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        混合微網(wǎng)孤島模式下雙向功率變換器控制研究

        2018-05-08 07:12:10
        山西電力 2018年2期
        關(guān)鍵詞:子網(wǎng)微網(wǎng)雙向

        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,所以兼具直流網(wǎng)和交流網(wǎng)特點的混合微網(wǎng)是目前最具優(yōu)勢的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

        針對交流微網(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)?;旌衔⒕W(wǎng)的運行分為并網(wǎng)和孤島2種模式。因此,對雙向功率變換器而言,協(xié)調(diào)2個子網(wǎng)間的能量流動至關(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)負載由子網(wǎng)共同提供能量。在這種運行狀態(tài)下,雙向功率變換器必須對交流和直流功率進行管理,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 [6]通過將直流電壓和交流頻率進行等量處理,提出一種實現(xiàn)子網(wǎng)間能量交互的控制策略。文獻 [7]提出一種新型的雙向功率變換器拓撲,該拓撲分為前后2級,2級之間并聯(lián)儲能。并根據(jù)這種拓撲結(jié)構(gòu),設(shè)計了自治運行控制策略。但文獻 [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 [8]提出一種AC-DC下垂的功率控制策略。該策略使兩個子網(wǎng)等同為一個微網(wǎng),將負載需求功率協(xié)調(diào)分配給微網(wǎng)中可分布式電源,但需根據(jù)功率流動方向切換控制策略。文獻 [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,即可實現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島的正常運行。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,針對混合微網(wǎng)的不同運行模式,本文提出一種雙向功率變換器分散式下垂控制方法來實現(xiàn)子網(wǎng)功率的雙向流動。通過測量交流子網(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,并具有良好的直流動態(tài)響應(yīng)效果。

        1 混合微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

        在本文中,典型的混合微網(wǎng)拓撲如圖1所示。混合微網(wǎng)包含一個交流子網(wǎng)和一個直流子網(wǎng)(包含儲能)。雙向功率變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng),負責(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,對雙向功率變換器而言,交流子網(wǎng)成為負載,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)典型拓撲結(jié)構(gòu)

        在正常運行狀態(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)運行在并網(wǎng)模式時,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,若系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額,則交流子網(wǎng)與直流子網(wǎng)間進行協(xié)調(diào)控制,相互提供功率支撐。本文針對系統(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)電機特性運行。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)控制主要實現(xiàn)子網(wǎng)間的功率交互決策。

        圖3 雙向功率變換器拓撲結(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,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,所以負載功率分配也相同,若2個子網(wǎng)的容量不相等,可按照容量比設(shè)置下垂參數(shù)r和m,實現(xiàn)按比例分配負載。

        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)運行在孤島模式時,雙向功率變換器可以分為4種運行狀態(tài),如表1所示。

        表1 孤網(wǎng)模式下雙向功率變換器運行模式

        模式1:當(dāng)2個子網(wǎng)都處于輕載時,此時子網(wǎng)運行正常,無需功率交換,雙向變換器不動作。

        模式2:當(dāng)交流子網(wǎng)重載,直流子網(wǎng)輕載時,此時 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,此時 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個子網(wǎng)都處于重載時,此時僅憑子網(wǎng)間的能量傳遞已無法滿足供電質(zhì)量,需要啟動儲能設(shè)備供電或者去負荷來保障供電質(zhì)量,本文不涉及此部分。

        4 仿真驗證

        為了驗證所提控制策略的可行性,在Simulink平臺上搭建了相關(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個子網(wǎng)的有功容量相同,所以過量負載分配比也設(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

        開始時交流負載設(shè)定為有功20 kW和無功5 kvar,直流負載設(shè)定為20 kW,雙向功率變換器工作在模式1。在1 s時,交流負載有功增加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),此時交流母線的電壓也穩(wěn)定在額定值220 V,50 Hz。同時,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,雙向功率變換器不動作。

        在1 s,交流側(cè)負載增加了5 kW和5 kvar。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時,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

        開始時交流負載設(shè)定為有功25 kW和無功10 kvar,直流負載設(shè)定為20 kW,雙向功率變換器工作在模式2。在1 s時,交流負載有功較少5 kW、無功減少5 kvar,直流負載增加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,交流負載有功較少5 kW、無功減少5 kvar,直流負載增加6.4 kW。當(dāng)功率傳輸穩(wěn)定時,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,并且直流母線電壓具有良好的動態(tài)響應(yīng)效果。

        5 結(jié)論

        本文在分析交直流微源運行的基礎(chǔ)上,提出一種基于下垂的雙向功率變換器改進控制策略。與傳統(tǒng)控制方法相比,改進型的策略可通過設(shè)置交流下垂系數(shù)、直流下垂系數(shù)實現(xiàn)負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態(tài)響應(yīng)效果。仿真結(jié)果驗證了所提策略的可行性。

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