(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

1 引言

隨著大量分布式新能源發(fā)電越來越多的接入電力系統(tǒng)，其對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量的影響受到廣泛關(guān)注。分布式新能源發(fā)電中大部分電源如光伏、燃料電池等，發(fā)電出口均為直流電壓。分布式發(fā)電集電直流匯集系統(tǒng)由分布式電源、負(fù)載和并網(wǎng)接口電路等部分通過各自的變流裝置與直流母線相并聯(lián)。根據(jù)變流器的并聯(lián)特性可知，各并聯(lián)模塊對外表現(xiàn)為電壓源特性時，由于配電線纜上存在阻抗壓降，各節(jié)點電壓存在差異，很有可能導(dǎo)致各并聯(lián)電壓源之間產(chǎn)生環(huán)流，為了控制母線電壓的穩(wěn)定和避免環(huán)流的產(chǎn)生，需要對并聯(lián)在直流母線上的等效電壓源變換電路進行均流控制。

2 電壓源并聯(lián)等效電路

圖1為各并聯(lián)電壓源的等效示意圖。V1和V2表示并聯(lián)電壓源幅值，Z1和Z2表示線路阻抗，i1和i2分別表示流過模塊1與模塊2的電流，Vdc表示模塊連接處的母線電壓。

圖1 電壓源并聯(lián)等效示意圖

3 直流母線電壓穩(wěn)定控制策略研究

儲能單元并聯(lián)穩(wěn)壓控制是指通過系統(tǒng)內(nèi)儲能單元穩(wěn)定直流母線電壓，該情況下分布式新能源在并網(wǎng)模式下仍工作在MPPT狀態(tài)，離網(wǎng)模式下則根據(jù)儲能、負(fù)荷狀況而定。并網(wǎng)變流器在并網(wǎng)狀態(tài)下采取PQ恒功率控制[1]，離網(wǎng)狀態(tài)下不工作。根據(jù)儲能單元的并聯(lián)方式又可細(xì)分為主從控制法[2-4]和下垂控制法[5-8]。

圖2 主儲能單元恒壓控制框圖

圖3 從儲能單元恒流控制框圖

下垂控制，各儲能單元均做恒壓控制，控制框圖如圖4所示。圖中Udc_refi為第i個儲能單元經(jīng)下垂控制器校正后的輸出電壓的給定，Idci為第i個儲能單元電流。采用下垂控制由于直流電壓給定值需經(jīng)下垂控制器校正，會使直流母線電壓有一定偏差。當(dāng)下垂控制系數(shù)較小時直流母線電壓偏差較小但是調(diào)節(jié)速度較慢，動態(tài)性能較差，當(dāng)下垂控制系數(shù)較大時調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)動態(tài)性能好，但是直流母線電壓偏差較大，特別是當(dāng)功率流動較大時電壓會更為明顯。并且一旦下垂控制系數(shù)確定后各儲能單元充放電功率比例即確定，無法再次進行調(diào)節(jié)，但是該控制方法不需要通信線的連接，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)冗余控制，擴容簡單方便，實用效果好。

圖4 下垂控制儲能單元恒壓控制框圖

綜合考慮以上各直流母線控制策略的優(yōu)缺點，本文采用變系數(shù)下垂控制控制策略以恒定母線電壓。該控制策略控制框圖與傳統(tǒng)下垂控制相同，但是在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)之上根據(jù)母線電壓偏差以及儲能系統(tǒng)自身容量不斷進行下垂控制曲線的調(diào)節(jié)，當(dāng)母線電壓偏差較小，即系統(tǒng)內(nèi)功率流動較小時增大下垂系數(shù)提高系統(tǒng)動態(tài)性能，當(dāng)母線電壓偏差較大即系統(tǒng)內(nèi)功率流動較大時減小下垂控制系數(shù)，以減小母線電壓偏差。同時通過對各儲能單元下垂控制系數(shù)的調(diào)節(jié)可進一步控制其充放電功率大小，以提高各儲能單元的利用率，使整個系統(tǒng)能夠長期安全穩(wěn)定的運行。

4 變系數(shù)下垂控制策略

下垂控制是通過控制調(diào)節(jié)各個分布式電源自身的等效輸出阻抗進行輸出功率的調(diào)節(jié)。

假設(shè)DG1、DG2為直流匯集系統(tǒng)內(nèi)兩儲能單元，輸出電壓與輸出電流關(guān)系分別如式(1)，式(2)所示。

(1)

(2)

當(dāng)k1=k2時，其下垂特性曲線如圖5所示。假設(shè)DG1運行在功率點P1處時DG2投入使用，則DG1回路電流降低輸出電壓給定增大，DG2輸出電流增大輸出電壓給定降低，當(dāng)二者運行至P3點時系統(tǒng)保持穩(wěn)定DG1、DG2輸出電壓給定相同，電流相同。

圖5 下垂系數(shù)相同時特性曲線

當(dāng)k1≠k2時，其下垂特性曲線如圖6所示。假設(shè)DG1運行于P1點時DG2投入運行，DG1沿曲線M1運行，電流減小輸出電壓給定增大。DG2沿曲線M2運行，電流增大輸出電壓降低。當(dāng)兩臺DG1、DG2輸出電壓給定相同后系統(tǒng)穩(wěn)定，其各自電流大小與斜率成反比。

圖6 下垂系數(shù)不同時特性曲線

由式(1)、式(2)以及圖2、圖3可知，穩(wěn)態(tài)時并聯(lián)的儲能單元輸出電壓給定相同，可以得到：

k1Idc1=k2Idc2

(3)

即：

k1P1=k2P2

(4)

其中P1、P2分別為兩種類型儲能單元的輸出功率。對于多系統(tǒng)并聯(lián)來說則有：

k1P1=k2P2=Λ=knPn，n≥2

(5)

由式(5)可見，通過調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)可調(diào)節(jié)直流母線側(cè)各個分布式儲能的輸出功率。

直流母線電壓的高低是功率波動以及潮流流向的直接反應(yīng)，因而可以根據(jù)母線電壓的高低對接入其中的各儲能單元的下垂系數(shù)進行調(diào)整以穩(wěn)定直流母線電壓。為了方便下垂控制將直流母線電壓分為七個區(qū)域，具體如圖7所示。圖中Udc為直流母線電壓，V1V5為過壓故障區(qū)。

正常工作區(qū)：該階段直流母線電壓在正常范圍內(nèi)波動，此時分布式新能源發(fā)電量與可控負(fù)荷消耗電量基本平衡。各儲能單元下垂控制系數(shù)為初始值；

母線電壓偏低1區(qū)：該階段直流母線電壓偏低，此時分布式新能源發(fā)電量略小于負(fù)荷消耗量。需根據(jù)直流母線電壓降低幅度以及各儲能單元自身剩余容量減小下垂系數(shù)，提高直流母線電壓。下垂系數(shù)調(diào)節(jié)方式具體如下：

圖7 各個工作階段

ki(t+1)=ki(t)+Δki

(6)

式中ki(t)、ki(t+1)分別為當(dāng)前時刻以及下一時刻第i個儲能單元的下垂系數(shù)，Δki為第i個儲能單元下垂系數(shù)變化值，δL1為母線電壓偏低1區(qū)的下垂系數(shù)變化量加權(quán)值，SOCi、Si分別為第i個儲能單元的SOC以及初始時刻容量。

下垂系數(shù)約束條件如下：

(7)

式中ki_max、ki_min分別為下垂系數(shù)最大最小值。

母線電壓偏低2區(qū)：該階段直流母線電壓偏低幅度較大，調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏低1區(qū)相似，繼續(xù)減小儲能單元下垂系數(shù)，具體調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏低1區(qū)類似，但是下垂系數(shù)變化量加權(quán)值為δL2，且滿足δL2>δL1。

母線電壓偏高1區(qū)：階段直流母線電壓偏高，此時分布式新能源發(fā)電量略高于負(fù)荷消耗量。需根據(jù)直流母線電壓升高幅度以及各儲能單元自身剩余容量調(diào)整下垂系數(shù)，降低直流母線電壓。下垂系數(shù)調(diào)節(jié)如式(6)所示，但是下垂系數(shù)變化值有所變化，如式(8)所示。

(8)

其約束條件與(7)相同。

母線電壓偏低2區(qū)：該階段直流母線電壓偏高幅度較大，調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏高1區(qū)相似，繼續(xù)提高儲能單元下垂系數(shù)，具體調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏高1區(qū)類似，但是下垂系數(shù)變化量加權(quán)值為δH2，且滿足δH2>δH1。

欠壓故障區(qū)、過壓故障區(qū)：該階段直流母線電壓過低，向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送欠壓故障、過壓故障信號。

5 仿真分析

基于下垂控制的共直流母線仿真中母線電壓控制目標(biāo)、儲能單元1，儲能單元2的下垂控制系數(shù)如表1所示。仿真波形如圖8、圖9所示，其中圖8(a)為系統(tǒng)空載穩(wěn)定運行0.02s后突加63kW負(fù)載的母線電壓波形，圖8(b)為儲能單元1、儲能單元2的電流波形(k1>k2)。從圖中可以看出突加負(fù)載后直流母線電壓約有6V波動，經(jīng)25ms后穩(wěn)定。儲能單元1、儲能單元2輸出電流與下垂控制系數(shù)成反比，突加負(fù)載后儲能單元1電流迅速提高以平抑負(fù)荷帶來的母線電壓波動，穩(wěn)定時主要通過儲能單元2輸出功率，穩(wěn)定直流母線電壓，經(jīng)25ms后二者電流穩(wěn)定，電流大小分別為26A、52A。圖9(a)為系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定運行至0.02s后突然切除負(fù)載的母線電壓波形，圖9(b)為儲能單元1、儲能單元2的輸出電流波形。從仿真圖中可以看出突切負(fù)載后儲能單元1、儲能單元2的電流穩(wěn)定時間約為20ms，穩(wěn)定后系統(tǒng)之間環(huán)流較小，約為1A。

表1 仿真關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

6 結(jié)論

本文在對常用直流母線電壓控制策略特性深入研究的基礎(chǔ)上，提出了變系數(shù)下垂控制策略，該控制策略將下垂曲線斜率作為直流母線電壓偏差值以及儲能單元自身容量的函數(shù)，解決了傳統(tǒng)下垂控制中儲能單元充放電功率比例無法進行在線調(diào)節(jié)的問題，并且在功率流動較大時仍能夠?qū)⒅绷髂妇€偏差控制在一個較小的范圍內(nèi)。解決了傳統(tǒng)下垂控制中儲能單元充放電功率比例無法進行在線調(diào)節(jié)的問題。最后本文通過仿真分析證明了所提控制策略的有效性和可行性。

圖8 突加負(fù)荷時參數(shù)變化情況

圖9 突切負(fù)荷時參數(shù)變化情況