光儲式電動汽車充電站直流微網(wǎng)運行控制策略研究

朱宇琦，馬 健

（1.華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071003；2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司 水電與新能源生產(chǎn)技術(shù)部，青海 西寧810000）

0 引言

電能作為一種無污染的清潔能源，具有傳統(tǒng)能源無法比擬的優(yōu)勢［1-3］.電動汽車使用電能而非傳統(tǒng)的化石燃料作為其動力源，是一種綠色環(huán)保的交通工具，能夠使資源利用達(dá)到均衡、無污染［4］.因此，電動汽車充電站成為發(fā)展電動汽車必不可少的一環(huán).光儲式電動汽車充電站組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，由于可以有效利用光伏發(fā)電并發(fā)揮充電站的儲能作用，從而得到了迅速發(fā)展［5］.

為充分發(fā)揮光儲式電動汽車充電站組成的微網(wǎng)系統(tǒng)的儲能、運行優(yōu)勢，對控制策略優(yōu)化發(fā)揮著重要作用.針對電動汽車的充電控制問題，文獻(xiàn)［6］提出了一種使電動汽車充電站在各種運行模式之間有效切換的控制策略.文獻(xiàn)［7-9］研究了光伏發(fā)電、電動充電站、儲能電池和電網(wǎng)的相互作用，深入研究了儲能與充電的聯(lián)合控制策略，通過對各個模塊的協(xié)同控制以實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定.對于充電需求的變化問題，文獻(xiàn)［10］提出了基于微電網(wǎng)的電動汽車充電負(fù)荷協(xié)同控制方法，并建立了車輛充電負(fù)荷模型以評估其充電需求.文獻(xiàn)［11］提出了一種電價動態(tài)調(diào)整的微網(wǎng)運行策略，電價驅(qū)動電動汽車充電模式的改變，實現(xiàn)了微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性優(yōu)化.以上研究對考慮儲能情況下的微網(wǎng)控制策略，然而，對于儲能、光伏發(fā)電的隨機性、波動性未進(jìn)行充分考慮.在實際微網(wǎng)系統(tǒng)的運行中，光伏發(fā)電、電動汽車充電均存在隨機性波動問題，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、光伏消納等帶來了不利影響.為解決此類波動性問題，本文對光伏發(fā)電、儲能及并網(wǎng)策略進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的運行控制策略，以控制直流母線電壓穩(wěn)定以及對光伏發(fā)電的有效利用.

1 系統(tǒng)模型

1.1 光伏模塊

光伏電池用于將光能轉(zhuǎn)換為電能，使用半導(dǎo)體材料硅作為其主要原料的電池.其原理是通過光生伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能，當(dāng)光照射在半導(dǎo)體的PN結(jié)時，PN結(jié)兩邊出現(xiàn)電壓.光伏模塊是由多個太陽能電池組合而成的光伏陣列，通過光伏陣列將光能轉(zhuǎn)換為直流電，再通過單向DC/DC變換器將不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)換為具有穩(wěn)定輸出電壓和電流的電能.

其中，Iph表示光伏發(fā)電時的短路電流；k表示電池的溫度系數(shù)，一般取值為常數(shù)；S表示該時刻下的光照情況；T代表該時刻下的環(huán)境溫度，Id為光伏電池中二極管所收到的反向飽和電流；q取值為電子的荷電常數(shù)；A表示二極管的影響因子，通常取1~2.

1.2 儲能模塊

在微網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)光伏發(fā)電過剩和電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時，儲能模塊的蓄電池將會儲存多余的電能；當(dāng)電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰或光伏陣列發(fā)電量無法提供足夠的功率時，儲能電池會放電并對電能進(jìn)行補充.儲能模塊主要有穩(wěn)定分布式電源的輸出、備用電源、調(diào)峰等作用［12］.

雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可根據(jù)微網(wǎng)中電能的需求，改變電能傳輸?shù)姆较?此時其端口之間的電壓極性不發(fā)生變化，電動汽車和蓄電池通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到直流母線，從而實現(xiàn)儲能與微網(wǎng)、電動汽車與微網(wǎng)之間的雙向電能流動，提高系統(tǒng)的動態(tài)性［13］.

雙向DC/DC的電路為升降壓電路，變換器具有升壓和降壓兩種模式.變換器工作在Buck模式時，電能由直流母線流向蓄電池或電動汽車，進(jìn)行儲能充電.

充電回路傳遞函數(shù)為：

其中，Ub為儲能電池的端電壓，L為電感，Us為電壓，Rbat為電池內(nèi)阻.

儲能向直流電網(wǎng)輸出電能時，變換器工作在Boost模式，并向電網(wǎng)進(jìn)行放電.放電回路的傳遞函數(shù)為：

其中，Tl為磁慣性時間常數(shù).

1.3 并網(wǎng)變流器

雙向AC/DC變換器是直流微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)的接口，能夠控制直流母線和大電網(wǎng)的能量雙向流動，保持直流母線電壓穩(wěn)定.在提高系統(tǒng)運行效率等方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［14］.當(dāng)轉(zhuǎn)換器在整流模式下工作時，電能通過交流電網(wǎng)流到直流微電網(wǎng).當(dāng)轉(zhuǎn)換器在逆變器模式工作時，電能的流向是從直流微電網(wǎng)流向交流電網(wǎng).

AC/DC雙向變換器的開關(guān)管運行情況根據(jù)上式應(yīng)有8種組合（23=8），每一種組合均是變換器一種不同的工作方式.以a相回路舉例，在上橋臂T1導(dǎo)通而下橋臂T4關(guān)斷時，對應(yīng)的開關(guān)函數(shù)值為Sa=1，Ua=Udc；對于上橋臂T1關(guān)斷而下橋臂T4導(dǎo)通時，對應(yīng)Sa=0，Ua=0，可知Ua=SaUdc.

在abc坐標(biāo)系中對AC/DC變換器進(jìn)行建模和分析時，會由于交流大電網(wǎng)側(cè)具有時變性的正弦交流電而為系統(tǒng)設(shè)計帶來較大困難，d-q坐標(biāo)系將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系.利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流分量表示AC/DC轉(zhuǎn)換器中的交流變量，這顯著地降低了計算的復(fù)雜度［15］.

雙向AC/DC變換器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為：

其中，id、iq分別為變換器交流側(cè)電流的d、q分量；ed、eq分別為AC/DC雙向變換器交流側(cè)電源電壓的d、q分量；Sd和Sq是開關(guān)函數(shù)的d、q分量.

2 控制策略

2.1 控制步驟

在以上建立的微網(wǎng)系統(tǒng)模型中，光伏發(fā)電、電動汽車充電過程均存在著較大的隨機性與波動性.為消除波動性的影響，基于上述研究本文提出了一種微網(wǎng)運行策略.在保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，實現(xiàn)對光伏發(fā)電的有效消納.步驟如下：

（1）系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測：對其運行電壓、功率等參數(shù)進(jìn)行檢測，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài).

（2）光伏模塊檢測：對其發(fā)電電壓、功率進(jìn)行檢測，判斷光伏模塊的運行狀態(tài).

（3）光伏最大功率點跟蹤：動態(tài)追蹤光伏電池在周圍環(huán)境變化下的最大功率點，實現(xiàn)對太陽能資源的有效利用.

（4）儲能模塊檢測：對其電壓、電流進(jìn)行檢測，判斷儲能模塊的運行狀態(tài).

（5）儲能模塊充放電狀態(tài)控制：控制雙向DC/DC變換器中開關(guān)管的開通與關(guān)斷，對儲能模塊進(jìn)行充放電控制.

（6）變流器狀態(tài)檢測：對變流器兩側(cè)的電壓進(jìn)行檢測，從而確定變流器的開關(guān)控制方向.

（7）變流器雙向控制：對雙向AC/DC變換器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)母線和大電網(wǎng)的能量雙向流動.

微網(wǎng)系統(tǒng)模型的控制策略流程圖，如圖1所示.

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

2.2 光伏最大功率點跟蹤

由于光照情況的波動性，光照強度和環(huán)境溫度均會隨之產(chǎn)生較大的波動.從而引起光伏電池運行情況的變化，導(dǎo)致輸出的功率產(chǎn)生波動.為實現(xiàn)對太陽能資源的有效利用，需要對光伏電池的功率點進(jìn)行有效跟蹤，從而實現(xiàn)最大功率輸出.該控制策略通常在PV陣列與負(fù)載之間，增加一個DC/DC升壓電路進(jìn)行實現(xiàn).

實現(xiàn)光伏電池最大功率的控制方法包括電導(dǎo)增量法、恒壓控制法、擾動觀察法等.為實現(xiàn)對微網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制融合，本文采用擾動觀察法進(jìn)行控制.每隔一小段時間，給光伏電池輸出的電壓施加一個小擾動.通過功率計算公式分別計算擾動前和擾動后的光伏輸出功率.若施加擾動后的功率Pn+1比擾動前的Pn大，則證明施加的電壓擾動提高了光伏的功率輸出，再經(jīng)過同樣一小段時間后繼續(xù)同方向進(jìn)行擾動；若Pn+1

2.3 儲能電池控制策略

為維持微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，雙向DC/DC變換器，需要具備為儲能電池充電、放電狀態(tài)進(jìn)行切換的能力［16］.為實現(xiàn)對充放電狀態(tài)的有效切換，需要對模塊的運行狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制.為此，引入了反饋控制策略.在雙向DC/DC控制器中，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)從而形成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)運行.

在電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制系統(tǒng)中，為了保證控制精度和實效性，采用PI控制算法.將直流母線的參考電壓和直流母線上的實際電壓值進(jìn)行比較，并將差值作為輸入.通過PI控制器進(jìn)行控制外環(huán)信號計算，電流差值則作為輸入信號.通過PI控制器進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制信號計算、經(jīng)過內(nèi)外環(huán)的控制信號計算，可以得到PWM波作為輸出的控制信號，從而實現(xiàn)對DC/DC變換器中開關(guān)方向的有效控制.

2.4 三相AC/DC雙向變流器控制策略

在d-q坐標(biāo)系下，三相AC/DC雙向變流器模型的本質(zhì)為耦合系統(tǒng)，即變流器的電流會受到各個環(huán)境值的影響.為消除耦合項對系統(tǒng)的影響，應(yīng)用前饋解耦控制方法首先實現(xiàn)了對耦合量的消除.對于電流調(diào)節(jié)器，引入了PI閉環(huán)控制系統(tǒng).對于三相AC/DC雙向變流器，通過電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的雙閉環(huán).通過對實際直流母線電壓進(jìn)行采集，并與參考值進(jìn)行對比.將差值作為輸入，通過PI控制器進(jìn)行控制信號計算.同時對q軸的指令電流參考值取值設(shè)置為0，從而通過相對取值使無功功率的流動為0.在d-q坐標(biāo)系下，將實際電流分別與指令電流進(jìn)行比較.經(jīng)過PI控制器進(jìn)行計算其差值得到控制信號，從而生成電壓輸出信號，實現(xiàn)對雙向變流器的有效控制.

3 系統(tǒng)仿真

為了驗證微網(wǎng)控制策略的有效性，本文基于Matlab/Simulink平臺對微網(wǎng)系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行仿真實驗和數(shù)據(jù)分析.

模型參數(shù)設(shè)置：光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制輸出為3000 W，直流母線電壓為600 V；電動汽車的電池采用鋰電池，額定電壓為240 V，額定容量為70 Ah；儲能單元采用超級電容器，額定電壓為300 V，大小為2 F；直流側(cè)負(fù)載為兩個并聯(lián)的RLC串聯(lián)負(fù)載，消耗功率恒定，分別為1500 W和3000 W.光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采用青海某分布式光伏電站2020年6月共計30天的真實發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，電動汽車充電波動采用某充電站充電數(shù)據(jù)進(jìn)行換算.

仿真環(huán)境采用Intel Core i5 CPU，內(nèi)存為16 GB，Windows 10操作系統(tǒng)的計算機進(jìn)行搭建.

由于光伏發(fā)電、電動汽車充電模塊的波動性，系統(tǒng)運行共分為4個場景.場景1：光伏電源發(fā)出功率大于負(fù)載消耗功率，且電動汽車和儲能的荷電量均處于最大值與最小值（即充電極限、放電極限）之間；場景2：光伏電源發(fā)出功率小于負(fù)載消耗功率，且電動汽車和儲能的荷電量均處于最大值與最小值之間；場景3：光伏電源發(fā)出功率大于負(fù)載消耗功率，負(fù)荷所需功率全部由光伏提供；場景4：光伏電源發(fā)出功率小于負(fù)載消耗功率，光伏只能為負(fù)荷提供一部分功率，同時電動汽車和儲能的荷電量均大于最大值.

為了驗證策略的效果，與充電優(yōu)先策略下的系統(tǒng)電壓進(jìn)行對比，對比值包括仿真時間段內(nèi)，各場景下的電壓平均值、電壓最大偏差，對比結(jié)果見表1所示.

表1 微網(wǎng)運行電壓對比

由以上結(jié)果可知，所提出的策略有效保證了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在電壓標(biāo)準(zhǔn)值附近.

同時，為驗證該控制策略的詳細(xì)運行情況，對各場景運行情況及光伏發(fā)電利用情況進(jìn)行了分析.

場景1：光伏輸出功率大于負(fù)荷功率.此時光伏電池提供負(fù)荷的全部功率，電動汽車和儲能系統(tǒng)均處于穩(wěn)定充電狀態(tài)，荷電量不斷上升，電能由多余的光伏輸出和大電網(wǎng)提供.

場景2：光伏輸出功率小于負(fù)荷功率，光伏全部功率輸出給負(fù)荷，剩余的負(fù)荷功率由大電網(wǎng)輸出的功率提供.此時電動汽車與儲能單元繼續(xù)充電，但充電速度有所降低，充電電能由大電網(wǎng)提供.

場景3：電動汽車與儲能單元都處于放電狀態(tài)，釋放的電能和光伏剩余功率均逆變回饋給大電網(wǎng).

場景4：電動汽車與儲能單元均放電，為負(fù)荷提供所需的剩余功率，荷電量持續(xù)下降至趨近于0.交流電網(wǎng)幾乎不與直流微網(wǎng)進(jìn)行功率交換，直流母線電壓由電動汽車和儲能放電維持.

4 結(jié)論

光儲式電動汽車充電站直流微網(wǎng)在充分利用光伏發(fā)電和電動汽車儲能作用方面發(fā)揮著重要的作用，然而也面臨著光伏發(fā)電、電動汽車充電的隨機性波動問題.為解決這一問題，本文制定了微網(wǎng)系統(tǒng)中各單元的控制步驟，提出基于光伏電池最大功率跟蹤、儲能電池充放電控制及系統(tǒng)并網(wǎng)控制的微網(wǎng)運行策略.該控制對光伏發(fā)電模塊進(jìn)行功率跟蹤控制，以有效提高光伏發(fā)電的利用率.針對儲能模塊，采用雙向變換器對電池充放電狀態(tài)進(jìn)行控制，并基于雙向AC/DC變換器對直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)能量的雙向流動進(jìn)行控制.仿真結(jié)果表明，在各種運行場景下該控制策略均可有效運行，提高了微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和光伏的利用率.