直流微電網(wǎng)改進(jìn)分級(jí)控制策略研究

高崧耀

【摘要】：隨著時(shí)代的發(fā)展，直流微電網(wǎng)已在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于交流微電網(wǎng)而言，直流微電網(wǎng)具有無(wú)需跟蹤頻率以及電壓相位、抗擾性更好、降低線(xiàn)路損耗、在基礎(chǔ)設(shè)施的投資上較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可見(jiàn)其未來(lái)的發(fā)展將不可估量。文章針對(duì)適用于任意用戶(hù)的小型直流微電網(wǎng)，在分析其組成結(jié)構(gòu)及發(fā)電單元輸出特性的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)分級(jí)控制策略。

【關(guān)鍵詞】：直流微電網(wǎng)；改進(jìn)分級(jí)；控制策略

1、導(dǎo)言

為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式發(fā)電之間的矛盾，充分利用分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，并促進(jìn)其大規(guī)模的整合與應(yīng)用，學(xué)者們提出了微網(wǎng)（Microgrid）的概念。盡管對(duì)微網(wǎng)的定義各不相同，但國(guó)際上基本認(rèn)為：微電網(wǎng)是由各種分布式電源/微電源、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控、保護(hù)裝置組成的集合；具有靈活的運(yùn)行方式和調(diào)度性能，即能在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種模式間切換。

2、基于直流母線(xiàn)電壓的控制策略

直流微網(wǎng)控制策略主要分為集中控制、分散控制和分布控制3種，其中分散控制不考慮直流母線(xiàn)變化使得各分布電源間的信息無(wú)法交互不予采用，集中控制由于需要一個(gè)傳輸速度較快的通信架構(gòu)，目前實(shí)現(xiàn)較為困難，所以大部分直流微網(wǎng)的控制策略都選用分布控制，即基于直流母線(xiàn)電壓的控制策略（DCbussignalcontrol）。直流母線(xiàn)電壓的選取，依據(jù)文中對(duì)不同直流電壓對(duì)負(fù)載和線(xiàn)路損耗的分析，得出選擇直流母線(xiàn)電壓為48V較為合適。直流微網(wǎng)作為電源輸出時(shí)DBS的具體實(shí)現(xiàn)方式，變換器的U-I下垂控制線(xiàn)見(jiàn)圖1，原理框圖見(jiàn)圖2，變換器通過(guò)將母線(xiàn)電壓幅值與自身工作狀態(tài)閥值電壓比較，進(jìn)而決定工作模式。

圖1新能源放電時(shí)的控制器U-I下垂線(xiàn)

圖2新能源放電時(shí)變換器控制框圖

直流系統(tǒng)中包含3類(lèi)電能單元：新能源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載單元。首先，直流母線(xiàn)電壓的幅值作為信號(hào)，分為不同控制區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)直流母線(xiàn)電壓處于狀態(tài)1時(shí)，僅將新能源并入直流母線(xiàn)，狀態(tài)2中儲(chǔ)能裝置也被加入。其中新能源的放電閥值為U0，儲(chǔ)能裝置的放電閥值為U1。當(dāng)負(fù)載小于新能源最大功率點(diǎn)（曲線(xiàn)PS1）時(shí)，新能源的變換器與直流母線(xiàn)交互，使得僅新能源并網(wǎng)，并且變換器工作在恒壓輸出狀態(tài)，調(diào)制母線(xiàn)電壓至其放電閥值。當(dāng)負(fù)載電流增大，母線(xiàn)電壓由于下垂線(xiàn)的控制逐漸降低，所以，當(dāng)帶負(fù)載PL1時(shí)，系統(tǒng)工作點(diǎn)在A點(diǎn)處。當(dāng)負(fù)載超過(guò)新能源最大功率點(diǎn)，新能源變換器檢測(cè)到該狀態(tài)后，改變其工作狀態(tài)至恒功率輸出模式，限制其輸出功率為PS1。由于按PS1曲線(xiàn)增長(zhǎng)，電壓會(huì)跌落較多，所以為了保持母線(xiàn)電壓在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，當(dāng)電壓跌落至U1以下，儲(chǔ)能裝置并入，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓，當(dāng)帶負(fù)載PL2時(shí)，系統(tǒng)工作點(diǎn)在B點(diǎn)處。

圖2控制模塊是標(biāo)準(zhǔn)雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快，電壓外環(huán)通過(guò)PI調(diào)節(jié)保證電壓穩(wěn)定。在恒壓工作模式中，PI控制器使得直流母線(xiàn)電壓調(diào)制到其放電閥值電壓，電流按照內(nèi)環(huán)輸出額定值。同時(shí)，設(shè)置了控制器的下垂曲線(xiàn)保證了不同新能源和儲(chǔ)能裝置能通過(guò)變換器實(shí)現(xiàn)功率均分。下垂曲線(xiàn)公式為

U0*=Un-kI0。（1）

式（1）中：Un為變換器放電閥值；I0為輸出電流；k為下垂系數(shù)。恒功率運(yùn)行時(shí)，新能源的變換器跟蹤新能源的最大功率點(diǎn)運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置在母線(xiàn)電壓達(dá)到放電閥值后，按下垂控制支撐母線(xiàn)電壓。以上介紹了新能源模塊放電方式的控制策略，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置作為一個(gè)能量緩沖器，其控制器根據(jù)直流母線(xiàn)電壓的不同分為充電控制和放電控制兩部分，具體儲(chǔ)能變換器的控制框圖見(jiàn)圖3。

圖3儲(chǔ)能變換器總體控制框圖

圖3中：Ub為檢測(cè)的蓄電池電壓；Ubh為相對(duì)于剩余容量95%時(shí)的電壓；Ubl為相對(duì)于剩余容量40%時(shí)的電壓，充放電電流最大值都有相應(yīng)限制；Ib*為儲(chǔ)能變換器的參考電流；Ib為變換器實(shí)際輸出電流；D*為變換器的占空比；Udc為直流母線(xiàn)電壓測(cè)量值；Udc_ref為給定參考值。

將Udc和Udc_ref比較后通過(guò)PI調(diào)節(jié)及限流環(huán)節(jié)得到電流控制環(huán)的輸入?yún)⒖贾礗r2，若Ub小于Ubl，則Ir2=0，此時(shí)蓄電池為充電狀態(tài)，參考電流為Ir1；若Ub大于Ubl，則參考電流為Ir2，此時(shí)蓄電池為放電狀態(tài)。其中，充電狀態(tài)時(shí)，將Ub和Ubh比較后通過(guò)PI調(diào)節(jié)和限流環(huán)節(jié)，得到參考電流Ib1=Ib*。通過(guò)Ib*的大小決定電池工作狀態(tài)，當(dāng)其大于0，變換器工作在放電狀態(tài)，小于零則充電狀態(tài)。Ubh和Ubl的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能的過(guò)沖過(guò)放保護(hù)。

3、直流微電網(wǎng)的分級(jí)控制

3.1第3級(jí)控制

第3級(jí)控制主要實(shí)現(xiàn)上級(jí)電網(wǎng)對(duì)直流微電網(wǎng)的調(diào)度。直流微電網(wǎng)從上級(jí)電網(wǎng)吸收功率的最大值由直流微電網(wǎng)并網(wǎng)變換器的容量決定；直流微電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)輸出功率的大小由上級(jí)電網(wǎng)的調(diào)度決定。直流微電網(wǎng)通過(guò)并網(wǎng)變換器與上級(jí)電網(wǎng)相聯(lián)。采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略時(shí)，并網(wǎng)變換器在dq坐標(biāo)系下的交流側(cè)有功功率和直流側(cè)有功功率可以表示為

（1）

式中：Pac_g為并網(wǎng)變換器交流側(cè)輸出的有功功率，該值為調(diào)度層給定；Ug和Igd分別為并網(wǎng)變換器交流側(cè)電壓有效值和交流側(cè)電流d軸分量有效值；Pg為并網(wǎng)變換器直流側(cè)功率；Ig為并網(wǎng)變換器直流側(cè)電流有效值。

根據(jù)功率守恒，忽略傳輸線(xiàn)路損耗，令Pac_g等于Pg，則上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度時(shí)的并網(wǎng)變換器直流側(cè)電流輸出電流參考值Ig*為

（2）

3.2第2級(jí)控制

第2級(jí)控制使用直流母線(xiàn)電壓作為調(diào)度信號(hào)，在直流微電網(wǎng)電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流微電網(wǎng)中各個(gè)微源工作狀態(tài)的調(diào)度管理。該調(diào)度策略可以根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行規(guī)律優(yōu)先對(duì)分布式電源進(jìn)行調(diào)度，分布式電源輸出功率不夠時(shí)，再根據(jù)并網(wǎng)或孤島狀態(tài)分別對(duì)并網(wǎng)變換器和儲(chǔ)能裝置進(jìn)行調(diào)度，達(dá)到母線(xiàn)電壓平衡和潮流控制的目的。直流微電網(wǎng)的工作模式示意圖如圖4，其中UN為額定電壓，H2UN和L2UN分別為母線(xiàn)電壓允許的最大值和最小值，系數(shù)需滿(mǎn)足

（3）

圖4直流微電網(wǎng)母線(xiàn)電壓控制

3.3第1級(jí)控制

第1級(jí)控制根據(jù)母線(xiàn)控制層的調(diào)度要求實(shí)現(xiàn)對(duì)微源接口變換器的控制。

結(jié)論

綜上所述，針對(duì)適用于任意用戶(hù)的低壓直流微電網(wǎng)，本文提出一種層次化優(yōu)化控制策略，該層次化控制策略通過(guò)調(diào)度管理層與上級(jí)電網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)上級(jí)電網(wǎng)對(duì)直流微電網(wǎng)的調(diào)度，母線(xiàn)電壓控制層以直流母線(xiàn)電壓作為信息載體實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電單元的調(diào)度及狀態(tài)的調(diào)度，變換器控制層實(shí)現(xiàn)變換器的下垂及最大功率控制。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]張有兵，穆淼婕，翁國(guó)慶.分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（1）：139-146.

[2]王毅，張麗榮，李和明，等.風(fēng)電直流微網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（4）：16-24.