高崧耀

【摘要】：隨著時代的發(fā)展，直流微電網(wǎng)已在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用。相對于交流微電網(wǎng)而言，直流微電網(wǎng)具有無需跟蹤頻率以及電壓相位、抗擾性更好、降低線路損耗、在基礎(chǔ)設(shè)施的投資上較低等諸多優(yōu)點，可見其未來的發(fā)展將不可估量。文章針對適用于任意用戶的小型直流微電網(wǎng)，在分析其組成結(jié)構(gòu)及發(fā)電單元輸出特性的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)分級控制策略。

【關(guān)鍵詞】：直流微電網(wǎng)；改進(jìn)分級；控制策略

1、導(dǎo)言

為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式發(fā)電之間的矛盾，充分利用分布式發(fā)電的優(yōu)勢，并促進(jìn)其大規(guī)模的整合與應(yīng)用，學(xué)者們提出了微網(wǎng)（Microgrid）的概念。盡管對微網(wǎng)的定義各不相同，但國際上基本認(rèn)為：微電網(wǎng)是由各種分布式電源/微電源、儲能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控、保護(hù)裝置組成的集合；具有靈活的運行方式和調(diào)度性能，即能在并網(wǎng)運行和孤島運行兩種模式間切換。

2、基于直流母線電壓的控制策略

直流微網(wǎng)控制策略主要分為集中控制、分散控制和分布控制3種，其中分散控制不考慮直流母線變化使得各分布電源間的信息無法交互不予采用，集中控制由于需要一個傳輸速度較快的通信架構(gòu)，目前實現(xiàn)較為困難，所以大部分直流微網(wǎng)的控制策略都選用分布控制，即基于直流母線電壓的控制策略（DCbussignalcontrol）。直流母線電壓的選取，依據(jù)文中對不同直流電壓對負(fù)載和線路損耗的分析，得出選擇直流母線電壓為48V較為合適。直流微網(wǎng)作為電源輸出時DBS的具體實現(xiàn)方式，變換器的U-I下垂控制線見圖1，原理框圖見圖2，變換器通過將母線電壓幅值與自身工作狀態(tài)閥值電壓比較，進(jìn)而決定工作模式。

圖1新能源放電時的控制器U-I下垂線

圖2新能源放電時變換器控制框圖

直流系統(tǒng)中包含3類電能單元：新能源、儲能裝置和負(fù)載單元。首先，直流母線電壓的幅值作為信號，分為不同控制區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)直流母線電壓處于狀態(tài)1時，僅將新能源并入直流母線，狀態(tài)2中儲能裝置也被加入。其中新能源的放電閥值為U0，儲能裝置的放電閥值為U1。當(dāng)負(fù)載小于新能源最大功率點（曲線PS1）時，新能源的變換器與直流母線交互，使得僅新能源并網(wǎng)，并且變換器工作在恒壓輸出狀態(tài)，調(diào)制母線電壓至其放電閥值。當(dāng)負(fù)載電流增大，母線電壓由于下垂線的控制逐漸降低，所以，當(dāng)帶負(fù)載PL1時，系統(tǒng)工作點在A點處。當(dāng)負(fù)載超過新能源最大功率點，新能源變換器檢測到該狀態(tài)后，改變其工作狀態(tài)至恒功率輸出模式，限制其輸出功率為PS1。由于按PS1曲線增長，電壓會跌落較多，所以為了保持母線電壓在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，當(dāng)電壓跌落至U1以下，儲能裝置并入，提高整個系統(tǒng)的工作電壓，當(dāng)帶負(fù)載PL2時，系統(tǒng)工作點在B點處。

圖2控制模塊是標(biāo)準(zhǔn)雙環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快，電壓外環(huán)通過PI調(diào)節(jié)保證電壓穩(wěn)定。在恒壓工作模式中，PI控制器使得直流母線電壓調(diào)制到其放電閥值電壓，電流按照內(nèi)環(huán)輸出額定值。同時，設(shè)置了控制器的下垂曲線保證了不同新能源和儲能裝置能通過變換器實現(xiàn)功率均分。下垂曲線公式為

U0*=Un-kI0。（1）

式（1）中：Un為變換器放電閥值；I0為輸出電流；k為下垂系數(shù)。恒功率運行時，新能源的變換器跟蹤新能源的最大功率點運行，儲能裝置在母線電壓達(dá)到放電閥值后，按下垂控制支撐母線電壓。以上介紹了新能源模塊放電方式的控制策略，對于整個系統(tǒng)，儲能裝置作為一個能量緩沖器，其控制器根據(jù)直流母線電壓的不同分為充電控制和放電控制兩部分，具體儲能變換器的控制框圖見圖3。

圖3儲能變換器總體控制框圖

圖3中：Ub為檢測的蓄電池電壓；Ubh為相對于剩余容量95%時的電壓；Ubl為相對于剩余容量40%時的電壓，充放電電流最大值都有相應(yīng)限制；Ib*為儲能變換器的參考電流；Ib為變換器實際輸出電流；D*為變換器的占空比；Udc為直流母線電壓測量值；Udc_ref為給定參考值。

將Udc和Udc_ref比較后通過PI調(diào)節(jié)及限流環(huán)節(jié)得到電流控制環(huán)的輸入?yún)⒖贾礗r2，若Ub小于Ubl，則Ir2=0，此時蓄電池為充電狀態(tài)，參考電流為Ir1；若Ub大于Ubl，則參考電流為Ir2，此時蓄電池為放電狀態(tài)。其中，充電狀態(tài)時，將Ub和Ubh比較后通過PI調(diào)節(jié)和限流環(huán)節(jié)，得到參考電流Ib1=Ib*。通過Ib*的大小決定電池工作狀態(tài)，當(dāng)其大于0，變換器工作在放電狀態(tài)，小于零則充電狀態(tài)。Ubh和Ubl的設(shè)置實現(xiàn)了儲能的過沖過放保護(hù)。

3、直流微電網(wǎng)的分級控制

3.1第3級控制

第3級控制主要實現(xiàn)上級電網(wǎng)對直流微電網(wǎng)的調(diào)度。直流微電網(wǎng)從上級電網(wǎng)吸收功率的最大值由直流微電網(wǎng)并網(wǎng)變換器的容量決定；直流微電網(wǎng)向上級電網(wǎng)輸出功率的大小由上級電網(wǎng)的調(diào)度決定。直流微電網(wǎng)通過并網(wǎng)變換器與上級電網(wǎng)相聯(lián)。采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略時，并網(wǎng)變換器在dq坐標(biāo)系下的交流側(cè)有功功率和直流側(cè)有功功率可以表示為

（1）

式中：Pac_g為并網(wǎng)變換器交流側(cè)輸出的有功功率，該值為調(diào)度層給定；Ug和Igd分別為并網(wǎng)變換器交流側(cè)電壓有效值和交流側(cè)電流d軸分量有效值；Pg為并網(wǎng)變換器直流側(cè)功率；Ig為并網(wǎng)變換器直流側(cè)電流有效值。

根據(jù)功率守恒，忽略傳輸線路損耗，令Pac_g等于Pg，則上級電網(wǎng)調(diào)度時的并網(wǎng)變換器直流側(cè)電流輸出電流參考值Ig*為

（2）

3.2第2級控制

第2級控制使用直流母線電壓作為調(diào)度信號，在直流微電網(wǎng)電壓允許的波動范圍內(nèi)，實現(xiàn)對直流微電網(wǎng)中各個微源工作狀態(tài)的調(diào)度管理。該調(diào)度策略可以根據(jù)設(shè)定的運行規(guī)律優(yōu)先對分布式電源進(jìn)行調(diào)度，分布式電源輸出功率不夠時，再根據(jù)并網(wǎng)或孤島狀態(tài)分別對并網(wǎng)變換器和儲能裝置進(jìn)行調(diào)度，達(dá)到母線電壓平衡和潮流控制的目的。直流微電網(wǎng)的工作模式示意圖如圖4，其中UN為額定電壓，H2UN和L2UN分別為母線電壓允許的最大值和最小值，系數(shù)需滿足

（3）

圖4直流微電網(wǎng)母線電壓控制

3.3第1級控制

第1級控制根據(jù)母線控制層的調(diào)度要求實現(xiàn)對微源接口變換器的控制。

結(jié)論

綜上所述，針對適用于任意用戶的低壓直流微電網(wǎng)，本文提出一種層次化優(yōu)化控制策略，該層次化控制策略通過調(diào)度管理層與上級電網(wǎng)接口，實現(xiàn)上級電網(wǎng)對直流微電網(wǎng)的調(diào)度，母線電壓控制層以直流母線電壓作為信息載體實現(xiàn)對發(fā)電單元的調(diào)度及狀態(tài)的調(diào)度，變換器控制層實現(xiàn)變換器的下垂及最大功率控制。

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