葛浩天

山東理工大學(xué)

直流微電網(wǎng)并網(wǎng)控制技術(shù)研究

葛浩天

山東理工大學(xué)

目前，世界各國對于交流微電網(wǎng)的研究比較廣泛，并建立了不同的微電網(wǎng)示范工程。相對于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、能源利用效率高，隨著直流發(fā)電、用電設(shè)備的日益增多而受到關(guān)注。直流微電網(wǎng)運(yùn)行過程中不存在交流微電網(wǎng)中頻率、相位同步問題，控制相對容易；沒有無功功率流動，電能質(zhì)量好；電力電子變換設(shè)備少，系統(tǒng)可靠性高。本文先展開了對直流微電網(wǎng)的研究并提出一種直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制方法。對直流微電網(wǎng)的組網(wǎng)方式、控制與保護(hù)技術(shù)、通信技術(shù)和電力電子接口電路等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。

直流微電網(wǎng)；并網(wǎng)；技術(shù)

目前，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，分布式發(fā)電并網(wǎng)要求勢在必行。微電網(wǎng)主要是由分布式發(fā)電、儲能、負(fù)荷以及控制裝置所組成的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，屬于分布式能源有效組織方式。其不僅能有效地實(shí)現(xiàn)自我控制、自我管理以及自我保護(hù)，還具備較為完整的輸電、發(fā)電、配電等功能，除此之外，還可以依靠本身的功能實(shí)現(xiàn)功率平衡控制、故障檢測、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等內(nèi)容。

1 低壓直流微電網(wǎng)組成與體系結(jié)構(gòu)

圖 1 為本文所采用的低壓直流微電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。

圖1 低壓直流微電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

從圖1 可以看出，微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，主要有兩種運(yùn)行方式，分別是并網(wǎng)運(yùn)行、離網(wǎng)運(yùn)行。其中并網(wǎng)運(yùn)行主要指的是微電網(wǎng)和公用大電網(wǎng)進(jìn)行相連，與主網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電能交換；而離網(wǎng)運(yùn)行主要指的是電話計(jì)劃或者是故障需要時候，和主網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)斷開，然后再由DG、儲能裝置和負(fù)荷共同構(gòu)成運(yùn)行，這種運(yùn)行方式也可以將其稱之為孤島運(yùn)行。兩相對比，并網(wǎng)運(yùn)行方式在控制過程中較為簡單，離網(wǎng)運(yùn)行控制較為復(fù)雜。系統(tǒng)包含直流400V、直流48V 和交流220V3 種不同電壓等級負(fù)載，并將負(fù)載分為重要負(fù)載和非重要負(fù)載兩類。非重要負(fù)載主要包括加熱、照明等非關(guān)鍵用電設(shè)備，這些非重要負(fù)載在系統(tǒng)電能充足時正常運(yùn)行，在系統(tǒng)能量不足時可通過非重要負(fù)載變換器(non-critical loads’ converter，NLC)調(diào)節(jié)進(jìn)行降功率運(yùn)行。

2 直流微電網(wǎng)并網(wǎng)控制技術(shù)

2.1 并網(wǎng)接口控制

2.1.1 三相vsc的局限

選取三相VSC作為直流微電網(wǎng)并網(wǎng)接1，是因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)能量雙向流動，且功率因數(shù)可控，可以控制直流側(cè)電壓。但是三相VSC也具有一定的局限性：

直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性取決于交流側(cè)電網(wǎng)電壓和轉(zhuǎn)換器采用的調(diào)制算法。使用不同的調(diào)制算法對不同速率的直流電壓，如果在調(diào)制比相同的情況下，傳統(tǒng)的SPWM算法，直流電壓利用率為1/2，也就是說通過變流器直流側(cè)電壓下限SPWM 2次電網(wǎng)電壓峰值；SVPWM調(diào)制算法直流電壓利用率可提高到1，采用變頻器的直流側(cè)電壓的下限為SVPWM是振幅電網(wǎng)電壓的兩倍。在盡管采用SVPWM的調(diào)制，直流側(cè)的電壓值會減少，但對三相直流電壓的穩(wěn)定性總是有下限。

2.2.2 改進(jìn)措施

為了克服三相VSC的局限性，本文在三相VSC基礎(chǔ)_上串聯(lián)一個工作在Buck模式的雙I句DC/DC變換器(Bi-directional DC/DC Converter， BDC )，簡稱為Buck變換器，這種結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步增加對直流母線電壓的可控性。

當(dāng)負(fù)載或電網(wǎng)電壓不平衡，即使DC側(cè)電壓的三相導(dǎo)致更大的波動性，但通過Buck轉(zhuǎn)換器來控制直流母線電壓，直流電壓保持穩(wěn)定。同時，由于降壓轉(zhuǎn)換器的存在，直流母線電壓沒有下限，也就是說，因?yàn)锽uck變換器的存在，結(jié)構(gòu)可以輸出直流母線電壓范圍更大。

2.2 基于母線電壓的協(xié)調(diào)控制

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，從電網(wǎng)控制、電網(wǎng)和離網(wǎng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，自主控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)也被加入到并網(wǎng)和離網(wǎng)切換準(zhǔn)則，系統(tǒng)能正常交流電源系統(tǒng)根據(jù)能量流動不同單位的網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間的切換操作，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時自動切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。同時為了充分利用可再生能源為原則，都和關(guān)閉電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和極端系統(tǒng)，確保運(yùn)作模式可以設(shè)置在與電壓開關(guān)模式功率一致，即使一個單位可以跳過下一模式平滑過渡也異常，從而實(shí)現(xiàn)不同的電壓范圍內(nèi)自主運(yùn)行系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。

2.3 微電網(wǎng)離網(wǎng)的解決措施

離網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)，其主要運(yùn)用在一些較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，通常情況下，這些地區(qū)都受不到常規(guī)電網(wǎng)的輻射，屬于獨(dú)立的微電網(wǎng)，這種微電網(wǎng)有著較高的滲透率，其主要是三態(tài)控制系統(tǒng)所組成。其中，主站調(diào)度層主要組成部分包括以下幾各方面，分別是前置、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用、外部系統(tǒng)接口服務(wù)器、工作站等，這些組成部分的作用就是為了思想常規(guī)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度；集中控制層主要組成部分則是以下幾點(diǎn)，分別是動態(tài)穩(wěn)定控制器、電網(wǎng)集中保護(hù)控制器、光纖交換機(jī)、模式切換器等方面，其主要的作用就是為了完成微電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)功率擾動控制及集中式故障保護(hù)，微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，可以借助集中控制層對整個電網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時還能對其狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控；就地控制層主要組成部分則分別是CT 與PT 采集單元、電網(wǎng)智能終端、分布式電源逆變設(shè)備等方面，其主要的作用就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時對設(shè)備進(jìn)行本地控制與保護(hù)。

直流微電網(wǎng)是一種直流配電方式，可以提供高電能質(zhì)量的各種分布式電源的協(xié)調(diào)控制，微電網(wǎng)通過一個集中的方式將并網(wǎng)口與大電網(wǎng)接口，具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行方式。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)更容易獲得直流電源和負(fù)載，降低了逆變器和整流環(huán)節(jié)的能量損耗，有無頻率穩(wěn)定、無功調(diào)節(jié)等問題。直流微電網(wǎng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。

[1]何佳安.直流微電網(wǎng)并網(wǎng)控制技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

[2]王盼寶，王衛(wèi)，孟尼娜，吳炎.直流微電網(wǎng)離網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)一控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，17：4388-4396.

[3]陳燕東.微電網(wǎng)多逆變器控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖南大學(xué)，2014.