交直流混合微電網(wǎng)中互聯(lián)變流器功率控制

謝文超，朱永強(qiáng)，杜少飛，夏瑞華

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

交直流混合微電網(wǎng)中互聯(lián)變流器功率控制

謝文超，朱永強(qiáng)，杜少飛，夏瑞華

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

針對(duì)交直流混合微電網(wǎng)，分析了各子網(wǎng)的下垂特性以及并網(wǎng)和離網(wǎng)2種運(yùn)行模式下的功率平衡關(guān)系。為避免互聯(lián)變流器頻繁動(dòng)作，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，提出了一種基于單位化處理的交直流混合微電網(wǎng)下垂控制方法，并設(shè)計(jì)了誤差動(dòng)作閾值，推導(dǎo)了誤差與交換功率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)變流器的分區(qū)段控制。在PSCAD/EMTDC搭建了交直流混合微電網(wǎng)仿真模型對(duì)控制策略進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種運(yùn)行模式下，互聯(lián)變流器在相應(yīng)區(qū)間都能準(zhǔn)確、快速地調(diào)節(jié)直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)之間的交換功率，實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了控制策略的可行性。

交直流混合微電網(wǎng)；互聯(lián)變流器；混合下垂控制；誤差動(dòng)作閾值；分區(qū)段

0 引 言

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)開始向分布式、智能化和多樣化的方向轉(zhuǎn)變，電能的流動(dòng)也從傳統(tǒng)的單向流動(dòng)變?yōu)殡p向甚至多向流動(dòng)[1-2]。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式電源接入，微電網(wǎng)成為目前有效的解決方案之一[3-5]?，F(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)采用交流系統(tǒng)使得交流微電網(wǎng)得到了快速發(fā)展。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)所需變流器數(shù)量較少，無(wú)需考慮并網(wǎng)同期以及無(wú)功功率問(wèn)題，但由于分布式電源和儲(chǔ)能裝置各自的特點(diǎn)不同以及負(fù)荷的供電需求不同，具備交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)各自優(yōu)點(diǎn)的交直流混合微電網(wǎng)將會(huì)是未來(lái)微電網(wǎng)存在的主要形式[6-7]。

分布式電源具有間歇性，因此交直流子網(wǎng)間的功率協(xié)調(diào)問(wèn)題顯得尤為重要。文獻(xiàn)[8]提出了離網(wǎng)模式下的混合功率下垂控制策略，以互聯(lián)變流器直流側(cè)電容的能量波動(dòng)作為交流接口與直流接口功率傳輸差值，可以快速實(shí)現(xiàn)功率平衡，但并離網(wǎng)切換時(shí)需變換控制策略；文獻(xiàn)[9]利用歸一化處理，使交直流子網(wǎng)可以較好地按各自額定容量均分負(fù)荷，但未考慮負(fù)荷與隨機(jī)能源小范圍波動(dòng)時(shí)引起互聯(lián)變流器頻繁動(dòng)作與電流方向頻繁切換問(wèn)題；文獻(xiàn)[10]提出了具備死區(qū)控制的交直流混合微電網(wǎng)功率平衡策略，但整個(gè)系統(tǒng)冗余復(fù)雜，并不能滿足實(shí)際工程中所需的實(shí)時(shí)性。

本文主要研究交直流混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式下的運(yùn)行特性，提出一種基于單位化處理的交直流混合微電網(wǎng)下垂控制方法。將互聯(lián)變流器直流端口電壓與交流端口頻率進(jìn)行單位化處理后，置于同一坐標(biāo)系中，建立起直流電壓、交流頻率與互聯(lián)變流器交換功率之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系；針對(duì)負(fù)荷與隨機(jī)能源波動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)誤差動(dòng)作閾值，實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)的功率分區(qū)控制，有效避免互聯(lián)變流器的不必要開關(guān)動(dòng)作，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。

1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及子網(wǎng)控制

1.1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，各分布式電源通過(guò)DC/AC或AC/AC變流器與負(fù)荷共同接入交流母線，而對(duì)于無(wú)需逆變器接口的燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)等交流分布式電源則可以有選擇性地直接接入交流微電網(wǎng)系統(tǒng)。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式電源、儲(chǔ)能裝置等通過(guò)AC/DC或DC/DC變流器與負(fù)荷共同連接至直流母線，構(gòu)成直流微電網(wǎng)后，通過(guò)集中逆變裝置，如互聯(lián)變流器連接至公共電網(wǎng)。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 交直流子網(wǎng)的控制

1.2.1 交流微電網(wǎng)下垂控制

交流微電網(wǎng)中各分布式電源的P-f與Q-U下垂特性如式(1)、(2)所示[11]：

(1)

(2)

由于交流微電網(wǎng)頻率的唯一性，使得有功功率可以較好地在各分布式電源中進(jìn)行分配；而受線路阻抗等影響，各分布式電源出口電壓不盡相同，使得無(wú)功功率的分配會(huì)出現(xiàn)偏離，文獻(xiàn)[12-13]提出的補(bǔ)償方法可以較好地解決偏離問(wèn)題。

1.2.2 直流微電網(wǎng)的下垂控制

與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)中無(wú)需考慮無(wú)功功率以及頻率問(wèn)題，各分布式電源的P-U下垂特性如式(3)所示[11]：

(3)

與交流微電網(wǎng)的Q-U下垂特性類似，受線路阻抗等影響，直流微電網(wǎng)中各分布式電源出口電壓也不盡相同，從而使得有功功率的分配會(huì)出現(xiàn)偏離現(xiàn)象，此問(wèn)題也可借用文獻(xiàn)[12-13]中的補(bǔ)償方法解決。

2 互聯(lián)變流器控制策略

交直流子網(wǎng)內(nèi)部分布式電源采用如上所述的分散式下垂控制策略解決各自網(wǎng)內(nèi)的功率分配問(wèn)題，互聯(lián)變流器聯(lián)絡(luò)交直流子網(wǎng)并按照本節(jié)所述控制策略實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間功率平衡。根據(jù)交直流混合微電網(wǎng)是否并入公共電網(wǎng)，將其分為并網(wǎng)和離網(wǎng)2種運(yùn)行模式。

2.1 并離網(wǎng)運(yùn)行模式下功率平衡關(guān)系

2.1.1 并網(wǎng)模式功率平衡關(guān)系

并網(wǎng)模式的交直流混合微電網(wǎng)可以等效為一個(gè)“負(fù)載”或“電流源”[14]，主網(wǎng)為交流微電網(wǎng)提供頻率和電壓支撐，并通過(guò)互聯(lián)變流器穩(wěn)定直流微電網(wǎng)電壓，負(fù)荷以及分布式電源的能量波動(dòng)由主網(wǎng)提供緩沖，最大限度地利用可再生能源[15]。若忽略互聯(lián)變流器的損耗，則此模式下的有功功率平衡關(guān)系如下所示。

直流微電網(wǎng)：

(4)

交流微電網(wǎng)：

(5)

2.1.2 離網(wǎng)模式功率平衡關(guān)系

對(duì)于離網(wǎng)模式的交直流混合微電網(wǎng)，所有的負(fù)荷需求、交流微電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定、直流微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定都需要由分布式電源提供保證，因此交直流子網(wǎng)中的接口變流器以及微電網(wǎng)間的互聯(lián)變流器的控制策略對(duì)實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)的功率平衡尤為重要。若忽略互聯(lián)變流器的損耗，則此模式下的有功功率平衡關(guān)系如式(6)、(7)所示

直流微電網(wǎng)：

(6)

交流微電網(wǎng)：

(7)

2.2 互聯(lián)變流器控制策略

圖2給出了交直流子網(wǎng)的綜合下垂特性[13]，Pac_max為交流微電網(wǎng)輸出最大功率；fmin、fmax分別為交流微電網(wǎng)頻率允許最小值與最大值；Pdc_max為直流微電網(wǎng)電源輸出最大功率；Udc_min、Udc_max分別為直流微電網(wǎng)電壓允許最小值與最大值。

圖2 交直流子網(wǎng)綜合下垂特性

由于交直流子網(wǎng)綜合下垂特性的縱坐標(biāo)f與Udc具有不同的量綱，為了建立起互聯(lián)變流器的參考交換功率Pref與f、Udc之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，將f與Udc按式(8)、(9)單位化后置于同一坐標(biāo)系中，如圖3所示。

(8)

(9)

圖3 單位化交直流子網(wǎng)下垂特性

根據(jù)交直流子網(wǎng)的運(yùn)行情況，劃分互聯(lián)變流器運(yùn)行狀態(tài)如表1所示，當(dāng)交流微電網(wǎng)最大輸出功率Pac_max與直流微電網(wǎng)最大輸出功率Pdc_max差異較大時(shí)，

表1 互聯(lián)變流器運(yùn)行狀態(tài)

Table 1 Operating state of interlinking converter

當(dāng)負(fù)荷小范圍波動(dòng)時(shí)，互聯(lián)變流器的頻繁動(dòng)作及電流方向的頻繁切換，對(duì)電力電子裝置壽命及可靠性有著惡劣的影響，并影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，特別是直流微電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量，甚至?xí)斐蓪?duì)大電網(wǎng)的沖擊，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[16]，為此設(shè)計(jì)誤差動(dòng)作閾值，將互聯(lián)變流器工作區(qū)間分段。如圖4所示，圖中ΔH、ΔL分別為誤差動(dòng)作閾值上限、下限，ΔPic=Pref-Pic為互聯(lián)變流器所需傳輸功率參考值與現(xiàn)有傳輸功率之間的差值，按互聯(lián)變流器額定容量百分比取值，范圍為-1至1。

圖4 單位化交直流子網(wǎng)分區(qū)控制策略

三段式誤差動(dòng)作控制可用式(10)表示：

(10)

式中SN為互聯(lián)變流器額定容量。

只考慮互聯(lián)變流器傳輸有功功率的情況，即流向交流側(cè)的無(wú)功功率參考值Qref=0，則根據(jù)式(11)與式(12)可得到互聯(lián)變流器電流內(nèi)環(huán)參考值：

(11)

(12)

基于單位化處理的交直流混合微電網(wǎng)下垂控制策略如圖5所示，并離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下采用同一控制策略。

圖5 單位化交直流微電網(wǎng)混合下垂控制策略

3 仿真分析

考慮圖1所示交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，搭建了仿真電路，驗(yàn)證交直流混合微電網(wǎng)在直流負(fù)載或者交流負(fù)載出現(xiàn)不同變化時(shí)互聯(lián)變流器的功率控制。直流微電網(wǎng)額定容量為0.8 MW，額定電壓為600 V；交流微網(wǎng)額定容量為1 MV·A，額定電壓為380 V；交直流微網(wǎng)中的分布式電源均采用下垂控制，交換功率以交流微網(wǎng)流向直流微網(wǎng)為正。

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行模式仿真

表2 并網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)功率變化

Table 2 Power change of AC/DC hybrid microgrid in grid-connected mode

并網(wǎng)模式下，交流微電網(wǎng)由主網(wǎng)提供頻率支撐，根據(jù)式(9)得f*=0.5，由下垂特性方程(1)可知，采用下垂控制的分布式電源輸出功率恒定；0～1.0 s時(shí)直流側(cè)輕載0.1 MW導(dǎo)致誤差Δ位于圖4區(qū)段I；由圖6可以看出，此時(shí)互聯(lián)變流器交換功率由直流側(cè)流向交流側(cè)，使誤差Δ減小至區(qū)段II。

圖6 并網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)功率變化曲線

圖7 并網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)頻率、電壓變化曲線

1.0～1.5 s時(shí)直流側(cè)輕載0.15 MW，從圖7可以看出，由于直流微電網(wǎng)的P-U下垂特性，此時(shí)直流母線電壓出現(xiàn)跌落，但未能使誤差Δ越出區(qū)段II；如圖6所示，此時(shí)互聯(lián)變流器在1.0～1.5 s時(shí)的交換功率不變。

1.5～2.0 s時(shí)直流側(cè)重載0.6 MW，從圖7可以看出，由于直流微電網(wǎng)的P-U下垂特性使直流母線電壓再次出現(xiàn)跌落，使得誤差Δ越出區(qū)段II進(jìn)入?yún)^(qū)段III；如圖6所示，此時(shí)互聯(lián)變流器交換功率由交流側(cè)流向直流側(cè)，直流母線電壓也由此得到提升，從而使誤差Δ重新進(jìn)入?yún)^(qū)段II。

3.2 離網(wǎng)運(yùn)行模式仿真

表3 離網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)功率變化

Table 3 Power change of AC/DC hybrid microgrid in off-grid mode

圖8 離網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)功率變化曲線

圖9 離網(wǎng)模式下交直流混合微電網(wǎng)頻率、電壓變化曲線

0～1.0 s時(shí)直流側(cè)輕載0.1 MW，而交流側(cè)帶載0.4 MW使得誤差Δ位于圖4區(qū)段I；如圖8所示，此時(shí)互聯(lián)變流器交換功率由直流側(cè)流向交流側(cè)，從而使誤差Δ減小至區(qū)段II。

1.0～1.5 s時(shí)直流側(cè)輕載0.15 MW，從圖9可以看出，由于直流微電網(wǎng)的P-U下垂特性，直流母線電壓出現(xiàn)跌落，但未能使誤差Δ越出區(qū)段II；如圖8所示，此時(shí)互聯(lián)變流器在1.0～1.5 s時(shí)的交換功率不變。

1.5～2.0 s時(shí)直流側(cè)負(fù)載增至0.6 MW，從圖9可以看出，由于直流微電網(wǎng)的P-U下垂特性使直流母線電壓再次出現(xiàn)跌落，使得誤差Δ越出區(qū)段II進(jìn)入?yún)^(qū)段III；如圖8所示，此時(shí)互聯(lián)變流器交換功率由交流側(cè)流向直流側(cè)，同時(shí)交流側(cè)頻率出現(xiàn)下降而直流母線電壓得到提升，如圖9所示，使得誤差Δ重新進(jìn)入?yún)^(qū)段II。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了交直流混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式下的運(yùn)行特性，以各子網(wǎng)的功率平衡關(guān)系為基礎(chǔ)：

(1)提出了基于單位化處理的交直流微電網(wǎng)混合下垂控制方法，使各子網(wǎng)按額定容量成比例分擔(dān)負(fù)荷，保證交直流混合微電網(wǎng)中電壓與頻率的穩(wěn)定；

(2)將互聯(lián)變流器工作區(qū)間分段，并設(shè)計(jì)了誤差動(dòng)作閾值，減少了互聯(lián)變流器電流方向的頻繁切換，保證互聯(lián)變流器在各個(gè)區(qū)間的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)與高效運(yùn)行。

隨著微電網(wǎng)的普及，交流微網(wǎng)與直流微網(wǎng)互聯(lián)也是未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)。交直流微電網(wǎng)之間的功率交換是非常值得關(guān)注的問(wèn)題。互聯(lián)變流器的功率控制對(duì)混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，本文研究成果在未來(lái)的交直流混合微電網(wǎng)的發(fā)展中具有很好的應(yīng)用前景。

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(編輯 張小飛)

Power Control of Interlinking Converter in AC/DC Hybrid Microgrid

XIE Wenchao，ZHU Yongqiang，DU Shaofei，XIA Ruihua

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

According to the AC/DC hybrid microgrid, this paper analyzes the droop characteristics of the subgrid in AC/DC hybrid microgrid as well as the power balance relationship between the grid-connected mode and off-grid mode. To avoid the frequency action of the converters and improve the power quality, this paper proposes a droop control method for AC/DC hybrid microgrid based on unitized processing, designs the error action threshold, derives the mathematic relationship between the unitized error and the exchange power, and realizes the partial control of the interlinking converter. The simulation model of AC/DC hybrid microgrid built in PSCAD/EMTDC shows that, in both the grid-connected mode and the off-grid mode, the interlinking converter can quickly and accurately regulate the exchange power between DC microgrid and AC microgrid, and guarantee the stable operation of AC/DC hybrid microgrid, which verifies the feasibility of the control strategy.

AC/DC hybrid microgrid; interlinking converter; hybrid droop control; error action threshold; partial

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050102)；新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(LAPS2016-14)

TM 46

A

1000-7229(2016)10-0009-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.002

2016-06-11

謝文超(1991)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與交直流混合微電網(wǎng)技術(shù)；

朱永強(qiáng)(1975)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闉樾履茉床⒕W(wǎng)與發(fā)電；

杜少飛(1989)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制策略；

夏瑞華(1969)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)槲C(jī)保護(hù)與變電站綜合自動(dòng)化。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)