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混合存储系统直流微电网的功率管理策略研究
摘要：由于传统电网供电方式的不足，微电网应运而生。目前，直流微电网是将直流电源与直流负载相结合的可再生能源的有效解决方案。针对微网内功率不平衡，直流微电网中直流微电网输出不稳定导致的直流母线电压波动大的问题，本文研究了由光伏发电系统，混合储能系统和交流主网组成的直流微电网结构。本文提出了一种新型的直流微电网电源管理策略。该控制策略将直流母线电压按照6个临界电压值分为7个电压值。这个7个电压值作为功率状态的代表，可以根据母线电压所属的范围自动判断并切换系统的工作模式。这种微电网中的混合储能系统，包含两个互补型储能元件--电池和超级电容器，可以根据其特殊的供电逻辑提高系统的可靠性和灵活性。通过MATLAB/SIMULINK仿真，实验结果表明上述控制策略是可行的。
关键词：直流微电网，母线电压，储能系统
1 引言
当前，能源危机问题日益突出，低碳能源需要开发。在这样的背景下，分布式可再生能源越来越受到关注，特别是风力发电和光伏（PV）发电，由于其可用性和对环境影响较小，发展十分迅速。但理论和实践证明，这些分布式可再生能源存在固有的问题，如间歇性问题，这对电网的安全性，可靠性和电能质量有一定的负面影响[1]。在此基础上，罗伯特·拉塞特等学者提出的微网的概念被认为是解决这个问题的一个可行方案。微电网是包括可再生能源和存储系统的当地能源网络。它可以连接到电网或在主电网停电时进行隔离，并继续以“孤岛模式”给本地负载提供电源[2-3]。微电网可以支持交流电（AC）或直流电（DC）。与交流形式相比，直流微电网可以避免无功功率和频率同步[4]。同时，光伏、超级电、电动汽车和LED等直流电源和直流负载为直流微电网提供了机会。此外，直流微电网将有能力提高整个系统的效率相比于交流系统。
另一方面，存储系统通常被用来缓解直流微电网中发电与消耗的系统功率失调，从而提高微电网的稳定性、电能质量、供电可靠性和整体性能。存储系统可以根据功率密度，能量密度，充放电速率，使用寿命等进行表征，但没有一个存储系统满足所有预期的功能。实际工程中的典型储能是铅酸蓄电池，它具有能量密度高，功率密度低，充放电率低，寿命小于1000个全周期的特点。所以电池在频繁的负载波动下不能立即响应。与电池相比，超级电容器功率密度高，但能量密度低，充放电速率高，寿命约为500,000次。因此，可以使用超级电容来匹配快速负载波动[5-6]。这两种类型的组合对于有快速和缓慢波动能量的多种能量储存需求是至关重要的，已经成为研究热点，并且两种类型的储存系统的结构已经成为越来越多的研究程序的主题，例如组合电池和超级电容器。在[7-8]中的作者们论证了混合储能系统降低了电池成本，提高了整个系统的效率。
光伏阵列，电池和超级电容器的系统集成已经在一些文献中进行了研究，但是这个系统仍然有一些缺点[9-11]。首先，当它是一个孤岛模式，有时会出现电力短缺。其次，当存储系统充满电时，光伏冗余能源将被浪费。综上所述，我们考虑了基于光伏阵列的混合存储系统与公用电网连接的直流微电网如何工作。本文提出了一种新颖的直流微电网电源管理方案，实现系统稳定，低电压调节，各单元负载均衡。通过MATLAB / SIMULINK仿真平台确定了不同运行方式下的稳态和瞬态转换。
本文的结构如下：第二部分讨论了该微电网的系统配置及其建模，第三部分描述了该微电网的控制策略和运行方式，第四部分给出了该系统的仿真结果， 最后，第五部分总结了论文的结论。
2系统配置
本文所研究的并网直流微网如图1所示。它由光伏面板，混合存储单元，公用电网，DC / DC转换器，DC / AC转换器和直流负载组成。PV面板通过一个升压DC / DC转换器连接到直流目前线，该转换器使用最大功率点跟踪（MPPT）算法从PV面板提取最大功率。混合储能单元由铅酸电池和超级电容器组成。电池和超级电容器通过两个直流总线连接双向半桥DC / DC转换器。公用电网通过三相双向全桥AC / DC变换器连接到直流母线。
图1 带有混合存储系统的直流微电网
A.光伏组件的MPPT控制
光伏（PV）电池串联连接以形成提供标准直流电压的模块。模块连接成阵列以产生足够的电流和电压，以满足并网应用的需求[12]。通常情况下，光伏组件首先串联成串，然后并联成阵列。PV模型可以用详细的方程来描述。
光伏阵列产生的功率取决于辐照度和温度。在电源电压（P-V）曲线中应该追踪最大功率点（MPP），我们可以通过将光伏阵列连接到直流总线的DC / DC转换器来追踪MPP，如图2所示。典型的MPPT控制策略包括开路电压法，短路电流法，扰动观测法（P＆Q）和增量电导法（INC）。一般来说，P＆Q方法和INC方法是MPPT控制广泛使用的方法。然而，这些传统MPPT算法存在不稳定性，对外部环境适应性差等缺点。有时，当大气条件迅速变化时，他们可能无法跟踪MPP。为了解决动态和稳态精度之间的折中问题，本文采用变步长INC方法实现了PV面板的MPPT [13]。步长根据固有的光伏阵列特性自动调整。如果操作点远离MPP，则会增加步长，从而实现快速跟踪。如果工作点接近MPP，则步长变得非常小，振荡可以被很好地降低，从而提高了效率。变步长INC MPPT算法流程图如图3所示，变步长＆V自动调整。
图2 具有MPPT功能的光伏组件的DC / DC转换器
图3 可变步长INC MPPT算法的流程图
B.用于混合能量储存的双向DC / DC转换器的控制
电池的能量密度高，而充放电速度相对较慢。另一方面，超级电容器具有高功率密度和快速响应。超级电容器作为短期储能装置被用来补偿输出功率的快速变化，而电池作为一个长期储能装置被用来满足能源需求[14]。该电池是使用一个简单的控制电压源串联恒定电阻建模。这个超级电容器（SC）被模拟为一个恒定电阻串联的普通电容器。在本文中使用的双向降压/升压转换器是将超级电容器或电池与DC总线相连，且两个转换器的结构是并联的。该转换器在存储单元放电模式下用作升压转换器，在充电模式下用作降压转换器。控制方法是传统的双回路，包括内部电流回路和外部电压回路，如图4所示。
图4 双向DC / DC变换器的控制策略
C.三相双向AC / DC变换器的控制
公用电网通过三相双向全桥AC / DC变换器连接到直流母线。控制方法是将一个直接正交（DQ）电流控制器连同外部电压一起来控制回路，如图5所示。当公用电网正常工作时，直流母线通过双向变流器接入公用电网，相互传输功率; 否则将与公用电网断开，以免发生故障。
图5 双向DC / AC转换器的控制策略
3 控制策略
本文提出了一种新颖的直流微电网电源管理策略。直流微电网的电源管理方案的关键在于始终保持光伏组件、存储系统、公用电网和负载之间的功率平衡，这体现在直流母线电压的数值上[15-17]。本文提出的直流微电网的运行主要包括五种主要模式：模式Ⅰ（由PV调节），模式Ⅱ（由超级电容器调节），模式Ⅲ（由电网调节），模式Ⅳ模式），其中，所提出的电源管理策略中的操作模式如图6所示，每种模式都有其工作电压范围。光伏（PV）发电是这个系统的主要来源，这意味着它具有最高的电源优先级。超级电容是二次电源，作为光伏电源的辅助电源，当系统出现浪涌或能量爆发时，超级电容开始工作。当在较长的时间内存在大量的能量失配时，公用电网是电力供应优先级的下一个地方。该结构可以降低有条件的微电网中电池的寿命损失。最后，当主电网发生故障时，辅助蓄电池将进行充电或放电，以保持直流母线电压稳定。图7中包括四种模式，一种是由一定的电源调节，七种工作部分是基于七个参考电压（Uhigh3，Uhigh2，Uhigh1，Udcr，Ulow1，Ulow2，Ulow3）。模式转换有十二种正常情况，由红色箭头线绘制。
图6 所提出的电源管理策略中的操作模式
图7 模式转换机制
表1各种模式的概述及其特点
|
模式名称 |
功率特点 |
母线电压排序 |
总线调节 |
电源供应 |
|
模块1 （第一节） |
PPV = PLOAD |
Ulow1 lt; Udc lt; Uhigh1 |
光伏组件 |
光伏 |
|
模块2 （第二节） |
PPV PSC = PLOAD |
Ulow2 lt; Ud clt; Ulow1 |
超级电容组件 |
光伏、超级电容器 |
|
模块3 （第三节） |
PPV - PSC = PLOAD |
Uhigh1 lt; Udc lt; Uhigh2 |
超级电容组件 |
光伏、超级电容器 |
|
模块4 （第四节） |
PPV PAC = PLOAD |
Ulow3 lt; Udc lt; Ulow2 |
公用组件 |
光伏、公用电网 |
|
模块5 （第五节） |
PPV - PAC = PLOAD |
Uhigh2 lt; Udc lt; Uhigh3 |
公用组件 |
光伏、公用电网 |
|
模块6 （第六节） |
PPV Pbat = PLOAD |
Ulow3 gt; Udc |
电池组件 |
光伏、电池 |
|
模块7 （第七节） |
PPV - Pbat = PLOAD |
Udc gt; Uhigh3 |
电池组件 |
光伏、电池 |
同时，系统也有几个异常情况，如图7中画的蓝色箭头线。这些异常情况将发生在某些源或某个转换器出现故障时。例如，模式Ⅰ和模式Ⅳ之间的情况15和情况16将在公用电网或并网转换器发生故障并且超级电容器充满的情况下发生。其实，在意外情况下有二十个异常情况。在表一中，我们总结了每种模式及其特点。一般情况下，通过总线电压变化可以实现不同模式之间的切换和转换器控制方式的改变，并且无需通信链路。
我们在以下段落中分析这些模式：
模式Ⅰ：Ulow1 lt; Udc lt; Uhigh1。在这种模式下，直流母线电压仅由光伏发电调节，这意味着生成的光伏功率恰好符合要求。总线电压在小范围内以参考值波动。 与此同时，其他转换器处于待机状态。电源流程如图8所示。
图8 模式Ⅰ的电源流程
模式二：Ulow2 lt;Udc lt;Ulow1或Uhigh1 lt;Udc lt;Uhigh2。当光伏电池的功率随着辐照和环境温度的变化而不断变化，或者负载波动剧烈时，产生的光伏发电和本地负载将不匹配。当这种情况发生时，由于所产生的光伏功率和需求之间的不匹配，超级电容器将被用于维持恒定的直流母线电压。如图（6）的第二节所示，当需求量大于光伏组件的产量时，直流母线电压（Udc）从参考值下降，因此超容量将放电以提供剩余需求。类似地 ，当本地需求量小于产生的光伏发电功率时，直流母线电压（Udc）从基准值上升，超级电容器将充电以吸收剩余需求，直到满足为止。使用双向DC / DC转换器来促进DC总线和超级电容之间的双向功率流动。操作模式如图9所示。
图9 模式Ⅱ的电源流程
模式Ⅲ：Ulow3 lt;Udc lt;Ulow2或Uhigh2 lt;Udc lt;Uhigh3。模式Ⅰ和模式Ⅱ有直流母线从Ulow2到Uhigh2的工作段。当电压达到Uhigh2时，表示超级电容器已充满，产生的光伏功率仍然大于负载需求。当这种情况发生时，剩余电力
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