肖 瑩

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

近年來，環(huán)境污染和能源危機(jī)已經(jīng)成為全球性問題。為緩解該問題，分布式能源 (Distributed energy resources,DERs)受到了各國廣泛關(guān)注[1,2]。由于目前大電網(wǎng)為交流電網(wǎng)而直流電網(wǎng)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，所以兼具直流網(wǎng)和交流網(wǎng)特點(diǎn)的混合微網(wǎng)是目前最具優(yōu)勢(shì)的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

針對(duì)交流微網(wǎng)或者直流微網(wǎng)的控制問題，目前已有很多人研究[3－5]。與單純的交流微網(wǎng)或者直流微網(wǎng)控制相比，混合微網(wǎng)的控制要更為復(fù)雜，這與子網(wǎng)間的交互有關(guān)。混合微網(wǎng)的運(yùn)行分為并網(wǎng)和孤島2種模式。因此，對(duì)雙向功率變換器而言，協(xié)調(diào)2個(gè)子網(wǎng)間的能量流動(dòng)至關(guān)重要。在孤島模式下這種控制更為復(fù)雜，混合微網(wǎng)失去大電網(wǎng)的支撐，微網(wǎng)負(fù)載由子網(wǎng)共同提供能量。在這種運(yùn)行狀態(tài)下，雙向功率變換器必須對(duì)交流和直流功率進(jìn)行管理，并且決定是由交流向直流注入功率還是由直流向交流注入功率。

許多研究者已經(jīng)在這方面做了工作。文獻(xiàn) [6]通過將直流電壓和交流頻率進(jìn)行等量處理，提出一種實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間能量交互的控制策略。文獻(xiàn) [7]提出一種新型的雙向功率變換器拓?fù)?，該拓?fù)浞譃榍昂?級(jí)，2級(jí)之間并聯(lián)儲(chǔ)能。并根據(jù)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自治運(yùn)行控制策略。但文獻(xiàn) [6]和 [7]都未考慮子網(wǎng)的容量。利用ω-Pac和Vdc2-Pdc的下垂特性，文獻(xiàn) [8]提出一種AC-DC下垂的功率控制策略。該策略使兩個(gè)子網(wǎng)等同為一個(gè)微網(wǎng)，將負(fù)載需求功率協(xié)調(diào)分配給微網(wǎng)中可分布式電源，但需根據(jù)功率流動(dòng)方向切換控制策略。文獻(xiàn) [9]提出一種并聯(lián)雙向功率變換器協(xié)調(diào)控制策略。無需控制策略的切換，即可實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島的正常運(yùn)行。然而，該文未考慮雙向功率變換器的容量問題。

基于上述工作，針對(duì)混合微網(wǎng)的不同運(yùn)行模式，本文提出一種雙向功率變換器分散式下垂控制方法來實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)功率的雙向流動(dòng)。通過測(cè)量交流子網(wǎng)電壓頻率、幅值以及直流子網(wǎng)電壓，依據(jù)所提出的下垂特性可得到雙向功率變換器的電壓和電流參考量。本文所提控制方法可根據(jù)子網(wǎng)容量成比例調(diào)配交直流子網(wǎng)間的功率流動(dòng)，并具有良好的直流動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。

1 混合微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在本文中，典型的混合微網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示?；旌衔⒕W(wǎng)包含一個(gè)交流子網(wǎng)和一個(gè)直流子網(wǎng)（包含儲(chǔ)能）。雙向功率變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)，負(fù)責(zé)交直流網(wǎng)絡(luò)間的功率轉(zhuǎn)換，根據(jù)供需情況為交流子網(wǎng)或直流子網(wǎng)提供功率支撐。當(dāng)交流子網(wǎng)重載時(shí)，對(duì)雙向功率變換器而言，交流子網(wǎng)成為負(fù)載，能量由直流子網(wǎng)流向交流子網(wǎng)，反之亦然。

圖1 混合微網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，混合微電網(wǎng)通過交流子網(wǎng)與主電網(wǎng)相連。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在并網(wǎng)模式時(shí)，交流子網(wǎng)由主電網(wǎng)提供功率支撐，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；直流子網(wǎng)則由雙向功率變換器調(diào)節(jié)電壓，維持功率平衡。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式下，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)分別通過各自接入分布式電源平衡功率，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。此時(shí)，若系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，則交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，相互提供功率支撐。本文針對(duì)系統(tǒng)的孤島模式，提出一種基于下垂的雙向功率變換器改進(jìn)控制策略。

2 DERs控制策略

為了讓不同類型分布式電源形成微網(wǎng)，最常采用的控制方式是下垂控制，使分布式電源接口輸出模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)特性運(yùn)行。本文中的微源都采取下垂控制。

2.1 交流子網(wǎng)中DER的控制

交流分布式電源的控制采用P-f和Q-V多環(huán)反饋控制，由于下垂控制的輸出量是頻率和電壓，應(yīng)用頗為廣泛。此控制方法主要是通過降低交流電壓頻率來增加輸出有功功率，通過降低交流電壓幅值來增加輸出無功功率。其下垂特性數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

2.2 直流子網(wǎng)中DER的控制

圖2 直流DERs下垂特性

3 孤島模式下雙向功率變換器控制策略

本文的雙向功率變換器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。所提出的雙向功率變換器策略主要由內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制構(gòu)成。內(nèi)環(huán)控制主要控制直流母線側(cè)電壓，外環(huán)控制主要實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間的功率交互決策。

圖3 雙向功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向功率變換器在d-q-0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開關(guān)周期模型為

從a-b-c坐標(biāo)到d-q-0坐標(biāo)的變換公式為

雙向功率變換器控制策略的內(nèi)環(huán)控制如圖4，在q軸上采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)的響應(yīng)速度要比電壓環(huán)快。相比較傳統(tǒng)的電壓環(huán)，通過直流輸出電壓追蹤直流電壓參考值，這里采用代替vdc，線性度更好，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。通過解耦控制，使控制有功功率，控制無功功率。

圖4 雙向功率變換器內(nèi)環(huán)控制

雙向功率變換器控制策略的外環(huán)控制如圖5。當(dāng)混合微網(wǎng)處于孤島模式下，在不影響子網(wǎng)正常運(yùn)行的前提下，子網(wǎng)間發(fā)出或接受的功率需要確定。

圖5 雙向功率變換器外環(huán)控制

忽略開關(guān)損耗，直流子網(wǎng)所需有功功率[8]可以表示為

根據(jù)P－Vdc下垂控制可得電壓變化量參考值為

合并式 (5)和式 (6)得

式中：r＝k1k2。

同時(shí)，交流子網(wǎng)所需有功功率為

根據(jù)P－Vac下垂控制可得電壓變化量參考值為

合并式 (8)和式 (9)得

式中：m＝kp，ack2。

最終可得直流母線電壓參考值為

本文中假設(shè)交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)容量相同，所以負(fù)載功率分配也相同，若2個(gè)子網(wǎng)的容量不相等，可按照容量比設(shè)置下垂參數(shù)r和m，實(shí)現(xiàn)按比例分配負(fù)載。

由于直流子網(wǎng)不需無功，所以無功只由直流子網(wǎng)向交流子網(wǎng)傳輸。交流子網(wǎng)所需無功功率為

電流參考之idref可通過計(jì)算得

利用雙向功率變換器為交流子網(wǎng)提供無功支撐，需要合理利用雙向功率變換器的容量，雙向功率變換器輸出的無功功率應(yīng)滿足如下條件。

式中，Qmax為雙向功率變換器的最大輸出無功功率，Srate為雙向功率變換器的額定視在功率。

混合微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式時(shí)，雙向功率變換器可以分為4種運(yùn)行狀態(tài)，如表1所示。

表1 孤網(wǎng)模式下雙向功率變換器運(yùn)行模式

模式1：當(dāng)2個(gè)子網(wǎng)都處于輕載時(shí)，此時(shí)子網(wǎng)運(yùn)行正常，無需功率交換，雙向變換器不動(dòng)作。

模式2：當(dāng)交流子網(wǎng)重載，直流子網(wǎng)輕載時(shí)，此時(shí) ΔV-δV＜0，所以能量由直流子網(wǎng)流向交流子網(wǎng)。

模式3：當(dāng)直流子網(wǎng)重載，交流子網(wǎng)輕載時(shí)，此時(shí) ΔV-δV＞0，所以能量由交流子網(wǎng)流向直流子網(wǎng)。

模式4：當(dāng)2個(gè)子網(wǎng)都處于重載時(shí)，此時(shí)僅憑子網(wǎng)間的能量傳遞已無法滿足供電質(zhì)量，需要啟動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備供電或者去負(fù)荷來保障供電質(zhì)量，本文不涉及此部分。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制策略的可行性，在Simulink平臺(tái)上搭建了相關(guān)仿真。

交流子網(wǎng)的額定有功和無功功率分別為20 kW和5 kvar，直流子網(wǎng)的額定功率為20 kW，雙向功率變換器的視在功率為10 kW。由于2個(gè)子網(wǎng)的有功容量相同，所以過量負(fù)載分配比也設(shè)為1:1。直流母線額定電壓設(shè)定為800 V，交流電壓設(shè)定為三相 220 V （RMS），50 Hz。

仿真驗(yàn)證了從模式1到模式2以及模式2到模式3的過渡過程。

4.1 案例1：從模式1切換到模式2

開始時(shí)交流負(fù)載設(shè)定為有功20 kW和無功5 kvar，直流負(fù)載設(shè)定為20 kW，雙向功率變換器工作在模式1。在1 s時(shí)，交流負(fù)載有功增加5 kW，無功增加5 kvar。

如圖6所示，在0～1 s，交流子網(wǎng)輸出有功20 kW和無功5 kvar，處在額定狀態(tài)，此時(shí)交流母線的電壓也穩(wěn)定在額定值220 V，50 Hz。同時(shí)，直流子網(wǎng)輸出有功20 kW，同樣處于額定狀態(tài)，直流母線的電壓也穩(wěn)定在額定值800 V。此時(shí)，雙向功率變換器不動(dòng)作。

在1 s，交流側(cè)負(fù)載增加了5 kW和5 kvar。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時(shí)，可以看出交流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW和無功7.5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW，雙向功率變換器輸出有功2.5 kW和無功2.5 kvar。

圖6 案例1：功率傳輸和直流母線電壓

圖7 案例2：功率傳輸和直流母線電壓

4.2 案例2：從模式2切換到模式3

開始時(shí)交流負(fù)載設(shè)定為有功25 kW和無功10 kvar，直流負(fù)載設(shè)定為20 kW，雙向功率變換器工作在模式2。在1 s時(shí)，交流負(fù)載有功較少5 kW、無功減少5 kvar，直流負(fù)載增加6.4 kW。

如圖7所示，在0～1 s，交流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW和無功7.5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功22.5 kW，雙向功率變換器輸出有功2.5 kW和無功2.5 kvar。直流母線的電壓低于額定值800 V。

在1 s，交流負(fù)載有功較少5 kW、無功減少5 kvar，直流負(fù)載增加6.4 kW。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時(shí)，可以看出交流子網(wǎng)輸出有功23.2 kW和無功5 kvar，直流子網(wǎng)輸出有功23.2 kW，雙向功率變換器輸出有功-3.2 kW和無功0 kvar。

從上述結(jié)果可以看出，所提策略可實(shí)現(xiàn)根據(jù)子網(wǎng)容量成比例調(diào)配交直流子網(wǎng)間的功率流動(dòng)，并且直流母線電壓具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。

5 結(jié)論

本文在分析交直流微源運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提出一種基于下垂的雙向功率變換器改進(jìn)控制策略。與傳統(tǒng)控制方法相比，改進(jìn)型的策略可通過設(shè)置交流下垂系數(shù)、直流下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的成比例分配。另外，采用作為內(nèi)環(huán)參考值的控制也使直流母線電壓具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的可行性。

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