温素芳;王生铁;田桂珍
【摘 要】Considering the relationship of energy supply and demand among PV, battery and load, a coordinated control strategy for energy management of PV/battery AC microgrid during islanded operation is proposed. The control strategy adopts master-slave control approach, in which the battery working as the main source is able to charge or discharge so as to provide stable voltage amplitude and frequency for both load and PV inverter; while the PV system as the slave source can work either in maximum power point tracking (MPPT) or power limitation mode (PLM) according to the internal power balance; and the load switching control guarantees sustainable power supply for important loads and prevents the battery from over discharge. Simulation results under different working conditions verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.%针对光储交流微电网,考虑光伏阵列、蓄电池和负荷之间的多种能量供需情况,提出了一种孤岛运行模式下的能量管理协调控制策略.该控制策略采用主从控制方式,作为主源的蓄电池可以工 作在充电或放电状态,保证为负载和光伏逆变器提供幅值和频率稳定的电压;作为从源的光伏系统可以根据微电网内部能量平衡关系,工作在最大功率跟踪或限功率负载匹配模式;负荷投切控制可以保证重要负荷持续供电以及避免蓄电池过放.通过不同工况下的仿真结果,验证了所提控制策略的正确性与有效性. 【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2018(036)006
【总页数】7页(P862-868)
【关键词】光储微电网;孤岛运行;能量管理;协调控制;荷电状态
【作 者】温素芳;王生铁;田桂珍
【作者单位】内蒙古工业大学 能源与动力工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051;内蒙古工业大学 能源与动力工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051;内蒙古电子信息职业技术学院,内蒙古 呼和浩特 010070;内蒙古工业大学 电力学院,内蒙古 呼和浩特 010080
【正文语种】中 文
【中图分类】TK81; TM615; TM464
0 前言
微电网是将分布式电源、储能装置、电力电子变换装置和负载等组织起来，形成一个中小型系统，既可与配电网并联运行，也可与配电网断开独立运行，为当地负荷供电[1]，[2]。由分布式光伏发电和储能单元组成的光储微电网不仅能够解决无电地区的供电问题，而且有绿可持续的特点，在大电网难以到达的地区受到广泛欢迎，也得到了该领域研究者的广泛关注[3]，[4]。另外，光储微电网也因易于建设而在各地区应用越来越多[5]。微电网在孤网运行方式下能否可靠运行、能否保持电压和频率稳定等关键问题，以及多个变换器单元的能量协调控制方法，成为了目前的研究热点[6]。
文献[2]，[4]，[7]对光储直流微电网功率控制进行了研究。文献[5]采用基于动态阻抗匹配的方法调节光伏功率的输出状态，但没有涉及交流侧逆变器和负荷的控制。文献[6]，[8]以直流母线电压为基准控制光伏的输出状态，也没有提及负荷的控制。文献[9]在极限情况下引
入柴油发电机来维持系统功率和频率的平衡。文献[10]只针对正常工作模式下的实时控制策略进行了研究。文献[11]针对风光储微网系统孤岛运行模式下的控制策略进行了研究，但风机和光伏系统只按最大功率输出，没有提及储能荷电态和负荷的控制，能量关系不全面。
本文针对光储交流微电网拓扑结构，考虑蓄电池、光伏阵列和负荷之间的多种能量供需情况，提出一种孤岛运行模式下的能量管理协调控制策略，按照多种控制模式，实现光储微电网的稳定运行。通过不同工况下的仿真结果，验证了所提能量管理协调控制策略的正确性与有效性。
1 光储微电网拓扑结构
图1为本文采用的光储交流微电网拓扑结构，由光伏阵列、蓄电池组、负载、各级变换器、能量管理协调控制器和电网组成。光伏阵列和蓄电池分别通过各自的DC/DC和DC/AC变换器，采用双级式结构并联在交流母线上。
图1 光储微电网拓扑结构Fig.1 Topology of PV/Batterymicrogrid
能量管理协调控制器包括光伏阵列直流侧前后级变换器的控制、蓄电池前后级变换器的控制、负载的投切控制以及并离网的切换。本文主要针对微电网孤岛运行时，没有大电网的支撑，以储能蓄电池作为系统主电源，给光伏系统和负载提供电压和频率支撑。另外，没有电网的功率支撑，在光伏和蓄电池功率缺额的情况下，负载无法满足，则需要切除部分负载。本文负荷类型为某移民区家庭生活用电，依据用电优先级将负载分为重要负载和非重要负载[12]。
2 光储微电网工作模式
孤岛运行时，需要根据光伏阵列输出功率和负荷需求功率之间的关系，以及蓄电池SOC（state of charge）的状态，来决定光储微电网中各部分的工作模式。若系统中光伏或负荷波动较大，由于蓄电池存储能量的限制，将可能达到储能装置的充放电极限状态，进而影响光储微电网孤岛稳定运行[13]。为保证光储微电网在孤岛时稳定运行，需要合理调配能量流动关系，协调光伏阵列、蓄电池及负荷状态进行工作模式的切换，确保系统安全运行在合理的工作状态。
设定光伏阵列输出功率为P pv，负载需求功率为P load，蓄电池SOC工作区间取为15%～9
0%，根据三者之间的关系，将光储微电网孤岛运行时概括为以下4种工作模式：
①当 P load＞P pv，SOC＞15%时， 光伏阵列工作在最大功率跟踪模式，而且蓄电池SOC没有接近放电下限，此时蓄电池放电来弥补光伏输出功率不足，满足负荷所需能量；
②当 P load＞P pv，SOC≤15%时，光伏阵列工作在最大功率跟踪模式，且蓄电池SOC达到放电极限，此时，为了保护蓄电池处于过放状态，启动负载控制策略切除一部分非重要负载，保证重要负载的供电；
③当 P load＜P pv，SOC≥90%时，光伏阵列输出功率大于负载消耗功率，蓄电池充电，但蓄电池SOC达到充电上限，为了保护蓄电池处于过充状态，光伏阵列工作在限功率负载匹配模式，满足负载需求即可，蓄电池不充电；
④当 P load＜P pv，SOC＜90%时， 光伏阵列最大输出功率大于负载消耗功率，蓄电池充电，只要蓄电池SOC没有达到设定上限，光伏阵列也工作在最大功率跟踪模式。
微网工作模式流程如图2所示。
图2 微网工作模式流程图Fig.2 Flow chartof operationmodes formicrogrid
3 光储微电网各级变换器控制策略
3.1 光伏前级变换器控制策略
由于光伏阵列端电压较低且存在波动性，双级式光伏系统前级DC/DC选择升压型Boost变换器，完成升压、稳压功能[5]，[9]，控制光伏阵列工作于最大功率跟踪模式或限功率负载匹配模式。光伏前级变换器控制框图如图3所示。
图3 光伏DC/DC控制框图Fig.3 DC/DC control block diagram for PV
限功率负载匹配模式类似于MPPT控制原理，都是基于光伏电池的P-U特性，通过控制光伏电池的电压来寻最大功率点和负载匹配的功率点。系统根据实时采集的输入状态 （蓄电池SOC、负载功率P load、光伏实际输出电压U pv和光伏电流I pv），自动判断应工作在哪种工作模式，进而输出相应的最大功率点电压或负载匹配功率点的电压U pvref，将其作为电压控制环输入参考电压，参考电压与光伏实际输出电压的差值，经PI控制器输出为Boost电路开关管的占空比D，通过此电压闭环控制使光伏系统输出相应的功率。
3.2 光伏后级逆变器控制策略
在主从控制策略中，光伏阵列作为从微源，后级控制目标是使光伏逆变器按前级功率指定值输出相应的功率，只要控制直流侧电压恒定就可以达到此目标，所以采用U dc/Q控制，即直流侧电压和无功功率外环、有功无功电流内环的双闭环矢量控制策略，如图4所示。图中，三相交流母线电压e a，e b，e c为蓄电池主源控制产生的幅值频率恒定的电压源电压。
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