含電動汽車的直流微電網功率協調控制策略

趙煥同

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454003；2.鶴壁技師學院，河南鶴壁 458031）

近年來，汽車領域朝著智能化、電氣化方向發展，電動汽車的滲透率不斷提高，已成為汽車市場的主流[1]。而隨著電動汽車的滲透率不斷上升，它爆發性地隨機接入電力系統，給電力系統帶來巨大挑戰[2]。直流微電網作為一種集新能源發電技術、儲能技術及檢測保護與控制技術于一體的小型電力網，因其強大的包容性可作為電動汽車接入大電網的媒介，以緩解對電力系統的沖擊[3]。而電動汽車并網（Vehicle to grid，V2G）[4]技術充分利用電動汽車的源-荷特性，通過合理的充放電控制策略來緩解儲能單元壓力，提高供電可靠性?；诖?，提出電動汽車與儲能單元結合而成的聯合儲能協調控制策略，在直流微電網穩定運行中有著重要意義。直流微電網中維持直流母線電壓穩定與功率協調分配是研究的重點[5]。孤島運行狀態下的直流微電網因新能源發電與負荷波動的隨機性會導致功率波動，進而影響電壓質量。故需要儲能單元充電或放電來平抑其盈缺功率，維持直流母線電壓的穩定。但儲能單元為了維持功率平衡需不斷地充電或放電，長時間單一方向動作會使其荷電狀態（State of Charge，SOC）趨于過充或過放，一方面會因為其深度充放電而影響其電池健康；另一方面當儲能趨于過充過放臨界值時會保護系統而停止工作，失去儲能調節后系統會出現電壓波動甚至系統崩潰。

針對上述問題，提出將電動汽車加入直流微電網與儲能單元共同構成聯合儲能系統進行協調控制，通過電動汽車并網（V2G）技術來延緩儲能單元的過充、過放趨勢，以等待系統功率盈缺狀態的轉換。文獻[6]提出了一種電動汽車分布式儲能控制策略，通過劃分充放電車群提高可再生能源調度性且減少電動汽車充放電切換次數，驗證了車群劃分對于延長電池壽命的正確性；文獻[7]基于儲能SOC 偏差和直流母線電壓偏差對儲能單元采用改進的模糊下垂控制，在直流微電網8 種不同運行模式下進行模擬，均可提高儲能利用率，但儲能深度使用問題仍無法解決；文獻[8]利用超級電容和蓄電池的互補特性設計了混合儲能在系統多模式運行下的聯動控制，實現了直流微電網多運行模式下的平滑切換，但它并未考慮儲能SOC 變化對混合儲能功率分配的影響；文獻[9]通過無線充電電動汽車與光儲直流微電網的融合，將它劃分為3 種運行方式并提出基于功率缺額判據的能量管理策略；文獻[10]提出一種多組儲能動態調節的直流微電網電壓穩定控制策略，以自適應下垂控制自動調節不同儲能間的功率分配，并設計前饋補償以動態矯正母線電壓，但該方法對具有隨機性的電動汽車顯然并不適用。

本文將從電動汽車與直流微電網儲能互補這一資源協同利用潛在場景進行協調控制策略的研究。通過將系統劃分為3 種工作模式和5 種工況，在設備控制層中針對不同的工況為光伏、儲能、電動汽車及負荷設計多種控制方式；在協調控制層中考慮儲能荷電狀態的變化設置與電動汽車的協調控制策略，以實現微電網在不同模式及工況間的平滑切換。最后，通過仿真驗證了所提策略在提高系統供電可靠性的前提下，可暫緩儲能深充深放趨勢，延長儲能壽命。

1 含電動汽車的直流微電網系統結構及控制模式

本文所構建的直流微電網結構如圖1 所示，包含光伏、儲能、電動汽車和交直流負荷4 個部分。其中，光伏發電單元通過單向Boost 升壓電路連接于直流母線，向直流母線輸送功率；電動汽車作為隨機性設備加入可增加儲能單元調節的靈活性，它與儲能單元均通過雙向直流換流器連接于直流母線，共同維持直流母線電壓恒定；交、直流負荷分別通過單向交、直流換流器與直流母線連接，對母線功率進行消納。

圖1 直流微電網拓撲結構及分層控制

在協調控制層中，微網協調控制器通過對光伏發電單元出力Ppv、聯合儲能單元SOC、交直流負荷Pload_ac和Pload_dc等信息進行采集，判斷此時系統所處運行狀態。通過各單元信息來計算儲能單元和電動汽車所需分配的功率Pbat、Pev；當系統功率盈余越限時，限制光伏發電單元出力；當系統功率匱缺越限時，對交直流負荷中的不重要負荷和進行切除，以保證系統穩定運行。

通過中央控制器對各層級進行統一管理，根據系統不同運行模式，下級各變流器通常需要在多種控制模式之間進行切換調整，本文所采用的控制架構如圖2所示。為充分利用可再生能源發電，一般光伏發電單元工作在最大功率點跟蹤模式（Maximum Power Point Tracing，MPPT）；而當光伏發電輸出功率大于系統中儲能和電動汽車充電及負荷所消耗的功率時，它轉換為下垂控制，以限制所發功率，保證系統功率平衡。儲能單元作為主控單元通常采用恒壓控制，以維持直流母線電壓恒定；當它作為從控單元時，轉換為P/Q（恒功率）控制模式。電動汽車作為儲能單元的輔助設備進行隨機性投入與切除，其工作模式與儲能單元工作模式相同。根據母線功率盈余與匱缺情況，會對交直流負荷中的不重要負荷進行投入或切除。

圖2 控制架構圖

通常情況下，系統通過中央控制器與各層級間進行通信控制。而當系統通信出現故障時，中央控制器切換至本地控制，此時光伏發電、儲能和電動汽車均切換至下垂控制模式，進行自主功率分配，等待系統通信恢復。

2 系統運行模式劃分

2.1 直流微電網運行模式劃分

子網運行狀態劃分如圖3 所示。由圖3 可知，直流微電網運行模式以它自身盈缺功率與儲能及電動汽車群的調節能力為依據，劃分為正常、警戒及越限3 種運行狀態。

圖3 子網運行狀態劃分

2.2 儲能運行模式劃分

儲能SOC 是劃分其運行狀態的重要依據，如圖4所示。

圖4 儲能SOC 運行狀態劃分

圖4中將儲能單元劃分為僅充、優充、正常、優放及僅放5 種運行狀態。其中正常運行狀態下，儲能SOC 用Sbat表示滿足Sbat∈（b，d），此時儲能有很大的充放電容量來調節微電網盈缺功率，經常處于此運行狀態下有益于直流微電網的穩定運行。而當儲能SOC 超過過充或過放警戒線d 或b 時，儲能SOC 滿足Sbat∈（c，d）或Sbat∈（a，b），運行狀態切換為優放或優充，此時屬于警戒運行狀態，表示儲能趨近于過充過放異常狀態，應盡量避免它繼續動作。而當儲能SOC 超過過充/過放臨界線時，儲能SOC 滿足Sbat∈（d，1）或Sbat∈（0，a），運行狀態切換至僅充或僅放，屬于異常運行狀態，表示儲能出現過充、過放現象，必須盡快充電或放電以避免造成壽命損害。

2.3 電動汽車群劃分

電動汽車作為移動式交通工具，主要是滿足車主出行要求，而為了孤島運行狀態下直流微電網的穩定性及充分利用停駛狀態下電動汽車的源荷特性，充分考慮到電動汽車V2G 行為對電池壽命的損耗，將電動汽車進行車群劃分，分批次動作，避免電動汽車深充深放。將滿足車主約束具備V2G 行為的電動車群劃分為5 個車群，其中僅充或僅放車群屬于單向充放電需求車群，應當作為電源或者負荷加入直流微電網，而優充、優放及正常充放電車群作為功率協調的主要協調單元。

2.4 系統運行模式劃分

直流微電網和儲能均有3 種運行狀態，綜合考慮這2 種因素可以獲得9 種運行工況，而根據表1 將它簡化為5 種工況，將這5 種工況整合為3 種運行模式、4 種工作情景。

表1 運行模式及工況劃分

正常運行模式下，微電網和儲能運行狀態均正常，此時直流微電網可以依靠儲能單元達到功率均衡、母線電壓穩定的目的。

警戒運行模式下，情景二中直流微電網處于正常運行狀態而儲能狀態非正常，此時應當優先處理儲能非正常狀態，避免過度使用減少儲能壽命；情景三中直流微電網處于警戒運行狀態，此時系統功率需要儲能聯合調整，維持微電網功率源荷平衡為首要目標，而儲能正常、警戒狀態下的2 種工況則作為聯合儲能優先響應判斷的次要條件。

越限運行模式下，工況四中儲能單元處于異常狀態宕機而造成微電網功率越限；工況五則是因為微電網微源出力或負荷過大造成微電網功率越限。

3 系統協調控制策略

3.1 光伏單元與負荷控制策略

為維持系統穩定運行，光伏發電單元有MPPT 和下垂控制2 種模式，如圖5 所示。

圖5 光伏單元控制策略

正常情況下系統采用MPPT 控制模式；但當出現所發功率可能會大于系統最大功率消耗時，需要限制光伏發電功率，將它切換至下垂控制模式，其公式為：

式中：Udc為直流母線電壓的數值；Udc_ref為直流母線電壓參考值；k1為下垂系數，可表示為k1=（Udc_max－Udc_min）/Pdc_pv_max；Pdc_pv_ref為光伏發電單元輸出功率的參考值；Pdc_pv為光伏發電單元輸出功率的數值。

3.2 聯合儲能控制方式及策略

3.2.1 聯合儲能控制方式

儲能單元和電動汽車構成聯合儲能單元，共同維持直流母線電壓恒定，如圖6 所示。

圖6 聯合儲能單元控制策略

上述2 個單元在作為主控單元時工作于恒壓控制模式下，根據電池SOC 狀態和母線功率情況進行充電與放電。當作為從控單元時工作于P/Q 控制模式下。當通信系統出現故障、各層級轉為本地控制時，聯合儲能單元中各設備均采取下垂控制模式，其公式為：

式中：k2為下垂系數，可表示為k2=（Udc_max－Udc_min）÷Pdc_bat_max；Pdc_bat_ref為聯合儲能單元輸出功率參考值；Pdc_bat為聯合儲能單元輸出功率的數值。

3.2.2 聯合儲能控制策略

為了迎合電動汽車大量接入微電網的趨勢，采用電動汽車群和儲能單元協調配合動作的聯合儲能來達到平衡直流微電網功率的目的。正常運行過程中，儲能單元作為主控單元負責維持直流母線電壓的穩定；而電動汽車群作為從控單元采用P/Q 控制，在緊急時刻動作彌補缺額功率進而提高直流微電網的穩定性。然而，深充深放不僅容易使儲能單元SOC 到達過充過放臨界值，造成宕機使微電網功率崩潰，也會因過度使用而損害其壽命。故儲能處于警戒狀態時，電動汽車群應替代儲能單元切換至恒壓控制維持母線電壓，這時儲能單元切換至P/Q 控制變為從控單元。

當儲能單元SOC 到達過充過放臨界值待機后，電動汽車群應當充當唯一的控制單元配合光伏維持母線電壓穩定；而當儲能足以調整微電網盈缺功率時，電動汽車應當待機。假設系統通信出現故障時，中央控制器切換至本地控制，此時儲能單元、電動汽車及光伏應當切換至下垂控制進行自主的功率分配，以等待系統通信恢復。

3.3 各模式及工況下的協調控制策略

3.3.1 正常運行模式

該模式下微電網和儲能運行狀態均正常，光伏單元處于MPPT 控制，儲能單元處于恒壓控制，而負荷和電動汽車均待機。此時儲能單元應當吸收或消納系統盈缺功率，儲能分配功率的公式為：

式中：Pbat為充放電功率的數值，其值為正表示充電，為負則表示放電。

3.3.2 警戒運行模式

該模式運行下的工況二中，儲能SOC 警戒時，電動汽車群應當充當主控單元，控制方式切換至恒壓控制。如仍有功率溢出時，需儲能單元切換至P/Q 控制彌補剩余功率，否則儲能單元待機等待微電網盈缺功率的轉變。而儲能SOC 異常時，切換至待機模式，電動汽車以恒壓控制維持母線電壓。

該模式運行下的工況三中，儲能SOC 正常，儲能單元應當處于恒壓控制，而電動汽車處于P/Q 控制來輔助儲能單元維持系統功率平衡。儲能單元與電動汽車功率分配的公式為：

3.3.3 越限運行模式

該模式運行下的工況四中，儲能SOC 異常待機，而電動汽車處于恒壓控制；工況五中，直流微電網功率越限，超出聯合儲能調節范圍，此時儲能應當切換至恒壓控制，而電動汽車切換至P/Q 控制。2 種工況下聯合儲能均以額定功率運行，此時若微電網盈余越限，則光伏應當切換至限功率運行，其限制后的功率如式（2）所示；若微電網匱缺越限，則應當切負荷，其切除后的負荷如式（3）所示。

4 仿真驗證

本文針對直流微電網典型拓撲，為了驗證所提控制策略的有效性及系統在各個模式和工況切換過程中的平滑性，在MATLAB/Simulink 上搭建了相應的仿真模型，仿真參數如表2 所示。

表2 直流微電網仿真參數

4.1 將正常運行模式切換至警戒運行模式

光伏出力及負荷波動如圖7（a）所示，其中0～0.25 s 內為正常運行模式，直流微電網出力小于負荷所需功率，系統功率匱缺，需儲能單元提供功率支撐。0.25 s 時光伏出力下降，交流負荷上升，微電網匱缺功率超出儲能調節范圍，切換至警戒運行模式工況三，此時需要電動汽車群作為從控單元加入來平衡功率，聯合儲能功率響應如圖7（b）所示。直流母線電壓及儲能SOC變化如圖7（c）所示，0.5 s 時儲能SOC 下降至過放警戒線，運行模式切換至工況二，此時電動汽車群代替儲能作為主控單元維持母線電壓恒定，儲能SOC 下降速度變緩。0.75 s 時儲能SOC 下降至過放臨界線，儲能單元切換至待機模式，電動汽車支撐全部功率，不過此時負荷下降，可以維持系統功率平衡。模式及工況切換時，圖7（c）中直流母線電壓波動小，證明控制方式可實現平滑切換。

圖7 不同運行模式仿真圖

4.2 模式及工況切換

光伏出力及負荷波動如圖8（a）所示（圖中虛線表示原有出力和原有負荷，實線表示限功率后的實際出力和切負荷后的實際負荷），其中0～0.1 s 內為正常運行模式，此時直流微電網出力大于負荷所需功率，微電網功率盈余，且在儲能調整范圍以內，由儲能單元消納。0.1 s 時光伏出力增加，負荷變小，微電網功率盈余越限，運行模式切換至工況五，此時光伏應當限功率運行。而聯合儲能以額定功率運行消納溢出功率，如圖8（b）所示。0.3 s 時光伏出力下降，負荷變大，微電網功率聯合儲能可調，運行模式切換至警戒運行模式工況三。此時儲能作為主控單元以額定功率運行承擔主要負荷，電動汽車群則支撐缺額功率。0.55 s時負荷繼續增大，微電網功率匱缺越限，這時需要切除7 kW 負荷，其中直流負荷切除3 kW，交流負荷切除4 kW。0.8 s 時，儲能單元SOC 下降至過放臨界線，儲能單元切換至待機模式，運行模式切換至工況四，電動汽車以額定功率運行支撐功率，多余4 kW 功率中直流負荷切除1 kW，交流負荷切除3 kW。直流母線電壓及儲能SOC 變化如圖8（c）所示，在各種模式之間平滑、穩定切換。

圖8 模式切換仿真圖

5 結論

本文針對現有直流微電網未充分考慮儲能荷電量過度充放電問題，提出一種考慮電動汽車靈活儲能的直流微電網功率協調控制策略。通過理論分析和在不同模式及工況下進行仿真驗證，得到如下結論：①將儲能單元與電動汽車共同構成聯合儲能單元，有效解決了儲能荷電量過度充放電問題，提高了系統供電的可靠性。②充分發揮設備控制層優勢，針對不同模式及工況設計多種控制模式。通過仿真結果表明，在各種運行模式及切換狀態下，所提控制策略均可保證直流微電網穩定運行、平滑切換。