交直流混合微電網(wǎng)組網(wǎng)和控制策略的研究與應用

劉二鵬 王旭東 李輝

摘要：為解決交直流混合微電網(wǎng)中功率波動、交直流系統(tǒng)之間功率平衡、直流側源荷比相對較大光伏利用率不高 的問題，研究了交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，在蓄電池的平抑作用下，直流側光伏發(fā)電以恒定的功率通過交流 側并入大電網(wǎng)，提高直流側光伏利用率。孤島運行時，蓄電池作為平衡節(jié)點，和雙向 AC/DC 變換器一起維持整 個系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定，并實現(xiàn)交、直流系統(tǒng)之間功率平衡的控制方案。最后利用 PSCAD/EMTDC 軟件對系統(tǒng) 功率波動、并網(wǎng)運行向非計劃孤島運行切換、孤島運行向并網(wǎng)運行切換進行了仿真驗證，運行結果表明該控制方 案能有效平抑系統(tǒng)功率波動，維持交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

關鍵詞：交直流混合微電網(wǎng);光伏發(fā)電;蓄電池儲能;功率平衡

引言

近年來，越來越多的可再生能源通過接入微電 網(wǎng)得到了極大的利用。微電網(wǎng)從網(wǎng)架結構和供電方 式上可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合 微電網(wǎng)[1-2]。隨著數(shù)字社會的發(fā)展，直流用電設備越 來越多，如電動汽車、新型家用電器、電腦通信設 備等，未來將會出現(xiàn)直流設備與交流設備共享市場 的格局。為了降低單純的交流/直流微電網(wǎng)在應用中因多重 AC/DC 或 DC/AC 變換帶來的功率損耗、諧 波電流及控制難度，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性， 也為了各式各樣的可再生能源和用電設備更好地接 入微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)得到了國內外的重視 與研究[3-7]。交直流混合微電網(wǎng)具有非常明顯的特 點：（1） 交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)包括交流子系統(tǒng)（交 流母線）、直流子系統(tǒng)（直流母線）、交直流母線間雙 向 AC/DC 變換器;（2） 既可以直接向交流負載供電， 又可以直接向直流負載供電，降低因多重變換器帶 來的損耗;

1系統(tǒng)結構及仿真模型

光伏發(fā)電容易受到環(huán)境溫度和光照的影響，其 發(fā)電功率具有不穩(wěn)定性，本文在直流側配置蓄電池 儲能，通過雙向 DC/DC 變換器控制蓄電池的充放 電來平抑光伏發(fā)電及負荷的功率波動。在交直流混 合微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，交流母線電壓和頻率由大電 網(wǎng)支撐，直流母線電壓可以通過交直流母線間雙向 AC/DC變換器控制，也可以通過儲能系統(tǒng)來控制[9]。 針對目前因直流負荷較小而直流側光伏發(fā)電容量較 大（安裝時考慮到未來直流負荷增長）導致的直流側 源荷比較大的問題，本文采用儲能系統(tǒng)來控制直流 母線電壓，而雙向 AC/DC 變換器采用 P/Q 控制， 在滿足直流側負荷的情況下，將直流側光伏發(fā)電功率 定額并入大電網(wǎng)，提高直流側光伏利用率。在交直流 混合微電網(wǎng)孤島運行時，雙向 AC/DC 變換器則切換 到V/f 控制，以蓄電池為平衡節(jié)點來支撐系統(tǒng)母線電 壓、頻率穩(wěn)定，實現(xiàn)交直流系統(tǒng)之間的功率平衡。在 交直流混合微電網(wǎng)切換運行時，交直流系統(tǒng)之間的功 率通過雙向 AC/DC 進行平衡，切換前后缺額功率由 蓄電池平抑，保證切換前后系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1.1交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)結構

交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)由交流子 系統(tǒng)、直流子系統(tǒng)、功率交換系統(tǒng)、微電網(wǎng)控制器 組成。交流子系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元通過 DC/AC 逆變器連接至交流母線，實現(xiàn) MPPT 及單位功率因 數(shù)控制，交流負荷直接接至交流母線。直流子系統(tǒng) 中，光伏發(fā)電單元通過 Boost 變換器實現(xiàn)最大功率 跟蹤，蓄電池儲能通過雙向 DC/DC 變換器實現(xiàn)充 放電控制，直流負荷直接接至直流母線。功率交換 單元由隔離變壓器及雙向 AC/DC 變換器構成。整 個系統(tǒng)通過交流側的并網(wǎng)接口可以在并網(wǎng)和孤島模 式間切換運行。微電網(wǎng)控制器除了要完成孤島檢測、自動并網(wǎng)功能外，還需要通過通信系統(tǒng)、儲能變流 器、負荷控制器和光伏控制器等，實現(xiàn)微電網(wǎng)不同 工況的穩(wěn)定運行和順利切換。

1.2蓄電池仿真模型

蓄電池作為分布式發(fā)電中的儲能設備，其作用不 言而喻，但是蓄電池內部參數(shù)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[12]、戴維 南模型[13]以及通用模型[14]。本文所采用的蓄電池模型 為通用模型

2? 交直流混合微電網(wǎng)控制策略

2.1 直流側光伏發(fā)電控制策略

直流側光伏發(fā)電單元通過 Boost 變換器連接至 直流母線，所采用的控制 策略為電壓環(huán)控制模式，控制策略如圖 7 所示。光 伏電池輸出電壓 Upv 經(jīng)過牛頓拉夫遜迭代計算后得 到最大功率點對應的電壓 Um，將 Um作為光伏電池 出口電壓 Upv的參考值，經(jīng)過 PI 調節(jié)后做為調制波 與載波比較后，輸出來信號驅動開關管 K0，以實現(xiàn) 最大功率跟蹤。

2.2 交流側光伏發(fā)電控制策略

交流側光伏發(fā)電單元通過 DC/AC 變換器連接 至交流母線，其拓撲結構如圖 8 所示，所采用的控 制策略為電壓-無功（UQ）控制，即以直流電壓、無功 功率為外環(huán)控制，電流為內環(huán)控制，通常將無功設 置為 0，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，控制策略如圖 9 所示。Um 與光伏電池出口電壓 Upv 的差值經(jīng)過 PI，調節(jié)后輸出為直軸電流參考值，無功參考值與實測 值的差值經(jīng)過 PI 調節(jié)后輸出為交軸電流參考值，然 后與交、直軸電流實測值的差經(jīng)過 PI 控制器調節(jié)，再經(jīng)過解耦，輸出值經(jīng)過 dq 反變換輸入到 PWM 發(fā) 生器來驅動開關管。該控制策略不但可以實現(xiàn)最大 功率跟蹤，也可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

2.3 蓄電池充放電控制策略

蓄電池通過雙向DC/DC變換器來控制充放電， 其拓撲結構如圖 10 所示，其為 Buck/Boost 變換器， K1開通，K2關斷，為 Boost 變換器，蓄電池放電， K1關斷，K2開通，為 Buck 變換器，蓄電池充電。 所采用的控制策略為電壓外環(huán)電流內環(huán)控制，電壓外 環(huán)控制直流母線電壓穩(wěn)定，電流內環(huán)控制蓄電池充放 電電流， Udc與直流母線電壓 參考值的差值經(jīng)過PI調節(jié)后輸出為蓄電池充放電流參考。

2.4? AC/DC 變換器控制策略

連接交、直流子系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡的是 交直流母線間 AC/DC 變換器，。AC/DC 變換器在交直流混合微電網(wǎng) 穩(wěn)定運行中的作用主要有三方面：一是孤島運行時， 采用 V/f 控制，支撐交流母線電壓、頻率穩(wěn)定，實 現(xiàn)交、直流系統(tǒng)之間的功率平衡;二是并網(wǎng)運行時， 采用 P/Q 控制，將直流側盈余光伏發(fā)電功率定額通 過交流側并入大電網(wǎng)，提高直流側光伏利用率;三 是并網(wǎng)運行與孤島運行切換時，使交、直流側功率 進行平衡，保證切換前后系統(tǒng)穩(wěn)定運行。P/Q 控制 采用功率外環(huán)電流內環(huán)控制方式，V/f 控制采用電 壓外環(huán)電流內環(huán)控制方式。兩種控制可共用一個電 流內環(huán)，切換運行時，只需切換外環(huán)控制，其控制 策略如圖 12 所示。模式 1 表示 V/f 控制，模式 2 表 示 P/Q 控制，V/f 控制時，dq 變換的相位角由一個 設定的標準 50 Hz 正弦電壓提供，電壓外環(huán)經(jīng) PI 調節(jié)后做為電流內環(huán)參考;P/Q 控制時。dq 變換的 相位角為網(wǎng)側相位角，功率外環(huán)經(jīng) PI 調節(jié)后做為電 流內環(huán)參考。兩種控制共用一個電流內環(huán)，控制模 式之間的切換由并網(wǎng)點 PCC 發(fā)出信號。

3 算例仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 中搭建如圖 1 所示的交直 流混合微電網(wǎng)光伏發(fā)電假設溫度一直為 20 ℃，光照為 1 000 kW/m2，4 s 光照開始減弱，到 6 s 時降為 700 kW/m2， 9 s 光照又開始增強，到 12 s 時變?yōu)?1 100 kW/m2。 則交直流兩側光伏發(fā)電功率 Ppvac、Ppvdc和交流側輸 出電壓跟蹤如圖 13 所示，光伏輸出功率隨著光照的 變化而波動，Upv能夠很好地跟蹤 Um。 蓄電池容量設計對于系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關重要.

本文采用工程上的經(jīng)驗公式確定蓄電池容量。本文中，交流側重要負荷10 kW，主要為空調 用電，日平均供電4 h，負載同時率0.8;次要負荷2 kW，為白天照明用電，日平均供電8 h，負載同時 率0.8。直流側主要負荷3 kW，其中2 kW為機房通 信用電，日平均供電24 h，負載同時率1;1 kW為直 流展廳白天照明用電，日平均供電4 h，負載同時率 0.8;次要負荷2 kW，供直流展廳電子產品充電，日 平均供電4 h，負載同時率0.8。由此計算得負載日平 均耗電量QL=102.4 kWh。其中：安全系數(shù)取1.1;。

結論 ：

建立了光伏發(fā)電、蓄電池儲能模型并進行了 光伏電池 MPPT 控制、蓄電池充放電仿真，驗證了 所建模型的正確性。 （2） 交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，針對目前直 流側源荷比較大，在蓄電池的平抑作用下，直流側 光伏發(fā)電以恒定的功率通過交流側并入大電網(wǎng)，提 高直流側光伏利用率。 （3） 交直流混合微電網(wǎng)孤島運行時，蓄電池作為 平衡節(jié)點，和雙向 AC/DC 變換器一起維持系統(tǒng)的 穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)交直流兩側的功率平衡。

參考文獻：

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