混合微網(wǎng)孤島模式下雙向功率變換器控制研究

肖 瑩

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

近年來，環(huán)境污染和能源危機已經(jīng)成為全球性問題。為緩解該問題，分布式能源 (Distributed energy resources,DERs)受到了各國廣泛關(guān)注[1,2]。由于目前大電網(wǎng)為交流電網(wǎng)而直流電網(wǎng)是未來的發(fā)展趨勢，所以兼具直流網(wǎng)和交流網(wǎng)特點的混合微網(wǎng)是目前最具優(yōu)勢的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

針對交流微網(wǎng)或者直流微網(wǎng)的控制問題，目前已有很多人研究[3－5]。與單純的交流微網(wǎng)或者直流微網(wǎng)控制相比，混合微網(wǎng)的控制要更為復(fù)雜，這與子網(wǎng)間的交互有關(guān)。混合微網(wǎng)的運行分為并網(wǎng)和孤島2種模式。因此，對雙向功率變換器而言，協(xié)調(diào)2個子網(wǎng)間的能量流動至關(guān)重要。在孤島模式下這種控制更為復(fù)雜，混合微網(wǎng)失去大電網(wǎng)的支撐，微網(wǎng)負(fù)載由子網(wǎng)共同提供能量。在這種運行狀態(tài)下，雙向功率變換器必須對交流和直流功率進行管理，并且決定是由交流向直流注入功率還是由直流向交流注入功率。

許多研究者已經(jīng)在這方面做了工作。文獻 [6]通過將直流電壓和交流頻率進行等量處理，提出一種實現(xiàn)子網(wǎng)間能量交互的控制策略。文獻 [7]提出一種新型的雙向功率變換器拓?fù)?，該拓?fù)浞譃榍昂?級，2級之間并聯(lián)儲能。并根據(jù)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了自治運行控制策略。但文獻 [6]和 [7]都未考慮子網(wǎng)的容量。利用ω-Pac和Vdc2-Pdc的下垂特性，文獻 [8]提出一種AC-DC下垂的功率控制策略。該策略使兩個子網(wǎng)等同為一個微網(wǎng)，將負(fù)載需求功率協(xié)調(diào)分配給微網(wǎng)中可分布式電源，但需根據(jù)功率流動方向切換控制策略。文獻 [9]提出一種并聯(lián)雙向功率變換器協(xié)調(diào)控制策略。無需控制策略的切換，即可實現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島的正常運行。然而，該文未考慮雙向功率變換器的容量問題。

基于上述工作，針對混合微網(wǎng)的不同運行模式，本文提出一種雙向功率變換器分散式下垂控制方法來實現(xiàn)子網(wǎng)功率的雙向流動。通過測量交流子網(wǎng)電壓頻率、幅值以及直流子網(wǎng)電壓，依據(jù)所提出的下垂特性可得到雙向功率變換器的電壓和電流參考量。本文所提控制方法可根據(jù)子網(wǎng)容量成比例調(diào)配交直流子網(wǎng)間的功率流動，并具有良好的直流動態(tài)響應(yīng)效果。

1 混合微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在本文中，典型的混合微網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示?；旌衔⒕W(wǎng)包含一個交流子網(wǎng)和一個直流子網(wǎng)（包含儲能）。雙向功率變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)，負(fù)責(zé)交直流網(wǎng)絡(luò)間的功率轉(zhuǎn)換，根據(jù)供需情況為交流子網(wǎng)或直流子網(wǎng)提供功率支撐。當(dāng)交流子網(wǎng)重載時，對雙向功率變換器而言，交流子網(wǎng)成為負(fù)載，能量由直流子網(wǎng)流向交流子網(wǎng)，反之亦然。

圖1 混合微網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在正常運行狀態(tài)下，混合微電網(wǎng)通過交流子網(wǎng)與主電網(wǎng)相連。當(dāng)系統(tǒng)運行在并網(wǎng)模式時，交流子網(wǎng)由主電網(wǎng)提供功率支撐，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；直流子網(wǎng)則由雙向功率變換器調(diào)節(jié)電壓，維持功率平衡。當(dāng)系統(tǒng)運行在孤島模式下，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)分別通過各自接入分布式電源平衡功率，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。此時，若系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，則交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)間進行協(xié)調(diào)控制，相互提供功率支撐。本文針對系統(tǒng)的孤島模式，提出一種基于下垂的雙向功率變換器改進控制策略。

2 DERs控制策略

為了讓不同類型分布式電源形成微網(wǎng)，最常采用的控制方式是下垂控制，使分布式電源接口輸出模擬傳統(tǒng)發(fā)電機特性運行。本文中的微源都采取下垂控制。

2.1 交流子網(wǎng)中DER的控制

交流分布式電源的控制采用P-f和Q-V多環(huán)反饋控制，由于下垂控制的輸出量是頻率和電壓，應(yīng)用頗為廣泛。此控制方法主要是通過降低交流電壓頻率來增加輸出有功功率，通過降低交流電壓幅值來增加輸出無功功率。其下垂特性數(shù)學(xué)表達式如下。

2.2 直流子網(wǎng)中DER的控制

圖2 直流DERs下垂特性

3 孤島模式下雙向功率變換器控制策略

本文的雙向功率變換器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。所提出的雙向功率變換器策略主要由內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制構(gòu)成。內(nèi)環(huán)控制主要控制直流母線側(cè)電壓，外環(huán)控制主要實現(xiàn)子網(wǎng)間的功率交互決策。

圖3 雙向功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向功率變換器在d-q-0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開關(guān)周期模型為

從a-b-c坐標(biāo)到d-q-0坐標(biāo)的變換公式為

雙向功率變換器控制策略的內(nèi)環(huán)控制如圖4，在q軸上采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)的響應(yīng)速度要比電壓環(huán)快。相比較傳統(tǒng)的電壓環(huán)，通過直流輸出電壓追蹤直流電壓參考值，這里采用代替vdc，線性度更好，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。通過解耦控制，使控制有功功率，控制無功功率。

圖4 雙向功率變換器內(nèi)環(huán)控制

雙向功率變換器控制策略的外環(huán)控制如圖5。當(dāng)混合微網(wǎng)處于孤島模式下，在不影響子網(wǎng)正常運行的前提下，子網(wǎng)間發(fā)出或接受的功率需要確定。

圖5 雙向功率變換器外環(huán)控制

忽略開關(guān)損耗，直流子網(wǎng)所需有功功率[8]可以表示為

根據(jù)P－Vdc下垂控制可得電壓變化量參考值為

合并式 (5)和式 (6)得

式中：r＝k1k2。

同時，交流子網(wǎng)所需有功功率為

根據(jù)P－Vac下垂控制可得電壓變化量參考值為

合并式 (8)和式 (9)得

式中：m＝kp，ack2。

最終可得直流母線電壓參考值為

本文中假設(shè)交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)容量相同，所以負(fù)載功率分配也相同，若2個子網(wǎng)的容量不相等，可按照容量比設(shè)置下垂參數(shù)r和m，實現(xiàn)按比例分配負(fù)載。

由于直流子網(wǎng)不需無功，所以無功只由直流子網(wǎng)向交流子網(wǎng)傳輸。交流子網(wǎng)所需無功功率為

電流參考之idref可通過計算得

利用雙向功率變換器為交流子網(wǎng)提供無功支撐，需要合理利用雙向功率變換器的容量，雙向功率變換器輸出的無功功率應(yīng)滿足如下條件。

式中，Qmax為雙向功率變換器的最大輸出無功功率，Srate為雙向功率變換器的額定視在功率。

混合微電網(wǎng)運行在孤島模式時，雙向功率變換器可以分為4種運行狀態(tài)，如表1所示。

表1 孤網(wǎng)模式下雙向功率變換器運行模式

模式1：當(dāng)2個子網(wǎng)都處于輕載時，此時子網(wǎng)運行正常，無需功率交換，雙向變換器不動作。

模式2：當(dāng)交流子網(wǎng)重載，直流子網(wǎng)輕載時，此時 ΔV-δV＜0，所以能量由直流子網(wǎng)流向交流子網(wǎng)。

模式3：當(dāng)直流子網(wǎng)重載，交流子網(wǎng)輕載時，此時 ΔV-δV＞0，所以能量由交流子網(wǎng)流向直流子網(wǎng)。

模式4：當(dāng)2個子網(wǎng)都處于重載時，此時僅憑子網(wǎng)間的能量傳遞已無法滿足供電質(zhì)量，需要啟動儲能設(shè)備供電或者去負(fù)荷來保障供電質(zhì)量，本文不涉及此部分。

4 仿真驗證

為了驗證所提控制策略的可行性，在Simulink平臺上搭建了相關(guān)仿真。

交流子網(wǎng)的額定有功和無功功率分別為20 kW和5 kvar，直流子網(wǎng)的額定功率為20 kW，雙向功率變換器的視在功率為10 kW。由于2個子網(wǎng)的有功容量相同，所以過量負(fù)載分配比也設(shè)為1:1。直流母線額定電壓設(shè)定為800 V，交流電壓設(shè)定為三相 220 V （RMS），50 Hz。

仿真驗證了從模式1到模式2以及模式2到模式3的過渡過程。

4.1 案例1：從模式1切換到模式2

開始時交流負(fù)載設(shè)定為有功20 kW和無功5 kvar，直流負(fù)載設(shè)定為20 kW，雙向功率變換器工作在模式1。在1 s時，交流負(fù)載有功增加5 kW，無功增加5 kvar。

如圖6所示，在0～1 s，交流子網(wǎng)輸出有功20 kW和無功5 kvar，處在額定狀態(tài)，此時交流母線的電壓也穩(wěn)定在額定值220 V，50 Hz。同時，直流子網(wǎng)輸出有功20 kW，同樣處于額定狀態(tài)，直流母線的電壓也穩(wěn)定在額定值800 V。此時，雙向功率變換器不動作。

在1 s，交流側(cè)負(fù)載增加了5 kW和5 kvar。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時，可以看出交流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW和無功7.5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW，雙向功率變換器輸出有功2.5 kW和無功2.5 kvar。

圖6 案例1：功率傳輸和直流母線電壓

圖7 案例2：功率傳輸和直流母線電壓

4.2 案例2：從模式2切換到模式3

開始時交流負(fù)載設(shè)定為有功25 kW和無功10 kvar，直流負(fù)載設(shè)定為20 kW，雙向功率變換器工作在模式2。在1 s時，交流負(fù)載有功較少5 kW、無功減少5 kvar，直流負(fù)載增加6.4 kW。

如圖7所示，在0～1 s，交流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW和無功7.5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW，雙向功率變換器輸出有功2.5 kW和無功2.5 kvar。直流母線的電壓低于額定值800 V。

在1 s，交流負(fù)載有功較少5 kW、無功減少5 kvar，直流負(fù)載增加6.4 kW。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時，可以看出交流子網(wǎng)輸出有功23.2 kW和無功5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功23.2 kW，雙向功率變換器輸出有功-3.2 kW和無功0 kvar。

從上述結(jié)果可以看出，所提策略可實現(xiàn)根據(jù)子網(wǎng)容量成比例調(diào)配交直流子網(wǎng)間的功率流動，并且直流母線電壓具有良好的動態(tài)響應(yīng)效果。

5 結(jié)論

本文在分析交直流微源運行的基礎(chǔ)上，提出一種基于下垂的雙向功率變換器改進控制策略。與傳統(tǒng)控制方法相比，改進型的策略可通過設(shè)置交流下垂系數(shù)、直流下垂系數(shù)實現(xiàn)負(fù)載功率的成比例分配。另外，采用作為內(nèi)環(huán)參考值的控制也使直流母線電壓具有良好的動態(tài)響應(yīng)效果。仿真結(jié)果驗證了所提策略的可行性。

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