者吸收功率從而維持平衡。直流母線可以衍生出12～48V 范圍的低壓總線,供應(yīng)低功率負(fù)載的家用電器產(chǎn)品[12]。

圖1 家庭儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制原理和電壓補(bǔ)償策略

2.1 蓄電池組工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)DC/DC 變換器一般采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制和恒定直流電壓控制,分布式電能單元正常以MPPT 模式運(yùn)行[13]。當(dāng)光伏單元提供足夠的輸入功率向負(fù)載供電時(shí),蓄電池組儲(chǔ)能單元以充電模式運(yùn)行。當(dāng)光伏單元的輸入功率不足以向微電網(wǎng)中的負(fù)載供電時(shí),蓄電池單元由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài),以補(bǔ)償微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率缺額。在充放電過程中,最優(yōu)狀態(tài)是每個(gè)蓄電池的荷電量平衡,每個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率相等。

2.2 傳統(tǒng)下垂控制原理

傳統(tǒng)的電壓-電流(U-I)下垂控制的原理是在直流母線電壓控制中,引入虛擬電阻和電流反饋量,對(duì)給定的電壓指令值進(jìn)行修正,達(dá)到均流的效果[14]。但是,該方法需要選取較大的下垂系數(shù)以獲得較高的分流精度,而較大的下垂系數(shù)會(huì)造成母線電壓跌落。如果為了避免母線電壓跌落而選取較小的下垂系數(shù),則會(huì)帶來較大的電流偏差[15]。

傳統(tǒng)下垂控制的表達(dá)式為

式中:Udci為蓄電池第i組的輸出電壓;Udcref為空載電壓;Idci為蓄電池第i組的輸出電流;Ki為蓄電池第i組的下垂系數(shù)。

綜上所述,傳統(tǒng)下垂系數(shù)不變,無(wú)法解決充放電時(shí)蓄電池荷電狀態(tài)不均衡問題。

2.3 優(yōu)化下垂控制原理

每個(gè)蓄電池組的荷電狀態(tài)受到初始荷電量和電池容量影響會(huì)存在差距,需要優(yōu)化算法彌補(bǔ)偏差。

儲(chǔ)能單元荷電量公式如下:

式中:Si為第i組儲(chǔ)能單位荷電量;Soi為第i組儲(chǔ)能單位的初始電量;Ci為儲(chǔ)能單元的容量;Ii為蓄電池組輸出電流。

優(yōu)化比例系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:Rdi為優(yōu)化比例系數(shù);Sm為荷電量較高的電池組的荷電量值;為兩個(gè)蓄電池組的均值;α為收斂因子。

通過式(2)儲(chǔ)能單元荷電量公式得到兩組實(shí)時(shí)荷電值,選取兩組中較大荷電值與兩組荷電值的均值組成均值系數(shù)比,配合收斂因子α得到優(yōu)化比例系數(shù)Rdi,進(jìn)一步得到優(yōu)化下垂控制表達(dá)式(4)。

優(yōu)化下垂控制框圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化下垂控制框圖

采用PI控制器建立優(yōu)化算法,通過電流Ii與初始荷電量Soi計(jì)算實(shí)時(shí)荷電狀態(tài),進(jìn)一步得到優(yōu)化比例系數(shù)Rdi,并配合原下垂系數(shù)Ki和Idci,再經(jīng)電壓PI控制引入電壓的負(fù)反饋使直流側(cè)電壓穩(wěn)定,電流PI控制通過引入電流負(fù)反饋使得流過電感上的電流為給定幅值和相位的電流,最后通過PWM 輸出控制信號(hào)。

當(dāng)Idci＜0時(shí),儲(chǔ)能單元蓄電池充電,Sm-＞0,e指數(shù)函數(shù)值大于1,下垂系數(shù)增加進(jìn)而降低光伏單元的輸出功率。當(dāng)Idci＞0時(shí),蓄電池組放電,-(Sm-)＜0,e指數(shù)函數(shù)值小于1,下垂系數(shù)降低進(jìn)而提升光伏單元的輸出功率。蓄電池過充過放會(huì)導(dǎo)致蓄電池壽命降低,因此,通過采集兩組中荷電量較大的值與兩組荷電量的均值組成均值系數(shù)比,進(jìn)一步提升均衡速度。如果荷電量差值較大,光伏單元輸出功率的速度將會(huì)快速調(diào)整,使得儲(chǔ)能單元兩組蓄電池的荷電量均衡;如果差值較小,光伏單元的輸出功率進(jìn)行小范圍調(diào)整維持荷電量均衡。當(dāng)兩組蓄電池的荷電量均衡時(shí),比例系數(shù)為為0,Rdi為1,不需要優(yōu)化算法干預(yù),回歸傳統(tǒng)的下垂控制,整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到均衡狀態(tài)。

結(jié)合式(2)、式(3)推導(dǎo)出電流差ΔIdc與荷電量差ΔS的關(guān)系式為

儲(chǔ)能單元的蓄電池均同步進(jìn)行充放電,受到電池老化程度不同會(huì)存在荷電量差值,ΔS一般較小,收斂因子α取值為5～10。根據(jù)式(5)得出α在5～10之間,關(guān)于ΔIdc和ΔS的關(guān)系如圖3所示。由圖可見,α=5時(shí)在充電和放電荷電量差距小時(shí)變化速度較慢,存在30%差值之后對(duì)荷電量糾正速度提升;而α=10時(shí),變化速度又太快,幾乎是急劇變化,對(duì)于以化學(xué)物質(zhì)為主的蓄電池壽命會(huì)產(chǎn)生影響,削減了蓄電池的使用時(shí)間,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定;α=7時(shí)在充放電荷電量差距小時(shí)變化速度適中,隨著差距變大能夠快速糾正偏差,在蓄電池組荷電量差距為0%～90%時(shí)糾正平滑快速,所以綜合考慮選擇α=7為本文合適的收斂因子。

圖3 蓄電池組充放電過程關(guān)于收斂因子的ΔS 和ΔIdc 變化曲線

2.4 二次電壓補(bǔ)償策略

下垂控制在修正荷電量的過程中會(huì)導(dǎo)致電壓的變化,利用自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法對(duì)差值回傳補(bǔ)償。求出兩組蓄電池平均電壓值,即母線的實(shí)際平均電壓值為

根據(jù)式(1)推導(dǎo)出兩組蓄電池組的電壓為

引入傳遞函數(shù)

經(jīng)過PI控制器的轉(zhuǎn)換,求出二次增補(bǔ)值,

式中:kp、kq為PI控制器的參數(shù)。

二次電壓補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D如圖4所示。該控制結(jié)構(gòu)將給定的直流母線電壓與實(shí)際值做差,再經(jīng)過PI控制器的轉(zhuǎn)換求出二次增補(bǔ)值,最后將此值與實(shí)際電壓相加。該過程運(yùn)用隨時(shí)間不斷變化的增補(bǔ)值來實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,從而減小電壓波動(dòng),達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。

圖4 二次電壓補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D

3 仿真驗(yàn)證

通過RT-LAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)改善前后的母線電壓波形進(jìn)行展示,并利用Matlab/Simulink模型展示優(yōu)化下垂控制后的兩組蓄電池荷電曲線和二次電壓補(bǔ)償后母線電壓曲線。仿真參數(shù)如下:直流母線參考電壓Udc=220V,蓄電池容量C=96Ah,蓄電池組1的初始荷電量S1=56%,蓄電池組2的初始荷電量為S2=55%。

3.1 RT-LAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真

RT-LAB是一種專門用于電力系統(tǒng)、電力傳動(dòng)以及電力電子系統(tǒng)的半實(shí)物仿真運(yùn)行平臺(tái),直接在Matlab/Simulink上搭建的系統(tǒng)模型應(yīng)用于此仿真平臺(tái)。主要由上位機(jī)、目標(biāo)機(jī)OP5600、電源組成。其性能十分優(yōu)越,可根據(jù)用戶的不同需求制作特殊的I/O接口,以便與用戶設(shè)備的兼容性更加完善。

針對(duì)母線電壓不穩(wěn)定的問題,采用增加二次電壓控制進(jìn)一步改善波形,如圖5所示。加入補(bǔ)償電壓后,波動(dòng)的幅度明顯降低,并且波動(dòng)次數(shù)減少。

圖5 電壓波形對(duì)比

3.2 Matlab/Simulink仿真

當(dāng)使用傳統(tǒng)的下垂控制時(shí),設(shè)置兩組蓄電池的初始荷電存在1%的差距,在30s時(shí)進(jìn)行一次充放電轉(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)的下垂控制下兩組蓄電池荷電量在0～50s內(nèi)兩條曲線保持平行的狀態(tài),無(wú)法收斂重合,如圖6所示。優(yōu)化下垂控制系統(tǒng)后,荷電量S和Udc的變化如圖7、圖8所示。

圖6 充電突變?yōu)榉烹姇r(shí)傳統(tǒng)下垂控制仿真結(jié)果

圖7 充電突變?yōu)榉烹姇r(shí)下垂控制優(yōu)化仿真結(jié)果

圖8 放電突變?yōu)槌潆姇r(shí)下垂控制優(yōu)化仿真結(jié)果

模擬蓄電池組由充電轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹?在0～30s時(shí),兩組蓄電池組正常充電并且由于荷電量存在較大差距擬合速度較快。在30s充放電切換,兩組蓄電池組放電,由于兩組蓄電池組荷電量的差距較小,所以放電速度減慢。45s時(shí)刻,兩組蓄電池組荷電量相同并正常運(yùn)行5s。當(dāng)0～30s時(shí)模擬蓄電池組由放電轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姷臓顟B(tài),兩組蓄電池組放電補(bǔ)償,到達(dá)30s放充電切換,蓄電池組進(jìn)行充電,同樣達(dá)到優(yōu)化效果。由圖7(b)、8(b)的Matlab/Simulink對(duì)母線電壓的模擬所示,只有在30s充放電切換時(shí)存在電壓波動(dòng),但優(yōu)化后波動(dòng)變小,負(fù)荷補(bǔ)償效果明顯。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制對(duì)于儲(chǔ)能單元蓄電池組充放電不均衡的問題,研究?jī)山M蓄電池組同時(shí)充放電時(shí)電荷量快速均衡的優(yōu)化方法,通過Matlab/Simulink的仿真圖像驗(yàn)證在兩組蓄電池存在初始荷電量差異時(shí),優(yōu)化的下垂控制方法能快速使兩組蓄電池荷電量均衡,并且通過RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)電壓跌落問題跟蹤觀察,同未電壓補(bǔ)償前相比,電壓更加穩(wěn)定。