光储直流微电网的控制策略分析及应用

吴晨

（方大特钢科技股份有限公司 江西省南昌市 330012）

随着经济的不断发展，全球气候随着碳排量的不断上升日趋严峻，低碳甚至是无碳已经逐渐成为各国研究的目标。随着我国经济的不断发展，社会用电量的不断提高，电网规模的日益增大，传统能源缺口问题逐渐成为社会发展面临的一大难题。在这一背景下，具有污染少、成本低廉、建设灵活等特点的分布式发电系统逐渐替代传统能源，进入电网输配电系统[1]。本文主要对光储直流微电网的控制策略进行了分析，并基于光伏功率波动负载功率恒定以及光伏功率恒定负载功率波动两种工况进行了仿真，以下进行具体的分析和介绍。

1 基于三有源桥DC-DC变换器的光储直流微网

光伏板通过Boost 电路进行实现MPPT 控制，并作为三有源桥DC-DC 变换器的输入，作为直流微网的主要功率输入源。三有源桥二次侧作为直流母线，连接直流负载，若光伏输入功率过大直流母线也可通过并网逆变器将多余功率回馈给电网，基于三有源桥DC-DC 变换器的光储直流微网典型应用图如图1 所示。

图1：基于三有源桥DC-DC 变换器的光储直流微网典型应用图

三有源桥三次侧通过双向Buck/Boost 电路与蓄电池组连接，蓄电池组主要用于平抑光伏功率波动，即当光伏输入功率超额时蓄电池组充电、光伏输入功率缺额时蓄电池组放电，以维持直流微网直流母线电压稳定，光储直流微网正常运行时的功率流向如图2 所示。

图2：基于三有源桥DC-DC 变换器的光储直流微网主要功率流向示意图

2 三有源桥DC-DC变换器功率环、直流母线电压环双环解耦控制

本节以2kW 直流微网系统为例，定义当三有源桥处于静态工作点时，光伏模块产生的功率都由负载消耗即PPV=PL，蓄电池组基本不进行功率流动，即P3=Pb=0W，Ib=0A。可以得到求取三有源桥DC-DC 变换器的静态工作点以及三有源桥DC-DC 变换器静态工作点附近的功率-移相角特性曲线，其中两条特性曲线的交点即可得到光储直流微网系统的静态工作点Q(φ120,φ130)中的φ120 与φ130。最终通过上述方法确定系统静态工作点为Q(33.25°,16.62°)，得到系统的静态工作点Q 后，即可设计DCES 解耦控制参数[2-3]。得到静态工作点之后，结合三有源桥DC-DC 变换器移相+解耦控制策略，可以得到应用于直流微网系统的三有源桥DC-DC 变换器的控制框图如图3 所示。

图3：并联型DCES 的SPS 解耦控制框图

由图3 可知，三有源桥DC-DC 变换器控制框图主要由直流母线电压和输入电流（功率）控制环两个环路组成。两个控制环通过解耦控制后可以实现针对直流母线电压和输入电流（功率）的直接控制，即通过一二次侧之间的移相角φ12 直接控制直流母线电压，通过一二次侧之间的移相角φ13 直接控制输入电流（功率）及其分配。

3 储能功率控制策略分析

直流母线电压环可以实现不同负载下直流母线电压的稳定，而功率环则可以将光伏模块产生的功率波动体现在三次侧的端口电压上。比如当光伏输入功率偏大而负载消耗功率恒定时，电压环维持直流母线电压稳定，而功率环则将溢出的功率传输到三次侧，倘若储能模块不进行功率传输，则三次侧端口电压升高。因此为了维持整个直流微电网的瞬时功率稳定[4-5]，储能系统需要针对三有源桥DC-DC 变换器三次侧端口电压进行相应的充放电控制，平抑光伏组件的瞬时功率波动。

图4 所示为蓄电池组双向Buck/Boost 变换器的控制示意图，其中V3ref为三有源桥DC-DC 变换器三次侧端口电压参考值，V3为端口三实际电压。当V3超出其参考值的1.05 倍时，系统认定此时光伏输出功率较大，需要蓄电池组充电来平抑该部分的溢出功率，因此双向Buck/Boost 变换器处于Buck 模式，将光伏产生的多余功率转移到蓄电池中[6-8]；当V3低于其参考值的0.95 倍时，系统认定此时光伏输出功率较小，需要蓄电池组放电来平抑该部分的缺额功率，因此双向Buck/Boost 变换器处于Boost 模式，光伏模块的缺额功率由蓄电池放电提供。

图4：双向Buck/Boost 电路的控制框图

综上所述，储能及其双向DC/DC 变换器的控制通过监控三有源桥DC-DC 变换器三次侧端口电压实现，尽管没有直接控制直流母线电压，但通过参与功率分配的方式维持了直流微电网的瞬时功率平衡，间接实现了对直流母线电压的控制。

5 仿真结果分析

基于MATLAB/Simulink 平台以及针对光储直流微网的整体控制策略，本文搭建了包括光伏+MPPT 控制模块、三有源桥DC-DC 变换器模块、负载模块以及储能及其双向DCDC 模块的整体仿真模型。本文基于MATLAB/Simulink 平台对所提直流微网拓扑及其控制策略进行仿真。

5.1 光伏功率波动工况仿真结果分析

该工况下光伏模块由于光照强度变化输出功率也随之小幅变化，假定认为负载消耗功率恒定。仿真中设置光照强度小幅波动，利用功率控制环维持输入电流I1在静态值I1nom。图5(a)展示了当光伏功率由于光照强度波动而小幅波动时直流微网光伏、储能以及负荷三部分功率的仿真波形。仿真模型中在1s 与2s 处设置光照强度波动：在1s 前光照强度S 为额定值1000W/m2，此时光伏模块输出功率为191W，输入电流I1 基本维持在I1nom处不变，负荷消耗功率PL维持在191W 恒定，蓄电池只有5W 的小功率输出，此时直流微网系统负荷消耗功率基本都由光伏模块提供；光照强度S 在1s 处由额定值1000W/m2突变到1200W/m2，此时光伏模块输出功率由191W 突变到237W，输入电流I1基本维持在I1nom处不变，负荷消耗功率PL维持在191W 恒定，蓄电池组由5W 的小功率功率放电变为37W 的充电功率，此时直流微网系统中光伏模块的功率由负载和蓄电池共同消耗，因此光伏电池功率小幅上升时直流微网系统可以通过相应控制既可以维持直流母线电压与功率的稳定又可以实现蓄电池组平抑光伏功率波动；光照强度S 在2s处由1200W/m2突变到800W/m2，此时光伏模块输出功率由237W 突降到147W，输入电流I1基本维持在I1nom处不变，负荷消耗功率PL维持在191W 恒定，蓄电池由以37W 的功率充电变为以50W 功率放电，此时直流微网系统负荷消耗功率由光伏模块和蓄电池组共同提供，因此光伏电池功率小幅下降时直流微网系统可以通过相应控制既可以维持直流母线电压与功率的稳定又可以实现蓄电池组平抑光伏功率波动，即蓄电池组补充缺额功率。

图5：光伏功率波动负载恒定工况下光储直流微网仿真图

图5 展示了当光伏功率由于光照强度波动而小幅波动时光伏+MPPT 模块的具体仿真波形。在1s 前光照强度S 为额定值1000W/m2，此时光伏模块输出功率为196W，光伏输出电压为35V，输出电流为5.6A；光照强度S 在1s 处由额定值1000W/m2突变到1200W/m2，此时光伏模块输出功率为243W，光伏输出电压为36.2V，输出电流为6.75A；光照强度S 在2s 处由1200W/m2突变到800W/m2，此时光伏模块输出功率为150W，光伏输出电压为33.5V，输出电流为4.5A。因此当光照强度发生变化时，光伏模块可以通过MPPT 控制实现最大功率点跟踪，提高系统的能源利用率。

综上所述，当光伏功率小幅波动时本章所提光储直流微网及其控制策略可以在维持直流母线电压稳定的前提下利用蓄电池组平抑瞬时功率波动。

5.2 负载投切工况仿真结果分析

该工况下由于负载的启动与关闭导致负载功率出现瞬时上升与跌落，假定认为负载的投切过程是瞬时的，光照强度基本不发生变化因此光伏模块输出功率可以认为是稳定的，系统整体以及各模块仿真结果如图6 所示。仿真中设置负载功率大幅波动，利用功率控制环维持输入电流I1在静态值I1nom。

图6：负载消耗功率波动光伏输出功率恒定工况下光储直流微网仿真图

图6 展示了当负载功率由于负载投切而大幅波动时光伏+MPPT 模块的具体仿真波形。由图易知当负载发生大幅波动时，光伏输出功率经过短时间即可恢复MPPT 控制，功率维持在196W 恒定。

6 结论

本文在MATLAB/Simulink 平台搭建光储直流微网仿真模型，并基于光伏功率波动负载功率恒定以及光伏功率恒定负载功率波动两种工况进行仿真。当光伏功率小幅波动时本章所提光储直流微网及其控制策略可以在维持直流母线电压稳定的前提下利用蓄电池组平抑瞬时功率波动；当负载功率大幅波动时本章所提光储直流微网及其控制策略可以在维持直流母线电压稳定的前提下利用蓄电池组平抑瞬时功率波动。