光儲直流微網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制

微網(wǎng)是一個可控的系統(tǒng)，它由多種分布式電源、儲能設(shè)備和本地負荷構(gòu)成，既可作為一個整體接入交流主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可獨立運行，具有更強的靈活性與交互性。微網(wǎng)可大體上分為直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)兩種。雖然目前較為廣泛應(yīng)用的是交流微網(wǎng)，但與之相比，直流微網(wǎng)有更多的優(yōu)點，如可避免交-直-交多級變換、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高、線路損耗低、不需考慮電壓的頻率和相角等。因此，直流微網(wǎng)更適用于分布式電源的接入。

直流電壓是反映直流微網(wǎng)運行穩(wěn)定性的唯一指標，一旦電壓失穩(wěn)就會危及直流微網(wǎng)的正常運行。電源輸出功率的突變，大規(guī)模的負荷投切，以及微網(wǎng)本身運行方式的改變都有可能造成直流母線電壓的波動甚至電壓崩潰，因此需要采用一定手段維持直流母線電壓穩(wěn)定。

本文針對光儲直流微網(wǎng)提出了維持直流電壓穩(wěn)定的控制方法，分別介紹了并網(wǎng)和孤島兩種運行方式下直流微網(wǎng)各單元控制策略，對應(yīng)不同的運行方式選擇不同單元作為穩(wěn)壓單元，并在Matlab/Simulink中對光儲直流微網(wǎng)負荷功率波動進行建模，驗證了所提控制方法對維持直流電壓穩(wěn)定的有效性。

圖1 光儲直流微網(wǎng)典型拓撲結(jié)構(gòu)

光儲直流微網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

光儲直流微網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光伏電池、蓄電池組、負荷單元，均通

過電力電子變流器接入直流母線構(gòu)成直流微網(wǎng)，并通過并網(wǎng)變流器將直流微網(wǎng)接入交流主網(wǎng)。

并網(wǎng)運行控制策略

并網(wǎng)運行狀態(tài)下，光儲直流微網(wǎng)通過DC/AC并網(wǎng)變流器并入交流主網(wǎng)，由并網(wǎng)變流器控制直流微網(wǎng)電壓穩(wěn)定。各單元控制策略如下：

交流主網(wǎng)

DC/AC并網(wǎng)變流器采用電壓下垂控制，使并網(wǎng)后的直流微網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定。如圖2（a）所示，并網(wǎng)變流器通過雙閉環(huán)矢量控制實現(xiàn)對直流電壓的控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)采用直流電壓下垂控制，下垂系數(shù)為kG。直流電壓參考值為1pu，將直流電壓實際值Udc和參考值比較做差，差值經(jīng)過電壓下垂控制環(huán)得到直流電壓參考值再通過電流控制環(huán)和PWM調(diào)制得到合理脈沖信號輸入并網(wǎng)變流器。當直流微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)正常運行時，并網(wǎng)變流器通過控制直流電壓的穩(wěn)定來確保直流微網(wǎng)內(nèi)部有功功率平衡。

光伏電池

圖2 并網(wǎng)運行時各單元控制策略

并網(wǎng)狀態(tài)下，光伏電池側(cè)單向變流器DC/DC采用MPPT最大功率點跟蹤控制策略，使光伏電池的輸出能力盡可能大，實現(xiàn)新能源的最大化利用。光伏電池MPPT控制策略如圖2（b）所示。將采樣得到的太陽能電池陣列的輸出電壓Upv和電流Ipv與前一次電壓和電流的采樣值進行比較，根據(jù)MPPT控制算法得到光伏輸出電壓參考值將該參考值與實際輸出電壓Upv對比做差值，差值經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流控制器作用后，生成PWM控制信號輸入單向DC/DC變流器。

蓄電池

在光儲直流微網(wǎng)并網(wǎng)運行的情況下，蓄電池側(cè)雙向DC/ DC變流器采用恒流充電控制策略，通過給定充電參考值I*

B對蓄電池進行充電控制，以便系統(tǒng)切換到孤島狀態(tài)運行時作為主電源對系統(tǒng)供電?？刂撇呗匀鐖D2（c）所示。

孤島運行控制策略

孤島運行是指聯(lián)網(wǎng)斷路器斷開后，直流微網(wǎng)失去交流主網(wǎng)的支撐，成為一個獨立系統(tǒng)時的運行情況。為繼續(xù)保證直流電壓穩(wěn)定，需要重新選取穩(wěn)壓單元。通常此時蓄電池作為穩(wěn)壓單元維持直流電壓穩(wěn)定。孤島運行時各單元控制策略如下：

光伏電池

光伏電池側(cè)單向變流器DC/DC仍然采用MPPT最大功率點跟蹤控制策略，保證新能源的最大利用?？刂圃硗瑘D2（b）所示。

蓄電池

孤島狀態(tài)下，蓄電池起穩(wěn)定直流母線電壓的作用。蓄電池側(cè)雙向DC/DC采用電壓下垂控制模式維持直流微網(wǎng)電壓穩(wěn)定，同樣利用雙閉環(huán)控制實現(xiàn)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓下垂控制，下垂系數(shù)為kB，控制流程圖如圖3所示。

圖3 孤島運行蓄電池側(cè)Bi-DC控制策略

仿真分析

為驗證所提光儲直流微網(wǎng)功率波動時電壓控制策略的有效性，進一步在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建系統(tǒng)的仿真模型。仿真模型主要包括光伏電池、蓄電池、多級交流負荷，各單元均通過變流器接入直流母線，構(gòu)成直流微網(wǎng)。光伏電池最大輸出功率為30kW、蓄電池額定電壓為120V，雙向DC/DC變流器額定容量為30kW，直流母線額定電壓400V。由斷路器控制直流微網(wǎng)與交流主網(wǎng)的連接，切換直流微網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)/孤島運行狀態(tài)。

下面給出兩種不同模式下（并網(wǎng)模式和孤島模式），直流微網(wǎng)仿真模型的波形圖，用負荷投切來模擬直流微網(wǎng)功率波動，光伏輸出功率波動同理。

（1）并網(wǎng)模式仿真分析

為模擬并網(wǎng)運行時的功率波動，在前5秒內(nèi)只投入一個30kW的交流負載，t=5s時，再投入一個15kW交流負載，圖4依次是光伏電池的輸出功率、負荷功率、交流主網(wǎng)輸出功率、儲能蓄電池輸出功率、蓄電池荷電狀態(tài)（State of charge， SOC）以及系統(tǒng)直流電壓（輸出功率用正值表示）的仿真結(jié)果。

在并網(wǎng)模式下，交流主網(wǎng)來維持電壓穩(wěn)定，光伏電池輸出功率在MPPT控制下大約穩(wěn)定在20.8kW附近，t=5s時再投入一個15kW的負荷，負荷側(cè)功率由30kW變?yōu)?5kW；交流主網(wǎng)輸出功率由原先的16.8kW變?yōu)?1.5kW，幾乎與負荷的功率增加相等；蓄電池處于恒流充電狀態(tài)，因此輸出功率為負值，SOC在充電過程中逐漸增加，充電功率約6.8kW，完成充電后進入備用狀態(tài)；系統(tǒng)直流電壓能控制在在0.98-0.99pu之間，處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明并網(wǎng)運行狀態(tài)負載投切引起的功率波動可以通過所提控制策略得到有效平抑，直流母線電壓在并網(wǎng)變流器的作用下能維持在合理范圍內(nèi)。

（2）孤島模式仿真分析

孤島模式下，交流主網(wǎng)與直流微網(wǎng)不進行功率交換，圖5依次是光伏電池的輸出功率、負荷功率、蓄電池的輸出功率、蓄電池SOC以及系統(tǒng)直流電壓（輸出功率用正值表示）的仿真波形。

在孤島模式下，蓄電池起維持電壓穩(wěn)定的作用，光伏電池輸出功率在MPPT控制下大約穩(wěn)定在20.8kW附近。初始運行時，光伏電池輸出功率約20.8kW，系統(tǒng)帶30kW負載，蓄電池處于放電狀態(tài)，SOC持續(xù)下降，輸出功率約為10.8kW，系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定在1.01pu。5s時再向系統(tǒng)投入一個15kW的負載，光伏電池輸出功率在MPPT控制下保持不變，系統(tǒng)負載功率變?yōu)?5kW，蓄電池仍處于放電狀態(tài)。由于負載功率變大，蓄電池SOC下降速度變快，放電功率增加到25.31，幾乎能平抑系統(tǒng)負載的功率增加。系統(tǒng)直流電壓降為0.99pu，仍在標幺值附近，說明了孤島運行模式下直流母線電壓通過蓄電池側(cè)變流器得到穩(wěn)定。

從以上兩個仿真結(jié)果可以看出，并網(wǎng)和孤島模式時，負荷投切帶來的功率波動可通過所提的協(xié)調(diào)控制策略得到平抑，使系統(tǒng)直流電壓維持在1pu左右的穩(wěn)定狀態(tài)，在經(jīng)受功率波動時不會引起電壓的大幅波動，直流微網(wǎng)維持正常的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖4 并網(wǎng)模式下仿真結(jié)果

圖5 孤島模式下仿真結(jié)果

結(jié)語

光儲直流微網(wǎng)中，光伏出力的間歇性以及負荷投切帶來的功率波動易造成直流母線電壓的波動，甚至失穩(wěn)崩潰。采用所提控制策略，將光儲直流微網(wǎng)分為并網(wǎng)運行和孤島運行兩種模式分別討論。并網(wǎng)運行時并網(wǎng)變流器采用電壓下垂控制，交流主網(wǎng)作為穩(wěn)壓單元，光伏電池和蓄電池分別進行MPPT控制和恒流充電控制；孤島運行時蓄電池擔任穩(wěn)壓單元，該側(cè)變流器采用電壓下垂控制，光伏電池仍采用MPPT控制保持新能源出力最大。該控制策略可以有效維持直流電壓穩(wěn)定，保證直流微網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.004