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趙立博，曹秋涵，孫曦冉，苦呷魯
（北京林業大學，北京市100083）
摘要：針對林區供電難及獨立光儲系統供電穩定性差的問題，提出一種為林區瞭望塔交流微電網供電的生物質能與太陽能互補的協調控制系統。系統中包括光伏電池、蓄電池和生物質發電3種分布式電源。光儲系統承擔大部分時間的供電，生物質發電機組作為后備電源，用來補充光儲系統供電不足時的電力需求。系統通過控制3種電源協調工作，確保太陽能資源利用最大化，供電系統穩定合理運行以及快速動態響應。通過PSCAD仿真平臺進行仿真模擬驗證了系統協調控制的有效性。
0引言
林區一般位置偏遠，難以采用大電網供電，獨立微電網在這方面有得天獨厚的優勢。微電網是由分布式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發電、配電、用電系統，傳統方式采用光伏—蓄電池系統進行供電，對于光照有很強的依賴性[1-3]。林區瞭望塔用電負荷的主要特點是隨機性強，用電需求分布在一天不同時段以及一年不同季節，采用傳統微電網不僅成本高、轉換率低，而且受天氣及季節性影響，導致運行不穩定，極易出現供電不足的情況。我國森林覆蓋面積廣，便于獲取生物質能的原材料，利用太陽能與生物質能互補供電系統進行發電，可以優勢互補，能有效降低經濟成本，提高供電的穩定性和可靠性[4-6]。
光伏發電采用光伏電池與蓄電池結合的光儲系統，文獻[7]、文獻[8]對幾種控制方法進行了詳細的比較與說明。本文中采用了電導增量法實現最大功率點跟蹤。蓄電池作為儲能單元，平抑太陽能功率的波動，采用雙向DC/DC變換器來實現直流母線電壓的穩定。文獻[9]介紹了一種雙向變換器的控制策略，可以對蓄電池的充放電進行有效控制、保護蓄電池不受損壞、延長蓄電池的使用壽命。文獻[10]介紹了光儲系統的微電網控制技術，但該系統的穩定運行主要依靠儲能元件的調節作用，對于容量的合理配置有較高要求。
生物質能發電目前一般采用微型燃氣輪機與永磁同步發電機作為發電機組，采用雙PWM換流器將從發電機得到的電能輸入微電網。文獻[11]介紹了一種雙PWM換流器，其能夠減小變換器間直流電壓波動以及對直流電容的容量需求，大大提高了整個微型燃氣輪機發電系統承受負荷沖擊的能力。文獻[12]、文獻[13]介紹了微型燃氣輪機的數學模型。文獻[14]介紹了一種微電網控制系統，考慮到了多種分布式電源，但其沒有給出一套系統的運行策略，而且其系統主要基于微燃機發電系統，太陽能沒有得到最大化利用。本文將這兩種系統進行優勢互補，通過對各電源功率的控制，為負載提供可靠電能。
1林區微電網主電路結構及數學模型建立
1.1主電路構成
如圖1所示，本文給出了一種太陽能與生物質能互補發電系統，該系統包含光伏—蓄電池發電系統和生物質燃料發電系統。光伏電池在有光照條件下輸出電能，為負載供電，蓄電池作為儲能裝置來儲存和調節光伏電池所發出的電能。而生物質發電機組作為后備能源，在光照不足或負載過大的條件下補充微電網中不足的功率。
1.2數學模型建立
1.2.1光伏電池數學模型
根據圖2所示的光伏電池等效電路，可以得到光伏電池的函數方程為：
1.2.2蓄電池模型
蓄電池作為分布式發電中的儲能設備，其作用不言而喻，但是蓄電池內部參數之間的關系較為復雜，而且相互之間呈高度非線性關系，這成為蓄電池建模的難點。常用的蓄電池模型有謝菲爾德模型、戴維南模型以及通用模型。本文所采用的蓄電池模型為通用模型，其物理模型如圖3所示，由受控電壓源和一個定值電阻串聯組成，其中Ebat由式（2）確定：
1.2.3微型燃氣輪機模型
微型燃氣輪機模型如圖4所示，其中，排氣溫度函數f1、渦輪轉矩輸出函數f2分別為：
從圖4可以看出，微型燃氣輪機模型包括轉速與加速度控制、溫度控制、燃料供給和燃燒室以及壓縮機－渦輪系統等部分。在非滿載時，微型燃氣輪機主要速度控制方式為斜率控制，即以轉子速度與預先設定參考值間的差值作為輸入信號，以速度偏差比例值作為輸出信號；加速度控制目的是限制轉速的變化率過大，防止轉子超出允許范圍；溫度控制通過限制燃料輸入量來保護系統溫度不超過限定值。為了維持正常運行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，取0.23的額定燃料量作為微型燃氣輪機的基荷，因此微型燃氣輪機要盡量避免運行在低負荷狀態以提高經濟效益。
2太陽能與生物質能互補的微電網協調控制策略
系統將3種分布式電源分成兩個子系統，即光伏—蓄電池系統和生物質發電系統。這樣可以在微電網中同時存在交流和直流供電網絡，便于同時滿足直流負載和交流負載需求，同時又可避免因直流母線產生故障而嚴重影響交流負載供電。本文中只研究交流負載。
當太陽能電池輸出功率大于負載功率時，即Ppv＞Pload，多余的能量通過雙向變換器給蓄電池充電，蓄電池存儲能量，雙向變換器工作在Buck模式，生物質發電不工作。
當太陽能電池輸出功率小于負載功率時，即Ppv＜Pload，負載所需能量不夠的部分由蓄電池放電或生物質發電補充。當在陰雨天或晚上太陽能電池輸出功率很小或為零時，即Ppv＝0，負載所需能量全部由蓄電池放電或生物質燃料發電來補充，雙向變換器工作在Boost模式。本文中蓄電池最大允許放電電流大于電網所需電流，故不考慮蓄電池放電功率限制。
當光伏電池獨立給蓄電池充電時，釆用MPPT限流的充電方式；當光照過大且蓄電池充滿電時，光伏模塊通過穩定直流母線電壓來平衡系統功率，蓄電池退出運行。光儲系統能夠提供系統運行所需電能時，生物質發電機組不工作，僅當光儲發出的電能不足時，才由生物質發電系統放電補充。
另外，如果蓄電池放電至低于過放電壓，或者蓄電池充電至超過過充電壓時，雙向變換器將被強行控制關斷，以保護蓄電池不被損壞，延長蓄電池的使用壽命。
2.1光儲系統控制
光伏—蓄電池系統（以下簡稱“光儲系統”）包含兩個DC/DC變換器和一個DC/AC逆變器。其中Boost變換器為單向DC/DC變換器，將光伏電池組件的寬范圍直流輸出電壓變換為逆變器所需要的直流母線電壓。蓄電池通過雙向Buck-BoostDC/DC變換器與高壓側的直流母線并聯，雙向DC/DC變換器承擔了雙向傳遞能量的任務，同時可以控制蓄電池充放電電流，以此來保護蓄電池。由于雙向DC/DC變換器低壓端接蓄電池，因此不需要隔離。本系統采用Buck-Boost雙向變換器，它將傳統的Buck變換器的續流二極管換成雙向開關管而得到。該變換器具有結構簡單、易于控制、可靠性強和效率高等特點，也是目前采用最多的雙向變換器。該系統通過DC/AC逆變器接入微電網，將直流電轉換為交流電提供給負載。
2.1.1最大功率點跟蹤
2.1.2單向DC/DC變換器控制電路
單向變換器控制光伏電池工作，在MPPT、恒壓與關斷模式間切換，如圖5所示。控制信號為Buck_sd、Buck_con，其中Buck_sd控制變換器的關斷，在光伏電池不能工作的情況下切除光伏電源，控制變換器工作在MPPT或恒壓模式。
2.1.3雙向DC/DC變換器控制電路
雙向變換器控制蓄電池充放電，將采集到的電池電壓（Ubat）、電流（Ibat）輸入PI調節器產生調節信號，通過脈沖寬度調制（PWM）產生觸發脈沖，如圖6所示。模式控制信號為Bi_sd、Bi_con，其中Bi_sd控制變換器的關斷，在電池達到過放或過充電壓時保護電池，控制變換器工作在Buck或Boost模式。
2.1.4逆變器控制電路
圖7為逆變器控制電路框圖，當光儲系統單獨供電時，逆變器采用Vf控制，而當光儲系統與生物質系統協調供電時，由于光伏發電受光照、溫度等環境影響較大，難以保持穩定的輸出，所以逆變器控制采用PQ控制，作為一個恒定功率源，維持輸出功率的穩定。B_sd與Bio_sd信號一起控制逆變器工作方式，控制關系滿足真值表。
2.2生物質能發電控制
生物質發電系統如圖8所示。它是由微型燃氣輪機、永磁同步發電機（PMSG）、背靠背雙PWM變流器、濾波器和負載等組成。從壓氣機出來的高壓空氣預熱后與燃料混合、燃燒，高熱燃氣在渦輪處做功，帶動高速發電機產生高頻交流電，高頻的交流電流經整流、逆變和濾波后，輸送到負載進行供電。
圖9為雙PWM變流器控制電路框圖，生物質發電機組產生的電能通過雙PWM變流器匯入電網，網側變流器采用Vf控制，用于在電網不穩定或光儲功率不足時給電網提供基準電壓與頻率，補充電網所缺功率。Bio_sd信號控制變流器關斷，實現生物質電源的投入與切除。
3系統控制策略的實現與仿真結果的分析
系統通過檢測微電網中的光伏輸出電壓并與光伏最小工作電壓相比較，判斷光伏電池是否工作，若輸出電壓大于最小工作電壓，則認為光伏電池輸出電能，反之則不工作。檢測光伏電池輸出的功率，并與負載所需功率進行比較，判斷光伏輸出的功率是否滿足負載所需；檢測蓄電池輸出電壓，判斷蓄電池是否處于過充或過放。根據對光伏電池和蓄電池的工作狀態的判斷結果來決定系統運行狀態，進行模式選擇。最終通過控制電路控制系統中的各變流器工作模式，來控制系統中電能的流動，實現各電源電能的協調控制，為負載提供穩定的電能。
為了驗證所設計的生物質能與太陽能互補的林區微電網能量管理控制策略的可行性和有效性，在光伏陣列的光照條件隨時間發生變化、蓄電池的端電壓隨系統運行發生變化、生物質隨系統運行情況而切除或投入時，使用PSCAD進行仿真，系統主要參數如表1所示。
圖10為仿真結果。仿真一開始由蓄電池供電，蓄電池達到過放狀態后關斷，由生物質發電系統提供電能，然后隨著光照增強，光伏電池逐漸開始輸出電能，與生物質發電系統協調供電，隨著光伏發電量滿足負載要求，生物質發電系統退出電網，同時蓄電池儲存光伏電池多余的電量。從圖中可以看出：當光伏電池不足以提供負載所需電能時，系統可以迅速正確地進行模式切換；當光伏電池發電量超出負載所需時，系統可以把多余的電量儲存起來，從而合理控制能量分配以維持系統穩定。
4結語
本文提出的生物質能與太陽能互補的林區微電網能量管理控制策略，與傳統微電網供電的供電情況相比較，有效地克服了普通電網供電受天氣以及季節性影響的缺陷。仿真過程中，充分利用蓄電池部分的調節能力、生物質發電的靈活性以及我國林區生物質燃料充足的特點，實現了對太陽能最大限度的利用，也充分發揮了生物質能電源的作用，保證了系統對林區微電網的供電可靠性。通過比較負載與供電部分的功率，使得系統處于不同運行模式，從而使得負載部分始終處于正常工作狀態。
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