2）第2层区
当直流母线电压持续升高、直至满足条件b1Udcr≤∆Udc<b2Udcr时,系统进入第2层区运行。该层区下,光伏发电单元继续进行MPPT控制,HESS开始投入工作。由于直流母线电压偏高,系统功率剩余,因此HESS需通过吸收功率来调整直流母线电压,保证系统功率平衡。根据HESS控制策略,超级电容储能最先动作,工作在充电模式。随着超级电容不断充电、其端电压上升到Usc3时,锂电池储能也开始进行充电,以保证系统稳定运行。
3）第3层区
当超级电容器充电致其端电压上升到最大限值Usc4、锂电池剩余容量达到Sbmax时,HESS失去调节能力,直流母线电压继续上升;当∆Udc≥b2Udcr时,系统运行进入第3层区。此时,光伏发电单元输出功率大于负荷消耗功率,直流母线电压偏高。为平衡系统功率,光伏发电单元需减少功率输出,从MPPT控制转为恒压控制,控制策略如图2所示。光伏发电单元不再以最大功率输出,而是通过减少功率输出保持直流母线电压恒定。
4）第4层区
当直流母线电压持续降低时,系统进入第4层区运行,此时,a2Udcr<∆Udc≤a1Udcr。该层区下,光伏发电单元进行MPPT控制,HESS将投入工作,根据下垂特性调整直流母线电压。该层区的系统功率不足,直流母线电压偏低,HESS需通过放电补充系统稳定运行所需功率。同样,超级电容储能最先动作,通过放电为系统补偿功率。当超级电容端电压下降到Usc2时,锂电池储能开始动作,工作在放电模式。
5）第5层区
当超级电容放电致其端电压下降到最小工作电压Usc1、锂电池剩余容量达到Sbmin时,HESS失去调节能力,直流母线电压继续降低,当∆Udc<a2Udcr时,系统运行进入第5层区。此时,光伏发电单元输出功率小于负荷消耗功率,直流母线电压偏低。为达到功率平衡、保证系统稳定运行,必须进行减载操作,按照其重要性依次切除负荷,直到系统稳定运行。
2、实验验证及分析
为验证本文提出的改进HESS控制及系统分层协调控制策略,按图2所示系统结构搭建实验系统。其中光伏阵列由光伏模拟器代替,其在标准条件下的最大输出功率为185W。锂电池单体额定电压为3.2V,其电荷量为40A˙h(1A˙h=3.6kC),4块串联;超级电容额定电压为16.2V,额定容量为58F;直流母线额定电压为40V;绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关频率为15kHz,锂电池和超级电容下垂系数取值范围为1~3,a1、a2、b1、b2取值分别为-2.5%、-10%、2.5%、10%;控制算法编入dSPACE-DS1006。系统在各层区运行实验结果分析如下。
1）第1层区
当-1V<∆Udc<1V时,系统运行在第1层区。光伏发电单元进行MPPT控制,其输出电压、输出电流分别为26.6V和6.9A,最大输出功率为180W,如图6所示。
只要直流母线电压波动范围不超过该层区限制范围,即可认为满足电能质量要求,可以保持系统继续运行于该层区,避免频繁的层区切换,增加系统损耗。当∆Udc为0.8V或-0.9V时,由于未超过第1层区电压限值,超级电容及锂电池储能均未动作,各自充放电电流都为0,如图7所示。光伏发电单元正常为负荷供电。
2）第2层区
当时,系统运行在第2层区。光伏单元处于MPPT控制模式,其输出功率大于负荷消耗功率,引起直流母线电压上升,达到HESS工作条件,HESS开始投入运行。
当直流母线电压从40V上升到43.8V时,超级电容开始以2.2A电流充电,使直流母线电压下降到41.6V,如图8所示。随着超级电容持续充电,其端电压不断上升,当达到锂电池储能动作条件.
图6光伏单元MPPT控制
图7第1层区系统运行状态
图8超级电容充电时系统运行状态
Usc3=11V时,锂电池开始充电,充电电流从0开始逐渐平滑增大,未出现电流突变;而超级电容由于直流母线电压波动减小导致其充电电流逐渐减小,如图9所示。锂电池储能通过吸收系统剩余功率、和超级电容储能协调配合,起到调整直流母线电压的作用。
