張金鵬， 唐婷， 燕正家， 薛玉龍

(1. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

0 引 言

直流供電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分布式光伏和直流負(fù)荷的直流接入，無頻率穩(wěn)定性問題，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。如何實(shí)現(xiàn)直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調(diào)控制成為需解決難題之一。

直流供電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模式包括集中通信和分布式控制。采用集中控制時(shí)需要依賴設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集對各控制器下發(fā)控制指令。某個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號異常嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)崩潰，因此這種類型的控制結(jié)構(gòu)供電可靠性較低[3]。分布式控制時(shí)采用母線電壓作為協(xié)調(diào)控制信號，各控制單元可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，但是無法保證各裝置輸出功率動(dòng)態(tài)均衡[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了以分布式風(fēng)電為發(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略，母線電壓由每層中相應(yīng)變換器控制。文獻(xiàn)[6]研究了直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)自治方案，根據(jù)預(yù)制方案實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)模式切換，但是在切換過程中無法實(shí)現(xiàn)無縫對接，需要進(jìn)行修正。

為解決上述問題，提升供電系統(tǒng)能效品質(zhì)，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。并網(wǎng)裝置通過判斷微電網(wǎng)直流母線電壓信息自適應(yīng)選擇控制模式并無縫切換，各并網(wǎng)設(shè)備采用自適應(yīng)下垂控制，相互之間無需通信，具備“即插即用功能”。

1 供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為典型的直流供電系統(tǒng)拓?fù)洌韵?個(gè)部分。

圖1 光儲(chǔ)直流供電系統(tǒng)電路拓?fù)?/p>

(1) 光伏發(fā)電單元：光伏陣列通過DC/DC變換器并網(wǎng)，通常以最大功率跟蹤模式運(yùn)行，特殊情況下，按照調(diào)度指令降功率運(yùn)行。

(2) 儲(chǔ)能單元：儲(chǔ)能電池通過雙向DC/DC變換器并網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)處于熱備用狀態(tài)，依據(jù)母線信息確定工作模式；離網(wǎng)時(shí)采用電壓控制模式，基于下垂控制策略維持母線電壓穩(wěn)定[7]。

(3) 并網(wǎng)變流器：光伏、儲(chǔ)能等直流發(fā)電單元通過雙向DC/AC變流器并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)之間的功能交換，保障系統(tǒng)功率平衡及維持母線電壓穩(wěn)定。

(4) 負(fù)荷單元：直流負(fù)荷直接或通過DC/DC變流器接入供電系統(tǒng)。離網(wǎng)時(shí)需要根據(jù)負(fù)荷的重要程度進(jìn)行切負(fù)荷控制，確保重要負(fù)荷的供電質(zhì)量。

2 供電系統(tǒng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略

依據(jù)直流母線電壓信息將直流供電系統(tǒng)分為電網(wǎng)主導(dǎo)、儲(chǔ)能主導(dǎo)、分布式發(fā)電單元主導(dǎo)和切負(fù)荷四種運(yùn)行模式，如圖2所示?？紤]系統(tǒng)的電能優(yōu)化和管理，為避免采用集中控制，基于無互聯(lián)通信的控制策略如圖3所示。

圖2 供電系統(tǒng)基于母線電壓的切換控制方法

圖3 不同運(yùn)行模式供電系統(tǒng)控制策略

2.1 模式1(電網(wǎng)主導(dǎo)運(yùn)行模式)

當(dāng)與交流電網(wǎng)相連，本地分布式發(fā)電無法支撐負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，所缺功率由交流電網(wǎng)提供，確保系統(tǒng)的功率交互平衡，系統(tǒng)工作于電網(wǎng)主導(dǎo)模式。忽略供電系統(tǒng)的損耗，該模式下交流主網(wǎng)提供的功率為：

Pa=Pl-Pess-Pv

(1)

式中：Pa、Pess和Pv分別為交流主網(wǎng)、儲(chǔ)能電池和光伏發(fā)電單元提供的功率；Pl為直流負(fù)荷消耗的功率。

此模式下，光伏采用最大功率跟蹤控制，儲(chǔ)能單元根據(jù)電池荷電狀態(tài)來決定工作在充電還是備用狀態(tài)。并網(wǎng)變流器采用下垂控制策略，控制如圖4所示，假設(shè)其能向供電系統(tǒng)傳輸?shù)淖钚?、最大功率分別為Pa_min、Pa_max。變系數(shù)下垂特性曲線可表示為：

圖4 并網(wǎng)變流器控制框圖

(2)

(3)

式中:Vdc_ref為并網(wǎng)變流器直流側(cè)電壓給定值；Pa為變流器輸出有功功率；ka為下垂系數(shù);V1_l、V1_h為該模式下直流電壓允許最小值和最大值。

2.2 模式2(儲(chǔ)能主導(dǎo)運(yùn)行模式)

交流電網(wǎng)發(fā)生故障或負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致并網(wǎng)變流器進(jìn)入限流狀態(tài)或故障停機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入儲(chǔ)能主導(dǎo)運(yùn)行模式，儲(chǔ)能單元需具備較大的能量裕度，可以充電或者放電，維持母線電壓穩(wěn)定。根據(jù)直流母線電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況，對應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電兩種工作狀態(tài)。

模式2-1(電壓區(qū)間V1_l到V2_l)：光伏單元發(fā)電功率大或負(fù)荷小時(shí)，并網(wǎng)變流器輸出功率受限為Pa_min，此時(shí)儲(chǔ)能單元處于充電狀態(tài)。功率為：

Pess=Pv-Pa_min-Pl

(4)

儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)母線電壓Vdc自動(dòng)調(diào)整為變系數(shù)下垂控制模式，向供電系統(tǒng)傳輸?shù)淖钚?、最大功率分別為Pess_min、Pess_max。自適應(yīng)下垂控制曲線為：

Pess=Pess_ref-k1δ1(Vdc-V1_h)

(5)

(6)

式中：Pess_ref為根據(jù)調(diào)度指令或電池SOC狀態(tài)給定的充/放電功率;δ1為下垂系數(shù)變化量加權(quán)值；k1為下垂系數(shù)。

模式2-2中(電壓區(qū)間V1_l到V2_l)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電彌補(bǔ)功率缺額，采用變系數(shù)下垂控制策略，下垂特性曲線表示為:

Pess=Pess_ref-k2δ2(Vdc-V1_l)

(7)

下垂系數(shù)k2定義為：

(8)

因此，儲(chǔ)能單元存在三種不同運(yùn)行模式，并可以根據(jù)直流母線電壓進(jìn)行平滑切換。

(9)

蓄電池和超級電容系統(tǒng)均能根據(jù)自身SOC狀態(tài)自適應(yīng)合理分配功率，儲(chǔ)能單元輸出功率均衡，控制模式切換平滑。

2.3 模式3(光伏發(fā)電單元主導(dǎo)運(yùn)行模式)

當(dāng)分布式光伏發(fā)電的輸出功率過大，超過了并網(wǎng)變流器的容量及本地負(fù)荷的用電需求，此時(shí)儲(chǔ)能電池的SOC達(dá)到最高限值，或儲(chǔ)能單元以最大功率充電，系統(tǒng)仍然無法正常運(yùn)行，此時(shí)限制分布式發(fā)電的出力，用來穩(wěn)定直流母線電壓。

2.4 模式4(切負(fù)荷模式)

此運(yùn)行模式下，系統(tǒng)提供的最大功率小于負(fù)荷需求。為保障供電系統(tǒng)安全，需要根據(jù)負(fù)荷的重要層次，依次切除次要負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提控制策略，基于PSCAD軟件搭建直流供電系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)包含鐵鋰電池、超級電容、光伏、直流負(fù)荷以及并網(wǎng)變流器5種功率交互裝置。

3.1 仿真場景1

直流供電系統(tǒng)由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：

圖5 場景1下仿真波形

0～0.5 s：供電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能處于備用狀態(tài)，光伏輸出功率30 kW，負(fù)荷30 kW，本地功率基本平衡，DC/AC變流器輸出功率很小，由DC/AC變流器控制母線電壓。

0.5～1 s：投入儲(chǔ)能進(jìn)行恒功率充電，根據(jù)下垂特性，母線電壓有所降低。

1～1.5 s：儲(chǔ)能逐漸充電完成，負(fù)荷功率增大，DC/AC變流器輸出功率增大，母線電壓繼續(xù)降低。

1.5～2 s：光伏輸出出現(xiàn)波動(dòng)，功率降為15 kW，儲(chǔ)能輸出功率維持功率平衡。此時(shí)并網(wǎng)變流器會(huì)出現(xiàn)限功率運(yùn)行，進(jìn)入模式2-2電壓變化區(qū)間，檢測到母線電壓變化后儲(chǔ)能電池自適應(yīng)進(jìn)入變系數(shù)下垂控制模式，為維持供電系統(tǒng)穩(wěn)定需增加儲(chǔ)能出力。

3.2 仿真場景2

直流供電系統(tǒng)由模式2-1切換至模式4再恢復(fù)至模式1，仿真波形如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：

圖6 場景2下仿真波形

0～0.5 s：供電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，儲(chǔ)能維持母線電壓恒定，光伏輸出功率30 kW，負(fù)荷30 kW，DC/AC變流器處于并網(wǎng)待機(jī)模式。

0.5～1 s：光伏輸出功率減小，為了維持網(wǎng)內(nèi)功率平衡，儲(chǔ)能增大輸出功率，母線電壓有一定的降低。

1～1.5 s：光伏輸出進(jìn)一步減小，儲(chǔ)能無法提供更多的功率，切除部分次要負(fù)荷，以維持母線電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

1.5～2 s：供電系統(tǒng)切換為并網(wǎng)運(yùn)行，母線電壓恢復(fù)額定值，之前切除的負(fù)荷重新投入，儲(chǔ)能暫時(shí)退出運(yùn)行，在有功率剩余時(shí)再進(jìn)行充電。

4 結(jié)束語

本文提出一種考慮電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明:微網(wǎng)供電系統(tǒng)中各并網(wǎng)裝置通過判斷微網(wǎng)直流母線電壓信息即可自適應(yīng)選擇控制模式并無縫切換，能夠保證直流母線電壓穩(wěn)定；同時(shí)，各并網(wǎng)設(shè)備之間無需相互通信，采用自適應(yīng)變系數(shù)下垂控制，以保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設(shè)備輸出功率均衡、合理，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各變流器的功率平衡及協(xié)調(diào)控制。在不增加硬件成本的情況下，僅通過控制實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)內(nèi)部的自治與協(xié)調(diào)運(yùn)行。