摘要：近年来，微网已成为解决分布式电源并网问题的主要解决途径，而直流微网是一种更为高效简单的解决方案。针对直流微网中新能源不稳定输出导致的微网功率不平衡和直流母线电压波动大等问题，本文研究了一种由光伏发电系统、混合储能系统和交流市电构成的直流微网结构，提出了一种新型的直流微网能量控制策略。控制策略将直流母线电压分为六个临界电压值，作为功率状态的代表，根据母线电压的范围，系统的运行方式可以自动判断和自由切换。该微网中的混合能源管理系统含有两个互补型储能元件---蓄电池和超级电容，以其特殊的供应逻辑可以提高系统的可靠性和灵活性。通过Matlab/Simulink仿真平台验证了这种策略的可行性。
关键词：直流微网；光伏；储能
在能源危机的日趋紧张、低碳能源的发展需求、传统的集中式发电远距离传输带来的供电可靠性的隐患等背景下，分布式可再生能源得到了极大的重视和发展，尤其是风能和太阳能。但是理论和实践证明，这些分布式能源具有一些固有的问题，比如它的间歇性对大电网的安全稳定、可靠性以及电能质量造成了影响。在此基础上，由Robert Lasseter等学者提出的微网被认为是解决该问题的可行方案，微网是一个由多种分布式电源、配电线路、储能装置、负荷以及各种监测保护装置组成的系统。微网又分为交流微网和直流微网[1]，和交流微网相比，直流微网不需要对电压的相位和频率进行跟踪[2]，有更强的可控性和可靠性，加上直流性质的微源，如光伏、燃料电池、超级电容，和直流负荷的增加，如电动汽车、LED、电子负荷等，为直流微网提供了发展机遇，目前对于直流微网的研究已有较多的研究[3-6]。
论文的结构如下：在第一部分，本文讨论了微网的系统结构及其建模。第二部分介绍了微网的控制策略和运行模式。第三部分给出了所提出的系统的仿真结果。最后，第四部分是本文的结论。
1系统结构
含混合储能的直流微网的结构如图1。光伏阵列通过带有MPPT功能的直流/直流（direct current/direct current，DC/DC）变换器、蓄电池与超级电容器通过各自的双向DC/DC变换器接入直流母线，交流市电通过双向交流/直流（alternating current/direct current，AC/DC）变换器接入直流母线，直流母线上同时带有直流负荷。
图1 直流微网结构图
Fig.1 DC microgrid with hybrid storage system
光伏电池通过串联形成一个模块，以提供一个标准的直流电压，模块又被连接成列以产生足够的电流和电压，以满足电网连接的应用的需求，光伏阵列产生的功率取决于于辐射和温度，在对应的辐照度和稳定的条件下，光伏阵列的功率-电压曲线有一个最大功率点（MPP），工作时，光伏阵列需要工作在最大功率点，光伏阵列通过直流/直流转换器连接到直流母线。典型的MPPT控制策略包括开路电压法、短路电流法、扰动观察法（P&Q）和增量电导法（INC）[7]。
蓄电池具有较高的能量密度，但是其充放电速度相对较慢，而超级电容器具有高功率密度和快速响应能力。超级电容器作为一个短期的能量存储装置，用于补偿的输出功率中的快速变化，其模型是一个电容器串联一个恒定的电阻，而蓄电池则作为一个长期的能量储存装置被应用以满足能量的需求，其基本模型是一个受控电压源串联一个恒定的电阻。蓄电池/超级电容的双向DC/DC变换器是用来连接蓄电池/超级电容与直流母线的，这两个变换器并联连接。此变换器在储能单元放电模式下作为升压转换器，在充电模式下作为降压转换器。控制方法是传统的电压电流双闭环，包括电流内环和电压外环。
大电网通过三相双向全桥交流/直流变换器连接到直流母线上，当大电网正常工作时，通过双向转换器将直流母线连接到交流市电，大电网与微网的功率就可以相互传送，否则将与大电网断开，以避免发生故障。
2控制策略
所提出的直流微网的运行包括五种主要模式，如图2所示：模式Ⅰ（光伏变换器控制，独立运行），模式Ⅱ（超级电容器控制，独立运行），模式Ⅲ（网侧变换器控制，并网运行），模式Ⅳ（蓄电池控制，孤岛运行）。系统中各工作模式之间的切换依据下图中的电压临界参考值，每个模式都有对应的工作电压范围。图中包括四种模式，每种包含有主控制电源以及建立在七种参考电压（Uhigh3，Uhigh2，Uhigh1，Udcr，Ulow1，Ulow2，Ulow3）下的工作区间。电压临界参考值大小关系为
Uhigh3>Uhigh2>Uhigh1>Udcr>Ulow1>Ulow2>Ulow3
光伏发电是本系统的主要新能源，具有最高级别的供电优先级，超级电容器作为光伏电源的辅助电源，具有次一级的供电优先级，当光伏发出的功率Ppv和负荷Pload出现短时间小功率的失配时，使用超级电容器充放电平衡母线电压。当系统中出现光伏功率Ppv和超级电容器功率Psp不足以匹配负荷功率Pload，或者光伏功率Ppv大于负荷功率Pload与超级电容器吸收功率Psp之和的情景，启动网侧变换器整流或者逆变并控制母线电压。而在极端情况下，如交流断电或者网侧变换器故障，而启动后备蓄电池充电或放电保持直流母线电压的稳定。
图2直流微网模式切换图
Fig.2 Operation modes in the proposed power management strategy
系统的四种工作模式如下所示：
1）模式Ⅰ：Ulow1<Udc<Uhigh1。在这种模式下，光伏DC/DC变换器工作在MPPT模式，光伏发出的功率Ppv与负载功率Pload达到平衡，随着环境的影响，光伏发出的功率变换在小范围内波动，母线电压Udc也会在允许的范围内波动。同时，系统中其他变换器处于待机状态。功率流向如图3所示。
图3 模式Ⅰ功率流向图
Fig.3 Power flow ofmode Ⅰ
2）模式Ⅱ：Ulow2<Udc<Ulow1 or Uhigh1<Udc<Uhigh2。当辐照度E和环境温度T的变化较大或者负载波动较大时，所产生的光伏发电功率Ppv和负载Pload将不匹配。当这种情况发生时，超级电容器DC/DC变换器启动并保持直流母线电压稳定。如图2中区间2所示，当需求超过光伏组件发电时，直流母线电压Udc从其标准参考值380V下降至377V，超级电容器将放电提供功率的差额。同样，当系统负荷功率Pload小于光伏发电功率Ppv时，直流母线电压（Udc）从其参考值380V上升至383V，超级电容将充电以吸收系统中多余的电能直至饱和。运行方式如图4所示。
图4 模式Ⅱ功率流向图
Fig.4 Power flow of mode Ⅱ
3）模式Ⅲ：Ulow3<Udc<Ulow2 or Uhigh2<Udc<Uhigh3。模式Ⅰ和模式Ⅱ在直流母线电压的范围从Ulow2到Uhigh2之间工作。当电压达到Uhigh2，此时超级电容器处于饱和，光伏发出功率Ppv大于负荷需求Pload，将多余的电量通过双向DC/AC变换器逆变到大电网。当电压下降到Ulow2以下，意味着超级电容放电达到极限，光伏发出功率小于负载功率，此时启动双向DC/AC变换器整流模式以弥补系统功率不足。运行方式如图5所示。
图5 模式Ⅲ功率流向图
Fig.5 Power flow of mode Ⅲ
4）模式IV：Udc<Ulow3 or Uhigh3<Udc。当交流电网故障或者与网侧变换器故障时，直流微网将转换到孤岛模式并工作在图2中的区间6、7。蓄电池作为后备电源作为主要的电压源控制母线电压稳定，光伏工作在最大功率。运作模式如图6所示。
图6 模式IV功率流向图
Fig.6 Power flow of mode Ⅳ
3实验结果
为了验证本文提出的策略的可行性与有效性，采用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真研究。本文仅仅展示部分场景。
如图7所示，系统工作在并网模式下的稳态，在6s内系统工作在模式Ⅰ和模式Ⅱ之间。在温度和光照变化明显改变或轻负载连接到系统的情况下，转变将会发生。首先，直流微网在1-2s内运行在模式I，直流母线电压值在380V，如图中显示，此时光伏产生的功率刚好可以满足负载的消耗功率。在2s时，辐照度降低，光伏发电系统发电量下降，直流母线电压下降，此时事件4发生，即系统由模式I进入模式Ⅱ，母线电压通过超级电容器的双向DC/DC变换器控制。在3s时，辐照度恢复到初始值，光伏发电量恢复到原来值，事件1发生，系统由模式Ⅱ进入模式I，直流母线电压逐渐升至380V。在4s时，400W的负载从系统中被切掉，事件2发生，系统由模式I进入模式Ⅱ，直流母线电压升至383V，母线电压此时由超级电容器双向DC/DC变换器控制。此时光伏发出的功率要大于系统的负荷的功率，多余的能量优先给超级电容器充电。5s时，400W的负载重新接入系统中，母线电压恢复至标准电压，6s时，接入200W的负载，母线电压再次跌落至超级电容器控制区间。实验结果如图7所示。
图7 场景1实验图
Figure.7 The Experimental Figure Of CaseⅠ
图8给出了系统在孤岛模式下，在模式I、模式II和模式IV之间切换的实验图，这些事件将发生在上级电网故障或者网侧双向变换器故障的情况下。首先，正常情况下直流母线电压稳定在380V。在2s时，切除400W负载，母线电压上升至383V，母线电压由超级电容器变换器控制，此时多余电能给超级电容器充电。在3s时，系统中接入400W的负载，此时母线电压恢复正常情况。4s，系统接入1000KW大负载，超过超级电容器所能带载的范围，而交流市电故障，直流母线电压会持续下降到365V，由蓄电池双向变换器控制母线电压，5s时，辐照度降低，光伏发电量下降，此时蓄电池增大电流，继续控制母线电压。图9显示了系统孤岛模式下运行状态图，结果显示了模式I，模式II与模式IV的切换的可行性。
图8 场景3实验图
Figure.8 The Experimental Figure Of Case Ⅲ
4结论
在本文中，研究了一种带有混合储能的并网型直流微网系统，提出了一种用于此直流微网的能量管理策略，该策略采用母线电压作为参考量来代表不同的运行模式，系统中混合储能系统中含有两个互补型储能元件---电池和超级电容器，利用其各自优势，可以减少蓄电池的充放电次数以提高其寿命以及直流微网长期的经济性，利用超级电容器快速响应特性以弥补光伏和负荷之间的小范围功率失配，同时增强交流市电与直流微网的功率交换。
参考文献：
[1]EstefaníaPlanasn，Jon Andreu，José Ignacio Gárate，et al. AC and DC technology in microgrids：A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，Vol 43：726-749.
[2]Nanfang Yang，Damien Paire，FeiGao，et al. Compensation of droop control using common load condition in DC microgrids to improve voltage regulation and load sharing[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2015，Vol64：752-760.
[3] 张犁，孙凯，吴田进，等. 基于光伏发电的直流微网能量变换与管理[J]. 电工技术学报，2013，28（2）：248-254
论文作者:杜彪,黄勇焕,张磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/22
标签：变换器论文; 母线论文; 电压论文; 功率论文; 模式论文; 光伏论文; 电容器论文; 《电力设备》2019年第13期论文;