户用型微电网恒功率控制方法的研究
康家玉+刘甲琛+王素娥
摘 要： 针对光储独立微网中直流母线电压易受光伏发电功率及负载用电功率的波动影响，通过类推V?I下垂控制提出一种功率?电流（P?I）控制策略，用控制系数k来改变与光伏发电输出功率的数学关系，以实现微网的功率平衡，可有效抑制微网直流母线电压的波动。通过建立光伏电池及蓄电池数学模型，分析PV发电输出功率与负荷功率的關系，推导出系数k与光照强度及储能充放电电流之间的关系式，设计了一种P?I控制器。Simulink仿真结果表明，该P?I控制方法能有效地协调控制直流母线功率平衡，有效地提高系统的稳定性。
关键词： 户用型微电网； 下垂控制； 功率平衡； P?I控制
中图分类号： TN876?34； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0151?03
Abstract： Since the DC bus voltage in optical storage independent micro?grid is easily influenced by the fluctuation of photovoltaic power generations power and load electrical power， a P?I control strategy is proposed on the basis of the analogy of the V?I droop control. The control coefficient k is used to change the mathematic relation with output power of PV power generation to realize the power balance of the micro?grid， and suppress the fluctuation of the DC bus voltage in the micro?grid effectively. By establishing the mathematical models of the PV cell and accumulator， the relationship between the load power and output power of PV power generation is analyzed， the relational expressions of the coefficient k and the light intensity， and the coefficient k and stored energys charging and discharging current are deduced， and a P?I controller is designed. The Simulink simulation results show that the P?I control method can effectively control the power balance of DC bus， and improve the system stability.
Keywords： household micro?grid； droop control； power balance； P?I control
户用型光储微网充分利用了分布式光伏发电绿色环保和紧靠本地负荷的优势，同时又解决了太阳能地域分散性的劣势而广泛受到关注。家庭常开大功率电器多为空调类负荷（如空调、冰箱、冰柜），随着全球气候变暖，空调类负载数量出现了大幅增长，且增长的趋势还会加快[1]。
文献[2]通过推导逆变器占空比与母线电压之间的传递函数提出了一种新型的控制策略。文献[3]通过对常规的P?f和Q?V下垂控制进行优化，提出了一种以下垂控制为基础的间接新型恒功率控制方法。文献[4]提出了一种分布式控制算法，通过实时调整下垂参数，使荷电状态更大的电池为系统提供更多的有功功率。文献[5]提出一种微电网分布式控制，该控制策略在常规V?I下垂控制的基础上加入了平均电压控制和功率协调控制两个环节。基于此种情况，本文针对保证恒功率负载的用电，根据V?I下垂控制提出一种P?I控制法，对光伏与储能单元进行协调控制，并设计P?I控制器，实现母线功率的平衡。
1 微电网控制策略
1.1 光伏电池板（PV）模型
PV电池板的工作原理可等效为图1所示的电路。图中RL为PV电池的外接负载，负载两端的电压（PV电池的输出电压）为UL，流经负载的电流（PV电池的输出电流）为IL。而光伏电池的特性可由以下公式说明：
式中：q为电子的电荷，=1.6×10-19 C；K为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23 J/K；A为常数因子；ID0为PV电池在零光照条件下的饱和电流；Isc为短路电流，在保持温度不变而改变辐照度的情况下可以Isc随辐照度的变化而变化，开路电压UPVOC随辐照度的变化不明显。
1.2 蓄电池模型
蓄电池可以表示为如图2所示等效电路。可以将蓄电池等效为一个有微小内阻的恒压源。
1.3 V?I下垂控制
V?I下垂控制原理图如图3所示。
根据图3，V?I下垂控制公式可描述为：
2 P?I控制
在一天的24 h中，系统的光伏发电功率与负荷用电功率曲线如图4所示。
从图4可以看出，一天中自10点—16点，光伏输出功率要大于负荷用电功率，其他时刻发电功率不满足负荷用电功率，为了稳定发电与用电之间的功率平衡，即稳定母线功率平衡，根据V?I下垂控制原理，本文提出P?I控制方法，参照式（3），P?I控制公式为：
式中：Ps为蓄电池的输出功率，其取值可正可负；PL为恒功率负荷的有功功率；PPV为光伏输出的最大功率；k为控制系数。
由图4可得，在光伏输出功率大于负荷用电功率时，需要控制储能储存多余电能，反之则控制储能补充电能，充放电电流随着发/用电的功率差变化而变化，即满足如下关系：
图5为PV电池I?U输出特性曲线。
图5中UOC为电池板开路电压，M点为最大输出功率点，Us为最大功率点对应的输出电压，即为母线电压。在实际工程中Us=0.8UOC，因此光伏输出功率为：
由式（1）、式（2）可知，光伏电池板类似一个恒流源，负荷为恒功率，在母线电压Us稳定的前提下可知负荷用电电流IL为恒值，因此式（4）可变化为：
光伏电池板输出电流受光照强度影响较大，由图2、图3可知，输出电流与光照强度基本呈正比例关系，即IPV≈bE，E为光照度，b为比例系数。负载电流IL为恒定值，因此在式（9）中可忽略IL，即式（9）可简化为：
由式（13）可以得到，k不是恒定值，与光照强度和储能充放电电流有关，联立式（4）、式（13）得：
从式（14）可以看出，因为PL為恒值，所以方程的差值右边应为恒值，PPV受光照度E得影响，k受E变化与Is变化的影响，E在实际中可由照度计测得，可得储能在PPV-PL>0时为充电状态，且Is随着PPV的增大而增大，在PPV-PL<0时为放电状态，Is随着PPV的减小而增大。
根据光伏电池板输出特性，本文采用可控电流源模拟光伏电池板，蓄电池选取Lithium?Ion模型，设定初始荷电状态值（SOC）为60，利用该模块可实现对蓄电池削峰填谷作用的仿真。逆变器采用单相逆变器，通过外环电压内环电流的双PI环控制。P?I控制器示意图如图6所示。
3 实验及结果分析
3.1 实验参数选择
本文搭建仿真模型，对该系统进行仿真实验，实验参数选择如表1所示。
3.2 实验结果分析
实验结果如图7～图9所示，仿真时间选取为2 s代表一天。图7中，实线为光伏输出电流IPV，虚线为蓄电池充放电电流Is，可以看到在实验0 s时光伏开始发电，对应实际中早晨7点左右，此时蓄电池为放电状态；之后随着时间变化光伏输出电流逐渐变大，蓄电池放电电流相对减小；1 s对应实际中中午时分，这时光伏发电输出电流为最大；可以看出0.7 s时蓄电池由放电转为充电，之后随着光伏输出电流IPV的减小使蓄电池在1.7 s由充电状态变为放电状态。可以得出，蓄电池在放电时，Is随着IPV的增大而减小；充电时，Is的绝对值随着IPV的增大而增大，与式（14）所得理论结论一致。结合图9可知，从实验开始至结束，光伏输出电流与蓄电池充放电电流始终满足关系：
式中，d为恒定值，在此次仿真中d=7.6。式（4）中PL为恒定值，即IL为定值。蓄电池实现削峰填谷的作用，符合微电网发电端与用电端能量平衡的要求。
从图8可以看出，蓄电池的荷电状态的变化趋势与图9中Is的变化趋势基本一致，因为控制蓄电池充放电方法始终为恒流，因此可以看到IL在不同状态下为定值。为了验证系统的稳定性，设置系统在1.5 s负载功率减小1 500 W。
从图9中可以清楚的看出，当负载功率减小时，蓄电池的充放电电流发生了一个明显的阶跃，充电电流增大。
4 结 论
本文在户用型微电网的基础上，针对孤岛模式下的微电网中的PV电池与储能环节进行了协调控制，对微电网的母线功率进行恒功率控制，基于V?I下垂控制的原理提出了一种P?I控制法。通过分析光伏发电输出功率与负荷功率的关系，设计了P?I控制器，对光伏与储能单元进行了协调控制，从而实现了母线功率的平衡。本文利用仿真软件对所提出的控制方法进行了仿真实验，实验结果表明本文提出的P?I控制方法能有效地协调控制光伏发电与储能单元输出功率平衡，可以有效地稳定直流母线的功率，同时提高了系统的稳定性。
参考文献
[1] 郑竞宏，朱守真，王光，等.空调负荷运行特性研究及建模[J].中国电机工程学报，2009，29（10）：67?73.
[2] 李玉梅，查晓明，刘飞，等.带恒功率负荷的直流微电网母线电压稳定控制策略[J].电力自动化设备，2014，34（8）：57?64.
[3] 王成山，高菲，李鹏，等.低压微网控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012，32（25）：2?8.
[4] 陆晓楠，孙凯，黄立培，等.孤岛运行交流微电网中分布式储能系统改进下垂控制方法[J].电力系统自动化，2013，37（1）：180?185.
[5] 朱晓荣，蔡杰.多储能直流微电网的分布式控制[J].现代电力，2016，33（2）：13?21.
[6] 钱俊，刘敏.分布式发电技术研究综述[J].现代电子技术，2013，36（13）：167?170.
[7] 杜海江，杨明皓，丑丽丽，等.户用风水光直流微电网控制策略与实现[J].农业工程学报，2011，27（8）：277?282.
[8] 王文星.微电网蓄电池储能控制技术研究[J].科学技术与工程，2014，14（15）：120?128.
[9] 郗忠梅.户用光伏微网系统研究[D].泰安：山东农业大学，2014.
摘 要： 针对光储独立微网中直流母线电压易受光伏发电功率及负载用电功率的波动影响，通过类推V?I下垂控制提出一种功率?电流（P?I）控制策略，用控制系数k来改变与光伏发电输出功率的数学关系，以实现微网的功率平衡，可有效抑制微网直流母线电压的波动。通过建立光伏电池及蓄电池数学模型，分析PV发电输出功率与负荷功率的關系，推导出系数k与光照强度及储能充放电电流之间的关系式，设计了一种P?I控制器。Simulink仿真结果表明，该P?I控制方法能有效地协调控制直流母线功率平衡，有效地提高系统的稳定性。
关键词： 户用型微电网； 下垂控制； 功率平衡； P?I控制
中图分类号： TN876?34； TM615 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0151?03
Abstract： Since the DC bus voltage in optical storage independent micro?grid is easily influenced by the fluctuation of photovoltaic power generations power and load electrical power， a P?I control strategy is proposed on the basis of the analogy of the V?I droop control. The control coefficient k is used to change the mathematic relation with output power of PV power generation to realize the power balance of the micro?grid， and suppress the fluctuation of the DC bus voltage in the micro?grid effectively. By establishing the mathematical models of the PV cell and accumulator， the relationship between the load power and output power of PV power generation is analyzed， the relational expressions of the coefficient k and the light intensity， and the coefficient k and stored energys charging and discharging current are deduced， and a P?I controller is designed. The Simulink simulation results show that the P?I control method can effectively control the power balance of DC bus， and improve the system stability.
Keywords： household micro?grid； droop control； power balance； P?I control
户用型光储微网充分利用了分布式光伏发电绿色环保和紧靠本地负荷的优势，同时又解决了太阳能地域分散性的劣势而广泛受到关注。家庭常开大功率电器多为空调类负荷（如空调、冰箱、冰柜），随着全球气候变暖，空调类负载数量出现了大幅增长，且增长的趋势还会加快[1]。
文献[2]通过推导逆变器占空比与母线电压之间的传递函数提出了一种新型的控制策略。文献[3]通过对常规的P?f和Q?V下垂控制进行优化，提出了一种以下垂控制为基础的间接新型恒功率控制方法。文献[4]提出了一种分布式控制算法，通过实时调整下垂参数，使荷电状态更大的电池为系统提供更多的有功功率。文献[5]提出一种微电网分布式控制，该控制策略在常规V?I下垂控制的基础上加入了平均电压控制和功率协调控制两个环节。基于此种情况，本文针对保证恒功率负载的用电，根据V?I下垂控制提出一种P?I控制法，对光伏与储能单元进行协调控制，并设计P?I控制器，实现母线功率的平衡。
1 微电网控制策略
1.1 光伏电池板（PV）模型
PV电池板的工作原理可等效为图1所示的电路。图中RL为PV电池的外接负载，负载两端的电压（PV电池的输出电压）为UL，流经负载的电流（PV电池的输出电流）为IL。而光伏电池的特性可由以下公式说明：
式中：q为电子的电荷，=1.6×10-19 C；K为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23 J/K；A为常数因子；ID0为PV电池在零光照条件下的饱和电流；Isc为短路电流，在保持温度不变而改变辐照度的情况下可以Isc随辐照度的变化而变化，开路电压UPVOC随辐照度的变化不明显。
1.2 蓄电池模型
蓄电池可以表示为如图2所示等效电路。可以将蓄电池等效为一个有微小内阻的恒压源。
1.3 V?I下垂控制
V?I下垂控制原理图如图3所示。
根据图3，V?I下垂控制公式可描述为：
2 P?I控制
在一天的24 h中，系统的光伏发电功率与负荷用电功率曲线如图4所示。
从图4可以看出，一天中自10点—16点，光伏输出功率要大于负荷用电功率，其他时刻发电功率不满足负荷用电功率，为了稳定发电与用电之间的功率平衡，即稳定母线功率平衡，根据V?I下垂控制原理，本文提出P?I控制方法，参照式（3），P?I控制公式为：
式中：Ps为蓄电池的输出功率，其取值可正可负；PL为恒功率负荷的有功功率；PPV为光伏输出的最大功率；k为控制系数。
由图4可得，在光伏输出功率大于负荷用电功率时，需要控制储能储存多余电能，反之则控制储能补充电能，充放电电流随着发/用电的功率差变化而变化，即满足如下关系：
图5为PV电池I?U输出特性曲线。
图5中UOC为电池板开路电压，M点为最大输出功率点，Us为最大功率点对应的输出电压，即为母线电压。在实际工程中Us=0.8UOC，因此光伏输出功率为：
由式（1）、式（2）可知，光伏电池板类似一个恒流源，负荷为恒功率，在母线电压Us稳定的前提下可知负荷用电电流IL为恒值，因此式（4）可变化为：
光伏电池板输出电流受光照强度影响较大，由图2、图3可知，输出电流与光照强度基本呈正比例关系，即IPV≈bE，E为光照度，b为比例系数。负载电流IL为恒定值，因此在式（9）中可忽略IL，即式（9）可简化为：
由式（13）可以得到，k不是恒定值，与光照强度和储能充放电电流有关，联立式（4）、式（13）得：
从式（14）可以看出，因为PL為恒值，所以方程的差值右边应为恒值，PPV受光照度E得影响，k受E变化与Is变化的影响，E在实际中可由照度计测得，可得储能在PPV-PL>0时为充电状态，且Is随着PPV的增大而增大，在PPV-PL<0时为放电状态，Is随着PPV的减小而增大。
根据光伏电池板输出特性，本文采用可控电流源模拟光伏电池板，蓄电池选取Lithium?Ion模型，设定初始荷电状态值（SOC）为60，利用该模块可实现对蓄电池削峰填谷作用的仿真。逆变器采用单相逆变器，通过外环电压内环电流的双PI环控制。P?I控制器示意图如图6所示。
3 实验及结果分析
3.1 实验参数选择
本文搭建仿真模型，对该系统进行仿真实验，实验参数选择如表1所示。
3.2 实验结果分析
实验结果如图7～图9所示，仿真时间选取为2 s代表一天。图7中，实线为光伏输出电流IPV，虚线为蓄电池充放电电流Is，可以看到在实验0 s时光伏开始发电，对应实际中早晨7点左右，此时蓄电池为放电状态；之后随着时间变化光伏输出电流逐渐变大，蓄电池放电电流相对减小；1 s对应实际中中午时分，这时光伏发电输出电流为最大；可以看出0.7 s时蓄电池由放电转为充电，之后随着光伏输出电流IPV的减小使蓄电池在1.7 s由充电状态变为放电状态。可以得出，蓄电池在放电时，Is随着IPV的增大而减小；充电时，Is的绝对值随着IPV的增大而增大，与式（14）所得理论结论一致。结合图9可知，从实验开始至结束，光伏输出电流与蓄电池充放电电流始终满足关系：
式中，d为恒定值，在此次仿真中d=7.6。式（4）中PL为恒定值，即IL为定值。蓄电池实现削峰填谷的作用，符合微电网发电端与用电端能量平衡的要求。
从图8可以看出，蓄电池的荷电状态的变化趋势与图9中Is的变化趋势基本一致，因为控制蓄电池充放电方法始终为恒流，因此可以看到IL在不同状态下为定值。为了验证系统的稳定性，设置系统在1.5 s负载功率减小1 500 W。
从图9中可以清楚的看出，当负载功率减小时，蓄电池的充放电电流发生了一个明显的阶跃，充电电流增大。
4 结 论
本文在户用型微电网的基础上，针对孤岛模式下的微电网中的PV电池与储能环节进行了协调控制，对微电网的母线功率进行恒功率控制，基于V?I下垂控制的原理提出了一种P?I控制法。通过分析光伏发电输出功率与负荷功率的关系，设计了P?I控制器，对光伏与储能单元进行了协调控制，从而实现了母线功率的平衡。本文利用仿真软件对所提出的控制方法进行了仿真实验，实验结果表明本文提出的P?I控制方法能有效地协调控制光伏发电与储能单元输出功率平衡，可以有效地稳定直流母线的功率，同时提高了系统的稳定性。
参考文献
[1] 郑竞宏，朱守真，王光，等.空调负荷运行特性研究及建模[J].中国电机工程学报，2009，29（10）：67?73.
[2] 李玉梅，查晓明，刘飞，等.带恒功率负荷的直流微电网母线电压稳定控制策略[J].电力自动化设备，2014，34（8）：57?64.
[3] 王成山，高菲，李鹏，等.低压微网控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012，32（25）：2?8.
[4] 陆晓楠，孙凯，黄立培，等.孤岛运行交流微电网中分布式储能系统改进下垂控制方法[J].电力系统自动化，2013，37（1）：180?185.
[5] 朱晓荣，蔡杰.多储能直流微电网的分布式控制[J].现代电力，2016，33（2）：13?21.
[6] 钱俊，刘敏.分布式发电技术研究综述[J].现代电子技术，2013，36（13）：167?170.
[7] 杜海江，杨明皓，丑丽丽，等.户用风水光直流微电网控制策略与实现[J].农业工程学报，2011，27（8）：277?282.
[8] 王文星.微电网蓄电池储能控制技术研究[J].科学技术与工程，2014，14（15）：120?128.
[9] 郗忠梅.户用光伏微网系统研究[D].泰安：山东农业大学，2014.
