直流微电网的能量管理

雷鹏娟，马俊伟

(1．承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德067000; 2．承德江钻石油机械有限责任公司，河北承德067000)

直流微电网的能量管理

雷鹏娟1，马俊伟2

(1．承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德067000; 2．承德江钻石油机械有限责任公司，河北承德067000)

直流微电网与交流微电网相比有其独特的优点，在直流微电网中，每个发电单元和储能单元都经过独立的DC-DC变换器，将其产生的电能转换为直流，并且并联在直流母线端，以得到稳定的电力输出。针对超级电容功率密度大、循环寿命长以及蓄电池能量密度高、电压平稳的特点，设计了以光伏电池作为发电单元，超级电容和蓄电池作为储能单元的直流微电网系统，研究了直流微电网的能量管理。实验结果表明:通过超级电容和蓄电池的协调储能可以实现系统中不同工作模式的自动切换，并保持直流母线电压稳定。

直流微电网;能量管理;协调储能;母线电压稳定

近几年，随着分布式发电系统的广泛使用，交流微电网技术得到了迅速的发展。在交流微电网系统中，每个分布式发电单元与之连接都需要通过逆变器来实现，而逆变器之间则需要严格保持相同的频率和相位，以保证发电单元并网运行，但是这会给系统控制带来较大的难度，并且降低系统的可靠性。对于直流输出型:如光伏电池、燃料电池、超级电容和蓄电池等可再生能源和储能单元，需要经过多级功率变换后与交流微电网连接，因此会增加额外的功率变换损耗，降低能源的利用效率，也不利于节能减排。直流微电网是解决上述难题的有效方法之一，而且直流微电网易于与直流输出型能源和储能设备连接，相比于传统的交流微电网，直流微电网具有显著的优点:从直流输出源到负载之间具有更少的功率变换级数、没有交流微电网的同步问题、不会产生无功功率传输、直流微电网的控制仅取决于母线电压。另外在直流微电网中，能量的优化管理更容易实现，可以进一步提高能源利用率，对能源可持续发展和节能减排具有更重要的意义。

目前，已有一些学者对直流微电网进行了研究，主要分析了直流分布式供电系统在工业应用中的机遇和挑战，开展了有关直流系统接地和保护方面的研究。并针对不同的应用领域分析了低压直流、中压直流和高压直流微电网的结构、控制和保护技术［1］。在文献［2］中对直流微电网和交流微电网供电系统进行了效率的对比分析，针对同样的负载条件，通过采集一年的实验数据并对其进行分析计算，得出了直流微电网供电比交流微电网供电总损耗减少大约15%，验证了直流微电网在节能方面的优势。

本文设计了由光伏电池作为发电单元、超级电容和蓄电池作为储能单元的直流微电网系统，主要开展了分布式直流微电网的网络结构、稳定性、能量优化管理的基本理论和控制方法的研究，并进行了相应的仿真验证。

1　系统各微源的控制和能量管理

1．1光伏电池的MPPT控制

太阳能(光伏)电池是不稳定的直流输出源，其输出特性受诸如日照强度、环境温度等外界因素的影响，因此如何更好的利用太阳能电池阵列的能量就变为了太阳能发电系统研究的重要方向，同时最大功率点跟踪控制(MPPT:Maximum Power Point Tracking)也成为了必不可少的环节。MPPT的主要作用是使太阳能电池在任何当前日照条件下都可以输出最大的功率，这样可以提高系统的整体效率，对太阳能发电系统具有重大的意义。

最大功率点跟踪控制，即实时的检测太阳能电池的输出功率，并运用一定的算法对该时刻输出功率和下一时刻输出功率进行比较，通过寻优使其尽可能的稳定在最大功率点处［3-4］。常见的MPPT控制方法有电导增量法、恒定电压法、扰动观察法、模糊控制法、神经网络法、遗传算法等．本文选择的是扰动观察法，扰动观察法是通过判断扰动前与扰动后功率的大小来决定下一时刻扰动的变化方向，若扰动前后功率差ΔP＞0，则说明扰动方向正确，应当继续按原方向进行扰动;若ΔP＜0，则说明扰动方向错误，应向反方向进行扰动。扰动观察法的原理示意图如图1所示。

1．2双向DC-DC变换器控制方式

充放电电路由直流母线和超级电容、蓄电池组成，每个充放电单元都包括双向DC-DC变换电路和储能装置两部分。对于双向DC-DC电路，直流母线侧均为高压侧，储能装置侧为低压侧。本文中对于超级电容和蓄电池的充放电，采用的是双向半桥Buck-Boost变换器［5］。当进行充电时，Buck-Boost变换器体现为Buck工作模式;当放电时，体现为Boost工作模式。具体电路如图2所示。

图2中，Vi为母线侧电压，Vo为储能装置的电压，Q1、D2与L一起组成了Buck电路，Q2、D1与L则一起组成了Boost电路，正是通过对Q1、Q2两开关占空比的控制实现了能量的双向流动。

在充电时，为了限制超级电容器(或蓄电池)充电过程中的充电电流并对其进行控制，充电时采用电流内环和母线电压外环的双环控制，同时为了兼顾快速响应和消除静差两方面的要求，外环和内环控制均采用PI调节器。控制系统产生两个互补的信号PWM1和PWM2来驱动Buck-Boost的功率开关管。本文结合超级电容和蓄电池的优缺点，采取了超级电容优先充电优先放电的控制策略:即当由于光伏输出突变或者是负载突变导致母线电压高于期望值时，超级电容首先开启充电过程，当超级电容充满时蓄电池开始充电;当母线电压低于设定的期望值时，超级电容首先开启放电过程，当超级电容放电到达其过放电压时，蓄电池开始放电。图3和图4是超级电容和蓄电池的充电控制框图。

1．3直流微电网的能量管理体系结构

在直流微电网系统中(本文设计的为光伏系统)，维持直流微电网自身的稳定运行，主要是通过光伏电池侧的变流器以及超级电容和蓄电池的充放电实现的［6］。图5为本文设计的直流微电网单元的能量管理控制系统。

在光伏系统中，光伏电池有最大功率和恒压运行两种工作模式，超级电容和蓄电池作为储能器件，有充电和放电两种模式。光伏电池工作在哪种方式是通过超级电容和蓄电池的状态来选择:超级电容和蓄电池都未充满时，光伏电池工作在MPPT方式;当两者都充满时，光伏电池退出MPPT模式并转为恒压控制。

2　系统仿真分析

为了验证提出的直流微电网系统的能量管理控制策略的有效性和可行性，设计了系统的仿真模型。本文选择的单块光伏电池输出的最大功率约为60．5 W(该最大功率为光伏电池在光照强度S= 1 000 W/m2、温度T=25℃的环境条件下得到的)，为了得到所需要的光伏输出功率，把光伏电池板进行了串并联(5*2的方式)。通过在MATLAB/Simulink环境下搭建的仿真模型得到了如下所示的波形。

图7中:P1为光伏电池直接输出的最大功率，P为经过Boost电路变换后输出的功率，从仿真图也可以看出:在此负载条件下，光伏输出的最大功率约为590 W(减少的功率部分为线路上的其他元器件所损耗)。

直流母线电压设定的期望值为80 V，超级电容和蓄电池的过充电压分别为71．5 V与73 V，过放电压分别为69 V与68 V。当Boost输出端电压高于80 V时，启动充电过程，在充电过程中，当直流母线电压骤降为67．3 V，之后启动放电过程，由超级电容或者蓄电池来补充负载不足的功率，使母线电压重新稳定在80 V(在此过程中，光伏输出功率保持不变)，仿真结果如图8所示。

在蓄电池放电过程中，切除部分负载后，母线电压发生变化，之后蓄电池停止放电，超级电容重新进入了充电状态。仿真结果如图9所示。从图中可看出:在超级电容和蓄电池充电-放电-充电的切换过程中，母线电压虽然有短时间的变化，但很快便恒定下来，并保持80 V不变，而且在切换过程中，超级电容始终保持优先充电优先放电的顺序，这也体现了两者在控制逻辑上的正确性。

由于光伏电池有MPPT和恒压工作两种模式，而其工作在哪种方式是通过超级电容和蓄电池的状态来选择:超级电容和蓄电池都未充满时，光伏电池工作在MPPT方式;当两者都充满时，光伏电池退出MPPT模式进行恒压控制。图10为相应的仿真结果。

从仿真结果可以很清楚的看出:无论光伏电池和超级电容、蓄电池处于哪种状态，直流母线都可以很稳定的保持在设定的期望值80 V，这样不仅使直流母线电压可以维持恒定，进而说可以使直流微电网单元稳定，最终也实现了直流微电网的能量管理。

3　结论

本文搭建了包括光伏电池、蓄电池和超级电容组成的直流微电网系统，这些微源通过直流分布式总线连接在一起，各单元产生的电力可以通过直流总线共享。根据超级电容和蓄电池的特点选择了超级电容优先充电优先放电的充放电优先级顺序，在此基础上，提出了直流微电网单元的能量管理策略并进行了MATLAB仿真验证。通过仿真结果表明了该控制策略可以很好的实现直流微电网的能量优化管理，也验证了提出的能量管理策略的可行性。

［1］M．Saeedifard，M．Graovac，R．F．Dias，R．Iravani．DC power systems:Challenges and Opportunities［C］．Power and Energy Society General Meeting，2010．

［2］H．Kakigano，M．Nomura，T．Ise．Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system［C］．International Power Electronics Conference，2010．

［3］郑必伟，陈庆彬，毛行奎．基于BOOST电路的光伏阵列最大功率点跟踪仿真研究［J］．UPS应用，2009(12):25－32．

［4］刘观起，游晓科，杨玉新，等．光伏发电系统最大功率点跟踪方法研究综述［J］．新能源，2012(2):18－22．

［5］施婕，艾芊．直流微电网在现代建筑中的应用［J］．现代建筑电气，2010，6(1):47－51．

［6］温镇，胡仁杰，蒋玮．独立光伏系统中超级电容器充电电路设计［J］．电工电气，2011(1):9－16．

简讯

我校获批两项承德高新区科技计划项目12月31日，由我校杨洋主持申报的“基于光纤海缆的海底油气管道安全预警系统”、武寒松与博冠仪器仪表研发中心联合申报的“新型阳极定位装置”项目获得承德市高新区科技局批准，到校经费共40万元。

我校承接两项横向研究课题日前，由我校党委副书记曹广辉主持的“高职生创新、创业能力培养研究”项目、招生就业处李焕旭主持的“大数据背景下高校招生就业工作运行体系的研究”项目获得新疆克拉玛依市教育局批准立项，到校经费共计71万元。

Research on Energy Management for DC Micro-Grid

LEI Peng-juan1，MA Jun-wei2
(1．Department of Electrical and Electronic Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Chengde Kingdream Machinery Co．，Ltd，Chengde 067000，Hebei，China)

Compared to the previous AC micro power grid，there are many advantages in DC micro power grid．In the DC micro power grid，in order to get stable power output，each power generation unit and energy storage unit need an independent DC-DC converter，which will produce a power conversion for DC and parallel in the DC bus terminal．In this paper，the DC micro grid energy management which made the photovoltaic battery as a power unit，super capacitor and battery as energy storage unit has been studied．The experimental results prove that the different working modes can be switched automatically and the stability of the bus voltage can be maintained by the coordination of energy storage system which is composed of super capacitor and battery．

DC micro power grid;energy management;coordination of energy storage;bus voltage stability

TM72

A

1008-9446(2015)01-0034-05

2014-09-12

雷鹏娟(1986－)，女，山西汾阳人，承德石油高等专科学校电气与电子工程系教师，主要从事电力电子与电力传动研究工作。