2 直流微电网能量管理方法
为了便于进行协调控制,本文将直流微电网系统划分为2层,底层为物理层,由各微源及直流变流器组成,该层将采集到的负载信号Pload及各微源状态传递至上一层。顶层为管理层,通过对底层各微源信息的接收及分析,根据具体的能量管理策略,对各个变流器分别发出指令,控制其工作状态,能量管理系统控制图如图2所示。
图2 能量管理系统控制图Fig. 2 Control diagram of EMS system
2.1 底层控制
2.1.1 光伏阵列控制
光伏发电系统由光伏阵列及单向DC/DC组成,其控制方法为最大功率点跟踪控制(MPPT),本文采用扰动观察法作为控制方法[29]。其控制结构图如图2所示,其功率输出曲线如图3(a)所示,扰动的参考变量为电压,根据输入的电压信号Upv及当前时刻电流Ipv,计算得到光伏输出功率Ppv,与扰动之前的功率值进行比较,最后将比较结果调制为占空比Dpv输入直直变换器,使光伏电池工作电压逐渐接近最大功率电压;当外界环境发生变化时,控制器需要重新寻找该环境下的最大功率点,并使光伏输出向最大功率逐渐靠近。
2.1.2 燃料电池及电解槽控制
燃料电池输出功率根据顶层系统向变换器输入功率参考值Pfc进行控制,将该参考值与燃料电池端电压Ufc相比得到电流参考值,并向PI控制器输入电流参考值及实测电流值Ifc,得到占空比Dfc输入变流器,从而改变燃料电池输出功率。电解槽控制方法同燃料电池,其变流器根据顶层能量管理系统所给功率参考值Pel与实测电压、电流值Uel、Iel所计算出的占空比Del,对电解槽的功率输入进行控制。
同时,为了防止电解槽及燃料电池功率变化过大从而影响其工作性能,在底层对功率的变化速率进行了限制。如图3(c)—(d)所示,为燃料电池、电解槽的功率曲线。变流器根据如图2所示的电流环进行控制,使其输出/输入功率由700 W增加至1000W再减小至400 W,根据两者的功率曲线可知,燃料电池及电解槽能够根据给出的参考功率进行工作,且均存在一定的响应时间。
2.1.3 蓄电池系统控制
蓄电池系统采用下垂控制方法维持母线电压稳定,蓄电池的输出功率根据下垂控制器给出的母线电压参考值Uref及实测电压、电流值U0、Ibus进行PI控制,并将占空比Dbat输入变流器。
如图3(b)所示,当母线存在剩余功率时,为了防止母线电压进一步升高,蓄电池对剩余功率进行吸收;当发生由于母线功率缺额而出现母线电压下降的情况时,蓄电池转而为母线提供能量以防止母线电压跌落。因此下垂方法的使用,保证了母线电压的波动处于合理范围之内。
当顶层能量管理系统将燃料电池及电解槽参考功率传递至底层后,根据图2所示的变流器控制,使燃料电池及电解槽按照功率参考值进行工作;而光伏系统一直工作在最大功率点跟踪模式下,其功率输出仅与光照强度及温度有关;此时负载与电解槽的需求功率同燃料电池与光伏阵列的输出功率产生差异,从而导致母线电压波动,通过蓄电池的下垂控制,一旦母线电压发生波动,蓄电池便根据母线电压与参考电压的差异进行充电或者放电,以平抑功率波动,使得母线电压维持在正常水平。
图3 微源功率曲线Fig. 3 Power curve of micro sources
2.2 顶层能量管理系统
2.2.1 系统使用成本
在该系统中,光伏阵列始终工作在最大功率点跟踪模式,其运行成本固定,当需要储能系统对光伏与负载之间的功率差额进行补齐或者存储时,能量管理系统应当评估最方便且使用成本最低的存储系统。由于本文模型为孤岛模型,因此没有燃料成本,各系统使用成本C仅考虑每个设备的购置成本Cin以及操作和维护成本COM。
2.2.2 等效氢耗最小
等效氢耗最小策略是以单位控制周期内的系统氢能消耗最小化为目标的瞬时优化策略,该策略将蓄电池消耗电能计量为氢能,从而以整个系统氢能使用最少为目标,求解出蓄电池最优输出功率和蓄电池Soc之间的关系[30-31]。系统中总氢耗H与蓄电池氢耗Hbat及燃料电池氢耗Hfc存在如下关系：
H=Hfc+kHbat(18)
式中k为修正系数。k表达式为
k=1−2μ[S−0.5(Sh+Sl)]/(Sh−Sl)(19)
式中：Sh为蓄电池Soc上限值;Sl为蓄电池Soc下限值;μ为权重。
燃料电池氢耗为输出功率近似为线性关系,可表示为
Hfc=aPfc+b(20)
式中a、b为常数。
蓄电池氢耗可根据燃料电池氢耗进行计算,即
式中：ηch_avg与ηdis_avg为蓄电池平均充、放电效率;Hfc_avg与Pfc_avg为燃料电池平均氢耗与平均功率;Pbat为蓄电池输出功率。因此,系统的等效氢耗最小可表达为
minH=min(Hfc+kHbat)=min[a(Pref−Pbat)+kHbat)(22)
式中Pref为电-氢储能系统输出的总功率,即负载需求功率与光伏阵列产生功率之差。
则可得到蓄电池的最优功率Pbat_opt公式：
Pbat_opt=argmin(−aPbat+kHbat)(23)
2.2.3 计及、平衡的最小使用成本方法
由于系统仅由可再生能源供电,其输出功率主要受环境影响。因此,对于给定的负载需求值及光伏输出功率,能量管理系统的目的是确定存储设备(电池,电解槽,燃料电池)的最佳运行方式,以便使整个微电网的使用成本最低。与此同时,在孤岛系统中,将蓄电池Soc以及储氢罐Sohc控制在理想范围内也是维持系统稳定运行的关键,使得储能系统既能够在光伏电池输出盈余功率时提供足够的储存容量,同时也能够有效防止在母线功率缺额时由储能不足所导致的系统崩溃等严重问题。
系统的基本约束为
式中：Pload为负荷需求功率;Sch、Scl为Sohc上下阈值;Pfcmax、Pelmax为燃料电池、电解槽最大功率。
由式(22)可知,蓄电池使用成本与其输出功率线性相关,而氢储能系统使用成本在额定功率范围内不变化,则瞬时状态下蓄电池与氢能系统使用成本与功率关系可如图4所示。
图4 系统使用成本与功率关系曲线Fig. 4 Relationship between cost and power demand
通过计算储能系统总输出功率Pref,并将该参考值与上图中交点处功率值Pc、Pd进行比较,即可计算出各储能单元的输出功率,其具体计算方法为
根据计算得到的蓄电池输出功率Pbat,将负载需求功率与其相减即可得到电解槽及燃料电池参考功率。
同时,由于在等效氢耗最小算法中,蓄电池最优参考功率仅与Soc相关且该算法会使得蓄电池荷电状态稳定在设定值附近,因此在本文中,将等效氢耗最小算法所计算得到的最优功率进行处理,得到关于蓄电池使用成本的权重系数λ,从而使得系统Soc更加可控,该系数的计算公式为
修正系数e1、e2的大小决定了权重系数λ与f变化的快慢,即蓄电池Soc及氢储能系统Sohc回归参考值速度的快慢,系数越大,Soc或Sohc回到参考值的速度越快。因此加入权重后,储能系统使用成本根据储能情况存在一定波动,进而对各微源的功率输出进行一定的修正。
结合式(25)—(29),计算出该时刻下蓄电池、燃料电池及电解槽的功率,将其作为指令传递至变流器层进行实际控制。如图5所示,为顶层能量管理系统工作流程示意图。
图5 顶层能量管理系统工作流程Fig. 5 Flow t of top layer energy management system
