鄭詩(shī)程，曹夢(mèng)林，李壯壯

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

微電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱微網(wǎng))是由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護(hù)裝置、負(fù)荷等有機(jī)組合的小型發(fā)配電、用電系統(tǒng)，也是連接分布式電源與配電網(wǎng)的重要樞紐，合理利用微網(wǎng)是發(fā)揮分布式電源效能的有效方式[1-3]。其中，直流母線電壓的穩(wěn)定是交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)中直流側(cè)穩(wěn)定運(yùn)行的條件之一，分布式電源的存在會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)微網(wǎng)系統(tǒng)的功率波動(dòng)，解決由分布式電源帶來(lái)的功率波動(dòng)始終是研究交直流微網(wǎng)的一個(gè)重要課題。文獻(xiàn)[4]中建立了光儲(chǔ)直流微網(wǎng)仿真模型，并提出穩(wěn)定直流母線的控制策略，然而并未考慮實(shí)際中普通的雙向變流器能否實(shí)現(xiàn)高變比及解決開關(guān)器件的電壓應(yīng)力問(wèn)題。為此，針對(duì)光儲(chǔ)型微網(wǎng)系統(tǒng)，以交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC(直流)變換器與雙向DC/AC(交流)變換器構(gòu)成微網(wǎng)能量變換接口，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的控制，以期有效抑制光照強(qiáng)度變化引起的功率波動(dòng)，穩(wěn)定直流母線電壓，減小對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的不利影響。

1 交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)

交直流混合微網(wǎng)主要由分布式電源、雙向變流器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、交直流負(fù)荷以及交直流母線構(gòu)成[5-6]，其結(jié)構(gòu)如圖1。交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)中由于風(fēng)電、光伏等分布式電源存在間歇性、隨機(jī)性以及不可控性等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電壓、頻率波動(dòng)，對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠性以及電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響[7-8]。

圖1 交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure ofAC and DC hybrid micro-grid system

文中微網(wǎng)直流側(cè)以光伏儲(chǔ)能型為研究對(duì)象，由光伏發(fā)電系統(tǒng)、雙向交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器、蓄電池、負(fù)載(Load)以及雙向DC/AC變換器等組成，如圖2[9]。其中：光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池與單相Boost變換器構(gòu)成；采用擾動(dòng)觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù))；儲(chǔ)能系統(tǒng)由交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器與鉛酸蓄電池組成；雙向DC/AC采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 Micro-grid system of light storage

2 微網(wǎng)系統(tǒng)能流和控制分析

2.1 變換器控制策略

在光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)，光伏電池發(fā)出的功率主要由光照強(qiáng)度和外界溫度決定，光照及溫度會(huì)實(shí)時(shí)影響直流母線電壓，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)以及雙向DC/AC可靈活應(yīng)對(duì)光伏電池的功率波動(dòng)，穩(wěn)定直流母線電壓。

2.1.1 雙向DC/DC控制策略

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙向DC/DC變換器(bi-directional DC/DC converter,BDC)具有輸入輸出電壓電流紋波小，開關(guān)器件電壓應(yīng)力低和穩(wěn)定性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。圖3為交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其控制策略。 圖3(a)中，交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器有兩種工作模式，分別為Buck模式和Boost模式。當(dāng)白天光照強(qiáng)度充足且溫度適宜時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于Buck模式，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存于蓄電池組中。在該模式下，開關(guān)管S1,S2的占空比相同，且具有固定的180o相位差。當(dāng)夜間無(wú)光照時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于Boost模式，將蓄電池組中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能輸出到系統(tǒng)直流側(cè)。在該模式下，開關(guān)管S3,S4的占空比相同，且具有固定的相位差180o。Buck模式與Boost模式下的電壓增益AV分別如式(1)和(2)：

其中：D為功率開關(guān)器件的占空比；Ubat為蓄電池側(cè)端電壓；Ubus為直流母線電壓。

如圖3(b)所示，交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器控制策略中，將電壓外環(huán)控制直流母線電壓Ubus與采集直流母線電壓與給定值Ubus-ref進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后作為蓄電池充電電流的給定值ibat-ref,且與蓄電池充放電電流ibat進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后與三角波進(jìn)行比較，得到變換器的PWM控制信號(hào)。

圖3 交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其控制策略Fig.3 Topology and control strategy of interleaved BDC

2.1.2 雙向DC/AC控制策略

圖4為雙向DC/AC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其控制策略。如圖4(a)所示，雙向DC/AC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既可工作在整流狀態(tài)，又可工作在有源逆變狀態(tài)。其中：ig為網(wǎng)側(cè)電流；ug為網(wǎng)側(cè)電壓；Lg為濾波電感[10]。

如圖4(b)所示：雙向DC/AC變換器的電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)穩(wěn)定直流母線電壓實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的能量平衡；電流內(nèi)環(huán)的電流幅值Ig-ref,參考值是由電壓外環(huán)的輸出給定，電網(wǎng)電壓ug的相位角θ通過(guò)軟件鎖相環(huán)PLL得到，由cosθ與Ig-ref的乘積可得網(wǎng)側(cè)電流的參考信號(hào)ig-ref,由于內(nèi)環(huán)給定為交流量，故電流內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的快速跟蹤。值得注意的是，系統(tǒng)工作在整流或者逆變狀態(tài)下，內(nèi)環(huán)的給定符號(hào)是相反的，否則系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

圖4 DC/AC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其控制策略Fig.4 Topology and control strategy of DC/AC converter

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率流動(dòng)

微網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式，即孤島運(yùn)行模式與并網(wǎng)運(yùn)行模式。孤島運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)與大電網(wǎng)分離，儲(chǔ)能系統(tǒng)既可作為電源，在母線電壓過(guò)低時(shí)向直流母線側(cè)發(fā)出功率，也可作為負(fù)載；在母線電壓過(guò)高時(shí)吸收系統(tǒng)冗余的功率，母線電壓由交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器進(jìn)行控制。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，微網(wǎng)既可作為一種特殊電源向大電網(wǎng)輸出功率，也可作為一種負(fù)荷吸收大電網(wǎng)的功率，依靠大電網(wǎng)來(lái)提供電壓頻率支撐，特殊情況下，也可通過(guò)雙向DC/AC變流器來(lái)維持直流母線側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖5 微網(wǎng)孤島模式結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of micro-grid in islanding mode

2.2.1 孤島運(yùn)行模式時(shí)的功率流動(dòng)

圖5為直流側(cè)微網(wǎng)孤島模式結(jié)構(gòu)。由圖5可知：光伏電池發(fā)出的功率為Ppv,MPPT裝置始終使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)附處；直流母線側(cè)并聯(lián)一個(gè)足夠容量的電容C，目的是緩沖前、后級(jí)能量變換，且起到前、后級(jí)控制上的解耦作用；儲(chǔ)能系統(tǒng)由交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器和蓄電池構(gòu)成，可使能量雙向流動(dòng)，發(fā)出或吸收的功率為Pbat,雙向DC/DC變換器可根據(jù)直流母線電壓是否高于或低于電壓給定值Ubus=ref,決定蓄電池工作于放電或者充電狀態(tài)；負(fù)載側(cè)為純阻性負(fù)載，吸收的功率為PLoad。

理想情況下，忽略開關(guān)器件以及線路內(nèi)阻的損耗，則瞬時(shí)功率Ppv,PLoad,Pbat分別為：

式中：udc,idc分別為直流母線電壓與電流；iL為負(fù)載側(cè)電流；ub,ib分別為蓄電池端電壓與充放電電流。

若令穩(wěn)態(tài)時(shí)udc=Udc,ub=Ub,則孤島模式下的功率關(guān)系為

由式(6)可得

由式(7)可知，孤島模式下，直流母線電壓通過(guò)蓄電池充放電電流ib來(lái)控制。當(dāng)母線電壓高于或低于參考范圍時(shí)，為減小給負(fù)載帶來(lái)的不利影響，蓄電池側(cè)通過(guò)改變充放電電流ib進(jìn)行調(diào)壓控制，使直流母線側(cè)的功率變化量ΔPdc與蓄電池吸收或釋放功率ΔPbat相等。孤島模式時(shí)，直流側(cè)系統(tǒng)有兩種狀態(tài)。

1)光照強(qiáng)度充足時(shí)，若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池處于非滿充狀態(tài)，光伏側(cè)發(fā)出的能量大于負(fù)載所能吸收的能量，即Ppv＞PLoad時(shí)，則蓄電池工作于充電狀態(tài)，吸收系統(tǒng)多余的能量，使直流母線側(cè)電壓穩(wěn)定在給定的范圍內(nèi)，此時(shí)

若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)處于滿充狀態(tài)，考慮到需對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)，此時(shí)蓄電池處于涓流充電狀態(tài)(可設(shè)此時(shí)蓄電池吸收的能量近似為零)，光伏電池發(fā)出的功率高于負(fù)載吸收的功率，則需使光伏電池工作于降功率模式(OFF-MPPT)，母線電壓不高于電壓給定值，此時(shí)有

2)光照強(qiáng)度不充足或無(wú)光照時(shí)，若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池電量充足，光伏側(cè)發(fā)出的能量無(wú)法滿足負(fù)載所需的能量，即Ppv＜PLoad時(shí)，則蓄電池工作于放電狀態(tài)，補(bǔ)充系統(tǒng)的能量缺額，從而穩(wěn)定直流母線側(cè)電壓，此時(shí)

若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池電量不足，光伏側(cè)與系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)發(fā)出的能量無(wú)法滿足負(fù)載所需的能量，即Ppv+Pbat＜PLoad時(shí)，為防止蓄電池的過(guò)放影響蓄電池使用壽命，應(yīng)切除部分非重要負(fù)荷，保證重要負(fù)荷安全有效運(yùn)行。

2.2.2 并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)的功率流動(dòng)

圖6為直流側(cè)微網(wǎng)并網(wǎng)模式結(jié)構(gòu)。由圖6可知，光伏電池發(fā)出的功率為Ppv,MPPT裝置始終使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)處；直流母線側(cè)并聯(lián)一個(gè)足夠容量的電容C，以緩沖前、后級(jí)能量變換且起到前、后級(jí)控制上的解耦作用；儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，發(fā)出或吸收的功率為Pbat;雙向DC/AC變換器采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既能工作于整流狀態(tài)，也能工作于并網(wǎng)逆變狀態(tài)。在并網(wǎng)模式下，可通過(guò)控制雙向DC/AC變換器輸入或輸出電流的大小進(jìn)而控制直流母線電壓，達(dá)到對(duì)直流母線控制的作用。

圖6 微網(wǎng)并網(wǎng)模式結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of micro-grid in grid connected mode

設(shè)雙向DC/AC變換器的輸入或輸出功率為Pg負(fù)載側(cè)吸收的功率為PLoad。其中交流電網(wǎng)側(cè)的瞬時(shí)功率Pg為

其中φ為功率角。由式(3)～(5)和式(11)可知，若令穩(wěn)態(tài)時(shí)udc=Udc,ub=Ub,則并網(wǎng)模式下的功率關(guān)系為

由式(12)可得

由式(13)可知，母線電壓不僅可通過(guò)蓄電池充放電電流ib進(jìn)行控制，而且可通過(guò)網(wǎng)側(cè)電流ig進(jìn)行控制。此時(shí)，蓄電池功率變化量ΔPbat和交流電網(wǎng)側(cè)有功功率變化量ΔPg之和與直流母線側(cè)功率變化量ΔPpv相等，即

并網(wǎng)模式下，直流母線不像孤島模式時(shí)僅由儲(chǔ)能系統(tǒng)控制，而是通過(guò)雙向DC/AC和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同進(jìn)行控制，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提高了系統(tǒng)功率調(diào)度的靈活性。在該模式下，有以下3種狀態(tài)。

1)光照強(qiáng)度充足時(shí)，若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池處于非滿充狀態(tài)，光伏電池發(fā)出的能量大于負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的能量，即Ppv＞Pbat+PLoad,則雙向DC/AC開始工作于并網(wǎng)逆變狀態(tài)，吸收系統(tǒng)多余的能量，使直流母線電壓穩(wěn)定在給定的范圍內(nèi)，此時(shí)

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充滿狀態(tài)，無(wú)法再吸收能量時(shí)(可設(shè)蓄電池涓流充電時(shí)吸收的能量近似為零)，此時(shí)，可以通過(guò)改變并網(wǎng)電流將光伏電池發(fā)出的多余能量饋入交流電網(wǎng)側(cè)，儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與對(duì)直流母線電壓的控制，此時(shí)

2)光照不充足時(shí)，若光伏電池發(fā)出的能量與儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的能量均無(wú)法滿足負(fù)載的能量需求時(shí)，即Ppv+Pbat＜PLoad,則雙向DC/AC工作于整流狀態(tài)，向直流側(cè)發(fā)出能量，補(bǔ)充系統(tǒng)的能量缺額，穩(wěn)定直流母線電壓，此時(shí)

3)無(wú)光照時(shí)，若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池電量充足，且直流母線并聯(lián)負(fù)載的功率較小，則可以通過(guò)蓄電池放電，將系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量輸出到交流電網(wǎng)側(cè)，雙向DC/AC工作于并網(wǎng)逆變狀態(tài)，此時(shí)

若系統(tǒng)儲(chǔ)能側(cè)蓄電池電量不足，則可通過(guò)控制雙向DC/AC工作于整流狀態(tài)，同時(shí)向蓄電池及負(fù)載供電，此時(shí)

3 仿真結(jié)果與分析

在MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)搭建如圖2所示的光儲(chǔ)型仿真模型，以驗(yàn)證雙向DC/DC變換器與雙向DC/AC變換器控制策略。仿真參數(shù)：給定光伏電池溫度為25℃，直流母線電壓Ubus=400 V,直流側(cè)濾波電容Co=600 μF,雙向DC/DC變換器直流側(cè)電容Co=400 μF,儲(chǔ)能電感L1=L2=6 mH,開關(guān)頻率為20 kHz。

圖7為孤島模式下光強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)直流母線電壓和蓄電池充電電流仿真波形。由圖7(a)可看出：在0～2 s內(nèi)，光照強(qiáng)度S為1 000 W/m2；在2～3.5 s內(nèi)，光照強(qiáng)度線性下降到600 W/m2；在3.5 s處光照強(qiáng)度階躍到900 W/m2，之后始終保持該光照強(qiáng)度。由圖7(b)可看出：直流母線電壓在0.9 s處達(dá)給定值的范圍內(nèi)，在2 s處由于光照強(qiáng)度逐漸降低，直流母線電壓有所降低，但并未低于給定值范圍的下限，400 V；在3.5 s處光照強(qiáng)度階躍變換，直流母線電壓波動(dòng)后又回到穩(wěn)態(tài)值400 V，由此表明孤島模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效抑制光伏側(cè)功率波動(dòng)。由圖7(c)可看出：0.2～2 s內(nèi)充電電流恒為38 A；2～3.5 s內(nèi)電流線性降低，隨著光照強(qiáng)度的下降，母線電壓降低；3.5 s后充電電流恒為34 A。

并網(wǎng)模式仿真波形如圖8。由圖8(a)可看出，0～2 s內(nèi)光照強(qiáng)度為400 W/m2，2～3.5 s內(nèi)光照強(qiáng)度下降到 0 W/m2，3.5 s之后始終保持無(wú)光照。由圖8(b)可看出：直流母線電壓在0.5 s處到達(dá)給定值的范圍；在2 s處由于光照強(qiáng)度逐漸降低，直流母線電壓有所降低，但并未低于給定值范圍的下限；3.5 s處時(shí)光照強(qiáng)度降為0，雙向DC/AC工作于整流狀態(tài)，直流母線電壓由雙向DC/AC提供支撐，之后始終保持為400 V。由此表明，并網(wǎng)模式下，雙向DC/AC變換器與交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC共同參與調(diào)節(jié)直流母線電壓，抑制光伏側(cè)的功率波動(dòng)。由圖8(c)可看出：0.5～2 s內(nèi)，充電電流恒為11 A；在2～3.5 s內(nèi)隨著光強(qiáng)度的下降，電流線性降低；3.5 s之后，充電電流恒為2 A。為便于觀察，將并網(wǎng)電流放大5倍，截取兩個(gè)時(shí)間段的電壓電流波形如圖8(d)，(e)。由圖8(d)可看出，1.5～1.7 s內(nèi)，網(wǎng)側(cè)電壓與電流同相，雙向DC/AC工作于逆變狀態(tài)；由圖8(e)可看出，4.8～5 s內(nèi)，網(wǎng)側(cè)電壓與電流反相，雙向DC/AC工作于整流狀態(tài)。

圖7 孤島模式仿真波形Fig.7 Simulation waveform in islanding mode

4 結(jié) 語(yǔ)

微網(wǎng)系統(tǒng)中直流側(cè)母線光照強(qiáng)度的變化使光伏功率發(fā)生變化，致使直流母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，影響系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行。采用交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器與雙向DC/AC變換器共同控制直流母線電壓，利用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略平抑光伏側(cè)功率波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，提出微網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)兩種模式下穩(wěn)定直流母線電壓的控制方法，且在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了微網(wǎng)無(wú)論是工作于孤島狀態(tài)或是并網(wǎng)狀態(tài)，提出的穩(wěn)定直流母線電壓的控制策略都是有效和可行的，為實(shí)現(xiàn)交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

圖8 并網(wǎng)模式時(shí)仿真波形Fig.8 Simulation waveform in grid connected mode