_海岛光储直流微电网自治控制策略
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Ipv 单向DC-DC变换器 L1 iL Q1 PWM MPPT控制 Upv U pv MPPT + Upv Ipv PI 恒压控制 Udc + Udc
1
海岛微网系统结构
本文建立了适用于海岛供电的自治型光储直
流微网系统如图 1 所示。系统由光伏系统、储能系 统、变流器、交流负荷 Load1、直流负荷 Load2、 可控负荷 Load3、可控负荷切并网开关 KM 组成。 光伏电池出端电压较低且存在较大的波动性，选择 升压 Boost 型 DC/DC 变换器， 实现升压、 稳压及最 大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT) 功能[12]。 储能电池根据并网变流器的直流电压范围 和储能系统的设计容量通过一定的串并联连接后， 经变流器并网 。光伏系统与储能系统在直流母线 上汇流后，通过光储协调控制维持直流母线电压恒 定。能量消耗单元包括直流负荷、交流负荷和可控 负荷。可控负荷可用来模拟海岛微网内的海水淡化 负荷，通过对可控海水淡化负荷的投切控制，改善 海岛内的淡水供应并辅助系统功率调节。直流负荷
基金项目： 国家高技术研究发展计划项目 (86 3 计划 )(2 012 A A051201)。 The National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2012AA051201).
关键词：直流微电网；光储；直流母线电压；自治控制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.002
BI Daqiang1, FAN Zhufeng2, XIE Dongguang2, REN Xianwen2
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China) ABSTRACT: An autonomous control is proposed for DC island microgrid with photovoltaic generation and storage system based on the DC bus voltage control. The operation of system is categorized into several different modes by monitoring the amplitude of DC bus voltage. The DC bus voltage amplitude is employed as an information carrier to determine the operation mode switching. Hence, each controller operates independently without communicating each other. Each power electronic converter coordinates its control method to maintain the constant of DC bus voltage under different modes. A control strategy for desalination plant in the system is proposed, which will be switched on when the power is excess and switched off when the power is shortage. Experimental results show that this control strategy realizes the smooth transition between the different modes, which verifies the practical feasibility and effectiveness of the proposed control strategy. KEY WORDS: DC micro-grid; photovoltaic/battery; DC bus voltage; autonomous control 摘要： 针对海岛光储直流微电网系统， 设计了一种基于电压 幅值的控制策略。 以直流母线电压幅值为判定基准， 将控制 策略设置成不同模式。 利用直流母线电压变化量作为系统模 式的切换基准， 无需控制器间进行通信连接， 提高了系统的 自治性、 可靠性与经济性。 在不同模式中合理调节变流器的 工作方式， 维持直流母线电压恒定， 实现能量最优利用和系 统稳定工作。 针对海岛淡水短缺问题， 设计了可控海水淡化 负荷的投切控制， 在改善海岛内的淡水供应的同时， 辅助系 统功率调节。 实验结果实现了工作模式的平滑切换， 验证了 提出方法的有效性和正确性。
0
引言
我国有着漫长的海岸线， 拥有面积大于 500 m2
的海岛 6 961 个[1]。长期以来海岛的发展受到电力 能源供应的严重制约。由于大多数海岛远离大陆， 若采用长距离海底电缆与大电网相连，由大电网向 海岛供电的方式，不仅经济成本高，而且供电可靠 性低，一旦海缆出现故障或被损坏，很难保证海岛 居民的持续供电。因此，目前这些远离大陆的海岛 大多数是以柴油发电组成的独立供电系统[2]。但随 着近年来海岛经济的不断发展，对电力需求不断加 大，传统上依靠柴油发电为主的供电模式从经济方 面和生态环境方面都不再适用于现今的海岛电网 建设。 由于大多数海岛及周围拥有丰富可再生能源 如太阳能，通过构建高效清洁的海岛能源体系，特 别是大力发展海岛微电网，不仅能够解决海岛化石 燃料短缺、运输困难等问题，对保护海洋环境、促 进节能减排也具有重要的意义[3]。围绕着小型独立 微网系统中多分布式电源的协调控制和能量管理 技术，国内外学术界和工程界开展了大量研究，并 建设了多个具有代表性的示范工程。目前针对微网 控制的研究多采用主从控制方式且由于微网变流 器较为分散，主从控制器之间多依靠通信进行联 系[4-7]，一旦通信失败，将导致微网不能正常运行。 电压是判定系统功率是否平衡的重要指标且 为主从控制器能够检测到的共同指标，通过检测电 压是否恒定可以判定系统功率是否平衡从而据此
Vol. 39 No. 4
MPPT 模式，最大化利用光伏能量。其控制流程如 图3
[14]
制系统功率平衡，维持直流电压的恒定。 2）恒流控制。当储能系统充放电达到功率上 限后，储能系统处于限流控制方式，通过给定储能
充放电电流参考值 I bat ，对储能电池进行恒流充放
所示。
开始 测量U(k)、I(k) 是 P(k)-P(k-1)=0? 否 否 P(k)-P(k-1)>0? 是
电，避免储能电池过充过放。 3）欠压过压控制。出于储能电池成组安全考 虑，对应的电池工作荷电状态区间一般都在 10% 90%之间。当储能电池荷电状态(state of charge，
第 39 卷 第 4 期
电
网
技
术
Ppv Boost 光伏电池 Pbat 双向 DC/DC DC/AC 直流母线 Pload1 load1 load2 Pload2
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相应改变控制策略。利用直流母线电压变化量作为 主从控制器控制策略的切换基准可以不需要主从 控制器间进行通信连接，提高了系统的可靠性与经 济性。 文献[8]提出以直流电压变化量为判定基准的 电压分层协调控制策略，各变流器独立工作，无需 相互通信，可简化控制系统结构，使直流微网具备 “即插即用”功能。但文献侧重点为以风储为微源 的微网控制且只对控制策略进行仿真分析，并没有 进行实验验证，缺乏控制策略可靠性的验证。文 献 [9] 提出一种以直流总线电压作为控制信号的直 流独立电网系统能量管理策略。但是，该方法忽略 了储能电池满电荷状态以及负荷重载状态下直流 母线过低可能导致系统崩溃。文献[10]针对负荷重 载工况下通过卸荷维持系统功率平衡，但依然没有 考虑储能电池处于满电荷状态下的情形。文献 [11] 提出一种改进的基于直流总线电压信息的能量变 换与管理方法，使得系统在极端条件下，如孤岛运 行蓄电池满电荷状态仍能达到功率平衡。但没有考 虑系统负荷重载工况下直流母线电压过低的工况 以及在系统运行过程中可能导致的工作方式频繁 切换的问题，同时微网内只设置直流负荷也不适用 于当前供电方式。 针对上述问题，本文基于直流母线电压幅值设 计了针对海岛光储微网的控制策略，以直流母线电 压幅值为判定基准，将控制策略设置成不同模式， 在不同模式中合理调节变流器及负荷的工作方式， 维持直流母线恒定，实现能量最优利用和系统稳定 工作。
Fig. 1
电池
KM
wk.baidu.com
Pload3 load3(可控)
Ppv—光伏输出功率；Pbat—储能输出功率，储能放电时功率为正； Pload1—交流负荷功率；Pload2—直流负荷功率；Pload3—可控负荷功率。
图 1 光储微网系统结构 Structure of photovoltaic/battery micro-grid system
[5]
PV
直 流 母 线
Upv—光伏电池输出电压；Ipv—光伏电池输出电流；
U pv —光伏电池最大功率跟踪参考电压；Udc—直流母线电压；
U dc —直流母线参考电压。
Fig. 2
图 2 光伏系统控制原理 Controller for photovoltaic system
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毕大强等：海岛光储直流微电网自治控制策略
毕大强 1，范柱烽 2，解东光 2，任先文 2
（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084； 2．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012）
Autonomous Control Strategy of Island DC Microgrid With Photovoltaic and Storage System
可以直接或经单向 DC/DC 变换器与直流母线相连。 交流负荷则经过 DC/AC 变换器与直流母线相连并 通过对 DC/AC 变换器进行恒压恒频(V/f)控制维持 交流负荷电压频率的恒定。
2
系统运行控制
系统运行控制主要包括光伏系统运行及控制、
储能系统运行及控制和海水淡化系统运行及控制。 系统正常运行时，光伏电池进行最大功率跟踪控 制， 储能电池维持直流母线电压恒定。 当负载轻载， 储能电池达到充电功率上限后，海水淡化负荷投 入；若直流母线电压继续向上跃升，光伏电池转为 恒压控制。当负载重载，储能电池达到放电功率上 限后，则进行卸荷控制，切除海水淡化负荷。 2.1 光伏系统运行及控制 光伏系统控制原理如图 2 所示。由于光伏电池 输出电压较低，本文采用单向 DC/DC 变换器升压 后与 直流母线 连接。光伏系 统变流器 主要存 在 MPPT 控制和恒压控制 2 种方式。 1）MPPT 控制。当光伏系统启动后，以微小的 电压波动不断扰动阵列的输出电压，在电压变化的 同时，检测功率变化的方向，从而确定寻优方向， 决定下一步电压参考值的大小[13]， 使变流器工作在
第 39 卷 第 4 期 2015 年 4 月 文章编号：1000-3673（2015）04-0886-06
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 711 文献标志码：A
Vol. 39 No. 4 Apr. 2015 学科代码：470·4054
海岛光储直流微电网自治控制策略
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海岛微网系统结构
本文建立了适用于海岛供电的自治型光储直
流微网系统如图 1 所示。系统由光伏系统、储能系 统、变流器、交流负荷 Load1、直流负荷 Load2、 可控负荷 Load3、可控负荷切并网开关 KM 组成。 光伏电池出端电压较低且存在较大的波动性，选择 升压 Boost 型 DC/DC 变换器， 实现升压、 稳压及最 大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT) 功能[12]。 储能电池根据并网变流器的直流电压范围 和储能系统的设计容量通过一定的串并联连接后， 经变流器并网 。光伏系统与储能系统在直流母线 上汇流后，通过光储协调控制维持直流母线电压恒 定。能量消耗单元包括直流负荷、交流负荷和可控 负荷。可控负荷可用来模拟海岛微网内的海水淡化 负荷，通过对可控海水淡化负荷的投切控制，改善 海岛内的淡水供应并辅助系统功率调节。直流负荷
基金项目： 国家高技术研究发展计划项目 (86 3 计划 )(2 012 A A051201)。 The National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2012AA051201).
关键词：直流微电网；光储；直流母线电压；自治控制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.002
BI Daqiang1, FAN Zhufeng2, XIE Dongguang2, REN Xianwen2
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China) ABSTRACT: An autonomous control is proposed for DC island microgrid with photovoltaic generation and storage system based on the DC bus voltage control. The operation of system is categorized into several different modes by monitoring the amplitude of DC bus voltage. The DC bus voltage amplitude is employed as an information carrier to determine the operation mode switching. Hence, each controller operates independently without communicating each other. Each power electronic converter coordinates its control method to maintain the constant of DC bus voltage under different modes. A control strategy for desalination plant in the system is proposed, which will be switched on when the power is excess and switched off when the power is shortage. Experimental results show that this control strategy realizes the smooth transition between the different modes, which verifies the practical feasibility and effectiveness of the proposed control strategy. KEY WORDS: DC micro-grid; photovoltaic/battery; DC bus voltage; autonomous control 摘要： 针对海岛光储直流微电网系统， 设计了一种基于电压 幅值的控制策略。 以直流母线电压幅值为判定基准， 将控制 策略设置成不同模式。 利用直流母线电压变化量作为系统模 式的切换基准， 无需控制器间进行通信连接， 提高了系统的 自治性、 可靠性与经济性。 在不同模式中合理调节变流器的 工作方式， 维持直流母线电压恒定， 实现能量最优利用和系 统稳定工作。 针对海岛淡水短缺问题， 设计了可控海水淡化 负荷的投切控制， 在改善海岛内的淡水供应的同时， 辅助系 统功率调节。 实验结果实现了工作模式的平滑切换， 验证了 提出方法的有效性和正确性。
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引言
我国有着漫长的海岸线， 拥有面积大于 500 m2
的海岛 6 961 个[1]。长期以来海岛的发展受到电力 能源供应的严重制约。由于大多数海岛远离大陆， 若采用长距离海底电缆与大电网相连，由大电网向 海岛供电的方式，不仅经济成本高，而且供电可靠 性低，一旦海缆出现故障或被损坏，很难保证海岛 居民的持续供电。因此，目前这些远离大陆的海岛 大多数是以柴油发电组成的独立供电系统[2]。但随 着近年来海岛经济的不断发展，对电力需求不断加 大，传统上依靠柴油发电为主的供电模式从经济方 面和生态环境方面都不再适用于现今的海岛电网 建设。 由于大多数海岛及周围拥有丰富可再生能源 如太阳能，通过构建高效清洁的海岛能源体系，特 别是大力发展海岛微电网，不仅能够解决海岛化石 燃料短缺、运输困难等问题，对保护海洋环境、促 进节能减排也具有重要的意义[3]。围绕着小型独立 微网系统中多分布式电源的协调控制和能量管理 技术，国内外学术界和工程界开展了大量研究，并 建设了多个具有代表性的示范工程。目前针对微网 控制的研究多采用主从控制方式且由于微网变流 器较为分散，主从控制器之间多依靠通信进行联 系[4-7]，一旦通信失败，将导致微网不能正常运行。 电压是判定系统功率是否平衡的重要指标且 为主从控制器能够检测到的共同指标，通过检测电 压是否恒定可以判定系统功率是否平衡从而据此
Vol. 39 No. 4
MPPT 模式，最大化利用光伏能量。其控制流程如 图3
[14]
制系统功率平衡，维持直流电压的恒定。 2）恒流控制。当储能系统充放电达到功率上 限后，储能系统处于限流控制方式，通过给定储能
充放电电流参考值 I bat ，对储能电池进行恒流充放
所示。
开始 测量U(k)、I(k) 是 P(k)-P(k-1)=0? 否 否 P(k)-P(k-1)>0? 是
电，避免储能电池过充过放。 3）欠压过压控制。出于储能电池成组安全考 虑，对应的电池工作荷电状态区间一般都在 10% 90%之间。当储能电池荷电状态(state of charge，
第 39 卷 第 4 期
电
网
技
术
Ppv Boost 光伏电池 Pbat 双向 DC/DC DC/AC 直流母线 Pload1 load1 load2 Pload2
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相应改变控制策略。利用直流母线电压变化量作为 主从控制器控制策略的切换基准可以不需要主从 控制器间进行通信连接，提高了系统的可靠性与经 济性。 文献[8]提出以直流电压变化量为判定基准的 电压分层协调控制策略，各变流器独立工作，无需 相互通信，可简化控制系统结构，使直流微网具备 “即插即用”功能。但文献侧重点为以风储为微源 的微网控制且只对控制策略进行仿真分析，并没有 进行实验验证，缺乏控制策略可靠性的验证。文 献 [9] 提出一种以直流总线电压作为控制信号的直 流独立电网系统能量管理策略。但是，该方法忽略 了储能电池满电荷状态以及负荷重载状态下直流 母线过低可能导致系统崩溃。文献[10]针对负荷重 载工况下通过卸荷维持系统功率平衡，但依然没有 考虑储能电池处于满电荷状态下的情形。文献 [11] 提出一种改进的基于直流总线电压信息的能量变 换与管理方法，使得系统在极端条件下，如孤岛运 行蓄电池满电荷状态仍能达到功率平衡。但没有考 虑系统负荷重载工况下直流母线电压过低的工况 以及在系统运行过程中可能导致的工作方式频繁 切换的问题，同时微网内只设置直流负荷也不适用 于当前供电方式。 针对上述问题，本文基于直流母线电压幅值设 计了针对海岛光储微网的控制策略，以直流母线电 压幅值为判定基准，将控制策略设置成不同模式， 在不同模式中合理调节变流器及负荷的工作方式， 维持直流母线恒定，实现能量最优利用和系统稳定 工作。
Fig. 1
电池
KM
wk.baidu.com
Pload3 load3(可控)
Ppv—光伏输出功率；Pbat—储能输出功率，储能放电时功率为正； Pload1—交流负荷功率；Pload2—直流负荷功率；Pload3—可控负荷功率。
图 1 光储微网系统结构 Structure of photovoltaic/battery micro-grid system
[5]
PV
直 流 母 线
Upv—光伏电池输出电压；Ipv—光伏电池输出电流；
U pv —光伏电池最大功率跟踪参考电压；Udc—直流母线电压；
U dc —直流母线参考电压。
Fig. 2
图 2 光伏系统控制原理 Controller for photovoltaic system
888
毕大强等：海岛光储直流微电网自治控制策略
毕大强 1，范柱烽 2，解东光 2，任先文 2
（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084； 2．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012）
Autonomous Control Strategy of Island DC Microgrid With Photovoltaic and Storage System
可以直接或经单向 DC/DC 变换器与直流母线相连。 交流负荷则经过 DC/AC 变换器与直流母线相连并 通过对 DC/AC 变换器进行恒压恒频(V/f)控制维持 交流负荷电压频率的恒定。
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系统运行控制
系统运行控制主要包括光伏系统运行及控制、
储能系统运行及控制和海水淡化系统运行及控制。 系统正常运行时，光伏电池进行最大功率跟踪控 制， 储能电池维持直流母线电压恒定。 当负载轻载， 储能电池达到充电功率上限后，海水淡化负荷投 入；若直流母线电压继续向上跃升，光伏电池转为 恒压控制。当负载重载，储能电池达到放电功率上 限后，则进行卸荷控制，切除海水淡化负荷。 2.1 光伏系统运行及控制 光伏系统控制原理如图 2 所示。由于光伏电池 输出电压较低，本文采用单向 DC/DC 变换器升压 后与 直流母线 连接。光伏系 统变流器 主要存 在 MPPT 控制和恒压控制 2 种方式。 1）MPPT 控制。当光伏系统启动后，以微小的 电压波动不断扰动阵列的输出电压，在电压变化的 同时，检测功率变化的方向，从而确定寻优方向， 决定下一步电压参考值的大小[13]， 使变流器工作在
第 39 卷 第 4 期 2015 年 4 月 文章编号：1000-3673（2015）04-0886-06
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 711 文献标志码：A
Vol. 39 No. 4 Apr. 2015 学科代码：470·4054
海岛光储直流微电网自治控制策略