基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网研究

孟　明，郭明伟，原亚宁

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定　071003)

Research of DC Microgrid Based on Sustainable Building and Plug-in Electric and Hybrid VehiclesMENG Ming, GUO Mingwei, YUAN Yaning

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)



基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网研究

孟明，郭明伟，原亚宁

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

0引言

随着经济和城市化进程的快速发展，建筑能耗逐渐提高，而建筑能耗带来的能源危机和环境污染[1]等问题也越来越严峻。可持续建筑基于可持续发展观，旨在节约化石能源、减少污染、降低环境负荷，能源供应大部分由太阳能和风能等可再生能源实现。但这些可再生能源一般都具有不稳定、不连续的特点，利用这种能源发出的电能往往电能质量不高，容易出现电压波动和闪变，因此国家电网公司对分布式电源直接接入集中式大电网制定了严格的标准[2]，阻碍了可再生能源的利用和发展。

微电网作为一种新型的电网形式，能够很好地兼容各种分布式电源，同时为网内用户提供高质量的电能。微电网是相对传统大电网的一个概念，包括微电源、负荷、储能等内容。它能够实现自我控制、保护和管理，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行。目前微电网主要以交流形式存在[3]，但是随着越来越多的用电设备趋于使用直流电以及各类直流输出型分布式电源的快速发展，直流微电网得到了广泛的关注与研究[4-7]。

相对于交流微电网，直流微电网便于新能源发电装置的接入，具有更高的供电可靠性[8]。它对分布式电源的控制要求较低，无需考虑相位、频率等因素[9-10]，而且直流微电网变流装置数目减少很多，系统成本和损耗也随之大幅降低。如果建筑用电全部来自于直流配电网络，利用转换效率超过90%的电力电子器件进行一次性转换，然后供建筑中设备使用，那么相对于交流配电网络该建筑的电力消耗可削减10%～20%左右[11]。

作为微电网的重要组成部分，储能装置可以平抑负荷波动、改善电网供电质量，但储能电池的容量和经济性严重制约了微电网发展。电动汽车不仅能够有效降低能源消耗和温室气体的排放，而且可作为分布式储能单元，增加储能容量，参与平抑电网的负荷波动。然而，电动汽车的无序充电也会给电网带来负面冲击，加剧电网负荷波动和能量损耗，使经济效益恶化[12]，因此电动汽车有序充电控制[13]便显得尤为重要。特别是随着V2G(Vehicle to Grid)技术[14]的发展，电动汽车得以在受控状态下实现与电网的双向能量和信息的交换功能，有序充电的应用使电动汽车成为电网中的参与者，大大缓解了可再生能源波动及电网效率低的问题。

目前，在直流楼宇技术[8,11]、基于大电网的电动汽车有序充电控制[13,15-16]以及包含电动汽车的微电网关键问题分析[17-19]、经济性分析[20-21]等方面，均已有初步的结论和成果，但具体工况下微电网的运行模式、控制策略、电动汽车充电管理等方面尚需进一步的研究和可行性验证。

本文将直流微电网应用于可持续建筑，考虑插电式混合电动汽车的接入，针对不同工况制定相应的控制策略，以实现电动汽车有序充电管理，提高系统经济性，改善直流微电网的稳定性和供电质量。首先，建立应用于可持续建筑的直流微电网的基本模型，确定系统运行模式。其次，阐述系统内相应模块的控制方式。最后，通过Matlab/simulink对系统在不同模式下的运行特性分别进行模拟，验证系统的正确性和可行性。

1系统结构与运行模式

1.1系统结构

基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网基本结构如图1所示。

图1　可持续建筑中直流微电网结构

直流微电网为双层式母线结构：一级母线电压为380V，接有光伏发电模块、并网模块、储能模块、电动汽车充放电模块、交流/直流负荷(洗衣机、微波炉等)模块；二级母线是在一级母线基础上由变流器变流所得，电压为48V，主要为手机、笔记本电脑等设备供电。

1.2运行模式

根据光伏发电及电动汽车充电的实际运行，可将系统分为日间孤岛、日间并网和夜间并网3种运行模式。

1.2.1日间孤岛、并网运行

定义日间运行时段为6:00～18:00，在此期间，认为可持续建筑用电负荷基本保持平稳，光伏模块工作在最大功率输出模式。

日间运行时段内系统分为孤岛运行和并网运行两种模式。系统孤岛运行时，建筑用电力全部由光伏模块供应，储能电池起平衡功率差的作用，但受限于储能电池的容量。系统并网运行时，光伏模块继续向建筑提供电能，其中功率差额由大电网补偿，储能电池则处于充电状态，直至充电完成。储能电池参与平衡的网内功率差值为

(1)

式中：PB为储能电池吸收/释放功率；PG、PPV分别为大电网、光伏模块提供功率；其中当系统孤岛运行时PG为0；PL为负荷消耗总功率。

1.2.2夜间并网运行

定义夜间运行时段为18:00～6:00，其中负荷高峰时段为18:00～23:00，此时段电价较高；负荷低谷时段为23:00～6:00，此时段电价较低。由于夜间光伏模块停止工作，在不考虑大电网故障等因素的条件下，认为该运行时段内系统只能并网运行。此时大电网向可持续建筑提供电能，以保证系统功率平衡。由私家车出行时间分布规律[22]可知，电动汽车一般于夜间负荷高峰时段开始并入直流微电网。

在负荷高峰时段，储能电池与电动汽车动力电池处于放电状态，为负荷提供电能，以减少可持续建筑在高电价时段的用电量。在负荷低谷时段，储能电池与电动汽车处于充电状态，以增加此时段的负荷率，降低网络损耗，同时由于电动汽车在低电价时段进行充电，亦可降低用户充电成本，提高系统整体的经济性。

夜间并网运行模式下直流微电网与大电网交换的功率为

(2)

式中：PEV为电动汽车充/放电功率。

2控制策略

2.1储能电池与电动汽车模块

在日间运行时段，系统孤岛运行时，为避免各储能变换器之间产生环流以及控制直流母线电压的稳定，本文基于电压下垂策略[23]对储能电池进行控制。直流母线额定运行电压范围为360V～400V，此时储能电池采用电压下垂控制进行充放电；当直流母线电压高于400V时，则切换控制方式采用横流方式充电；当直流母线电压低于360V时，采用横流方式放电。系统并网运行时，储能电池采用横流方式充电。

在夜间运行时段，系统并网运行，对储能电池和电动汽车模块进行有序充电控制，即当系统运行于负荷高峰时段时，均采用横流方式放电；当系统运行于负荷低谷时段时，均采用横流方式充电。

另外，当储能电池与电动汽车动力电池荷电状态低于或高于限值时，充放电变换器停止工作。充放电控制模型如图2所示，其中电压下垂控制外环为虚拟阻抗输出环，即下垂环节，内环包括电压环和电流环两部分。输出电压参考值Udc_ref和虚拟阻抗k可分别按下面公式求得[24]

(3)

(4)

式中：Uo为空载输出电压；Io为输出电流；ev为最大允许电压偏移值；imax为最大输出电流。

图2　充放电控制

2.2光伏发电模块

光伏组件通过Boost变换器并入直流微电网，向直流母线输出380V电压。光伏发电模块采用MPPT控制[25]，控制模型如图3所示。使用传感器测量PV电压UPV和电流IPV，输入MPPT控制器，通过小步长扰动寻找到光伏组件输出最大功率点后，发出控制信号，经PWM模块转化为Boost电路开关管的驱动信号，调节占空比D，从而调节输入电压UPV，使光伏组件的最大电压维持在最大功率点附近，达到能量最佳利用。

图3　光伏发电MPPT控制

2.3并网模块

当直流微电网并网运行时，直流母线电压主要依靠大电网支撑，因此并网接口电路必须具有实现能量的双向流动能力。文中采用三相SVPWM整流器实现与交流电网的连接[26]。整流器采用双闭环控制，首先将有功和无功进行解耦，然后利用电压外环控制及电流内环控制实现微电网与大电网的可靠交互，控制模型如图4所示。

图4　双向SVPWM控制

3Matlab/simulink仿真

为了验证基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网的可行性，本文对该系统进行了一系列的时域仿真，模拟其在日间和夜间的运行特性。

储能电池和电动汽车动力电池均采用额定电压160V、额定容量150Ah的铅酸蓄电池，SOC初始值分别为80%、60%。一级直流母线额定电压380V，二级直流母线额定电压48V。

3.1日间孤岛、并网运行仿真分析

图5　日间运行时段系统输出特性

如图5所示，仿真初期，光伏发电模块提供功率10kW，负荷消耗功率约6kW，剩余的4kW为储能电池充电功率。由图5(a)可以看出，第8s时太阳光照强度降低，光伏发电模块发出的功率由10kW降至2kW，此时产生的功率缺额由储能电池放电补偿，以满足网内功率平衡的需要，如图5(b)、(c)所示。第12s时，微电网并入交流电网，此时储能电池处于充电状态，充电功率约为6kW，交流电网向微电网提供功率缺额10kW，如图5(c)、(d)所示。由图5(e)可以看出，系统在孤岛、并网运行时，一、二级直流母线电压基本维持在额定范围以内，故可以判断系统各模块控制策略有效，采用直流微电网能够为可持续建筑提供高质量的电能。

3.2夜间并网运行仿真分析

如图6所示，仿真初期，负荷消耗功率处于高峰时段，约为10kW，而由交流电网提供的功率仅约为5kW，其功率缺额由储能电池与电动汽车动力电池放电补偿。由图6(a)可以看出，第10s时，负荷消耗功率进入低谷时段，约为3kW，此时储能电池与电动汽车动力电池进入充电状态，在电池能量管理系统调节下，充电功率分别约为3kW和4kW，如图6(c)、(d)所示，系统所需功率全部由交流电网提供，约为10kW，如图6(b)所示。

由图6可以看出，采用有序充电控制策略，可有效使储能电池和电动汽车动力电池于负荷高峰时放电、低谷时充电，在优化交流电网电力负荷曲线、提高系统经济性的同时，也保证了一、二级直流母线电压在额定范围之内，提高了可持续建筑的供电质量。

图6　夜间运行时段系统输出特性

4结束语

本文建立了一种基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网系统，分析了系统各模块在日间孤岛、日间并网及夜间并网3种模式下的运行方式，并制定了相应的控制策略。最后通过Matlab/simulink对系统进行仿真分析，得到以下结论：

① 不同工况下，微电网内各个模块能够根据控制要求做出正确响应，将直流母线电压维持在额定范围以内，改善了可持续建筑的供电可靠性，同时微电网结构和控制策略的正确性也得到了验证。

② 在有序充电控制下，电动汽车和储能电池得以在负荷高峰时段放电，负荷低谷时段充电，既实现了削峰填谷，维持了直流母线电压稳定，又提高了系统的经济性。

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孟明(1967—)，男，博士，副教授，研究方向为新能源发电、智能微电网、电机与控制等，E-mail:mmwxp@126.com;

郭明伟(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电、智能微电网，E-mail:gmw1989@163.com。

(责任编辑：林海文)

Research of DC Microgrid Based on Sustainable Building and Plug-in Electric and Hybrid VehiclesMENG Ming, GUO Mingwei, YUAN Yaning

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

摘要：为提高可持续建筑的供电可靠性，结合电动汽车可作为分布式储能单元的特性，提出了基于可持续建筑与插电式混合电动汽车的直流微电网系统。根据光伏发电及电动汽车充电的实际运行，将系统分为日间孤岛、日间并网及夜间并网3种模式，提出了各个模块在不同模式下的运行方式和控制策略。实现了电动汽车的有序充电，达到了削峰填谷的目的，改善了微电网的供电质量，提高了供电系统的经济性。仿真结果验证了系统及控制方法的有效性。

关键词：可持续建筑；电动汽车；直流微电网；有序充电；供电质量

Abstract：In order to improve the power supply reliability of sustainable buildings, DC microgrid based on sustainable building and plug-in electric and hybrid vehicles (PHEVs) is presented by taking the characteristics of electric vehicles (EVs) as distributed energy storage units. Based on the actual operation of photovoltaic (PV) generation and EV charging, the system operation is divided into three operation modes, which are islanded mode at daytime, grid-connected mode at daytime and grid-connected mode at night. In addition, operation modes and control strategies of each module under different modes are proposed, which realize coordinated charging of PHEVs, achieve the purpose of peak-load shifting, and improve both power quality and economics of the microgrid. Simulation results verify the feasibility of the proposed DC microgrid and control strategy.

Keywords：sustainable building; electric vehicle (EV); DC microgrid; coordinated charging; power supply quality

作者简介：

收稿日期：2014-06-23

文章编号：1007-2322(2015)01-0019-06

文献标志码：A

中图分类号：TM7