基于状态观测器的独立直流微网协调控制

王 武，王晓静，胡冠中

(1.许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000；2.河南轻工职业学院，河南 郑州 450000)

可再生能源发电随环境变化呈现出间歇性和波动性特点，对电网稳定和供电质量带来一定挑战，微电网的概念应运而生.直流微电网控制结构简单，能高效接纳各种分布式能源，减少中间能量转换环节，提高能源利用效率，受到广泛关注.独立直流微电网因失去大电网支撑，直流母线电压受分布式电源影响较大，需要配备一定容量的储能单元及时储存和补充电能，弥补分布式电源输出与负荷消耗之间的功率差值，协调发电与用电之间的功率平衡.为了实现微网内能量平衡，保证电力电子设备和负荷正常运行，必须对电源和储能实施协同控制.有文献通过分析储能SOC值与放电电流的关系，协调分配各储能单元输出功率[1]；有文献提出直流微电网的多模态协调控制策略[2]；有文献提出基于一致性算法分层协调控制策略，以维持直流母线电压的稳定[3].提出一种基于状态观测的直流微网协调控制系统，以实现光伏发电单元和储能单元的协调配合，维持系统能量吞吐平衡.

1 独立直流微电网结构

独立直流微网的结构如图1所示，系统主要由储能单元、光伏发电单元、直流负载三部分组成，储能单元和光伏发电单元通过变换器连接至直流母线，直流负载直接连接到直流母线上.各储能单元通常作为系统主电源运行于下垂控制模式，当达到最大充放电功率时，切换至定功率运行；光伏发电系统通常运行于最大功率点跟踪模式，在出力过大时切换至限功率模式.

图1 独立直流微网结构

系统实际运行时，光伏发电功率与负荷功率会发生变化，储能装置会发生功率吞吐，其功率关系描述为

PPV=PL+PBS+.

(1)

PPV+PBS-=PL.

(2)

上式中，PPV表示光伏发电输出功率，PL为直流负荷总额定功率，PBS+为储能装置储存的电功率，PBS-为储能装置输出的电功率.

2 光伏发电模块控制

为了充分利用光伏发电能源，光伏发电单元通常工作在MPPT模式下.由于光伏实际输出受光照影响，当其发电输出超过负荷与储能单元的充电功率总和时，限制光伏输出功率以维持直流母线电压稳定.因此，光伏发电单元中加入了电流观测器，通过观测器实现光伏发电单元的模式切换控制.光伏发电单元的控制结构如图2所示.

图2 光伏发电单元控制系统结构

(3)

其中，η表示与最大充电状态的偏离程度，一般取值区间为[-0.98,-0.92].

3 储能模块控制

系统仅给出一路储能单元的控制结构，为了保证储能单元之间出力均匀，减小线路和其它干扰引起的出力偏差，采用电压观测器及均流控制器，控制结构如图3所示.

图3 储能模块控制系统结构

(4)

均流控制器可描述为

(5)

下垂控制可描述为

vESSref=vn-RdroopiiESS.

(6)

下垂系数可描述为

(7)

储能单元的电压输出参考值为

vESSref=vn-RdroopiiESS+ΔvESSV+ΔvESSi.

(8)

在上述模型中，SOCi为储能电池的SOC值，SOCiMAX、SOCiMIN分别为其上、下限值，σ为调节系数，用以修正其均衡速度.

4 仿真与结论

为了证明本系统所用控制方法的有效性，通过算例进行仿真，系统中用了2个风力发电单元、2个储能单元，直流负载用可调电阻器代替，储能单元的额定功率为1.2 kW和0.8 kW，光伏发电单元的额定功率为1.5 kW和0.5 kW，分别在两种工况下进行了系统验证，具体工况如表1所示.

表1 仿真实验及结果

工况1下，光伏发电单元按照额定功率分配均匀出力，只发出一半功率，选择最大充电状态的偏离程度系数为η=-0.95，在某时刻加入均流控制，验证控制作用对母线电压的影响；工况2下，选择储能元件SOC变化相对剧烈的情况，用以验证功率吞吐和母线电压稳定情况.通过算例仿真可见，提出的基于状态观测的独立直流微电网协调控制方法能够实现光伏发电单元和储能单元的协调配合，维持系统能量吞吐平衡.后期将加强多单元、多节点控制系统的研究，并加强各节点通信网络研究，加强不同类型分布式能源接入和不同类型储能系统接入的协同控制研究以及并网系统的协调控制.