基于储能设备的直流微电网母线电压控制策略研究

任 琛，刘志娟,柳雪松

(1.太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024；2.山西省电力公司太原供电公司，太原 030024；3.山西省电力公司 长治壶关供电公司，长治 047300)

基于储能设备的直流微电网母线电压控制策略研究

任 琛1，刘志娟2,柳雪松3

(1.太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024；2.山西省电力公司太原供电公司，太原 030024；3.山西省电力公司 长治壶关供电公司，长治 047300)

针对含储能设备的直流微电网系统,提出以直流母线电压为控制信号,各接口变换器分段参与母线电压调节的系统运行方法和母线电压控制策略。该控制策略能够保证直流微电网系统在孤岛、并网运行下稳定工作,实现母线电压恒定及能量最优利用。Simulink仿真和dSPACE实验验证该控制策略的有效性。

储能;直流微电网;变换器;直流母线电压;控制策略

可再生能源发电技术的出现,一方面可以解决资源短缺和环境污染等问题,另一方面具有随机性的可再生能源发电电源直接并入电网，将会给系统带来调峰困难以及可靠性等方面的问题[1-4]。而采用含储能设备的微网形式并入主网可以有效解决上述问题,并使可再生能源的价值得到充分利用[5-9]。直流微网有优于交流微网的特性,如电压频率和相位不变,只需控制其直流电压大小,因而可再生能源发电电源与负载接入直流微网可控性更高[10]。考虑到可再生能源发电具有较强的随机性,故直流微网运行于孤岛状态时,需通过储能设备调节电能平衡,因此直流微网系统中多种接口单元的协调控制成为热门话题之一[11-14]。文献[15]给出了一种太阳能电动汽车充电站的直流母线电压控制策略,其集中控制器采用双向AC/DC变换器,而不考虑储能接口变换器和光伏接口变换器的电压调节能力,缺点为动态响应慢,可靠性低。文献[16]提出了一种直流微网系统能量管理策略,系统模态间的切换取决于直流母线电压,故系统可靠性和动态响应速度都有所提高。但是,该方法将系统分为4种工作模态,并相应设定各自的直流母线电压参考值,不恒定的直流母线电压对系统各接口变换器的性能影响较大。

针对上述问题,对含储能设备的直流微电网系统进行研究,提出一种以直流母线电压作为控制信号的系统运行方法和母线电压控制策略。该系统无需集中控制器,各接口变换器协调工作,分段参与直流母线电压控制,实现系统的并网和孤岛运行。

1 系统结构

考虑到光伏板出力具有较强的随机性,故在可孤岛运行的直流微电网中,系统的功率平衡需储能单元的接入,另外,该系统还包括网侧接口单元以及光伏发电单元。图1为一个简化的含蓄电池储能设备的直流微电网系统。

图1 简化的含光伏发电和蓄电池储能的直流微电网系统Fig.1 A compact DC microgrid based on PV generation and energy storage system

该系统中,以光伏发电单元(带有boost变换器)模拟直流电源,以蓄电池单元(带有双向DC/DC变换器)模拟储能设备,以变化的DC与AC负荷模拟随时变化的负荷。光照水平和外界环境温度的变化影响光伏板的输出电压,并由MPPT算法给定光伏板的末端电压参考值。一组PV模块组成光伏发电单元,并通过控制使其输出电压稳定。通过调节双向DC/DC变换器及蓄电池单元,实现功率平衡。在孤岛模式下,直流母线电压的稳定由蓄电池充放电实现。三相变压器和双向DC/AC变换器连通了公共电网和直流母线之间的通道,该双向DC/AC变换器用以控制直流微电网和交流侧的能量交换。

2 变换器模型与控制

boost变换器的主要目标是跟踪光伏板的最大功率点,主要是通过功率-电压特性曲线来调节光伏板的电压。蓄电池变换器的目标是在孤岛模式下,控制使直流母线电压稳定。网侧接口变换器的目标是在并网模式下维持直流母线电压稳定;在孤岛模式下为AC负荷提供高质量的三相交流电压。以上3种变换器均必须采用适当的控制策略,以满足光伏板最大功率点跟踪及系统功率平衡的需要。

2.1 光伏发电boost变换器的控制策略

图2 boost变换器的控制策略Fig.2 Control scheme of the boost converter

2.2 蓄电池变换器的控制策略

蓄电池变换器是一个双向DC/DC变换器,用于在孤岛模式下保持直流母线电压稳定,如图3所示。

图3 蓄电池变换器的控制策略Fig.3 Control scheme of the battery converter

假设充电状态下蓄电池电流ib为正,那么放电状态下ib为负。忽略电力电子器件的损耗以及由开关动作引起的高频谐波,进一步忽略直流母线瞬时电压的波动,由直流侧功率平衡方程式可得将boost变换器的输出功率、DC负荷消耗的功率、逆变器消耗的功率设定为常量,改变蓄电池变换器的功率来调节直流母线电容电压是可行的。

2.3 网侧接口变换器的控制策略

网侧接口变换器的作用是实现直流母线和公共电网之间的电能交换,在并网模式下维持直流母线电压稳定,在孤岛模式下为交流负荷提供高质量的三相交流电压。

图4 网侧接口变换器的控制策略Fig.4 Control scheme of the grid-tied converter

网侧接口变换器的控制系统框图如图4所示。并网运行时,网侧接口变换器是一个电流控制电压源,通常采用同步旋转坐标系下的电压电流双闭环控制。直流母线电压通过PI控制保持恒定,控制结果被设定为瞬时有功电流id的参考值。孤岛运行时,网侧接口变换器运行于逆变模式,为交流负荷提供交流电压。瞬时d轴和q轴电压被用于逆变器控制,反馈电压通过三相输出电压和Tabc-dq转换获得。

3 系统工作模态

本文研究的含储能设备的直流微电网系统既能够孤岛运行也能够并网运行。系统孤岛运行时,蓄电池变换器控制蓄电池完成充放电,使系统功率平衡,直流母线电压稳定;网侧接口变换器运行于逆变模式,为交流负荷提供稳定的交流电压。系统并网运行时,由网侧接口变换器维持直流母线电压稳定。因而,将系统的工作模态划分为4种:孤岛运行,蓄电池充电,吸收网内剩余功率;孤岛运行,蓄电池放电,补充系统功率缺额;并网运行,网侧接口变换器处于逆变模式,系统将剩余功率回馈到大电网;并网运行,网侧接口变换器处于整流模式,系统缺额功率由大电网供给。根据各变换器的运行状态和系统要求,光伏、储能及网侧接口变换器可等效于电流源或电压源形式,并且均对直流母线电压进行采样,以实现控制直流母线电压的目的,其在4种工作模式下的控制方式和等效形式具体见表1。

表1 不同工作模态下各变换器的控制方式

表1中列出了4种工作模态下,各变换器的工作状态和控制方式。根据不同工作状态下变换器出口侧对外特性,可将各变换器等效为电压源及电流源2种电源形式。并且,根据运行要求,系统始终有且仅有一个变换器工作于电压源形式,并控制直流母线电压,而其余变换器均工作于电流源形式,这种运行模式非常有利于系统的稳定运行。

4 Simulink仿真及分析

为了验证本文所提策略的有效性和可行性,应用Simulink仿真软件对系统的不同工作模态进行仿真。本系统交流侧电压110 V,频率50 Hz;直流母线电压参考值Vdc-ref取200 V,电压波动范围为±5%。直流母线电压波动范围设置太大时,各变换器的效率和系统的可靠性不高;设置太小时,由于某些原因(如采样误差)系统发生工作模态间的误切换概率增大[9]。仿真中由2个直流电压源与电阻串联模拟光伏阵列,最大功率为600 W.蓄电池额定电压48 V,额定容量12 A·h,则最大充放电电流分别设定为12 A和10 A,系统交直流负荷变化范围为400～2 400 W.

4.1 孤岛运行

直流微电网处于孤岛运行状态时,为了满足直流负荷的要求,并保证逆变器和boost变换器较好的控制性能,系统必须保证有稳定的直流母线电压。

在本控制策略中,系统处于孤岛模式时,网侧接口变换器工作于逆变状态并为交流负荷提供电能,蓄电池变换器控制蓄电池完成充放电,使系统功率平衡,达到直流母线电压稳定的目的。

4.1.1 蓄电池充电

系统本地负荷初值设定为400 W,此时boost变换器的输出功率Ppv=600 W,本地负荷Pload=400 W,光伏阵列处于供大于求的状态,此时蓄电池充电,网侧接口变换器逆变运行,系统运行于工作模态1,仿真波形如图5、图6所示。

图5 孤岛模式下蓄电池充电波形Fig.5 Battery charging in isolated mode

图6 孤岛模式下交流侧电压电流波形Fig.6 AC side voltage vs current in isolated mode

如图5所示,当Ppv>Pload时,蓄电池充电维持直流母线电压稳定在200 V,此时蓄电池充电电流约为1.2 A,充电电压为48 V。如图6所示,在孤岛运行时,网侧接口变换器工作于逆变状态,为交流负荷提供可靠电能。

4.1.2 蓄电池放电

当系统本地负荷在t=1 s时由400 W突增至800 W,即Ppv=600 W,Pload=800 W,光伏阵列处于供不应求的状态,此时蓄电池放电以维持直流母线电压稳定,系统运行于工作模态2,仿真波形如图7、图8、图9所示。

图7 孤岛模式下蓄电池放电波形Fig.7 Battery discharging in isolated mode

如图7所示,系统孤岛运行时,本地负荷在t=1 s时增加,蓄电池由充电模式转化为放电模式,来满足系统功率平衡。在t=1 s前,蓄电池充电,充电电流为1.2 A;在t=1 s后,蓄电池放电,使直流母线电压维持在200 V,此时蓄电池放电电流约为4 A.

图8 孤岛模式下直流母线电压瞬时响应Fig.8 DC bus voltage transient response in isolated mode

图8和图9是蓄电池放电时,本地负荷在t=1 s时由400 W增加到800W,直流母线电压及电流波动情况。图8表示在t=1 s时,直流母线电压突降至165 V,在t=1.06 s时恢复至190 V,恢复到允许波动范围之内,t=1.1 s后直流母线电压保持在200 V,由图可知直流母线电压恢复的响应时间为0.06 s.图9表示t=1 s时,直流负荷增加导致直流母线电流增加,t=1.1 s后,直流母线电流稳定在4 A.

图9 孤岛模式下直流母线电流瞬时响应Fig.9 DC bus current transient response in isolated mode

4.2 并网运行

系统运行于并网模式时,网侧接口变换器工作于PQ模式,系统功率平衡由公共电网完成。交流负荷由公共电网供电,网侧接口变换器负责维持直流母线电压稳定。

4.2.1 网侧接口变换器逆变运行

系统本地负荷初值设定为400 W,即Ppv=600 W,Pload=400 W,光伏阵列处于供大于求的状态,此时蓄电池充电,网侧接口变换器逆变运行,系统运行于工作模态3,仿真波形如图10所示。

图10 逆变模式下交流侧电压电流波形Fig.10 AC side voltage vs current in inverted mode

图10为并网运行,系统工作于模态3时,网侧接口变换器两侧的波形图。图10说明当Ppv>Pload时,网侧接口变换器工作于逆变模式,将多余的电能馈送给公共电网,此时,交流侧电流大小约为2 A.

4.2.2 网侧接口变换器整流运行

当系统本地负荷在t=1 s时由400 W突增至800 W,即Ppv=600 W,Pload=800 W,光伏阵列处于供不应求的状态,在并网模式下,网侧接口变换器运行于整流状态,维持直流母线电压稳定,系统运行于工作模态4,仿真波形如图11、图12、图13所示。

图11 整流模式下交流侧电压电流波形Fig.11 AC side voltage vs current in rectifying mode

图11为网侧接口变换器整流运行时,交流侧电压电流波形。图11说明当Ppv

图12 整流模式下直流母线电压突降波形Fig.12 DC bus voltage decrease in rectifying mode

图12为本地负荷继续增加,网侧接口变换器两侧的动态响应波形图。图12表示负荷在t=1 s时由800 W增加到1 200 W,在t=1 s之前,交流侧电流约为2 A,t=1 s之后,负荷增加,交流侧电流由2 A增加至6 A,直流母线电压突降至165 V,由于网侧接口变换器的作用,直流母线电压从t=1.02 s时开始恢复至允许波动范围之内,t=1.02 s之后,直流母线电压稳定在200 V,此情况下直流母线电压恢复的响应时间为0.02 s.

图13 整流模式下直流母线电压突升波形Fig.13 DC bus voltage rise in rectifying mode

图13是当本地负荷在t=2 s时，由1 200 W突然减小到800 W,直流母线电压的波动情况。在t=2 s时,由于直流负荷突然减小,交流侧电流由6 A减小为2 A,直流母线电压突然升高至240 V,网侧接口变换器工作,直流母线电压从t=2.04 s时开始恢复至允许波动范围之内,t=2.06 s之后,直流母线电压稳定在200 V,此情况下直流母线电压恢复的响应时间为0.04 s.仿真结果表明在孤岛和并网模式下,该系统均能保持直流母线电压稳定,且系统响应速度快、可靠性高。验证了本文所提控制策略的有效性。

5 dSPACE实验及分析

为了验证本文提出的直流微电网母线电压控制策略在实际系统中的有效性和可行性,在dSPACE1104上进行了实验验证。控制算法经dSPACE RTI接口设置后自动生成控制代码下载到控制部件,并在ControlDesk中进行界面设计和实验控制。系统硬件设备参数:锂电池组额定电压24 V,电感为7 mH,电容为470 μF,电阻为40 Ω.实验中直流母线电压参考值设定为50 V,交流侧电压设定为20 V.开关管选用型号MII75-12A3式IGBT.

5.1 孤岛运行

系统孤岛运行时,网侧接口变换器始终逆变运行,变换器交流侧电压电流的实验波形如图14所示。由图14-a可以看出网侧电压电流均具有良好的正弦度,且电压电流几乎同相位,功率因数为0.98.图14-b为孤岛模式下蓄电池放电波形图。图14-b可见,锂电池组电压24 V,放电并维持直流母线电压稳定在50 V左右,交流侧电压(通道4)经网侧接口变换器逆变后稳定在20 V左右,且具有良好的正弦度。

图14 孤岛模式Fig.14 Isolated mode

5.2 并网运行

图15 并网模式Fig.15 Grid-connected modes

系统并网运行时,蓄电池工作于充电状态,网侧接口变换器工作于PQ模式。图15-a为并网模式下蓄电池充电波形图。图15-a可见,网侧接口变换器控制直流母线电压稳定在50 V左右,储能接口变换器工作于buck模式并为锂电池组充电。图15-b为并网运行时,直流侧电压波形,此时网侧接口变换器整流运行。可以看出直流母线电压(通道3)稳定在50 V左右,仅有很小的波动,且交流侧电压电流畸变较小。实验结果表明系统在不同工作模态下均能稳定工作,交流侧电压电流畸变小,且直流母线电压均能保持稳定。

6 结论

提出了一种基于储能设备的直流微电网系统运行方法和母线电压控制策略,Simulink仿真及实验结果验证了所提策略的有效性。仿真结果表明,策略使能够保证直流微电网系统在孤岛、并网运行下均能稳定工作;该策略无需集中控制器,提高了系统运行可靠性,降低了成本;各接口变换器协调工作,分段参与直流母线电压控制,系统动态响应速度快。

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(编辑：刘笑达)

Control Strategy for DC Bus Voltage of DC Microgrid
with Energy Storages

REN Chen1,LIU Zhijuan2,LIU Xuesong3

(1.CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.TaiyuanPowerSupplyCompauy,ShanxiElectricPoaerCompany,Taiyuan030024,China; 3.ChangzhiPowerSupplyCompany,ShanxiElectricPowerCompany,Changzhi047300,China)

In the DC microgrid with energy storages, a system operation method and control strategy of DC bus voltage was proposed, which takes DC bus voltage as control information and converters participating in the control of DC bus voltage. The DC microgrid is composed of one boost converter for PV arrays, one DC/DC converter for battery charging/discharging, one bidirectional grid-tied DC/AC converter and local loads. According to each unit operation features and system operation requirements, the operations of system are categorized into four modes: isolated with battery charging, isolated with battery discharging, grid-connected with grid-tied converter inversion and grid-connected with grid-tied converter rectification. The operation modes and conversions are determined by the DC bus voltage. The control strategy can ensure that the DC microgrid is available of either grid-connected mode or isolated mode, realizing bus voltage stability and optimize energy utilization. The simulation and experiment results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

energy storage;DC microgrid;converter;DC bus voltage;control strategy

1007-9432(2015)05-0598-06

2015-01-31

国家国际科技交流与合作专项：含分布式电源的微电网运行与优化控制的合作研究(2010DFB63200)；山西省高等学校中青年拔尖创新人才支持计划资助；山西省留学人员科技活动择优资助项目

任琛(1989-)，男，山西平遥人，硕士生，主要从事电力系统运行与控制研究,(Tel)13403468201, (E-mail)890123@163.com

TM76

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.023