胡慧欣

摘要：直流微電網(wǎng)作為提高可再生能源利用率的有效平臺(tái)，近年來得到了快速發(fā)展。直流微電網(wǎng)中，直流母線是源荷各單元的公共連接點(diǎn)，各分布式發(fā)電單元和負(fù)荷都通過直流變流器接入其中。負(fù)荷功率在微電源之間的合理分配以及良好的電壓質(zhì)量是整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的重要研究目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)中不同單元的運(yùn)行狀況，制定相應(yīng)的能量管理策略。直流微電網(wǎng)中各個(gè)設(shè)備的控制都是通過控制直流變流器來實(shí)現(xiàn)的，其控制手段多種多樣，其中可實(shí)現(xiàn)即插即用的下垂控制被廣泛研究和討論。直流微電網(wǎng)中下垂控制的實(shí)現(xiàn)方法普遍是基于電壓電流雙環(huán)控制，是將下垂曲線控制環(huán)作為控制外環(huán)，其輸出量作為變換器電壓的參考值，再進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)控制，達(dá)到控制目的。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng);變流器;下垂控制

引言

為了有效提升分布式發(fā)電單元接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量和新能源利用率，美國電力可靠性解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）在2002年提出將分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、換流器和負(fù)荷組合成一個(gè)微電網(wǎng)（MG）的概念。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)沒有無功功率、相位差、諧波電壓等問題，且由于系統(tǒng)中大部分分布式電源和負(fù)荷為直流形式，網(wǎng)絡(luò)采用直流結(jié)構(gòu)減少了很多電力電子設(shè)備成本。因此，關(guān)于直流微電網(wǎng)的研究得到了越來越多的關(guān)注。

1直流微電網(wǎng)的下垂控制分析

對(duì)于功率單元采用下垂控制的微電網(wǎng)而言，其簡化模型如圖1所示，DG通過升壓型單向功率變換器（Boost變換器）接入直流母線，負(fù)荷通過降壓型單向變換器接入直流母線。圖中，Ln、Cn分別為功率單元n的Boost變換器的電感、電容（n∈N?，N?={1，2，…，N}為采用下垂控制的功率單元集合，N為功率單元的數(shù)量）;rn、Lr，n分別為功率單元n連接至直流母線的線路電阻、等值電感;In為功率單元n的輸出電流;Idc為負(fù)荷電流;Req、Leq分別為直流母線負(fù)荷等效電阻、電感;LR、CR分別為降壓型單向變換器的等值電感、穩(wěn)壓電容。

采用U-I下垂控制的功率單元的輸出特性可表示為：Un=Un，ref-knIn（1）其中，Un為功率單元n變換器出口處的電壓;Un，ref為功率單元n下垂控制的電壓參考值;kn為功率單元n的下垂系數(shù)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率單元可等效為一個(gè)理想電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)，如圖2所示。圖中，Udc為直流母線電壓。

2基于下垂控制的電壓控制策略

2.1直流微電網(wǎng)設(shè)備級(jí)控制

設(shè)備級(jí)控制中，微電網(wǎng)內(nèi)部在電網(wǎng)單元出力未達(dá)功率上限時(shí)由電網(wǎng)單元平衡負(fù)荷變動(dòng)，在其功率超出限值之后由儲(chǔ)能單元作為微電網(wǎng)內(nèi)部平衡單元發(fā)出或吸收多余功率。其中并網(wǎng)單元選用電壓型脈寬調(diào)制（PWM）變流器連接交流電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。并網(wǎng)換流器采用定功率控制，通過微電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度平衡內(nèi)部負(fù)荷波動(dòng)，其外環(huán)控制由系統(tǒng)調(diào)度給出功率參考值，通過電壓換算得到電流d軸分量參考值，電流q軸分量參考值為0;內(nèi)環(huán)控制采用PI控制器，使實(shí)際d軸電流與q軸電流跟蹤外環(huán)電流參考值。

2.2母線電壓二次補(bǔ)償控制

本文提出的控制策略是在根據(jù)下垂控制原理改進(jìn)得到的，因此在系統(tǒng)功率波動(dòng)時(shí)會(huì)帶來直流側(cè)母線電壓偏離參考值的現(xiàn)象。為了解決該問題，本文加入直流母線電壓補(bǔ)償二次控制來提高母線電壓的穩(wěn)定性。具體而言，電壓補(bǔ)償二次控制是通過PI控制器將直流母線電壓輸出的補(bǔ)償量疊加至各底層控制器的直流母線電壓參考值上，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓偏差的補(bǔ)償?？刂瓶驁D如圖4所示。加入母線電壓二次補(bǔ)償控制之后得到儲(chǔ)能變流器動(dòng)態(tài)下垂控制的控制框圖如圖5所示，母線電壓和變流器輸出電流分別經(jīng)過電壓補(bǔ)償控制和下垂控制，得到電壓控制環(huán)反饋量，最后經(jīng)過電流環(huán)得到控制脈沖，控制各個(gè)變流器的輸出功率。

2.3參數(shù)整定

對(duì)于二次電壓控制的參數(shù)整定而言，首先需明確功率單元集合及各功率單元的參與度，即參與二次電壓控制的功率單元及其具體的調(diào)節(jié)量。功率單元集合的確定需考慮DG單元的容量限制、DG單元發(fā)生故障、線路容量限制等因素。在每一輪的二次電壓控制中，若根據(jù)初步設(shè)定的負(fù)荷分配系數(shù)預(yù)估的功率大于功率單元的額定功率，表明該運(yùn)行狀態(tài)下不能達(dá)到預(yù)期的負(fù)荷分配效果，需將該功率單元的功率整定為額定功率，并將其從功率單元集合中刪除;在新的功率單元集合中重新設(shè)置負(fù)荷分配系數(shù)，直至完成當(dāng)前負(fù)荷分配。

2.4電壓二次補(bǔ)償控制分析

母線電壓二次控制通過在控制外環(huán)增加電壓PI控制器來實(shí)現(xiàn)，主要用來補(bǔ)償下垂控制引起的母線電壓偏離。開啟電壓二次補(bǔ)償控制后，母線電壓能夠恢復(fù)到參考電壓。其中，ki主要影響母線電壓的暫態(tài)特性，ki越大母線電壓恢復(fù)至參考值的時(shí)間越短，暫態(tài)時(shí)間越短，但過大易引起電壓突變，不利于母線電壓恢復(fù);kp主要影響母線電壓的振蕩幅值，kp過大母線波動(dòng)越強(qiáng)，過小母線動(dòng)態(tài)特性則會(huì)較差。kp和ki的取值應(yīng)根據(jù)母線電壓要求進(jìn)行取值，本研究kp和ki分別取0.9、10。

2.5直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)控制

在設(shè)備級(jí)控制中，為了自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率分配，直流電壓控制單元往往采用下垂控制，但是由于下垂控制屬于一次控制，會(huì)造成直流母線電壓偏差，影響電壓質(zhì)量，因此在系統(tǒng)級(jí)控制中可以對(duì)電壓進(jìn)行二次控制，從而提升電壓水平。此外，為了控制微電網(wǎng)間功率流動(dòng)，在系統(tǒng)級(jí)控制中還應(yīng)考慮對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率的控制。在直流微電網(wǎng)集群控制中，各子微電網(wǎng)需要通過二次控制來消除由下垂控制導(dǎo)致的子微電網(wǎng)母線電壓跌落問題，但微電網(wǎng)間有功率傳輸時(shí)無法保證所有微電網(wǎng)母線電壓控制在額定值。因此，本文利用基于一致性算法的電壓觀測(cè)器計(jì)算集群內(nèi)各母線電壓的平均值，控制其穩(wěn)定在額定電壓附近。

2.6聯(lián)絡(luò)線功率控制策略

在上述聯(lián)絡(luò)線功率控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。通過功率控制期望達(dá)到的目的是：在各微電網(wǎng)內(nèi)部電源出力能夠滿足負(fù)荷需求時(shí)，各微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行;當(dāng)某些微電網(wǎng)內(nèi)部電源充裕而無法消納或電源不足而無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，若其余微電網(wǎng)有能力提供功率支持，則調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率值，由集群功率單元吸收過剩功率或發(fā)出不足功率。因此，需根據(jù)集群的不同運(yùn)行場(chǎng)景制定不同的聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。

結(jié)束語

本文對(duì)直流微電網(wǎng)的電壓控制策略進(jìn)行了研究，提出了基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配的二次電壓控制策略，可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的快速調(diào)節(jié)及動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配。所提控制策略在較寬的范圍內(nèi)設(shè)置下垂系數(shù)，不受變換器容量配比約束，從而增加了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性.通過在下垂控制的下垂系數(shù)中引入儲(chǔ)能電池SOC動(dòng)態(tài)值，使負(fù)荷功率在儲(chǔ)能電池間動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)儲(chǔ)能電池輸出功率和SOC的均衡;并增加電壓二次控制和補(bǔ)償虛擬阻抗，抑制下垂控制引起的直流母線電壓偏離，改善直流變流器的動(dòng)態(tài)特性，提升直流母線電壓的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明：功率波動(dòng)時(shí)，控制策略能夠完成負(fù)荷功率在儲(chǔ)能電池間的均衡分配，并增強(qiáng)直流母線電壓的阻尼特性，抑制母線電壓偏離。

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