基于分散PV-BES协调架构的孤岛直流微网电压控制

发布时间：2021-11-19

　　摘要：提出了一种用于即插即用微网的分散光伏-电池储能(PV-BES)协调控制方法。当电池储能单元因荷电状态(SOC)限制或充放电功率限制而达到饱和状态时，光伏发电单元可以在直流母线电压控制下运行。模式转换和功率共享基于一种无通信的方式。通过绕过通信，微网(MG)系统可以变得更加灵活可靠。所设计的控制系统分别包含光伏变换器和BES变换器的控制器。PV变换器控制器可以实现最大功率点跟踪控制和下垂控制之间的无缝模式转换。BES变换器控制器具有高通滤波器路径解耦的特性，在发电主导模式下可改善MG动态性能。BES高通滤波补偿克服了PV主导模式下动态性能差的问题，使系统对PV参数变化具有更强的抵抗能力。最后，仿真和实验结果验证了这一方法的有效性。

　　关键词：直流微电网;模块化微电网;分散控制;下垂控制

　　近年来，光伏发电(photovoltaic，PV)已成为主流分布式能源。PV 具有分布广、零排放的优点，是边远地区很有前景的能源解决方案[1-3] 。与传统集中发电相比，PV 具有分布式特性，它依靠微电网(microgrid，MG)，是利用太阳能的有效途径[4-7] 。MG 集发电、负荷、储能于一体，可以持续稳定地提供电能，支持多种负荷，同时保持低前期成本和较短前置时间。除了传统 MG 外，可扩展插拔式(plug-n-play，PnP)MG 已经成为学术界和工业界研究的热点[8-10] 。PnP MG 可以进一步降低设计和安装成本，并允许用户在需求增长时有机地增加电网的支撑能力。直流 MG因其可靠性、效率高，控制简单等优点而倍受关注，有利于孤岛PnP MG的应用[11] 。目前，PnP MG 已经成为解决农村地区能源贫困问题的一个有效解决方案。为了实现 PnP MG 的高模块化和可扩展性，设计的关键因素与传统 MG 有较大不同[12] ，除了高度模块化的硬件结构外，还需要开发完全独立于通信的分散控制系统，其中，下垂控制是最常用的分散控制方法，可实现 MG 的电压调节和功率分配。与并网 MG 系统不同的是，在孤岛 MG 系统中，没有主电网支撑能量和稳定电压，功率平衡需要由 MG 自身调节来维持。通常采用下垂控制系统来平衡发电与负载之间的功率不平衡。然而，由于电池储能(battery ener⁃ gy storage，BES)系统的荷电状态(SOC)限制和充放电功率限制，BES 系统的调节能力有限。因此，当 BES饱和时，需要用 PV发电作为母线调压器。PV 除了最大功率点跟踪(MPPT)模式外，光伏变流器还应能够在下垂控制模式下运行，以提高系统的直流母线调压能力[13] 。为了在无通信的情况下同时实现 PnP MG 的功率分配和模式转换，文献[14]提出了一种带直流母线信号的分散模式自适应控制技术，以实现无通信的下垂控制协调。文献[15]将分散控制方法应用于 PnP 微电网系统的远程电气化。这种分散控制方法比增加一个中央控制器和一个通信线路具有更高的可靠性、灵活性和可扩展性。除了模式自适应，光伏发电需要能够在母线电压控制模式下运行，而目前大多数光伏产品只考虑最大功率跟踪控制。此外，BES 系统通常采用传统的下垂控制[16-17] 。应用于光伏发电时，其性能会变差。在母线控制模式下，特别是在轻载情况下，母线电压调节很弱。由于气候条件的不同，光伏参数变化很大，这也增加了控制系统的设计难度。因此，可能会有非常大的超调量，从而损坏系统或导致安全问题。因此，对于 PV 来说，在其运行过程中需改进下垂控制，使其既具有鲁棒性，也有一定经济性[18-19] 。

　　为了解决上述问题，本文提出了一种基于 PV-BES协调架构的PnP MG电压控制方法，该方法可在 PV 发电主导模式下，利用 BES 系统补偿暂态能量，在不增加任何附加元件的情况下，也能保持系统电压在可接受的范围内。此外，该方法属于一种分散式无通信控制，能够无缝模式转换，具有更强的鲁棒性，非常适用于PnP MG。

　　1 分散PV-BES协调控制设计

　　为了在直流微电网中实现 PV 和 BES 的 PnP 特性，本文提出了一种完全非通信的分散控制系统。控制系统分别包含 BES变换器和 PV 变换器的独立控制器。采用所提出的控制方法，当新的光伏组件或 BES 组件安装到 MG 中时，现有变流器的控制参数不需要进行任何调整。在存储控制和发电控制两种模式下，均能保持直流环节电压调节的鲁棒性和快速响应。图2为直流母线电压信号的通用下垂协调。

　　1.1 PV变流器的控制方法图 3 为所提模式自适应 PV 控制图。该控制方法含内环控制 PV输出电流、中间环控制 PV端电压和外环为V-I下垂控制环。外部环路的输出 Vbus 经过一个饱和器，其上限设置为 MPPT 电压 VMPP。通过设置PV下垂控制的额定母线电压，使 V ∗ bus,PV高于BES变换器的额定母线电压，只要BES 变换器调节母线电压，PI 控制器的输出 Vbus 将始终饱和到 VMPP。当 BESs 过度充电时，Vbus 将比 VPV,ref上升得更快，VPV,ref将减小到低于VMPP。因此，降低光伏组件的输出功率，可实现光伏组件的无缝模式转换。值得注意的是 VPV,ref 的饱和特性要求在下垂控制中增加积分器，这就解释了为什么 PV 变流器控制采用 V-I 下垂控制，而不是 I-V 下垂控制。与典型的V-I下垂控制系统不同，该PV 控制器有三个控制回路。它需要两个回路(vPV回路和iPV回路)来稳定PV输出功率，而不是BES应用中简单的电流回路。并且由于MPPT控制的带宽比PV电压环慢得多，在稳态下，iPV=iPV0。因此，可以使用iPV作为最大功率跟踪控制器的参考值，以减少电流传感器的数量，而不是使用 iPV0。此外，该方法为 V-P下垂控制，利用 PV测量的功率代替直流母线侧测量的电流，进一步减少电流传感器的数量。对于提出的 PV 控制系统，总共只需要一个电流传感器。最大的内部控制环带宽是由开关频率限制的，每个控制环与其相近控制环通常有5~10倍带宽差。因此，增加控制回路的数量会使外回路的动态性能变差。本文提出的 BES变流器控制器将提供动态补偿，以帮助在PV 主导模式下实现电压调节，以解决上述问题。

　　1.2 BES变流器的控制方法

　　如上所述，PV下垂控制在母线电压调节方面的动态性能相对较差。此外，PV变换器的功率流是单向的。因此，在零负载情况下，如果 BESs不能进一步吸收能量，由于能量不能消耗，母线电压将保持在峰值过调值。因此，即使在发电控制模式下，也必须保持 BES 变换器的动态调节能力。与PV变换器不同，BES变换器不需要复杂的模式转换。可使用 I-V 下垂控制。在 I-V 下垂控制中，只有一个电流环被使用。带宽可以比 V-I 下垂控制高很多。随着 BES 辅助 PV 下垂控制，在储能主导和发电主导模式下，均能保持高性能的动态响应。

　　传统I-V下垂控制通过一个低通滤波器(LPF)和一个高通滤波器(HPF)解耦成两条路径。LPF 路径能够提供稳定状态下的功率分配和功率均衡能力。采用 HPF 路径作为动态补偿路径来补偿暂态能量。当 LPF和 HPF的时间常数相同时，二者的组合性能与传统的I-V下垂控制相似。上述解耦设计具有以下优点：1)不同的电流限制可以放在两个路径上。主功率流由 LPF路径决定。 HPF路径对能量交换影响不大，对BES 的SOC水平影响不大。因此，即使LPF路径饱和，BES动态补偿路径也能保持主动。2)两种路径可采用不同的下垂系数。LPF 路径可以有一个较大的值 m1 来缩小母线电压稳态误差。HPF 路径可以有一个相对较小的m2值，以避免噪声的影响。对于稳态分析，可以忽略HPF路径的影响。

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　　本文在 BES 的 I-V 下垂控制中增加了 SOC 项，实现了SOC的自收敛。与现有改进下垂控制不同，该方法在下垂线路上增加了一个离线控制，以更好地适应直流母线电压信号。此外，传统 I-V 下垂控制的输出电流与电压误差成正比，它包含一个 SOC 斜坡项。具有附加项时，当 BES 的 SOC 水平高于 SOC* 时，输出电流略有增加;当 SOC 低于 SOC* 时，输出电流略有减小。因此，多个BES之间的SOC可以达到收敛。

　　2 系统稳定性分析

　　除了下垂控制器外，PV控制器还有一个三重环结构(包括PV电流环、PV电压环和直流母线电压环)。因此，控制参数必须仔细选择，以避免控制回路之间的相互作用。伯德图可以清晰地显示各控制回路的分频，指导各控制回路的设计。对于包括 V-I 下垂控制器在内的整个系统，由传递函数模型推导出状态空间模型，更便于评价系统的整体性能。

　　2.1 传递函数模型

　　图4为带BES HPF补偿的控制方框图。

　　3 仿真分析与实验验证

　　为验证本文所提方法的可行性与有效性，本文对不同负荷状态下 PV 变流器控制模式由 MPPT 控制转变为下垂控制进行仿真和实验研究。仿真系统相关参数如下：储能系统电压 V * bus,BES=48 V，母线电容 Cbus =660 μF，控制器参数 kp,bus =3.5，ki,bus =100，kp,PV=10，ki,PV=2，内阻 r=1/100，光伏电压V * bus,PV=53 V，光伏电容CPV=200 μF，控制器参数m1=1，m2=1，时间常数tLPF=0.01，时间常数 tHPF=0.01，储能电压VBES=48 V。

　　图 8为无 BES HPF 补偿的 PV-BES 下垂控制协调仿真结果。

　　由图 8可以看出，负载为 25 W 时，PV暂态时刻母线电压有 14% 的超调。切换到下垂控制。在负载较轻的情况下，超调量增加到 20%，远远超出了可接受的电压波动范围。随着光伏发电额定值的提高或负载的减少，电压峰值甚至可能进一步增加。

　　采用BES HPF补偿的PV-BES协调控制仿真结果如图9所示。在图9a中，负载为25 W时，PV 控制模式切换到下垂控制的暂态母线电压只有 4.8%的超调。图9b中2.5 W负载时，超调量仍保持在 4.7% 左右。虽然母线电压需要较长的时间才能稳定下来，但始终保持在一个非常小的波动范围内，这对 MG 系统的影响可以忽略不计。采用 BES 高频滤波器补偿后，BES 的功率在暂态时不会立即变化到零，而是缓慢地达到零，从而阻止母线电压的上升。

　　本文还通过实验验证了所提方法的有效性和优越性，实验装置如图 10 所示。PV 模拟器用于模拟 PV 输出。转换器由 TI F28379d DSP 控制。参数设置同上述仿真系统相关参数。图 11 为不同BES HPF时间常数下PV-BES协调控制暂态实验结果。图 11a 中，BES HPF 未激活或 tHPF= 0，PV切换到下垂控制的暂态过程中，直流母线电压有较大的过冲，与图 8a 的仿真结果一致。图11b 中 tHPF 增大到 0.01，在 BES HPF 补偿的帮助下，瞬态过程在3 V超调的情况下变得更加平滑。图 11c中 tHPF进一步增大到 0.05，瞬态超调量进一步阻尼到 2 V 左右。由此可见，本文所提方法的电压调节性能良好。

　　图 12 为 2.5 W 负载下 PV 控制模式由 MPPT 变为下垂控制的实验结果。超调量保持在2 V左右，波形与仿真结果如图9b所示吻合较好。

　　从所有的结果可以看出，瞬态过程分为三个阶段(由于稳定时间较长，在图 12 中更加明显)。在第 1 阶段，BES 完全充电，母线电压升高，由于 HPF 防止母线电压过冲，BES 充电电流缓慢下降;在第 2 阶段，光伏输出功率降低到低于负载，母线电压降低。HPF 通路将始终阻碍母线电压的变化。因此，在此阶段 BES 将会放电;第 3 阶段，母线电压降至下垂控制器设定的值，BES 高频滤波器的输出趋于零，达到新的稳态。

　　4 结论

　　本文提出了一种 PV-BES 协调控制方法，克服了 PV发电控制模式下母线电压调节的控制问题。整个控制方案保持了分散的、少通信的方式，可用于即插即用微电网(PnPMG)。所提出的方法利用了现有的BES系统，通过解耦控制回路，即使在发电控制模式下，BESs仍能提供动态补偿。最后，通过仿真和实验对本文所提方法进行了验证。——论文作者：马红明1 ，耿泉峰1 ，霍雨佳1 ，王朔2