基于混合储能的光伏微电网研究

李 烁，陆洲杰，吴光源，李俊波，吴欣怡

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

近年来，随着环境日益恶化与能源问题层出不穷，国家提出“双碳”战略，以光伏、风电为主的分布式电源并入电网得到了各地方政府的支持[1-2]。分布式电源并网难点在于其灵活性与消纳性，因此相关研究人员提出了直流微电网的概念。通过将光伏、储能以及风电等分布式能源并入直流微电网中，实现更好利用的目的，避免弃风、弃光等现象。与交流电网相比，直流微电网不用考虑线路中的频率、相位、无功功率、潮流等指标[3]，将母线电压稳定与有功功率平衡作为重要的参考指标。但将光伏、风电等分布式电源接入直流微电网，其功率的随机性以及如电动汽车等直流负荷的增加，会导致直流母线电压发生一定波动，此时需要接入储能来维持母线电压的稳定，从而有利于分布式电源的消纳，降低碳排放，满足“双碳”战略的要求。

文献[4]针对含混合储能直流微电网中母线电压的稳定，分析了直流微电网中各变换器的结构和原理，设计了各自变换器协调运行的控制策略，进一步提高直流微电网的稳定性。文献[5]从混合储能分配功率的低通滤波器角度出发，运用模糊控制器对低通滤波器的时间常数进行改变，从而实现混合储能功率精确分配。文献[6]提出了稳态功率修正的混合储能控制策略，该策略考虑了超级电容荷电状态的偏移性，在蓄电池电流环控制中加入虚拟冲击电流扰动项，避免超级电容出现过充过放问题，提高了直流微电网的经济性与可靠性。文献[7]将直流微电网中混合储能功率分配进行细化，把储能单元电池的荷电状态(state of charge，SOC)分为4种运行等级，实现了直流微电网的稳定运行和各电源之间协同出力。文献[8]将混合储能运用到风电发电的场景中，设计了混合储能双层规划模型，使用智能算法求解模型，实现混合储能最佳配置,并最大程度地平抑风电并网的功率波动。文献[9]考虑了混合储能功率分配与超级电容SOC二者之间的矛盾，考虑把虚拟阻抗和虚拟电压源加入到储能并网变换器的控制器中，该方法有效解决了二者之间的矛盾，降低了混合储能的配置费用。

本文将混合储能加入直流微电网中，首先建立了整个系统拓扑以及光伏、储能等数学模型；其次给出相应变化器控制策略，协调各部分电源出力，以此来稳定母线电压，合理运用储能设备来抑制光伏并网带来的功率波动性；最后通过MATLAB/Simulink仿真验证所采取控制策略具有一定的有效性与可行性。

1 系统拓扑

该系统拓扑如图1所示，该拓扑由光伏电源、蓄电池、超级电容和直流负载4部分组成。单相光伏发电单元通过Boost变换器接入母线，超级电容器通过双向Buck-Boost变换器接入直流微电网，蓄电池接入单向Buck变换器汇入母线，二者以并联形式组成混合储能参与供能。光伏为主要供电单元，混合储能主要负责负载波动时母线电压的稳定，超级电容响应速度明显优于蓄电池。图1中Ppv为光伏输入功率；PSc为超级电容交换功率；PBat为蓄电输送功率；Pload为负载消耗功率。

图1 混合储能光伏直流微电网系统拓扑结构

2 控制策略

2.1 光伏控制策略

光伏阵列并网电路图和控制图如图2所示。图2中Upv、Ipv分别为光伏阵列的输出电压、输出电流；C1、C2分别为光伏阵列并网变换器输入电容、输出电容；L1为变换器电感，VD1为光伏并网变换器续流二极管。本文只考虑了光伏并网运行，在变步长MPPT模式下，光伏阵列输出电压Upv和输出电流Ipv通过电压闭环比较控制器产生PWM信号来控制DC-DC变换器中开关管的开通与关断。光伏阵列最大功率追踪控制常用的方法有恒压法、电导增量法和扰动观察法。其中恒压法是将单一电池的参考电压设为固定值，该方法控制简单，但不能迅速地应对外界环境变化。扰动观察法是将其输出电压作为扰动量，首先计算光伏阵列的输出功率，与上一时刻的功率对比，若输出功率增大，则扰动与上次扰动方向保持一致；若输出功率减小，则改变输出电压，该方法可以基本实现最大功率的实时跟踪，但是该方法很难兼顾快速性和稳定性。本文所采取的变步长MPPT，其原理是对光伏阵列输出电压添加扰动，通过判断扰动前后dP/dV正负性。若dP/dV>0，则光伏板工作在最大功率点的左侧，应增加扰动；反之降低扰动。与恒压法以及扰动观察法相比，变步长MPPT能更好地实现高精度性与较快的跟踪速度。

图2 光伏发电电路图及其控制图

2.2 混合储能控制策略

图3 混合储能并网电路图及其控制图

3 仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink搭建的仿真模型[11-14]如图4所示，该模型主要由光伏发电模块、蓄电池、超级电容以及负载4部分组成。仿真参数如下：①光伏串列开路电压为200 V，短路电流20 A，最大功率点电压为150 V，最大功率点电流为18 A，光伏板环境温度为25 ℃，初始光照为2000 W/m2；②蓄电池为锂离子材质，且为最初SOC为95%；③超级电容容量为50 F，且初始电压为420 V，串联数为6；④母线电压参考值为500 V。本文将仿真时间设为0.5 s，具体分析如下。

图4 光伏混合储能系统仿真图

光伏输出功率如图5所示，时间在0.2 s时光照发生变化，导致输出功率发生波动，需要混合储能来抑制功率的差额来平衡母线电压。

图5 光伏输出功率变化

混合储能的输出功率变化如图6所示，由图6(a)可知，当时间在0.05～0.2 s，超级电容处于充电状态，输出功率小于零，当时间在0.2～0.3 s，负载发生2次波动，超级电容的响应速度迅速，呈阶梯状弥补功率的缺额；由图6(b)可知，蓄电池对功率响应速度相对于超级电容较慢，但随着时间的推移，蓄电池主要承担功率缺额的作用。

(a)超级电容功率

混合储能的SOC变化如图7所示，图7(a)为并网下超级电容SOC的变化曲线，当时间在0.05～0.2 s，超级电容充电SOC呈现上升趋势，时间在0.2 s以及0.3 s时，负载发生了2次跳变；图7(b)为并网下蓄电池SOC的变化曲线，由于本文只考虑到蓄电池充电，所以其SOC呈现下降趋势，与超级电容的变化曲线相比，在负载功率发生缺额情况下，超级电容具有更快的反应速度。

(a)超级电容SOC

直流母线的电压变化如图8所示，本文将直流母线参考电压设为500 V，由图8可知，在光伏功率发生波动以及负载功率发生跳变的情况下，本文将超级电容与蓄电池加入到模型中，采取合适的控制策略，母线电压基本保持稳定，具有一定的可靠性。

图8 直流母线电压

4 结语

本文将超级电容与蓄电池作为混合储能进行仿真，从混合储能功率曲线及其容量变化曲线可知，当负载功率发生一定变化时，超级电容响应迅速，有利于蓄电池更好地工作，采用的控制策略也对母线电压稳定具有一定作用。但本文针对混合储能控制策略采用的是单级控制，并没有采取电压电流双闭环控制，导致仿真结果具有误差性与局限性。