戶用型微電網(wǎng)恒功率控制方法的研究

康家玉+劉甲琛+王素娥

摘 要： 針對(duì)光儲(chǔ)獨(dú)立微網(wǎng)中直流母線電壓易受光伏發(fā)電功率及負(fù)載用電功率的波動(dòng)影響，通過(guò)類推V?I下垂控制提出一種功率?電流（P?I）控制策略，用控制系數(shù)k來(lái)改變與光伏發(fā)電輸出功率的數(shù)學(xué)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的功率平衡，可有效抑制微網(wǎng)直流母線電壓的波動(dòng)。通過(guò)建立光伏電池及蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型，分析PV發(fā)電輸出功率與負(fù)荷功率的關(guān)系，推導(dǎo)出系數(shù)k與光照強(qiáng)度及儲(chǔ)能充放電電流之間的關(guān)系式，設(shè)計(jì)了一種P?I控制器。Simulink仿真結(jié)果表明，該P(yáng)?I控制方法能有效地協(xié)調(diào)控制直流母線功率平衡，有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 戶用型微電網(wǎng)； 下垂控制； 功率平衡； P?I控制

中圖分類號(hào)： TN876?34； TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）24?0151?03

Abstract： Since the DC bus voltage in optical storage independent micro?grid is easily influenced by the fluctuation of photovoltaic power generations power and load electrical power， a P?I control strategy is proposed on the basis of the analogy of the V?I droop control. The control coefficient k is used to change the mathematic relation with output power of PV power generation to realize the power balance of the micro?grid， and suppress the fluctuation of the DC bus voltage in the micro?grid effectively. By establishing the mathematical models of the PV cell and accumulator， the relationship between the load power and output power of PV power generation is analyzed， the relational expressions of the coefficient k and the light intensity， and the coefficient k and stored energys charging and discharging current are deduced， and a P?I controller is designed. The Simulink simulation results show that the P?I control method can effectively control the power balance of DC bus， and improve the system stability.

Keywords： household micro?grid； droop control； power balance； P?I control

戶用型光儲(chǔ)微網(wǎng)充分利用了分布式光伏發(fā)電綠色環(huán)保和緊靠本地負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又解決了太陽(yáng)能地域分散性的劣勢(shì)而廣泛受到關(guān)注。家庭常開(kāi)大功率電器多為空調(diào)類負(fù)荷（如空調(diào)、冰箱、冰柜），隨著全球氣候變暖，空調(diào)類負(fù)載數(shù)量出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)的趨勢(shì)還會(huì)加快[1]。

文獻(xiàn)[2]通過(guò)推導(dǎo)逆變器占空比與母線電壓之間的傳遞函數(shù)提出了一種新型的控制策略。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)常規(guī)的P?f和Q?V下垂控制進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種以下垂控制為基礎(chǔ)的間接新型恒功率控制方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種分布式控制算法，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整下垂參數(shù)，使荷電狀態(tài)更大的電池為系統(tǒng)提供更多的有功功率。文獻(xiàn)[5]提出一種微電網(wǎng)分布式控制，該控制策略在常規(guī)V?I下垂控制的基礎(chǔ)上加入了平均電壓控制和功率協(xié)調(diào)控制兩個(gè)環(huán)節(jié)。基于此種情況，本文針對(duì)保證恒功率負(fù)載的用電，根據(jù)V?I下垂控制提出一種P?I控制法，對(duì)光伏與儲(chǔ)能單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并設(shè)計(jì)P?I控制器，實(shí)現(xiàn)母線功率的平衡。

1 微電網(wǎng)控制策略

1.1 光伏電池板（PV）模型

PV電池板的工作原理可等效為圖1所示的電路。圖中RL為PV電池的外接負(fù)載，負(fù)載兩端的電壓（PV電池的輸出電壓）為UL，流經(jīng)負(fù)載的電流（PV電池的輸出電流）為IL。而光伏電池的特性可由以下公式說(shuō)明：

式中：q為電子的電荷，=1.6×10-19 C；K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23 J/K；A為常數(shù)因子；ID0為PV電池在零光照條件下的飽和電流；Isc為短路電流，在保持溫度不變而改變輻照度的情況下可以Isc隨輻照度的變化而變化，開(kāi)路電壓UPVOC隨輻照度的變化不明顯。

1.2 蓄電池模型

蓄電池可以表示為如圖2所示等效電路?？梢詫⑿铍姵氐刃橐粋€(gè)有微小內(nèi)阻的恒壓源。

1.3 V?I下垂控制

V?I下垂控制原理圖如圖3所示。

根據(jù)圖3，V?I下垂控制公式可描述為：

2 P?I控制

在一天的24 h中，系統(tǒng)的光伏發(fā)電功率與負(fù)荷用電功率曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，一天中自10點(diǎn)—16點(diǎn)，光伏輸出功率要大于負(fù)荷用電功率，其他時(shí)刻發(fā)電功率不滿足負(fù)荷用電功率，為了穩(wěn)定發(fā)電與用電之間的功率平衡，即穩(wěn)定母線功率平衡，根據(jù)V?I下垂控制原理，本文提出P?I控制方法，參照式（3），P?I控制公式為：

式中：Ps為蓄電池的輸出功率，其取值可正可負(fù)；PL為恒功率負(fù)荷的有功功率；PPV為光伏輸出的最大功率；k為控制系數(shù)。

由圖4可得，在光伏輸出功率大于負(fù)荷用電功率時(shí)，需要控制儲(chǔ)能儲(chǔ)存多余電能，反之則控制儲(chǔ)能補(bǔ)充電能，充放電電流隨著發(fā)/用電的功率差變化而變化，即滿足如下關(guān)系：

圖5為PV電池I?U輸出特性曲線。

圖5中UOC為電池板開(kāi)路電壓，M點(diǎn)為最大輸出功率點(diǎn)，Us為最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓，即為母線電壓。在實(shí)際工程中Us=0.8UOC，因此光伏輸出功率為：

由式（1）、式（2）可知，光伏電池板類似一個(gè)恒流源，負(fù)荷為恒功率，在母線電壓Us穩(wěn)定的前提下可知負(fù)荷用電電流IL為恒值，因此式（4）可變化為：

光伏電池板輸出電流受光照強(qiáng)度影響較大，由圖2、圖3可知，輸出電流與光照強(qiáng)度基本呈正比例關(guān)系，即IPV≈bE，E為光照度，b為比例系數(shù)。負(fù)載電流IL為恒定值，因此在式（9）中可忽略IL，即式（9）可簡(jiǎn)化為：

由式（13）可以得到，k不是恒定值，與光照強(qiáng)度和儲(chǔ)能充放電電流有關(guān)，聯(lián)立式（4）、式（13）得：

從式（14）可以看出，因?yàn)镻L為恒值，所以方程的差值右邊應(yīng)為恒值，PPV受光照度E得影響，k受E變化與Is變化的影響，E在實(shí)際中可由照度計(jì)測(cè)得，可得儲(chǔ)能在PPV-PL>0時(shí)為充電狀態(tài)，且Is隨著PPV的增大而增大，在PPV-PL<0時(shí)為放電狀態(tài)，Is隨著PPV的減小而增大。

根據(jù)光伏電池板輸出特性，本文采用可控電流源模擬光伏電池板，蓄電池選取Lithium?Ion模型，設(shè)定初始荷電狀態(tài)值（SOC）為60，利用該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池削峰填谷作用的仿真。逆變器采用單相逆變器，通過(guò)外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流的雙PI環(huán)控制。P?I控制器示意圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

本文搭建仿真模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示，仿真時(shí)間選取為2 s代表一天。圖7中，實(shí)線為光伏輸出電流IPV，虛線為蓄電池充放電電流Is，可以看到在實(shí)驗(yàn)0 s時(shí)光伏開(kāi)始發(fā)電，對(duì)應(yīng)實(shí)際中早晨7點(diǎn)左右，此時(shí)蓄電池為放電狀態(tài)；之后隨著時(shí)間變化光伏輸出電流逐漸變大，蓄電池放電電流相對(duì)減??；1 s對(duì)應(yīng)實(shí)際中中午時(shí)分，這時(shí)光伏發(fā)電輸出電流為最大；可以看出0.7 s時(shí)蓄電池由放電轉(zhuǎn)為充電，之后隨著光伏輸出電流IPV的減小使蓄電池在1.7 s由充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)?？梢缘贸?，蓄電池在放電時(shí)，Is隨著IPV的增大而減小；充電時(shí)，Is的絕對(duì)值隨著IPV的增大而增大，與式（14）所得理論結(jié)論一致。結(jié)合圖9可知，從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束，光伏輸出電流與蓄電池充放電電流始終滿足關(guān)系：

式中，d為恒定值，在此次仿真中d=7.6。式（4）中PL為恒定值，即IL為定值。蓄電池實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用，符合微電網(wǎng)發(fā)電端與用電端能量平衡的要求。

從圖8可以看出，蓄電池的荷電狀態(tài)的變化趨勢(shì)與圖9中Is的變化趨勢(shì)基本一致，因?yàn)榭刂菩铍姵爻浞烹姺椒ㄊ冀K為恒流，因此可以看到IL在不同狀態(tài)下為定值。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置系統(tǒng)在1.5 s負(fù)載功率減小1 500 W。

從圖9中可以清楚的看出，當(dāng)負(fù)載功率減小時(shí)，蓄電池的充放電電流發(fā)生了一個(gè)明顯的階躍，充電電流增大。

4 結(jié) 論

本文在戶用型微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)孤島模式下的微電網(wǎng)中的PV電池與儲(chǔ)能環(huán)節(jié)進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制，對(duì)微電網(wǎng)的母線功率進(jìn)行恒功率控制，基于V?I下垂控制的原理提出了一種P?I控制法。通過(guò)分析光伏發(fā)電輸出功率與負(fù)荷功率的關(guān)系，設(shè)計(jì)了P?I控制器，對(duì)光伏與儲(chǔ)能單元進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制，從而實(shí)現(xiàn)了母線功率的平衡。本文利用仿真軟件對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的P?I控制方法能有效地協(xié)調(diào)控制光伏發(fā)電與儲(chǔ)能單元輸出功率平衡，可以有效地穩(wěn)定直流母線的功率，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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