基于储能电池系统的微电网设计①

王少东，罗秀英，朱海涛，代妮娜，雷国平

(1.国网重庆市电力公司，重庆 400000；2.重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆 404100；3.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100089)

1 引言

最近，世界电力系统开始去中心化和脱碳化。过度使用化石燃料发电不仅导致了燃料成本的上升和化石燃料的消耗，还造成了全球变暖等环境问题。这导致了对替代解决方案的探索，如太阳能光伏(solar photovoltaic,SPV)、风能和其他类型的可再生能源(renewable energy sources,RES)来发电[1]。RES集成到本实用功能中的快速进展已重新规划了集中式实用程序的结构，提出了分布式能源系统(distributed energy system,DES)，RES是分布式能源(distributed energy resources,DERs)的关键组成部分。能源是不可预测的，它们的发电是不可控制的。快速崛起的电驱动发电，给电网的可控、安全运行带来了新的挑战。在20世纪90年代末，美国和欧洲开始探索分散式解决方案，以一种在面对自然灾害、物理和网络攻击以及级联电力故障时最大限度地提高可靠性和弹性的方式，管理成千上万个DERs的集成。他们得到了一种网格结构的解决方案，即在主电网故障时可以自动隔离的网格分区中进行发电和需求的局部管理，这种方法被称为“微电网”。

微电网由大量的RES组成，负载和ESS以一种很好的方式连接在一起，从而能够减少负载和电源之间的物理距离。在未来的电力系统中，微电网将成为可再生能源、储能系统和负荷有效集成的重要组成部分。文献[2]对微电网和不同的能量管理系统进行了详细的综述。由于功率转换阶段的减少，直流微电网比交流微电网更灵活。此外，直流微电网不受交流系统中常见的频率同步、无功潮流、谐波电流等电能质量问题的影响。因此，与交流微电网相比，直流微电网的整体控制不那么复杂。由于直流微电网建模能力有限，在建筑电力系统、数据中心、住宅小区、插电式混合动力汽车等领域得到了广泛的应用。

2 相关工作

可再生能源发电的迅猛发展，给微电网的安全、可靠和可控运行带来了诸多挑战。微电网领域的主要研究方向是微电网的能量管理与控制。在文献[3]中，研究了一种具有功率跟踪控制的集中式能量管理系统。Athira等人[4]提出了一种带混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)的孤岛式直流微电网原型模型。在由先进光伏发电机组组成的微电网的能量管理中，Al-Dhaifallah等人[5]提出了一种微型燃气轮机。Han等人[6]提出了基于分层控制的微电网功率优化方法。

本文介绍了一种适用于住宅配电系统的独立直流微电网的设计与仿真。详细讨论了一种简单的带储能系统和功率转换单元的直流微电网的结构。在MATLAB中对微电网模型进行了仿真，分析了微电网各部件的性能。

3 独立式直流微电网设计

图1展示了一个独立的直流微电网，带有SPV源，单向和双向DC-DC转换器，能量采集系统(energy storage system,ESS)和直流负载。SPV系统采用最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制器，从SPV源获取最大功率输出。MPPT控制连接到光伏电源的DC-DC变换器。双向DC-DC变换器连接储能系统和直流母线。该系统采用12 V电池作为ESS。蓄电池充电所需的12 V由双向DC-DC变换器提供。这12 V直流再次转换回48 V直流，为直流母线和连接到直流母线的48 V直流负载提供电源。

图1 独立式直流微电网系统Fig.1 Block diagram of stand-alone DC microgrid system.

3.1 SPV电池的数学模型

图2显示了SPV电池的等效电路。它由电流源(Iph)、二极管(D)以及串联电阻Rse和并联电阻Rp组成。理想SPV电池的输出电流可以表示为

I=Iph-ID-Ish

(1)

其中，Iph为SPV电池产生的输出电流，Id为肖克莱方程。

Iph=G·[Isc-KI(Tc-Tr)]

(2)

其中，Isc为SPV电池的短路电流。短路温度系数用KI表示，SPV电池的参考温度用Tr表示，SPV电池的标准测试条件(Standard Test Conditions,STC)是电池温度，Tc=25 ℃，太阳辐照G=1 000 W/m2。

(3)

其中，Is是二极管饱和电流，q为电子电荷(1.60×10-19℃)，k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)。σ是理想因素。

图2 SPV电池的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of SPV battery.

3.2 SPV特征

SPV的输出是间歇性和随机的，即SPV模块/阵列的功率输出随着SPV电池上入射光的温度或辐照度的变化而变化。因此，SPV电池的特性是非线性的。SPV电池在不同辐照度和温度下的功率-电压特性分别如图3所示。

图3 不同辐照度条件下SPV电池的P-V特性Fig.3 P-V characteristics of SPV battery under different irradiance conditions.

3.3 MPPT

当辐照增加时，SPV电流增加，反之亦然。但不同辐照条件下的电压水平几乎相同。同样，SPV电压随温度的升高而降低，而电流几乎保持不变。结果表明，功率随温度和辐照的变化而变化，SPV的最大功率点(maximum power point,MPP)随辐照的增加而增大，随温度的升高而减小。因此，为了获得最大功率，必须改变电源调节单元的工作点，以匹配PV源的负载电阻。MPPT控制器与SPV系统协调，在MPP条件下运行系统。光伏能源转换系统采用MPPT，以连续调整DC-DC变换器的工作点，使其从太阳能阵列提取最大功率，而不管天气条件[7]。最常用的最大功率跟踪算法是扰动观察(perturbation and observation,P&O)算法。还有其他几种算法，如增量电导算法、恒压算法、短路电流算法。许多文献也提出并讨论了软计算和混合MPPT[8]。在传统的MPPT算法中，P&O算法主要应用于SPV系统。这种技术是基于爬坡原理，即光伏组件的工作点向功率增加的方向移动。P&O算法虽然有其优点，但也存在一定的缺陷。P&O的主要缺点是它引起占空比的振荡，从而迫使工作点在MPP周围来回移动。还有一种简单的MPP跟踪脱机方法，叫做查找表(look-up table,LUT)MPPT，它将之前存储在内存中的计算数据用于MPP跟踪。本文采用LUT MPPT控制器对MPP进行跟踪。与其他传统MPPT相比，LUT MPPT具有更大的优势，因为它的计算时间更短。输出响应速度快，输出稳定。LUT是使用先前计算的数据开发的。LUT有两个输入范围，500～1 300 W/m2，间隔100 W/m2，温度范围25～55 ℃，间隔10 ℃。辐照度和温度是LUT的输入，占空比直接作为输出。

3.4 DC-DC转换器

SPV系统的能量收集需要一个高效的DC-DC变换器，SPV系统主要采用DC-DC升压变换器，图4显示了DC-DC升压变换器的电路。双向DC-DC变换器完成从电源到储能系统的切换，并放电电池以向负载提供能量。设计了一种双开关双向直流变换器(48～12 V)，并连接到48 V直流母线上。电池在降压模式下充电，在升压模式下放电。

图4 DC-DC升压变换器电路Fig.4 DC-DC boost converter circuit.

4 结果与讨论

所选SPV模块的额定输出功率为100 W。DC-DC变换器有18 V输入和36 V输出。升压变换器的输出由48 V调节器调节，为直流母线提供恒定的48 V。采用标准设计方程设计DC-DC变换器。SPV面板的规格以及升压和双向直流变换器的设计参数见表1，在MATLAB2016a版本软件中进行仿真。

表1 关键参数Table 1 Key parameters.

图5给出了给定输入情况下MPPT控制器的占空比跟踪。基于输入LUT从预先分配的数据中提取占空比，因此输出相对于输入的变化是瞬时的，占空比是恒定的。

图5 MPPT控制器产生的占空比Fig.5 Duty cycle generated by MPPT controller.

图6为SPV模块、DC-DC变换器和升压调节器的输出电压。DC-DC变换器升压变化的输入直流电压，产生变化的直流输出。设计的系统直流母线电压为48 V。为了在直流母线侧获得48 V的恒定输出电压，在DC-DC升压变换器和直流母线之间连接48 V升压稳压器。图6显示了调节器产生的稳压直流输出。调节器的控制由PI控制器实现，在所有条件下提供恒定的输出电压(48 V)。由结果可以看出，当调节器的输入电压发生变化时，PI控制器调节占空比，输出电压回到参考值，保持48 V输出恒定。

图6 SPV的输出特性Fig.6 SPV output characteristics.

ESS在双向变换器的buck模式工作时充电，在boost模式工作时放电。为了研究ESS的充放电特性，将48 V电池作为负载连接到直流母线上，双向变换器以Buck方式工作。图7描述了ESS电池和负载电池的充放电情况。可以看出，ESS在放电的同时，直流母线负载(48 V电池)正在充电。

图7 ESS电池充放电情况Fig.7 ESS battery charge and discharge.

5 结论

本文介绍了一种带储能系统的单机直流微电网系统的设计与仿真。通过仿真所建立的微电网模型，分析了变换器、稳压器、MPPT控制器、ESS和负载等部件在不同输入条件下的运行和性能，给出了仿真结果并进行了详细讨论。