基于户用型微网能量管理策略研究

李帅波，蔡新红，周 鹏

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

能源危机的加重，促进了太阳能、风能等可再生能源的发展。但是分布式电源的输出功率具有随机性与波动性，直接接入电网会对其稳定运行造成一定的影响[1]。为了解决这一问题，学者们提出了微网概念[2-6]。根据母线电压类型，微网可以分为直流微网与交流微网。直流微网没有无功以及谐波等问题，供电质量更高，且方便直流性质的负荷与分布式能源的接入，近年来逐渐受到了人们的关注[5]太阳能以其独特的优势成为人们关注的焦点。由于微网中存在分布式电源与负荷两个不确定的变量，因此，需要配置一定的储能装置来保证其稳定运行[6]。文献[7]将蓄电池通过双向DC/DC变换器接入光伏微网中，并且详细分析了独立光伏系统的能量管理策略。为了维持微网的功率平衡，储能单元需要频繁地大功率充放电，这会严重影响蓄电池的使用寿命[8-9]。将超级电容与蓄电池组成混合储能单元接入微网中，可以有效提高储能系统的输出能力，延长蓄电池的寿命[10-12]。

本文针对光伏发电子系统、储能子系统、并网子系统及负载子系统等主要组成部分的功能、工作特点以及控制方法，提出具体的微网系统控制及能量管理策略。对直流母线电压进行了分段控制，在不同的电压段采用下垂控制算法，以控制直流母线电压在设定范围之内，维持微网系统能量平衡并尽可能延长储能系统循环使用寿命。

1 户用型微网能量管理系统

户用型微网系统主要由光伏发电子系统、储能子系统、并网子系统、负载管理子系统及系统控制与能量管理子（简称能量管理）系统构成。前四个子系统相对独立，能实现基本的功能，均配置有可与能量管理信息交换的通讯接口，上传各自的状态信息，接收能量管理的指令，完成相应的工作。能量管理属于系统中的控制核心，其主要功能是保持和各个子系统的有效通讯，根据各个子系统运行状态，结合控制算法，形成控制指令，下传各个子系统，完成系统控制目标。系统结构示意如图1所示。

图1 微网管理系统主要功能结构

2 系统及能量管理下垂控制策略

图2 系统总体控制示意

微网系统总体控制思想如图2所示。根据图2，系统总的控制原则为：设定直流母线额定电压Vdc=460 V，正常工作电压范围为420～500 V。系统通过控制各功能单元协调工作维持直流母线电压在设定范围内，在此原则基础上最大限度利用太阳能和延长电池组循环使用寿命。电池组使用时，应确保其SOC在0.2～0.9范围内使用，为进一步优化电池组充放电，可控制其SOC在0.5～0.7范围内变化，最大充放电电流为10 A。逆变器根据直流母线电压决定并网功率。光伏电池Boost变换器一般工作在MPPT模式，若光伏电池产生的电能，满足所有负载且使储能子系统SOC达到上限，则工作于恒压输出模式。负载投入优先级为：一级负载，二级负载，储能子系统充电；负载切除顺序为：储能子系统充电，二级负载，一级负载；储能子系统放电电能使用优先级为：一级负载，二级负载。

当直流母线电压Vdc＜420 V或Vdc＞500 V时，系统进入保护模式，则光伏电池Boost变换器、储能子系统双向DC/DC变换器、逆变器均关闭，两级负载均断开。由人工手动解除故障后，系统可重新投入运行。系统电气原理图如图3所示。为便于以后的分析工作，将直流母线一二级负载和并网逆变器负载及交流母线一二级负载等效为系统等效总负载。当直流母线电压Vdc∈[420 V,500 V]时，系统处于正常工作状态。系统正常工作时共有以下几种工作模式：

图3 微网系统电气结构

工作模式一：当485 V＜Vdc 500 V时，逆变器并网功率Pinv=500+Kind(Vdc-485)W ，公式中500代表敏感负载功率，单位是W，Kind为并网功率系数，最大取值为133，可根据实际情况进行调节；一级负载、二级负载均可投入系统，如果SOC≤0.9，则储能子系统10 A恒流充电，超级电容组平衡高频充电电流以配合蓄电池组工作；如果SOC＞0.9，则储能子系统中蓄电池组与超级电容组均按其最大允许端电压浮压充电或者直接进入待机状体。能量流动[13]方向为从光伏电池（CV模式）分别流向锂电池组（Buck模式）、等效总负载和超级电容（Buck模式）。

工作模式二：当465 V＜Vdc≤485 V时，逆变器并网功率Pinv=500+Kind(Vdc-465)W，Kind最大取值为100，可根据实际情况进行调节；一级负载、二级负载均可投入系统，如果SOC≤0.9，则电池组充电电流超级电容组平衡高频充电电流以配合蓄电池组工作；如果SOC＞0.9，则储能子系统中蓄电池组与超级电容组均按其最大允许端电压浮压充电或者直接进入待机状体。能量流动方向为从光伏电池（MPPT模式）分别流向锂电池组（Buck模式）、等效总负载和超级电容（Buck模式）。其中，蓄电池组充电模式为变电流充电。

工作模式三：当455 V＜Vdc≤465 V，逆变器并网功率Pinv=500+Kind(Vdc-455)W ，Kind最大取值为200，可根据实际情况进行调节；一级负载、二级负载均可投入系统，储能子系统中蓄电池组双向DC/DC变换器平衡低频功率波动，超级电容组双向DC/DC以直流母线电压460 V为控制目标平衡高频功率波动。其能量流动方向为光伏电池（MPPT模式）分别流向锂电池组（待机模式）、等效总负载和超级电容（Buck/Boost），其中，锂电池组和超级电容流向等效总负载。

工作模式四：当435 V

工作模式五：当420 V

3 系统控制及能量管理仿真与试验

3.1 系统仿真分析

搭建仿真模型和试验平台并利用该模型对系统正常工作模式的运行情况进行仿真,仿真波形如以下各图所示。

图4 仿真过程中辐照度和温度变化曲线

图 4 中,0～20 s时辐照度为 1 000 W/m2，20～62.5 s时辐照度由1 000 W/m2线性变化为200 W/m2，该辐照度一直保持到87.5 s，再由200 W/m2线性变化到1 000 W/m2，时间到达120 s，在1 000 W/m2上一直保持到仿真时间结束350 s。温度曲线在0～20 s间一直保持为 25℃，125～175 s间，温度由25℃线性变化为75℃，保持该温度直到237.5 s，然后温度线性变化到0℃，一直保持到350 s，仿真时间结束。

图5 负载曲线

图5所示为系统仿真过程中负载曲线，其中负载最小为3 kW，最大为8 kW，其余还有5 kW、6 kW以及几个过渡过程。

图6所示，光伏发电MPPT跟踪时输出电流变化基本与辐照度变化趋势一致，而输出电压变化受温度影响比较大，几乎不受辐照度影响。

图7所示，蓄电池组放电电流、充电电流变化均比较平稳，没有频繁的充放电转换。需要说明的是，这里只是为验证系统及能量管理算法，所以蓄电池充放电电流都没有限定在10 A以内，图中所示为16 A左右。

图6 光伏发电输出电压、电流波形

图7 蓄电池组端电流、端电压及SOC变化

图8所示，超级电容组在补充蓄电池组对系统功率的偏差之外，需平衡直流母线电压的波动。当光伏发电量快速变化或负载快速变化时，超级电容组配合蓄电池组平衡功率和直流母线电压波动的高频部分。图中显示超级电容组电流和端电压变化比蓄电池组电流、端电压变化要剧烈许多。

图9中，上面的曲线是负载功率给定曲线，中间的曲线是直流母线输出功率曲线，下面的曲线是光伏发电功率、蓄电池输出功率及超级电容功率输出之和的曲线。由图中曲线可见，系统负载功率跟踪稳定、准确。由于功率传递过程中的效率因素，图中功率曲线从上到下，功率依次略有增加。

图8 超级电容组端电流、端电压及SOC变化

图9 系统负载、发电及储能功率跟踪变化曲线

图10为直流母线输出电压、电流变化曲线。由图可见，直流母线在光伏发电输出功率变化、负载功率给定变化的过程中保持稳定，实现了控制目标。

图10 直流母线输出电压、电流

图11为直流母线电压曲线放大图。由图11所示，直流母线电压基本稳定在电压设定值460 V左右，由于光伏发电功率及负载功率的变化，母线电压会发生变化，其中最大值不超过465 V，最小值不低于459V，满足电压波动范围要求。系统开始时，经过5 s达到稳定状态。在237.5～300 s间，工作温度持续下降，直到0°C，这期间负载给定虽然恒定为3 kW，但系统中储能子系统由放电状态转变为充电状态。300～312.5 s期间，负载给定由3kW变到5 kW，储能子系统由充电状态向放电状态过渡。这两段时间内，储能子系统在充放电之间转变，使母线电压有相对较大的波动。312.5 s之后，系统工作条件不变，负载给定不变，系统进入稳定状态，母线电压保持稳定。

图11 直流母线电压变化放大图

3.2 系统试验分析

系统试验中利用光伏模拟器创建光伏曲线，参数为 Voc=445 V，Isc=9 A，Vmp=383.23 V，Imp=8.53 A；试验负载分为两级负载：一级负载200 Ω，二级负载100 Ω。试验中使用泰克TPS 2014B型示波器，该示波器共有4个通道，1号通道检测一级负载电流，2号通道检测直流母线电压，3号通道检测储能系统电流，4号通道检测二级负载电流。由于通道数所限，超级电容组电流未检测。试验时检测电池组充电电流为正，放电电流为负。

（1）设定光照强度为 1 000 W/m2，光伏电池和电池组投入系统，系统空载运行时，直流母线电压为485 V，SOC=0.76，按控制要求，此时电池组充电电流为10 A。如图12所示，电池组充电电流为10 A。

图12 微网系统空载时稳定运行图

（2）条件1下，投入一级负载，直流母线电压下降至478 V，电池组SOC=0.85，按控制要求，此时电池组充电电流为6.5 A。如图13所示，充电电流为6.8 A。

（3）条件2下，投入二级负载，直流母线电压下降至453 V，SOC=0.85，按控制要求，此时电池组从充电状态变为放电状态。放电电流为0.5 A，如图14所示，电池组放电电流为0.5 A。

图13 投入一级负载，系统稳定运行

图14 投入二级负载，系统稳定运行

（4）条件3下，切除二级负载，直流母线电压上升至478 V，电池组SOC=0.84，按系统控制要求，此时电池组充电电流为6.5 A。如图15所示，充电电流为6.8 A。

图15 切除二级负载，电池组由放电状态转为充电状态

（5）条件4下，切除一级负载，直流母线电压上升至484 V，SOC=0.85，按系统控制要求，此时电池组充电电流为9.5 A。如图16所示，电池组充电电流为9.8 A。

图16 切除一级负载，电池组充电电流增大

由以上试验波形可见，系统在空载、投入负载或者切除负载情况下，均能维持直流母线电压稳定，蓄电池均能根据系统状态自动进行充放电，以维持功率平衡和直流母线电压稳定。

4 结论

本文研究了户用型微电网的能量管理问题，提出对直流母线电压进行了分段控制，在不同的电压段采用下垂控制算法的能量管理策略。试验结果表明，在多个工作条件变化的情况下，微网系统均能稳定运行，具有良好的负载跟踪动态性能及保持直流母线电压在设定范围内的能力，这为解决微电网能量管理提供了一种新方法。