直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行協(xié)調(diào)控制策略研究

孟 明，原亞寧，郭明偉

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

隨著新型負荷，如計算機、LED燈、變頻器、電動汽車、通信設(shè)備以及各種電子設(shè)備的迅速發(fā)展，直流微電網(wǎng)有著更廣闊的前景［1－2］。與交流微電網(wǎng)相比直流微電網(wǎng)的控制不需要考慮母線電壓的相位和頻率問題，控制更方便，而且直流微電網(wǎng)減少了整流逆變環(huán)節(jié)，沒有無功損耗和禍流損耗，更節(jié)能［3－4］。

直流微電網(wǎng)具有系統(tǒng)電源的分布式特性、大量的控制數(shù)據(jù)、靈活多變的控制方式，運行時，需要考慮系統(tǒng)的可擴張性和設(shè)備的熱插拔能力，因此直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性控制的研究則成為了直流微電網(wǎng)研究的重點。文獻［5］提出在系統(tǒng)中增加一個中央控制器(Data Center)來實現(xiàn)微電源之間的協(xié)調(diào)控制，但該方法依據(jù)通訊總線實現(xiàn)對微電源的控制，對傳輸線路的可靠性依賴強，同時由控制中心統(tǒng)一判斷、調(diào)度的集中式控制方式難以實現(xiàn)靈活、有效控制。文獻［6］提出了分層控制方法，將系統(tǒng)分為若干層控制，每層控制采用各自的控制策略，但該方法不能實現(xiàn)新能源優(yōu)先出力的最優(yōu)控制模式。文獻［7－8］提出了基于直流母線信號的分布式控制結(jié)構(gòu)，但是沒有實現(xiàn)同一個電壓等級下多個微電源的功率分配以及系統(tǒng)與大電網(wǎng)間功率的雙向流動?；诖?，本文提出一種并網(wǎng)運行模式下的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。微電源、儲能系統(tǒng)以及并網(wǎng)變換器采用分散式控制拓撲結(jié)構(gòu)，太陽能光伏發(fā)電采用最大功率跟蹤控制，提高新能源的利用效率，雙向AC/DC并網(wǎng)變換器采用雙閉環(huán)的PWM矢量解耦控制，實現(xiàn)與大電網(wǎng)功率的雙向流動。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由雙向變流器、分布式電源、儲能裝置、直流母線和直流負荷構(gòu)成。雙向AC/DC變流器作為接口變換器與交流大電網(wǎng)相連。在直流微電網(wǎng)內(nèi)部，光伏發(fā)電作為系統(tǒng)的分布式發(fā)電單元。儲能單元作為穩(wěn)定直流母線電壓的功率補充，通過雙向DC/DC變流器與直流母線相連。

圖1 直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig．1 DC micro grid topology

1．2 運行原理

為了增加系統(tǒng)可靠性和靈活性，微電網(wǎng)通常采用分散式的控制方法，即賦予微電網(wǎng)中的分布式電源、儲能單元以及并網(wǎng)接口控制上的自主性，在本地建立各自的控制策略。在直流微電網(wǎng)中，電壓是反應(yīng)系統(tǒng)功率是否平衡的最主要指標，因此在分散式控制的基礎(chǔ)上利用電壓的下垂特性控制具有良好的控制效果。下垂控制原則是以盡可能小的電壓偏差在微源和負載之間，按下垂系數(shù)分配功率以達到微電網(wǎng)的功率平衡。為了更好地協(xié)調(diào)大電網(wǎng)、微源、儲能以及負載之間的運行，設(shè)置每個變換器的控制閾值及下垂率，實現(xiàn)各微源、儲能與并網(wǎng)接口的優(yōu)先級及功率分配。

針對圖1中各個接口變換器，設(shè)計了靜態(tài)U－I特性曲線，如圖2所示。其中:Ib為蓄電池輸出電流，Ipv為太陽能模塊輸出電流，Ig為并網(wǎng)變換器輸出電流。

從圖2可以看出，該系統(tǒng)的額定電壓為750 V，具有 ±5%的電壓波動，選擇設(shè)定的最高閾值為780 V，最低為720 V。為實現(xiàn)新能源的最大化利用，光伏作為可再生清潔能源系統(tǒng)，采用最大功率跟蹤控制。儲能單元存在損耗，優(yōu)先權(quán)較低，當(dāng)新能源提供功率不能滿足負載需求時，直流側(cè)電壓平衡由并網(wǎng)變換器優(yōu)先進行控制。并網(wǎng)變換器和儲能變換器均采用母線電壓信號控制策略，通過調(diào)節(jié)各自的下垂系數(shù)進行功率分配。當(dāng)電網(wǎng)電壓在730～770 V時，并網(wǎng)變換器采用下垂控制策略控制母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)直流母線電壓大于750 V時，直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送能量，變換器輸出電流Ig為負;當(dāng)直流母線電壓小于750 V時，直流微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收功率，電流Ig為正。

圖2 變換器接口靜態(tài)U－I特性曲線Fig．2 Converter interface U－I static characteristic curve

蓄電池單元充電閾值設(shè)定為760 V，放電閾值設(shè)定為740 V。當(dāng)母線電壓高于760 V時，蓄電池采用下垂控制方式充電。為避免蓄電池頻繁充放電，當(dāng)母線電壓在740～760 V時，蓄電池不工作。母線電壓低于740 V時，采用下垂控制方式放電。如果充電過程中檢測到蓄電池充電完成，則蓄電池應(yīng)工作在關(guān)閉狀態(tài)。

2 控制策略

2．1 光伏發(fā)電控制策略

為了實現(xiàn)清潔能源的有效利用，太陽能發(fā)電采用最大功率跟蹤(Maximum power point tracking，MPPT)控制［9］。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。光伏組件通過Boost升壓電路提供直流電壓，系統(tǒng)通過MPPT控制器小干擾法尋找光伏組件的最大功率點，發(fā)出控制信號，根據(jù)發(fā)出的PWM驅(qū)動信號調(diào)節(jié)Boost電路開關(guān)管T的占空比D和輸入電壓US，使光伏組件的最大電壓維持在最大功率點附近?？刂乒夥M件始終工作在最佳狀態(tài)，輸出最大功率，達到能量最佳利用。

2．2 蓄電池控制策略

由于光伏發(fā)電是間歇性能源，不能提供穩(wěn)定的功率輸出，為了維持暫態(tài)功率平衡和母線直流電壓穩(wěn)定，引入蓄電池儲能裝置［10］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

選取Buck電路派生的非隔離性雙向變換器，開關(guān)管的驅(qū)動采用互補PWM方式。為實現(xiàn)各并聯(lián)變換器之間電流共享和減少環(huán)流，系統(tǒng)采取下垂控制策略進行并聯(lián)蓄電池充放電?？刂撇呗匀鐖D5所示，采用雙閉環(huán)的控制方法。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制框圖Fig．3 Photovoltaic power system control diagram

圖4 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．4 Energy storage system structure diagram

圖5 下垂控制策略框圖Fig．5 Droop control strategy frame

式中:Uref為空載電壓參考值;Ib為蓄電池的實際工作電流;K為虛擬輸出阻抗。K由下式得到:

式中:imax為最大輸出電流;ev為最大電壓允許偏差［11］。

外環(huán)采用電壓控制環(huán)，通過直流母線電壓的測量值Ud與額定電壓比較所得的誤差經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器后得到電池的參考電流。內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，通過對蓄電池的實際工作電流Ib的檢測來跟蹤外環(huán)所給定的參考電流值。實際工作電流Ib與參考電流值比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器和PWM后輸出控制雙向DC/DC變換器信號。

2．3 并網(wǎng)變換器控制策略

并網(wǎng)接口變換器連接直流微電網(wǎng)和大電網(wǎng)，目的是控制變換器輸出端電壓和電流的穩(wěn)定，并且滿足單位功率因數(shù)輸出，同時保證并網(wǎng)電流電能質(zhì)量滿足并網(wǎng)標準［12］。采取AC/DC雙向變流器的方式來解決微電網(wǎng)的并網(wǎng)問題并實現(xiàn)功率的雙向流動。雙向AC/DC變流器控制原理如圖6所示。

圖6 雙向AC/DC變流器控制原理圖Fig．6 Bidirectional AC/DC converter control principle diagram

為維持直流母線電壓穩(wěn)定、平衡功率流動，采用了完全可控的三相換流器來實現(xiàn)交、直流母線的連接耦合。雙向AC/DC變流器采用矢量解耦控制。從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系采用Park等量變換，同時選擇d－q旋轉(zhuǎn)坐標系中的q軸與電壓矢量重合。在d－q坐標系中，irefq為q軸電流參考值，iDC為直流側(cè)電流，u*DC為直流母線電壓參考值(由下垂控制得到)，urefDC設(shè)為750 V，θ由交流側(cè)同步鎖相環(huán)得到。經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)PI控制，由PWM輸出信號控制雙向AC/DC變流器。

在d－q坐標系中，有功功率只與id有關(guān)，稱為有功電流;無功功率只與iq有關(guān)，稱為無功電流。直流電壓可由有功電流控制，而功率因數(shù)可由無功電流控制。因此，PWM變流器采用d－q坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)控制，可以高效穩(wěn)定地實現(xiàn)功率在直流側(cè)和交流側(cè)的快速流動。

3 仿真驗證

為驗證控制策略的可行性，在 Matlab/simulink仿真軟件中建立圖1所示直流微電網(wǎng)模型，在并網(wǎng)運行模式下進行仿真。

光伏發(fā)電MPPT控制仿真所用太陽能電池組件的參數(shù)為Vm=28.8 V，Im=6.94 A，Isc=7.44 A，Voc=35.4 V。為模擬太陽能電池陣列的輸出特性，采用并聯(lián)方式將7個太陽能電池并聯(lián)，Boost電路電感工作在連續(xù)模式。仿真時，系統(tǒng)選用的外界條件為S=1000 W/m2，T=28℃。為了模擬外界條件改變時系統(tǒng)的控制狀態(tài)，光強曲線S在3.5～4 s和6.5～7 s時分別加以±300 W/m2的變化。在光照強度變化時光伏陣列的輸出功率變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，光伏陣列在光強變化時能實現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖7 光伏陣列的輸出功率Fig．7 Output power of photovoltaic array

在系統(tǒng)仿真時，根據(jù)圖2特性曲線，太陽能電池作為新能源發(fā)電單元，采用最大功率跟蹤控制，不再設(shè)置光強變化。從0 s開始，系統(tǒng)低負荷啟動，為驗證在直流母線電壓不同階段各個控制器動作情況，在1 s系統(tǒng)穩(wěn)定后，增加負荷350 kW，在1．5 s時，增加負荷800 kW。直流母線電壓變化曲線、蓄電池輸出電流曲線以及并網(wǎng)接口雙向AC/DC變流器直流側(cè)電流曲線分別如圖8—圖10所示。

圖8 直流母線電壓曲線Fig．8 DC bus voltage curve

圖9 蓄電池充放電電流曲線Fig．9 Battery charging and discharging current curve

圖10 雙向AC/DC變流器直流側(cè)電流曲線Fig．10 Bidirectional AC/DC converter DC side current curve

由仿真結(jié)果圖8可知:當(dāng)?shù)拓摵蛇\行時，直流母線電壓穩(wěn)定在770 V左右;在1 s時，系統(tǒng)增加350 kW負荷，母線電壓維持在755 V左右;在1．5 s時，系統(tǒng)繼續(xù)增加負荷800 kW，母線電壓跌落至720 V左右。

規(guī)定蓄電池放電電流方向為正，由仿真結(jié)果圖9可知:當(dāng)母線電壓大于760 V時，蓄電池采用下垂控制方式充電，電流為負值;當(dāng)母線電壓在 740～760 V時，蓄電池不工作，充放電電流為零;當(dāng)母線電壓低于740 V時，采用下垂控制方式放電，電流為正值。

規(guī)定并網(wǎng)接口雙向AC/DC變流器中電流流向直流側(cè)方向為正，由仿真結(jié)果圖10可知:當(dāng)直流母線電壓大于750 V時，直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送能量，直流側(cè)電流為負值;當(dāng)直流母線電壓小于750 V時，直流微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收功率，直流側(cè)電流為正值。

由仿真結(jié)果圖9、圖10可知，當(dāng)母線電壓在740～760 V時，蓄電池變換器優(yōu)先級低于并網(wǎng)變換器，蓄電池不工作，由雙向AC/DC并網(wǎng)變換器實現(xiàn)與大電網(wǎng)的功率雙向流動。

4 結(jié)語

針對直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式，提出一種協(xié)調(diào)控制策略。通過仿真分析證明，該控制策略可以實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的靈活控制，并保持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的高效、節(jié)能、穩(wěn)定運行，即合理設(shè)置各變換器的分段閾值電壓，實現(xiàn)分布式發(fā)電單元、并網(wǎng)變換器以及儲能單元按照優(yōu)先級順序控制，采用下垂控制實現(xiàn)各變換器功率分配和電壓控制。

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