含混合储能系统的光伏微电网能量管理策略研究

摘要

随着能源危机的不断加剧，当今社会急需一种新技术来改善能源状况，实现可持续发展。微电网作为一个单一可控的供电系统，它可以降低馈线损耗、增加本地供电可靠性、提高能源利用率。而能量管理系统作为微电网的重要组成部分，能够保证系统的安全运行，提高系统效率。本文的研究对象为光伏微电网，依据不同储能元件的特性，对其能量管理策略展开研究。
　　首先，对光伏微电网做了简单的介绍，其运行状态可分为并网型与离网型。确定了本文所研究的光伏微电网的系统结构，并对光伏电池单元、混合储能系统中的铅酸蓄电池和超级电容等系统组成部分的数学模型及工作特性进行了细致地分析，以便于仿真研究。
　　其次，讨论了两种储能元件的几种并联方式的优缺点，重点分析了基于储能元件容量的能量管理策略。采用低通滤波器（low pass filter，LPF）区分各储能元件承担的功率。同时分析了光伏电池单元、蓄电池、超级电容器的控制策略以及设计了各变换器参数。对于光伏电池单元采用最大功率点跟踪（maximum power point tracker，MPPT）-恒压控制，实现最大功率与变功率输出；对于蓄电池采用互补PWM控制实现了恒流-恒压充电、变功率放电；对于超级电容采用独立PWM控制实现了变功率充放电。
　　然后，提出一种综合功率平衡和储能元件的荷电状态（state of capacity，SOC）的能量管理策略，并将该控制策略应用至含混合储能系统的光伏微电网中。根据系统中不同状况，划分合适的工作模式，以此确定各变换器的工作状态。同时根据两个储能元件的不同特性，采用功率分频的方法，实现元件之间特性的互补。本文通过Matlab/Simulink对所设计的系统进行仿真，仿真结果表明，所提出的能量管理策略在各工作状态均能有效地控制各单元变换器；混合储能系统对微电网起到了很好的功率平抑作用，并能充分地体现各储能元件的特性；系统在各种运行模式间实现快速、平滑切换。
　　最后，基于直流母线电压信号提出一种直流微电网分层控制策略，该控制分为微网管理系统层（microgrid management system，MMS）和本地控制层（local control，LC）。将系统划分为4种运行模式，MMS以直流母线电压为主信号，以储能元件SOC为辅助信号，并给LC输送功率设定值，通过LC直接控制各单元，实现系统整体的分层控制。利用Matlab/Simulink对所提出的分层控制策略进行仿真验证，仿真结果验证了该控制策略在各模式间运行的有效性。