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[摘 要]随着我国经济的高速发展，电力能源的作用已愈发重要。在电力系统运营中，配电网线路是否能安全高效运行是重中之重。由于当前我国电网线路损耗率较高，如何提高电网线路运营的效率也是人们关注的重点，以孤立直流微电网为研究对象，在考虑多种微电源的基本特性的基础上，合理安排多种微电源分级稳定直流母线电压。建立超级电容，燃料电池，蓄电池数学模型，对各个微电源采取模块化设计，采用下垂法，对各个微电源模块投入使用设立优先级，从而达到经济最优化。微电源与主系统相连应用非隔离型双向 buck-boost 电路。在MATLAB/ Simulink 中搭建系统模型，仿真结果表明，所提控制策略可以提高能源利用率，稳定直流母线电压的目的。
[关键词]直流微电网 燃料电池 超级电容 蓄电池 控制
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）46-0067-02
分布式电源DGs（Distributed Generations）由于污染小、安装灵活等多方面优点近年来得到快速发展，但大量的DGs 接入电网中产生了一些不良影响。作为新能源接入的一种解决方案，21 世纪初提出了微电网概念。微电网分为直流微电网和交流微电网。直流微电网不仅可以连接直流微电源，如光伏阵列PVA（PhotoVoltaic Array）、燃料电池FC（Fuel Cell）和超级电容SC（Super-Capacitor）， 而且可以随时增大线路传输容量，提高供电可靠性，降低系统线路损耗。随着直流负载的不断增多，如电动汽车、电子负荷等，为直流微电网的应用提供了发展机遇。直流微网已引起国内外学者的广泛关注。
文献讨论了直流配电在商业办公和居民住宅应用的可行性，认为在有直流微电源接入的情况下，采用直流可以有效地降低系统损耗。提出了基于直流模块的建筑集成光伏系统的电气结构，论述了直流变换器拓扑的设计原则，研究了光伏直流建筑模块与集中逆变模块的协调控制策略，但没有涉及多种分布式能源的互补应用。探讨了直流微电网的稳定性问题，重点讨论了变换器控制参数的影响，但没有计及DGs 特性。] 建立了光伏阵列和燃料电池的模型，验证了模型的有效性，但没有涉及储能装置和微电网能量管理控制策略。研究了直流微电网运行模式切换控制策略，通过控制汽轮机的工作个数维持网内功率平衡，但没有涉及微电源数学建模。目前对DGs 的研究主要在交流微电网下进行，大多探讨单一类型微电源的并网控制，含有储能装置的混合发电系统在直流微电网中的研究并不多。通过探讨DGs 在直流微电网中的应用，研究考虑DGs 特性的孤立直流微电网运行控制策略， 在MATLAB / Simulink 下验证控制策略的有效性。主要内容包括：建立光伏阵列、超级电容、燃料电池和蓄电池的数学模型；跟踪光伏阵列最大功率。
1 系统结构
图1为系统总体框图。直流微电网主要由微电源、变换器、直流配电网、储能装置和直流负荷组成。对超级电容进行充放电管理，防止过充或过放，并维持直流母线电压稳定；对蓄电池充放电管理进行优化；对燃料电池输出功率变化率进行控制，保持网内功率平衡；提出以直流母线电压为控制信号，根据储能的特性将不同储能设立优先级，用下垂法设置各储能的阈值电压，优化能量分配，从而达到稳定直流母线电压的目的。
2 储能模型
2.1 超级电容的数学模型
对超级电容建立数学模型，超级电容模型主要有德拜极化模型、传输线模型和经典等效模型。图2（a）为经典等效模型，图中是等效串联电阻，代表电容器内部发热所消耗的功率，对电容器的充放电过程影响较大；是等效并联电阻，代表超级电容的漏电流，影响电容的长期储能性能；是理想电容。在实际应用中，电容器通常处于较快和频繁的充放电循环过程，的影响可以忽略[11]，电容器可进一步简化为一个理想电容与等效电阻串联的模型，如图2（b）所示。根据式（1）-（3）确定超级电容的容量[12]：
2.2 蓄電池的数学模型
3 直流母线电压控制策略
直流微网仅需考虑有功功率的平衡，无需考虑无功功率流动，因此直流母线电压为衡量系统稳定的唯一指标，控制直流微网中的电压稳定，就可以控制系统稳定运行。直流母线电压下垂法是一种可以自动实现最优化的控制方法，直流微电网中的各个变换器会随着直流母线电压的跌落逐个/组的投入系统中。这种能量优化控制策略实施的第一步就是对每个变换器设定一个门槛电压，门槛电压的设置应该从优先级别最高的电源控制器开始，优先级最高的电源的电压就是系统工作的额定电压；然后依次设定下一个优先级的门槛电压，下一级的门槛电压的设定需要用到上一个门槛电压值；变换器的门槛电压设定遵循如下的公式：
为了降低系统的运行的成本，可再生能源作为系统中优先级别最高的单元模块，始终以最大功率输出，可以提供给系统的功率为由负载决定，通常为负载的平均功率。蓄电池，和超级电容作为系统的能量缓冲单元工作，当系统中的负载功率比较小的时候需要给蓄电池充电以防止母线电压升高，当系统中的负载的功率增加时，光伏电池不能够满足负载的需求时蓄电池对外放电以保证母线电压的相对稳定，因此将充放电速度快，寿命长的超级电容为系统能量优化的第二级的电源模块其次是蓄电池；燃料电池作为系统中备用的电源，只是在系统能量极其不足的情况下才投入运行，因此将燃料电池作为系统中优先级别最低的电源模块。
设置了七个参考电压，并且保证-<5%因为系统中电压波动保证在5%是允许的。、、、、、和他们分别表示了保障系正常运行的额定电压、超级电容蓄电池停止充电电压，超级电容放电电压，超级电容停止放电电压蓄电池放电电压、蓄电池停止放电电压燃料电池启动电压、燃料电池最小功率运行终止电压和系统的过载电电压。他们之间满足如下关系>>>>>>，这也从另一方面反映了系统中的供电单元的优先级，优先级最高的是光伏电池，其次超级电容和蓄电池，最后是燃料电池，这样的一种电压设定的方法也体现系统运行成本的优化。按照母线下垂法可以分为以下的几个工作状态。考虑到系统运行的成本问题，燃料电池的以最小恒功率功投入运行控制。并且保证工作在燃料电池的经济运行带上。
4 仿真研究
根据图 1 所示的直流微电网的结构搭建了直流微电网的仿真平台，并采用的基于母线电压下垂法，对整个系统进行了系统能量控制的仿真。
从仿真的结果中，可以看出仿真结果与理论的分析基本一致，不论系统工作在那一个状态，变换器的端口电压都可以稳定工作在设定的电压阀值上。对于电和负载的功率冲击，母线电压都可以稳定在一个相对稳定的范围内。
5 结论
本文以直流微电网为研究对象，建立了微电源的数学模型，设计了简单直观的控制策略，以直流母线电压稳定为控制目标，实现了微电源间的协调控制。仿真结果表明：
a. 下垂控制可以实现能量的合理分配；
b. 该控制策略实现经济最优化；
c.能够稳定直流母线电压，暂态时电压波动在可接受范围内。
参考文献
[1] 刘邦银，梁超辉，段善旭.直流模块式建筑集成光伏系统的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2008，28（20）：99-104.
[2] 刘邦银，段善旭，胡欢，等.直流模块式建筑集成光伏系统的协调控制[J].中国电机
[关键词]直流微电网 燃料电池 超级电容 蓄电池 控制
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）46-0067-02
分布式电源DGs（Distributed Generations）由于污染小、安装灵活等多方面优点近年来得到快速发展，但大量的DGs 接入电网中产生了一些不良影响。作为新能源接入的一种解决方案，21 世纪初提出了微电网概念。微电网分为直流微电网和交流微电网。直流微电网不仅可以连接直流微电源，如光伏阵列PVA（PhotoVoltaic Array）、燃料电池FC（Fuel Cell）和超级电容SC（Super-Capacitor）， 而且可以随时增大线路传输容量，提高供电可靠性，降低系统线路损耗。随着直流负载的不断增多，如电动汽车、电子负荷等，为直流微电网的应用提供了发展机遇。直流微网已引起国内外学者的广泛关注。
文献讨论了直流配电在商业办公和居民住宅应用的可行性，认为在有直流微电源接入的情况下，采用直流可以有效地降低系统损耗。提出了基于直流模块的建筑集成光伏系统的电气结构，论述了直流变换器拓扑的设计原则，研究了光伏直流建筑模块与集中逆变模块的协调控制策略，但没有涉及多种分布式能源的互补应用。探讨了直流微电网的稳定性问题，重点讨论了变换器控制参数的影响，但没有计及DGs 特性。] 建立了光伏阵列和燃料电池的模型，验证了模型的有效性，但没有涉及储能装置和微电网能量管理控制策略。研究了直流微电网运行模式切换控制策略，通过控制汽轮机的工作个数维持网内功率平衡，但没有涉及微电源数学建模。目前对DGs 的研究主要在交流微电网下进行，大多探讨单一类型微电源的并网控制，含有储能装置的混合发电系统在直流微电网中的研究并不多。通过探讨DGs 在直流微电网中的应用，研究考虑DGs 特性的孤立直流微电网运行控制策略， 在MATLAB / Simulink 下验证控制策略的有效性。主要内容包括：建立光伏阵列、超级电容、燃料电池和蓄电池的数学模型；跟踪光伏阵列最大功率。
1 系统结构
图1为系统总体框图。直流微电网主要由微电源、变换器、直流配电网、储能装置和直流负荷组成。对超级电容进行充放电管理，防止过充或过放，并维持直流母线电压稳定；对蓄电池充放电管理进行优化；对燃料电池输出功率变化率进行控制，保持网内功率平衡；提出以直流母线电压为控制信号，根据储能的特性将不同储能设立优先级，用下垂法设置各储能的阈值电压，优化能量分配，从而达到稳定直流母线电压的目的。
2 储能模型
2.1 超级电容的数学模型
对超级电容建立数学模型，超级电容模型主要有德拜极化模型、传输线模型和经典等效模型。图2（a）为经典等效模型，图中是等效串联电阻，代表电容器内部发热所消耗的功率，对电容器的充放电过程影响较大；是等效并联电阻，代表超级电容的漏电流，影响电容的长期储能性能；是理想电容。在实际应用中，电容器通常处于较快和频繁的充放电循环过程，的影响可以忽略[11]，电容器可进一步简化为一个理想电容与等效电阻串联的模型，如图2（b）所示。根据式（1）-（3）确定超级电容的容量[12]：
2.2 蓄電池的数学模型
3 直流母线电压控制策略
直流微网仅需考虑有功功率的平衡，无需考虑无功功率流动，因此直流母线电压为衡量系统稳定的唯一指标，控制直流微网中的电压稳定，就可以控制系统稳定运行。直流母线电压下垂法是一种可以自动实现最优化的控制方法，直流微电网中的各个变换器会随着直流母线电压的跌落逐个/组的投入系统中。这种能量优化控制策略实施的第一步就是对每个变换器设定一个门槛电压，门槛电压的设置应该从优先级别最高的电源控制器开始，优先级最高的电源的电压就是系统工作的额定电压；然后依次设定下一个优先级的门槛电压，下一级的门槛电压的设定需要用到上一个门槛电压值；变换器的门槛电压设定遵循如下的公式：
为了降低系统的运行的成本，可再生能源作为系统中优先级别最高的单元模块，始终以最大功率输出，可以提供给系统的功率为由负载决定，通常为负载的平均功率。蓄电池，和超级电容作为系统的能量缓冲单元工作，当系统中的负载功率比较小的时候需要给蓄电池充电以防止母线电压升高，当系统中的负载的功率增加时，光伏电池不能够满足负载的需求时蓄电池对外放电以保证母线电压的相对稳定，因此将充放电速度快，寿命长的超级电容为系统能量优化的第二级的电源模块其次是蓄电池；燃料电池作为系统中备用的电源，只是在系统能量极其不足的情况下才投入运行，因此将燃料电池作为系统中优先级别最低的电源模块。
设置了七个参考电压，并且保证-<5%因为系统中电压波动保证在5%是允许的。、、、、、和他们分别表示了保障系正常运行的额定电压、超级电容蓄电池停止充电电压，超级电容放电电压，超级电容停止放电电压蓄电池放电电压、蓄电池停止放电电压燃料电池启动电压、燃料电池最小功率运行终止电压和系统的过载电电压。他们之间满足如下关系>>>>>>，这也从另一方面反映了系统中的供电单元的优先级，优先级最高的是光伏电池，其次超级电容和蓄电池，最后是燃料电池，这样的一种电压设定的方法也体现系统运行成本的优化。按照母线下垂法可以分为以下的几个工作状态。考虑到系统运行的成本问题，燃料电池的以最小恒功率功投入运行控制。并且保证工作在燃料电池的经济运行带上。
4 仿真研究
根据图 1 所示的直流微电网的结构搭建了直流微电网的仿真平台，并采用的基于母线电压下垂法，对整个系统进行了系统能量控制的仿真。
从仿真的结果中，可以看出仿真结果与理论的分析基本一致，不论系统工作在那一个状态，变换器的端口电压都可以稳定工作在设定的电压阀值上。对于电和负载的功率冲击，母线电压都可以稳定在一个相对稳定的范围内。
5 结论
本文以直流微电网为研究对象，建立了微电源的数学模型，设计了简单直观的控制策略，以直流母线电压稳定为控制目标，实现了微电源间的协调控制。仿真结果表明：
a. 下垂控制可以实现能量的合理分配；
b. 该控制策略实现经济最优化；
c.能够稳定直流母线电压，暂态时电压波动在可接受范围内。
参考文献
[1] 刘邦银，梁超辉，段善旭.直流模块式建筑集成光伏系统的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2008，28（20）：99-104.
[2] 刘邦银，段善旭，胡欢，等.直流模块式建筑集成光伏系统的协调控制[J].中国电机