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(fù)荷,如計(jì)算機(jī)、LED燈、變頻器、電動(dòng)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(yùn)行時(shí),需要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)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(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出在系統(tǒng)中增加一個(gè)中央控制器(Data Center)來實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)微電源的控制,對(duì)傳輸線路的可靠性依賴強(qiáng),同時(shí)由控制中心統(tǒng)一判斷、調(diào)度的集中式控制方式難以實(shí)現(xiàn)靈活、有效控制。文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)新能源優(yōu)先出力的最優(yōu)控制模式。文獻(xiàn)[7-8]提出了基于直流母線信號(hào)的分布式控制結(jié)構(gòu),但是沒有實(shí)現(xiàn)同一個(gè)電壓等級(jí)下多個(gè)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(dòng)?;诖?,本文提出一種并網(wǎng)運(yùn)行模式下的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。微電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及并網(wǎng)變換器采用分散式控制拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)功率的雙向流動(dòng)。
直流微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(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(chǔ)能裝置、直流母線和直流負(fù)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(chǔ)能單元作為穩(wěn)定直流母線電壓的功率補(bǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 DC micro grid topology
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(chǔ)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(biāo),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(fù)載之間,按下垂系數(shù)分配功率以達(dá)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(chǔ)能以及負(fù)載之間的運(yùn)行,設(shè)置每個(gè)變換器的控制閾值及下垂率,實(shí)現(xiàn)各微源、儲(chǔ)能與并網(wǎng)接口的優(yōu)先級(jí)及功率分配。
針對(duì)圖1中各個(gè)接口變換器,設(shè)計(jì)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(dòng),選擇設(shè)定的最高閾值為780 V,最低為720 V。為實(shí)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(chǔ)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(fù)載需求時(shí),直流側(cè)電壓平衡由并網(wǎng)變換器優(yōu)先進(jìn)行控制。并網(wǎng)變換器和儲(chǔ)能變換器均采用母線電壓信號(hào)控制策略,通過調(diào)節(jié)各自的下垂系數(shù)進(jìn)行功率分配。當(dāng)電網(wǎng)電壓在730~770 V時(shí),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(shí),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(fù);當(dāng)直流母線電壓小于750 V時(shí),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(shí),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(shí),蓄電池不工作。母線電壓低于740 V時(shí),采用下垂控制方式放電。如果充電過程中檢測(cè)到蓄電池充電完成,則蓄電池應(yīng)工作在關(guān)閉狀態(tài)。
為了實(shí)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(diǎn),發(fā)出控制信號(hào),根據(jù)發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(diǎn)附近??刂乒夥M件始終工作在最佳狀態(tài),輸出最大功率,達(dá)到能量最佳利用。
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(chǔ)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(dòng)采用互補(bǔ)PWM方式。為實(shí)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(jìn)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(chǔ)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(shí)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(cè)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(duì)蓄電池的實(shí)際工作電流Ib的檢測(cè)來跟蹤外環(huán)所給定的參考電流值。實(shí)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(hào)。
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(shí)保證并網(wǎng)電流電能質(zhì)量滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[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(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。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(dòng),采用了完全可控的三相換流器來實(shí)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(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系采用Park等量變換,同時(shí)選擇d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的q軸與電壓矢量重合。在d-q坐標(biāo)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(hào)控制雙向AC/DC變流器。
在d-q坐標(biāo)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(biāo)系下的電壓電流雙閉環(huán)控制,可以高效穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)功率在直流側(cè)和交流側(cè)的快速流動(dòng)。
為驗(yàn)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(yùn)行模式下進(jìn)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(gè)太陽能電池并聯(lián),Boost電路電感工作在連續(xù)模式。仿真時(shí),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(shí)系統(tǒng)的控制狀態(tài),光強(qiáng)曲線S在3.5~4 s和6.5~7 s時(shí)分別加以±300 W/m2的變化。在光照強(qiáng)度變化時(shí)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(qiáng)變化時(shí)能實(shí)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(shí),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(qiáng)變化。從0 s開始,系統(tǒng)低負(fù)荷啟動(dòng),為驗(yàn)證在直流母線電壓不同階段各個(gè)控制器動(dòng)作情況,在1 s系統(tǒng)穩(wěn)定后,增加負(fù)荷350 kW,在1.5 s時(shí),增加負(fù)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?fù)荷運(yùn)行時(shí),直流母線電壓穩(wěn)定在770 V左右;在1 s時(shí),系統(tǒng)增加350 kW負(fù)荷,母線電壓維持在755 V左右;在1.5 s時(shí),系統(tǒng)繼續(xù)增加負(fù)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?yàn)檎?,由仿真結(jié)果圖9可知:當(dāng)母線電壓大于760 V時(shí),蓄電池采用下垂控制方式充電,電流為負(fù)值;當(dāng)母線電壓在 740~760 V時(shí),蓄電池不工作,充放電電流為零;當(dāng)母線電壓低于740 V時(shí),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?yàn)檎?,由仿真結(jié)果圖10可知:當(dāng)直流母線電壓大于750 V時(shí),直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸送能量,直流側(cè)電流為負(fù)值;當(dāng)直流母線電壓小于750 V時(shí),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(shí),蓄電池變換器優(yōu)先級(jí)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(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的功率雙向流動(dòng)。
針對(duì)直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(yùn)行,即合理設(shè)置各變換器的分段閾值電壓,實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電單元、并網(wǎng)變換器以及儲(chǔ)能單元按照優(yōu)先級(jí)順序控制,采用下垂控制實(shí)現(xiàn)各變換器功率分配和電壓控制。
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