王皓界, 韓民曉, 孔啟祥

(1.華北電力大學(xué), 北京市 102206；2.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司, 北京市 100193)

交直流混合微電網(wǎng)儲(chǔ)能DC/DC及接口換流器協(xié)調(diào)控制

王皓界1, 韓民曉1, 孔啟祥2

(1.華北電力大學(xué), 北京市 102206；2.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司, 北京市 100193)

針對交直流混合微電網(wǎng)，提出一種接口換流器與直流側(cè)電網(wǎng)儲(chǔ)能DC/DC換流器的協(xié)調(diào)控制策略。不管系統(tǒng)工作在何種狀態(tài)，儲(chǔ)能DC/DC換流器始終進(jìn)行電壓控制以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的零偏差，而接口換流器通過檢測交直流混合微電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)節(jié)自身工作方式，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)及孤網(wǎng)模式下的穩(wěn)定運(yùn)行和2種模式穩(wěn)定、快速的切換。通過計(jì)算機(jī)軟件仿真及物理實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以證明這種控制策略可以實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)直流側(cè)電壓在孤網(wǎng)狀態(tài)下的零偏差，并且運(yùn)行與模式切換的穩(wěn)定性良好。

交直流混合微電網(wǎng); 儲(chǔ)能電池; DC/DC換流器；接口換流器; 協(xié)調(diào)控制

0 引 言

伴隨著環(huán)境污染和石化能源的枯竭，風(fēng)電、光伏等可再生能源逐漸得到人們的重視，敏感負(fù)荷的增多對儲(chǔ)能接入也提出了更高要求。實(shí)踐和研究表明，微電網(wǎng)是利用分布式發(fā)電供能的最有效方式，其中直流形式的微電網(wǎng)優(yōu)勢更為顯著，但是從目前看直流電網(wǎng)不可能完全取代交流電網(wǎng)，因此在很長一段時(shí)間內(nèi)微電網(wǎng)會(huì)以交直流混合的形式存在[1-5]。

目前交直流混合配電網(wǎng)還處于理論研究階段，其網(wǎng)架拓?fù)浜涂刂撇呗砸恢笔菄鴥?nèi)外研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]提出了3種交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浞桨覆⑦M(jìn)行了比較，總結(jié)交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)原則；文獻(xiàn)[7]針對交直流微電網(wǎng)接口換流器提出了一種雙下垂控制策略，將交流側(cè)的有功功率-頻率下垂控制和直流側(cè)的有功功率-電壓下垂控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行；文獻(xiàn)[8]認(rèn)為在并網(wǎng)狀態(tài)下交直流混合微電網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先利用儲(chǔ)能平衡系統(tǒng)功率，以減少系統(tǒng)和主網(wǎng)的功率交換；與文獻(xiàn)[8]類似，文獻(xiàn)[9]認(rèn)為不管是并網(wǎng)還是孤網(wǎng)，直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池應(yīng)該始終進(jìn)行定電壓控制，同時(shí)接口換流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)。

針對交直流混合微電網(wǎng)中的直流微電網(wǎng)電壓控制，文獻(xiàn)[10-13]所提出的控制策略都對交直流混合微電網(wǎng)中的直流側(cè)儲(chǔ)能DC/DC換流器采取了下垂控制，這種方法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與儲(chǔ)能電池并網(wǎng)、孤網(wǎng)模式的切換，但必然導(dǎo)致直流側(cè)微電網(wǎng)在孤網(wǎng)狀態(tài)下的電壓偏差；其中文獻(xiàn)[10-12]交流側(cè)也配置儲(chǔ)能電池，并采取了“有功功率-頻率”和“無功功率-電壓”下垂控制，文獻(xiàn)[13]認(rèn)為接口換流器在孤網(wǎng)狀態(tài)下也應(yīng)采取交流側(cè)“有功功率-頻率”和“無功功率-電壓”下垂控制，但這種方式也會(huì)導(dǎo)致交流電網(wǎng)的電壓幅值和頻率出現(xiàn)偏差。

為了實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)在孤網(wǎng)、并網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行與快速切換，本文提出一種直流側(cè)儲(chǔ)能電池DC/DC換流器與接口換流器協(xié)調(diào)控制策略，通過接口換流器的控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池并網(wǎng)狀態(tài)下的充電及孤網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)壓，從而提高直流微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和系統(tǒng)對孤網(wǎng)、并網(wǎng)切換的響應(yīng)速度。

1 交直流混合微電網(wǎng)控制關(guān)鍵

1.1 交直流混合微電網(wǎng)架構(gòu)

關(guān)于交直流混合微電網(wǎng)架構(gòu)的方案較多，考慮主網(wǎng)為交流時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)通過交流微電網(wǎng)并網(wǎng)更為合適，而儲(chǔ)能電池更易接入直流微電網(wǎng)，再結(jié)合各種分布式電源的特性，本文采用的交直流混合微電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。在并網(wǎng)狀態(tài)下，光伏、風(fēng)電等分布式電源工作在最大功率追蹤狀態(tài)，儲(chǔ)能電池進(jìn)行定功率充電至荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)最大值，交流主網(wǎng)維持交直流混合微電網(wǎng)的功率平衡；在孤網(wǎng)狀態(tài)下，儲(chǔ)能電池將支撐起直流微電網(wǎng)功率，并通過接口換流器維持交流微電網(wǎng)電壓平衡。接口換流器為雙向DC/AC換流器，儲(chǔ)能換流器為雙向DC/DC換流器，其典型拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 典型交直流混合微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Typical architecture of AC/DC hybrid microgrid

在孤網(wǎng)條件下，交直流混合微電網(wǎng)功率平衡可能超出儲(chǔ)能電池的調(diào)節(jié)范圍。在這種情況下，如果系統(tǒng)中功率過剩，則需要降低分布式電源的功率輸出；當(dāng)系統(tǒng)中功率不足時(shí)，則需要切除部分等級(jí)較低的負(fù)載，最終通過各個(gè)單元的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文重點(diǎn)研究交直流混合微電網(wǎng)中接口換流器和儲(chǔ)能電池在各個(gè)模式下的協(xié)調(diào)控制策略，關(guān)于其他單元的協(xié)調(diào)控制部分本文不做贅述。

圖2 儲(chǔ)能及接口換流器典型拓?fù)銯ig.2 Typical topology of energy storage converter and interface converter

1.2 接口換流器及儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制原則

交直流混合微電網(wǎng)通過交流微電網(wǎng)與交流主網(wǎng)相連，在并網(wǎng)狀態(tài)下，交流主網(wǎng)將維持交流微電網(wǎng)功率平衡，并通過接口換流器維持直流微電網(wǎng)功率平衡，最終實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)由并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣戮W(wǎng)狀態(tài)時(shí)，直流微電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池將支撐起直流電壓，并通過接口換流器維持交流微電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值和頻率穩(wěn)定?？梢钥闯觯到y(tǒng)的孤網(wǎng)或并網(wǎng)狀態(tài)將決定接口換流器的控制策略，并且儲(chǔ)能電池DC/DC換流器與接口換流器的協(xié)調(diào)控制是實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

在并網(wǎng)狀態(tài)下，可以通過接口換流器的直流側(cè)定電壓控制維持直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，并對儲(chǔ)能電池DC/DC換流器進(jìn)行下垂控制，通過設(shè)置合適的下垂曲線門檻電壓來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池?fù)Q流器對孤網(wǎng)與并網(wǎng)的自適應(yīng)檢測，使其在并網(wǎng)狀態(tài)下定功率充電或待機(jī)、孤網(wǎng)狀態(tài)下維持交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是在孤網(wǎng)狀態(tài)下這種控制策略會(huì)引起直流微電網(wǎng)的電壓偏差問題。

為了在不改變儲(chǔ)能電池控制策略的基礎(chǔ)上解決直流微電網(wǎng)的電壓偏差問題，可以使儲(chǔ)能電池DC/DC換流器始終對直流微電網(wǎng)進(jìn)行定電壓比例積分(proportional-integral，PI)控制，其原則如下：并網(wǎng)狀態(tài)下接口換流器根據(jù)直流母線電壓及儲(chǔ)能電池SOC來調(diào)節(jié)其輸出的有功功率，在保證直流電壓穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池定功率充電或待機(jī)運(yùn)行；在孤網(wǎng)狀態(tài)下儲(chǔ)能電池繼續(xù)進(jìn)行定電壓控制，接口換流器對交流微電網(wǎng)電壓幅值及頻率進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)在各模式下的穩(wěn)定運(yùn)行與切換。

2 協(xié)調(diào)控制策略

2.1 儲(chǔ)能電池DC/DC換流器控制策略

為了使直流微電網(wǎng)電壓恒定且儲(chǔ)能控制策略始終不變，無論在并網(wǎng)狀態(tài)還是孤網(wǎng)狀態(tài)下，儲(chǔ)能電池DC/DC換流器應(yīng)始終工作在定電壓控制模式下以支撐直流微電網(wǎng)電壓。為了保證換流器內(nèi)部不產(chǎn)生過流，定電壓控制應(yīng)采用雙閉環(huán)PI控制策略，其中外環(huán)為電壓PI控制，內(nèi)環(huán)為電流PI控制，其控制框圖如圖3所示，圖中Uref為直流母線參考電壓，Udc為直流母線實(shí)際電壓，Iref為外環(huán)PI控制器輸出的參考電流，Iout為儲(chǔ)能電池放電電流值(當(dāng)Iout為負(fù)時(shí)，儲(chǔ)能電池工作在充電狀態(tài))，Uo為內(nèi)環(huán)輸出的參考波。

圖3 儲(chǔ)能電池控制框圖Fig.3 Energy storage battery control diagram

2.2 接口換流器并網(wǎng)控制策略

對于接口換流器，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在并網(wǎng)條件下時(shí)應(yīng)進(jìn)行P-Q控制，其控制框圖如圖4所示，圖中Pref為接口換流器向交流側(cè)輸出的參考有功功率，Qref為參考無功功率，Iout為儲(chǔ)能電池放電電流值，其中Pref與Iout的關(guān)系符合下垂曲線特性，有

Pref=k1(Iout-IchN)

(1)

式中：IchN為下垂曲線電流參考值；k1為下垂曲線斜率。設(shè)ΔIch為下垂曲線最大偏差電流，Poutm為接口換流器向交流側(cè)輸出的最大有功功率，Pinm為接口換流器向直流側(cè)輸出的最大有功功率，則IchN-ΔIch、IchN+ΔIch分別為其對應(yīng)的充電電流，如圖5所示。由此可知斜率k1為

(2)

由上述內(nèi)容可以看出當(dāng)充電電流減小時(shí)，接口換流器向直流側(cè)方向輸出的有功功率將增大，反之則向交流側(cè)方向增大使儲(chǔ)能電池電流偏差維持在±ΔIch之間。

2.3 充電電流參考值調(diào)節(jié)

在并網(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)SOC值過高時(shí)儲(chǔ)能電池必須停止充電以防止電池過壓，因此充電電流參考值IchN需要根據(jù)SOC值的變化而變化，如圖6所示，當(dāng)SOC

圖4 P-Q控制Fig.4 P-Q control

圖5 下垂曲線部分Fig.5 Droop curve

值較低時(shí)，有

IchN=Ichmax

(3)

當(dāng)SOC值大于s1時(shí)，有

IchN=k2(s-s1)

(4)

式中：s為儲(chǔ)能電池剩余電量百分比；k2為s與IchN的關(guān)系曲線斜率。當(dāng)SOC值進(jìn)一步大于s2時(shí)，IchN由負(fù)變正，即下垂曲線電流參考值下的電流值為放電電流。為了保證當(dāng)SOC值達(dá)到允許的最大值s3時(shí)停止對儲(chǔ)能電池的充電，因此

(5)

且結(jié)合圖5、6可知

|Ichmin|=ΔIch

(6)

2.4 接口換流器孤網(wǎng)控制策略

當(dāng)交直流混合微電網(wǎng)由并網(wǎng)變?yōu)楣戮W(wǎng)時(shí)，由于儲(chǔ)能電池依然保持定直流母線電壓控制不變，因此直流母線電壓恒定，接口換流器的控制策略將由P-Q控制變?yōu)閁-f控制以維持交流微電網(wǎng)穩(wěn)定，其中U-f控制為雙閉環(huán)控制，包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖7所示。圖中ed、eq是由交流微電網(wǎng)三相電壓ea、eb、ec通過坐標(biāo)變換得到的，Udref和Uqref為其參考值，id、iq是由交流微電網(wǎng)三相電流ia、ib、ic通過坐標(biāo)變換得到的，ua、ub、uc為內(nèi)環(huán)輸出的參考波。

2.5 協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方案

由上可知接口換流器需要通過檢測混合微電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)整自身控制策略，并需要接收儲(chǔ)能電池充電電流及SOC信息；不管系統(tǒng)是否工作在孤網(wǎng)模式，儲(chǔ)能電池DC/DC換流器始終進(jìn)行定電壓控制，無須改變控制策略。接口換流器及儲(chǔ)能DC/DC換流器協(xié)調(diào)控制流程圖如圖8所示。

圖6 下垂曲線電流參考值調(diào)節(jié)Fig.6 Current reference regulation of droop curve

圖7 U-f控制Fig.7 U-f control

圖8 協(xié)調(diào)控制流程圖Fig.8 Coordinated control flow chart

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果如圖9所示，令直流側(cè)負(fù)載功率為56.25kW，其中SOC波形如圖9(a)所示，下垂曲線電流參考值IchN的波形如圖9(b)所示，電壓波形如圖9(c)所示，接口換流器電流如圖9(d)所示，電池充放電電流如圖9(e)所示。由仿真結(jié)果可知在2.3 s之前SOC<0.7，此時(shí)下垂曲線參考值IchN恒為-100 A，電池充電電流不變；在2.3 s時(shí)刻，SOC

圖9 并網(wǎng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of grid-connected operation

增至0.7，此時(shí)IchN的大小隨著SOC的增大而減小，受其影響，電池充放電電流及接口換流器電流也隨之減小且關(guān)系符合圖5所示下垂曲線。在3 s時(shí)，切除11.25 kW負(fù)載，可以看出直流電壓穩(wěn)定，接口換流器輸出功率降低以維持直流微網(wǎng)功率平衡，電池充電電流只產(chǎn)生下垂控制引起的微小變化；在4 s時(shí)重新投入11.25 kW負(fù)載，直流電壓依然穩(wěn)定，接口換流器增加輸出功率以維持直流側(cè)平衡。當(dāng)SOC增至約74.5%時(shí)，通過并網(wǎng)換流器下垂曲線以及其參考值IchN的調(diào)節(jié)，使得SOC到達(dá)此狀態(tài)下的臨界值不再增長，如圖10(a)所示；儲(chǔ)能電池的充電電流變?yōu)?，如圖10(b)所示。

圖10 SOC到達(dá)臨界值Fig.10 SOC reaching critical value

電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)的直流側(cè)仿真結(jié)果如圖11所示，其中直流側(cè)及交流側(cè)負(fù)載各為15 kW，直流側(cè)母線電壓如圖11(a)所示，接口換流器電流如圖11(b)所示，電池由充電轉(zhuǎn)為放電，如圖11(c)所示。在2 s時(shí)，系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)，接口換流器改變控制策略，對交流側(cè)微網(wǎng)進(jìn)行U-f控制；在3 s時(shí)，交流側(cè)投入15 kW負(fù)載；在4 s時(shí)，交流側(cè)切除15 kW負(fù)載。相應(yīng)的交流側(cè)電壓波形如圖12所示，其中12(a)為交流側(cè)三相電壓波形，12(b)為2 s時(shí)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)瞬間三相電壓波形，12(c)為3 s時(shí)交流側(cè)投入15 kW負(fù)載瞬間三相電壓波形，12(d)為4 s時(shí)交流側(cè)切除15 kW負(fù)載瞬間三相電壓波形，12(e)為接口換流器向交流微電網(wǎng)輸出的有功功率。由仿真結(jié)果可以看出，這種協(xié)調(diào)控制策略可以平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)并網(wǎng)向轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的轉(zhuǎn)換及孤網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11 直流側(cè)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.11 DC-side simulation results when connected gridchanging into isolated grid

3.2 物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種協(xié)調(diào)控制策略的可行性，搭建了基于TI公司高性能信號(hào)處理器TMS320F28335的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電池進(jìn)行定電流充電，接口換流器向直流側(cè)輸出功率；當(dāng)系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)，儲(chǔ)能電池由充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)以維持電壓平衡，此時(shí)接口換流器向交流側(cè)輸出功率，如圖14(a)所示，其中電流正向?yàn)榱飨蚪涣鱾?cè)，反向?yàn)榱飨蛑绷鱾?cè)。孤網(wǎng)狀態(tài)下接口換流器交流側(cè)突加8 kW負(fù)載，電流及直流母線電壓變化如圖14(b)所示；突減8 kW時(shí)如圖14(c)所示?？梢钥闯鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果與圖11所示仿真結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

針對交直流混合微電網(wǎng)，本文提出了一種交儲(chǔ)能電池DC/DC換流器與接口換流器的協(xié)調(diào)控制策略，并進(jìn)行了軟件仿真和物理實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)交直流混合微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能電池接在直流側(cè)并始終進(jìn)行定電壓控制，簡化了儲(chǔ)能電池的控制策略；

圖14 物理實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.14 Physical experiment waveform

(2)并網(wǎng)狀態(tài)下接口換流器根據(jù)儲(chǔ)能電池的充放電電流與SOC進(jìn)行功率控制以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的合理充放電；

(3)當(dāng)系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)，接口換流器改變控制策略，使儲(chǔ)能電池通過接口換流器的U-f控制維持交流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，且直流側(cè)電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有偏差。

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(編輯 劉文瑩)

Coordinated Control of Energy Storage DC/DC and Interface Converter in AC/DC Hybrid Microgrid

WANG Haojie1, HAN Minxiao1, KONG Qixiang2

(1.North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Beijing Beibian MicroGrid Technology Company Limited, Beijing 100193, China)

This paper proposes coordinated control strategy for energy storage DC/DC converter and interface converter in AC/DC hybrid microgrid. In every state of the system, energy storage DC/DC converter always performs voltage control to realize zero deviation at DC side.Interface converter can regulate their work modes by detecting the state of AC/DC hybrid microgrid to realize the stable operation of microgrid system under grid-connected mode and isolated mode, and the stable and fast switching between these two operation modes. Through the verification of computer software simulation and physics experiment, it can be proved that the proposed control strategy can realize the zero deviation of DC-side voltage of AC/DC hybrid microgrid under the isolated mode,as well as the good stability in operation and mode switching.

AC/DC hybrid microgrid; energy storage battery; DC/DC converter; interface converter; coordinated control

國家國際科技合作專項(xiàng) (2014DFG72620)

TM 732

A

1000-7229(2016)05-0050-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-01-29

王皓界(1989)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷魑㈦娋W(wǎng)；

韓民曉(1963)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用；

孔啟祥(1973)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器。

Project supported by International S & T Cooperation Progaram of China(ISTCP)(2014DFG72620)