《武汉工程大学学报》  2017年04期 394-402   出版日期：2017-10-14   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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直流微网供电系统控制技术研究


新能源的开发和利用是当前社会发展进步的一个重要环节. 风能和太阳能做为可再生能源，在时间和空间上具有互补的特性，开发风与光互补复合发电系统可以最大限度地利用风能和太阳能，是新能源开发利用的有效途径［1-2］. 由于分布式发电系统是一个不被控制的单元，并且电网为了减小其它能源对其带来的干扰采取限定和隔离的工作模式，这样就大大降低了分布式能源的利用效率［3］. 为了让分布式能源与电网的矛盾得到解决，提高分布式发电系统的利用率，以分布式电源为主导的直流微网系统得到了人们的关注. 其功能特点主要表现为：1）微网能够补偿电网的一些缺陷. 比如电网正常工作时电压和频率会出现不稳定的现象，微网可以维持其稳定运行. 电网出现故障时，微网也可以离网运行，起到不间断供电的作用. 并且微网还可以对一些偏远的地方提供供电，弥补了电网供电的局限性. 2）微网可以改善电网的电能质量. 微网系统大部分都采用的是电力电子设备，因此它可以提供给一些有特别电能需求的用户使用［5］. 1　直流微网系统以太阳能光伏发电和风力发电做为分布式供电能源，蓄电池做为分布式电源的储能设备来构建一套多电源供电的直流微网系统. 其中太阳能发电系统采用MPPT控制可实现光能的最大利用，风力发电系统采用最大风能捕捉可实现风能的最大利用. 逆变器采用SVPWM电压、电流双闭环控制，可实现微网在并网和离网两种工作模式之间的来回切换. 该系统可以根据用户的不同用电需求来灵活配置使用［6-11］，使得系统具有可调度性. 2　直流微网系统的能量管理直流微网系统结构如图1所示，从图1中可以看出直流微网供电系统的能量主要来自于风能和太阳能，蓄电池在供电充足的情况下吸收剩余部分的能量［12-15］；当风能和太阳能提供的能量不足时，蓄电池将释放其存储的能量，从而保证了微网系统的电能质量. 为了合理分配系统在不同的外界环境条件下的能量流动形式，归纳设计了9种工作模式，其控制流程如图2所示. 其中Pin为分布式电源输入功率、P1为重要负载所需要的功率，P2为一般负载所需要的功率、Pout为重要负载和一般所需的总功率. 电网正常供电时：模式1：分布式电源供电（Pin）大于总负载所需的能量（Pout）并且蓄电池电能容量为100%时，双向DC/DC不工作，输入能量全部并网逆变，维持母线电压（800 V）稳定.模式2：分布式电源供电（Pin）大于总负载所需的能量（Pout）并且蓄电池电能容量小于100%时，双向DC/DC处于Buck工作模式，输入能量一部分给电池充电，一部分并网逆变，维持母线电压（800 V）稳定.模式3：分布式电源供电（Pin）小于总负载所需的能量（Pout）时，无论电池处于何种状态双线DC/DC都不工作，输入能量全部并网逆变，剩余能量由电网提供，且维持母线电压（800 V）稳定.电网异常时：模式4：分布式电源供电（Pin）大于总负载所需的能量（Pout）并且蓄电池电能容量为100%时，双向DC/DC不工作，输入能量全部离网逆变，维持母线电压（800 V）稳定.模式5：分布式电源供电（Pin）大于总负载所需的能量（Pout）并且蓄电池电能容量小于100%时，双向DC/DC处于Buck工作模式，输入能量一部分给电池充电，一部分离网逆变，维持母线电压（800 V）稳定.模式6：分布式电源供电（Pin）小于总负载所需的能量（Pout）大于重要负载所需的能量（P1）并且电池电能容量不少于25%时，电池放电，双向DC/DC处于Boost工作模式，输入能量全部离网逆变，维持母线电压（800 V）稳定.模式7：分布式电源供电（Pin）小于总负载所需的能量（Pout）大于重要负载所需的能量（P1）并且电池电能容量小于25%时，为了延长电池的寿命电池停止放电，双向DC/DC不工作，输入能量全部离网逆变，断路器断开一般负载供电电路，维持母线电压（600 V）稳定.模式8：分布式电源供电（Pin）小于总负载所需的能量（Pout）且小于重要负载所需的能量（P1）、并且电池电能容量不少于25%时，电池放电，双向DC/DC处于Boost工作模式，输入能量全部离网逆变，断路器断开一般负载供电电路，维持母线电压（600 V）稳定.模式9：分布式电源供电（Pin）小于总负载所需的能量（Pout）且小于重要负载所需的能量（P1）、并且电池电能容量小于25%时，此时能量已经不满足逆变的要求，电池停止放电，双向DC/DC不工作，逆变器停止工作. 综上所述可以得出系统在不同的运行环境条件下，可利用DC/DC具备能量的双向流动特性来实现电池充放电的可靠运行. 当电网供电正常时，为了延长电池寿命，无论在什么情况下电池均不提供能量，只有在离网且分布式电源供电不足以支撑时，电池才提供能量来维持母线电压稳定，以保证逆变器输出的电能质量. 其9种工作模式如表1所示.3　仿真模型3.1　光伏电池模型采用太阳能电池生产厂家提供的参数来建立满足工程要求的光伏电池模型如图3所示，光伏电池电流和电压关系为：[IPV=ISC-I0exp[m(Um+ImRs)T]Isc=Iscrefγγref1+α(T-Tref)Uoc=Uocref[1-γ(T-Tref)]ln[e+β(γ-γref)]Im=Imrefγγref[1+α(T-Tref)]Um=Umref[1-γ(T-Tref)]ln[e+β(γ-γref)]m=Tln(1-Im/ISC)Um+Im-UOCI0=ISCexp(-mUOCT)Rs=UOCln(ISC/I0)ln(ISC-ImI0)-UmIm]. （1）式（1）中[IPV]为输出电流；[Upv]为输出电压；[Iph]为光生电流；[ISC]为短路电流；[UOC]为开路电压；[Im]为最大功率点电流；[Um]为最大功率点电压；[Pm]为最大功率点功率；[Tref]=25 ℃，[γ]为太阳辐照度；[γref]=1 000 W/m2，[α]、[β]、[γ]为补偿系数，取[α]=0.002 5 ℃，[β]=0.000 5 （W/m2），[γ] =0.002 88 ℃. 光伏电池仿真模型如图4所示.3.2　风力发电机模型风力机模拟根据风速和风力机转速，计算风力机输出转矩，然后将该转矩作为发电机输入转矩. 图5为风力发电机的结构图，由风力机的相关理论可知：[Pw=12ρAν3Pm=12ρπCp(λ,β)ν3R2Cp=Pm/PwCP(λ,β)=0.517 6(1161λ1-0.4β-5)e-211λ1+0.006 8λλ=ωRν1λ1=1λ+0.08β-0.035β3+1T=Pmω]. （2）式（2）中[ρ]为空气密度，A为风力机叶片扫掠面积，[ν]为风速，[CP]为风能利用参数，[Pw]为风力机的输出功率，[Pm]为风力机的输出功率，[λ]为叶尖速比，[β]为桨矩角，R为风机半径，T为输出转矩. 仿真模型如图6所示.3.3　蓄电池模型蓄电池的等效模型如图7所示. 其中受控源Eb的表达式为：[Eb=E0-UkQQ-idt+Cexp(-Bidt)]. （3）式（3）中：[E0]为电池的恒定电压；[Eb]为电池的空载电压；[Uk]为极化电压；[Q]为电池的容量；[C]为指数区域幅值；B为指数区域时间常数的倒数. 蓄电池仿真模型如图8所示. 4　微网逆变器模型及控制技术研究逆变器部分采用的是基于SVPWM电压、电流双闭环控制策略的三相电压源型并网逆变器，其拓扑结构如图9所示.其中：ia、ib、ic是输出的三相电流，idc为直流母线的电流，i是输入电流，ua、ub、uc是电网电压，uar、ubr、ucr 是逆变器输出电压，udc是直流母线电压，sa、sb、sc为桥臂的开关函数. 根据ia+ib+ic=0、ua+ub+uc=0可得三相电压型逆变器在三相静止坐标系下的数学模型.[Ldiadt=ua-Ria-(sa-sa+sb+sc3)udcLdibdt=ub-Rib-(sb-sa+sb+sc3)udcLdicdt=uc-Ric-(sc-sa+sb+sc3)udcCdudcdt=i-(saia+sbib+scic)]. （4）对式（4）进行坐标变换，可以得到同步旋转的d-q轴坐标系下的数学模型：[Ldiddt=-Rid+ωLiq-Sdudc+udLdiqdt=-Riq-ωLid-Squdc+uqCdudcdt=-Sdid-Sqiq+i]. （5）通过传统的PI调节器可实现d-q轴电流的解耦控制，具体控制策略如图10所示. 5　仿真结果根据图1所示的拓扑图在MATLAB的Simulink环境下建立直流微网供电系统仿真图. 该仿真系统主要由光伏系统模型、风力发电系统模型、储能电池系统模型、并网逆变器模型、电网模型以及负载和断路器模型组成. 直流侧分布式能源的输出通过母线电容接至逆变器，并通过双向DC/DC与储能电池相连；交流侧逆变输出通过LCL滤波器通过断路器与电网以及负载相连接. 控制电路主要由逆变器的SVPWM模型、能量控制模块和系统的整体控制模块组成. 5.1　各分布式电源的仿真分析根据系统需求光伏系统输出额定功率20 kW，工作电压375 V，开路电压470 V，短路电流62 A. 可配置光伏电池模块仿真参数如表2所示. 由每块电池板的设计参数可得串联的模块个数为[37537.8]=9.9，取10块串联，可得串连总功率为10×200=2 kW；根据系统需要的总功率可得并联的电池模块个数为20 kW/2 kW=10，取10块并联. 从而可得总电池模块为10×10=100块. 根据系统需求风力发电系统输出额定功率为10 kW可选取仿真参数如表3所示.选取光伏发电系统在光照强度为S=1 000 W/m2 ，温度为[θ]=25 ℃的仿真环境. 如图11所示，在0.1 s~0.2 s时改变温度，保持光照强度不变，在0.3 s~0.4 s时改变光照强度，保持温度不变. 通过仿真可观察到其输出电压在378 V上线波动，在短时间的光照和温度发生变化时实现了最大功率跟踪的功能. 由图12的仿真结果观察可得风速变化时，永磁同步机的转矩可以很快的跟随，实现了最大风能捕捉功能. 5.2　微网系统的仿真运行分析在并网状态下，如图13仿真图形所示，分布式能源提供能量在0.15 s的时候发生下降，此时供电不足以负载使用，剩余的能量通过电网供给来维持母线电压稳定，母线电压略有下降. 在0.3 s的时候输入能量恢复，母线电压稳定回到了800 V. 在分布式电源能量变化时，控制系统能量流动模式如下：PS0C=100%时由模式1切到模式3再到模式1；PS0C<100%时由模式2切到模式3再到模式2.在电网异常逆变器工作在离网状态下，各种工作模式波形如图14（a）、14（b）所示，分析可得，前0.15 s分布式电源输出功率大于负载所需功率，PS0C=100%时系统工作在模式4，PS0C<100%时系统工作在模式5. 在0.15 s时分布式能源突然下降，设定此时PS0C≥25%，为了维持母线电压稳定（800 V），蓄电池放电，此时系统工作在模式6. 输出能量恢复后，蓄电池停止放电，系统回到模式4或模式5继续工作. 由图14（c）、14（d）分析可得，前0.15 s分布式电源输出功率大于负载所需功率，PS0C=100%时系统工作在模式4，PS0C<100%时系统工作在模式5. 在0.15 s时分布式能源突然下降不能满足负载需求，若此时PS0C<25%，蓄电池停止工作，此时母线电压下降稳定到600 V，切除一般负载，系统工作在模式7. 在0.3 s输出能量恢复后，母线电压恢复至800 V，接入一般负载，系统回到模式4或模式5继续工作. 由图14（e）、14（f）分析可得，前0.15 s系统工作在模式8，在0.15 s时，分布式电源 已无法满足重要负载的需求，设定此时蓄电池的PS0C<25%. 直流母线电压下降，当下降到550 V时，无法保证逆变器电能质量需停止逆变器，此时系统工作在模式9. 在0.45 s时输入能量恢复，系统继续工作在模式8. 6　结　语以上对分布式电源各组成部分分别进行了参数的设计以及仿真分析，验证了该设计方案的可行性；最后对该系统在并网和离网时不同的工作情况下进行了仿真分析，实现了系统在并网和离网之间来回切换，保证了系统的稳定运行，验证了此控制方案的可行性. 研究工作中，对较为复杂的分布式发电拓扑控制技术将在今后的工作中作进一步的深入研究.