林佩怡，米陽，李海鵬，姜恩宇，時帥

(上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海市 200090)

0 引 言

直流微電網(wǎng)以其高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)在新一代電網(wǎng)中日益突出[1-3]，同時，配電網(wǎng)中交流負(fù)荷仍占很高比例，因此，結(jié)合交、直流微電網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)的交直流混合微電網(wǎng)將成為微電網(wǎng)研究的重點(diǎn)[4-6]。交直流混合微電網(wǎng)作為協(xié)調(diào)、自主的運(yùn)行系統(tǒng)，內(nèi)部各子網(wǎng)可以保持自身的穩(wěn)定運(yùn)行，并具有功率共享功能[7-8]。它可以降低轉(zhuǎn)換成本，提高系統(tǒng)效率，具有良好的發(fā)展前景[9-10]。

由于孤島運(yùn)行的交直流混合微電網(wǎng)規(guī)模較大，被控變量較多，運(yùn)行工況復(fù)雜，其協(xié)調(diào)控制也較為困難[11-13]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[14]針對三端口混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分層控制策略，以交直流子網(wǎng)的電壓作為特征判斷子網(wǎng)的功率剩余狀態(tài)，并對各子網(wǎng)和雙向功率變換器進(jìn)行精細(xì)管理。文獻(xiàn)[15]提出一種適用于雙級式互聯(lián)變流器的控制策略，根據(jù)兩側(cè)子網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)功率的相互支撐。此類研究都未考慮提高儲能利用效率。為此文獻(xiàn)[16]針對混合儲能系統(tǒng)提出了一種基于離散一致性算法的分層控制策略，動態(tài)調(diào)整儲能單元輸出功率以實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)快速均衡。文獻(xiàn)[17]對直流微電網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無母線電壓偏移均衡控制。文獻(xiàn)[18]中針對孤島運(yùn)行的交直流混合微電網(wǎng)群提出分層協(xié)調(diào)控制策略，構(gòu)造三級控制切換策略以實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間功率互助，并設(shè)計(jì)了基于SOC的動態(tài)一致均衡控制策略。但此類方法通常原則上僅當(dāng)微網(wǎng)不能自己穩(wěn)定時啟用儲能子網(wǎng)，無法靈活決定儲能系統(tǒng)整體的充放電狀態(tài)，也就無法避免儲能同時過充過放。

可以看到，現(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重研究網(wǎng)絡(luò)整體狀態(tài)，對于儲能過度充放引起的功率協(xié)調(diào)能力下降問題研究還不夠深入。SOC過低時儲能系統(tǒng)若不能及時充電，將導(dǎo)致停電，因此保持儲能系統(tǒng)SOC處于正常范圍內(nèi)運(yùn)行對提高微網(wǎng)可靠性很有意義。文獻(xiàn)[19]針對子網(wǎng)間互聯(lián)變換器提出了一種多模式功率協(xié)調(diào)控制策略，研究儲能荷電狀態(tài)變化導(dǎo)致的網(wǎng)間功率協(xié)調(diào)控制問題，以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和能量存儲效率，但受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制，該策略沒有考慮避免子網(wǎng)間不必要的功率交互，也不適用于三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。基于以上研究分析，本文主要工作如下：

1)針對孤島運(yùn)行的三端口交直流混合微電網(wǎng)，根據(jù)儲能荷電狀態(tài)劃分模式，分析交直流子網(wǎng)的負(fù)載狀況，規(guī)劃不同模式下子網(wǎng)間六種功率交互狀態(tài)對應(yīng)的系統(tǒng)工況。

2)設(shè)計(jì)功率互助級控制策略控制各子網(wǎng)間雙向互聯(lián)變換器傳輸功率，以保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行及靈活穩(wěn)定切換。

本文所提控制策略適用于交-直-儲三端口交直流混合微電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)多模式穩(wěn)定運(yùn)行，綜合管理子網(wǎng)間功率傳輸，減少子網(wǎng)間功率交互損耗，并使儲能子網(wǎng)參與子網(wǎng)間功率交互的優(yōu)先性隨荷電狀態(tài)變化，主動避免儲能單元過充過放導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)崩潰風(fēng)險(xiǎn)，提高儲能利用效率，增加系統(tǒng)可靠性?；贛atlab/Simulink和RT-LAB仿真驗(yàn)證該控制策略的實(shí)時有效性。

1 交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三端口交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布式電源以及負(fù)荷分別與交流母線或直流母線相連，構(gòu)成交流或直流子網(wǎng)。交直流子網(wǎng)母線通過雙向互聯(lián)變換器(bidirectional interlinking converter，BIC)與儲能子網(wǎng)相連[14]。

圖1 交直流混合微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分層控制

該拓?fù)浜喕藘δ軉卧呐渲?，適用于直流型儲能單元集中安置和管理的區(qū)域。其中，交、直流子網(wǎng)由分布式發(fā)電單元和負(fù)載組成，子網(wǎng)間通過BIC實(shí)現(xiàn)功率交互。以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電單元工作在最大功率點(diǎn)跟蹤 (maximun power point tracing, MPPT) 模式，保證最大限度地利用可再生能源發(fā)出的電能。

本文設(shè)計(jì)的控制策略分為三級。狀態(tài)判定級處理實(shí)時電氣信息后向功率互助級發(fā)送控制信號，控制子網(wǎng)間是否進(jìn)行功率交互。功率互助級收到控制信號后生成適宜的網(wǎng)間功率傳輸值，控制BIC傳輸適宜的功率調(diào)節(jié)量。本地級控制儲能充放電、光伏等新能源發(fā)電的MPPT控制模式及其他單元下垂控制模式，以保持子網(wǎng)內(nèi)部自治，并向狀態(tài)判定級發(fā)送負(fù)載或儲能SOC等實(shí)時電氣信息。

2 狀態(tài)判定級控制策略

交直流混合微電網(wǎng)中子網(wǎng)功率供需狀況(即負(fù)載狀態(tài))和儲能荷電狀態(tài)大小是影響子網(wǎng)內(nèi)各單元運(yùn)行控制和網(wǎng)間功率流動的重要依據(jù)。本節(jié)將分別按子網(wǎng)的負(fù)載狀態(tài)和儲能SOC大小對混合微電網(wǎng)系統(tǒng)劃分運(yùn)行狀態(tài)，并判定各工況下子網(wǎng)間連接狀態(tài)。

2.1 儲能子網(wǎng)模式判定

當(dāng)可再生能源的輸出功率大于系統(tǒng)中儲能充電和負(fù)荷的共同需求時，需減少輸出功率來保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。儲能子網(wǎng)吸收交直流子網(wǎng)內(nèi)多余功率以彌補(bǔ)網(wǎng)內(nèi)功率缺額。反之則由儲能子網(wǎng)提供支撐功率。

定義由m個儲能單元構(gòu)成的儲能子網(wǎng)平均荷電狀態(tài)S′OC：

(1)

式中：SOCi為第i個儲能單元的SOC。

設(shè)置S′OCmin、S′OCa、S′OCb和S′OCmax為五種模式的邊界，根據(jù)平均荷電狀態(tài)不同將儲能子網(wǎng)劃分為以下5種模式：

模式1：S′OCa

模式2：S′OCmin

模式3：S′OCb≤S′OC

模式4：0≤S′OC≤S′OCmin，儲能子網(wǎng)即將失去向其他子網(wǎng)補(bǔ)充功率的能力。一旦儲能放空且子網(wǎng)重載越限，系統(tǒng)需要切除部分負(fù)荷。

模式5：S′OCmax≤S′OC≤1，儲能子網(wǎng)即將失去從其他子網(wǎng)吸收功率的能力。一旦儲能充滿且子網(wǎng)輕載越限，系統(tǒng)需要降低分布式能源輸出功率。

2.2 交直流子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)分析

微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時，交直流子網(wǎng)內(nèi)各單元通常采用下垂控制，子網(wǎng)內(nèi)母線電壓受負(fù)載水平影響。子網(wǎng)狀態(tài)劃分情況如圖2所示。橫縱坐標(biāo)軸Pac、Pdc分別為交、直流子網(wǎng)等效負(fù)載。Pnac、Pndc為各子網(wǎng)額定等效負(fù)載。以J點(diǎn)為例，表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在PacJ>Pnac、PdcJ>Pndc，交直流子網(wǎng)內(nèi)負(fù)載均偏重。

圖2 交直流子網(wǎng)狀態(tài)劃分

2.3 連接狀態(tài)判定

本節(jié)綜合考慮子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)和儲能平均荷電狀態(tài)的大小，對系統(tǒng)進(jìn)行連接狀態(tài)判定。表1設(shè)定判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的六類事件。表中K和M分別為子網(wǎng)自治和交直流子網(wǎng)互助時系統(tǒng)穩(wěn)定功率閾值。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷依據(jù)

以模式1為例，圖3展示了表2所提A—F六類事件如何將交直流子網(wǎng)分別劃分為三種運(yùn)行狀態(tài)：功率自足、功率失穩(wěn)及嚴(yán)重越限，并相應(yīng)設(shè)計(jì)三子網(wǎng)間六種功率交互狀態(tài)。模式1中，儲能子網(wǎng)可以自由吸收或釋放功率，根據(jù)交直流子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)的不同，系統(tǒng)被分為六種連接狀態(tài)?；疑珔^(qū)域表示交、直流子網(wǎng)的負(fù)載都沒有越限，兩子網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。黃(橙)色區(qū)域表示直(交)流子網(wǎng)負(fù)載越限，但交(直)流子網(wǎng)負(fù)載沒有越限。綠色區(qū)域表示交流或直流子網(wǎng)的負(fù)載超過了限制，但可以通過傳輸線與儲能子網(wǎng)進(jìn)行功率流通，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。為充分利用清潔能源和減少傳輸線損失，模式1中交(直)流子網(wǎng)中出現(xiàn)功率缺額/盈余時優(yōu)先由直(交)流子網(wǎng)彌補(bǔ)，以避免儲能子網(wǎng)參與功率交換。藍(lán)色區(qū)域表示交流或直流子網(wǎng)負(fù)載超過限制，且另一子網(wǎng)不能彌補(bǔ)功率缺額(過剩)，須由儲能子網(wǎng)共同參與補(bǔ)充(吸收)。外部白色區(qū)域由Pac+Pdc=-PILC、Pac+Pdc=PILC、Pac-Pdc=-Pdsmax和Pac-Pdc=Pdsmax共同劃分，表示子網(wǎng)功率嚴(yán)重越限，應(yīng)切除部分負(fù)荷或降低分布式能源輸出功率。PILC代表聯(lián)絡(luò)線功率限制，Pdsmax代表儲能出力限制。

圖3 模式1中子網(wǎng)功率交互模式劃分

表2總結(jié)了這六種網(wǎng)絡(luò)功率交互狀態(tài)。表3給出了S′OC偏高、Pdc>Pndc時各交互狀態(tài)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，S′OC偏低或Pdc

表2 系統(tǒng)功率交互狀態(tài)

表3 各交互狀態(tài)判斷依據(jù)

隨著儲能逐漸充滿，避免儲能單元失去充放電能力的需求逐漸受到重視。儲能子網(wǎng)參與子網(wǎng)間功率交互的優(yōu)先度隨著儲能子網(wǎng)的需求提高，由模式1中的低于交直流子網(wǎng)，提高到模式3中等同于交直流子網(wǎng)，最后優(yōu)先于交直流子網(wǎng)。

一些原本不需要儲能子網(wǎng)參與的運(yùn)行工況由儲能子網(wǎng)參與，盡量使儲能子網(wǎng)放出功率或避免吸收功率，平均荷電狀態(tài)降低或避免升高，同時也避免了可自主運(yùn)行的子網(wǎng)在不必要的網(wǎng)絡(luò)交互中產(chǎn)生能量損耗或被影響供電質(zhì)量。在某些不需要儲能子網(wǎng)的情況下將其加入，可以主動規(guī)避未來的過充風(fēng)險(xiǎn)。例如，模式3中的A點(diǎn)與模式1中的B點(diǎn)意味著幾乎相同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件。然而，不同于模式1中的交直流子網(wǎng)連接，由于未來可能會被過度充電，模式3下儲能子網(wǎng)將主動參與，釋放能量，使自身積極恢復(fù)到正常的荷電狀態(tài)水平。黑色軌跡代表仿真驗(yàn)證中三個模式下的子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)變化軌跡。

3 功率互助級調(diào)節(jié)量確定

為實(shí)現(xiàn)交直流網(wǎng)間的功率互濟(jì)，需要將頻率、直流母線電壓值進(jìn)行歸一化，在無量綱的情況下進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局的功率協(xié)調(diào)[20]。當(dāng)前主流采用的歸一化方法如下：

(2)

式中：γ表示交流頻率或直流母線電壓；γ′表示歸一化后的值，區(qū)間為[-1,1]；γmax和γmin分別表示γ的最大、最小值。

但γ′代表子微網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)載(輕載或重載)具有局限性，當(dāng)二次控制使頻率、直流母線電壓恢復(fù)至額定值后，頻率、電壓歸一化值將始終為零。這里使用電壓/頻率的虛擬偏差值判斷直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)的負(fù)載水平[21]：

(3)

進(jìn)行子網(wǎng)間功率交互時還需要考慮聯(lián)絡(luò)線上功率：

(4)

(5)

式中：kp、ki為PI控制器對應(yīng)的控制參數(shù)；S為連接狀態(tài)。

儲能系統(tǒng)吸收或發(fā)出的功率PES如下：

(6)

(7)

式中：σ為系數(shù)；PES,max表示儲能系統(tǒng)最大輸出功率；SOC為儲能系統(tǒng)實(shí)時SOC。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink建立三端口交直流混合微網(wǎng)模型。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如表3所示，針對該三端口交直流混合微電網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)分別運(yùn)行于模式1、3和5，作為儲能子網(wǎng)荷電狀態(tài)正?；蚱叩牡湫退憷?。模式1仿真中設(shè)計(jì)5個不同的子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)，驗(yàn)證本策略下網(wǎng)絡(luò)可以保持實(shí)時準(zhǔn)確的子網(wǎng)連接狀態(tài)切換和穩(wěn)定運(yùn)行。模式3仿真設(shè)置了與模式1相同的子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)，與文獻(xiàn)[14]所提策略對比，驗(yàn)證相同負(fù)載情況下模式3的應(yīng)用可以避免儲能子網(wǎng)S′OC的上升。模式5仿真設(shè)計(jì)了6個子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)，對比文獻(xiàn)[14]中的控制策略，驗(yàn)證系統(tǒng)在極端情況下可以避免儲能子網(wǎng)失去功率調(diào)節(jié)功能。仿真驗(yàn)證3種模式下的典型運(yùn)行工況以及部分網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)切換過程，系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)見表4。蓄電池正常的SOC工作范圍一般在0.1～0.9。在此基礎(chǔ)上，本文仿真算例中設(shè)置S′OCb=0.7，S′OCmax=0.85。

表4 仿真參數(shù)

4.1 模式1仿真驗(yàn)證

本算例中儲能子網(wǎng)初始平均荷電狀態(tài)在50%左右，處于模式1，可以自由充放電。模式1交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率如圖4所示，初始時刻直流子網(wǎng)負(fù)載為3.20 kW，交流子網(wǎng)負(fù)載為2.80 kW，兩個子網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。2 s時直流子網(wǎng)負(fù)載增加到4.10 kW，超過限制，交流子網(wǎng)保持不變。網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闋顟B(tài)4，交流子網(wǎng)向直流子網(wǎng)供電。4 s時兩個子網(wǎng)的負(fù)載增加到4.50 kW，儲能子網(wǎng)需要向兩個子網(wǎng)填補(bǔ)功率缺額，網(wǎng)絡(luò)連接變?yōu)闋顟B(tài)5。6 s時直流子網(wǎng)負(fù)載下降到4.10 kW，仍然越限，交流負(fù)載下降到3.15 kW。直流子網(wǎng)功率缺額可由交流子網(wǎng)提供，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)4。8 s時直流子網(wǎng)負(fù)載下降到1.75 kW，交流子網(wǎng)下降到2.00 kW，儲能子網(wǎng)需要吸收兩個子網(wǎng)的剩余功率，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)5。

圖4 模式1交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率

狀態(tài)切換過程如圖5所示。直流子網(wǎng)電壓和交流子網(wǎng)頻率如圖6所示。

圖5 模式1狀態(tài)切換控制信號

圖6 模式1直流電壓與交流頻率

圖7顯示了儲能子網(wǎng)的功率交互和荷電狀態(tài)變化情況。由于總的模擬時間只有10 s，該圖只用于反映充放電的趨勢。在整個過程中，儲能子網(wǎng)只在4～6 s內(nèi)釋放能量，并在8～10 s內(nèi)吸收能量。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)切換過程平穩(wěn)。

圖7 模式1儲能子網(wǎng)功率交互與荷電狀態(tài)

4.2 模式3仿真驗(yàn)證

本算例中，儲能子網(wǎng)的初始平均荷電狀態(tài)設(shè)置為80%，滿足S′OCb≤S′OC

模式3交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率如圖8所示，初始時刻與4.1節(jié)算例完全相同，2 s后，直流子網(wǎng)負(fù)載越限，交流子網(wǎng)保持不變，若采用文獻(xiàn)[14]提出的控制策略應(yīng)為狀態(tài)4。由于儲能子網(wǎng)當(dāng)前平均荷電狀態(tài)偏高，需要釋放能量來降低平均荷電狀態(tài)，模式3中由儲能子網(wǎng)代替交流子網(wǎng)向直流子網(wǎng)提供功率支持。交流子網(wǎng)不參與子網(wǎng)之間的功率交互，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)2。4 s時兩個子網(wǎng)均越限，網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闋顟B(tài)5，儲能子網(wǎng)為兩個子網(wǎng)提供缺少的功率。6 s時若采用文獻(xiàn)[14]控制策略應(yīng)為狀態(tài)4，模式3中儲能子網(wǎng)彌補(bǔ)了直流子網(wǎng)的功率缺額，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)2。8 s時交直流負(fù)載均過輕，儲能子網(wǎng)必須吸收兩個子網(wǎng)的剩余功率，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)5。

圖8 模式3交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率

狀態(tài)切換過程如圖9所示。直流子網(wǎng)電壓和交流子網(wǎng)頻率如圖10所示。

圖9 模式3狀態(tài)切換控制信號

圖10 模式3直流電壓與交流頻率

圖11顯示了儲能子網(wǎng)的功率交互和荷電狀態(tài)變化情況，模式3下儲能系統(tǒng)在2～8 s放電，8～10 s充電?？梢钥吹接捎谖墨I(xiàn)[14]提出的控制方法不能在儲能SOC偏高時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接方式，部分工況下不能代替交流子網(wǎng)向直流子網(wǎng)提供功率。相比文獻(xiàn)[14]的控制策略，本文模式3下的儲能子網(wǎng)利用了更多的機(jī)會，在2～4 s和6～8 s額外釋放功率，最終達(dá)到較低的平均荷電狀態(tài)水平。

圖11 模式3儲能子網(wǎng)功率交互與荷電狀態(tài)

4.3 模式5仿真驗(yàn)證

本算例中，儲能子網(wǎng)的初始平均荷電狀態(tài)設(shè)置為98%，滿足S′OCmax≤S′OC≤1的條件。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于模式5，儲能子網(wǎng)需盡可能釋放電能，并隨時伴隨有電池完全充滿失去調(diào)節(jié)能力的風(fēng)險(xiǎn)。

模式5交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率如圖12所示，初始時刻直流子網(wǎng)負(fù)載為3.20 kW，交流子網(wǎng)負(fù)載為2.6 kW，均獨(dú)立運(yùn)行。2 s時直流子網(wǎng)負(fù)載增加到4.5 kW，超過限制，交流子網(wǎng)保持不變。若采用文獻(xiàn)[14]中控制策略，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)處于狀態(tài)4，但由于儲能子網(wǎng)需要釋放能量，降低平均荷電狀態(tài)，模式5中由儲能子網(wǎng)彌補(bǔ)直流子網(wǎng)的功率缺額，同時交流子網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，狀態(tài)判定級將網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)2。4 s時交流子網(wǎng)負(fù)載增加到4.1 kW，直流子網(wǎng)不變。網(wǎng)絡(luò)處于狀態(tài)5，儲能子網(wǎng)為兩個子網(wǎng)提供缺少的功率。6 s時直流子網(wǎng)負(fù)載下降到3.3 kW，交流子網(wǎng)保持不變，若采用文獻(xiàn)[14]控制策略網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為狀態(tài)4，模式3中仍保持狀態(tài)5。8 s時直流子網(wǎng)負(fù)載下降到2.0 kW，交流子網(wǎng)下降到2.8 kW。交流子網(wǎng)向直流子網(wǎng)供電，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)4。10 s時交流子網(wǎng)下降到1.8 kW和直流子網(wǎng)保持不變。儲能子網(wǎng)必須吸收兩個子網(wǎng)的剩余功率，網(wǎng)絡(luò)切換到狀態(tài)5。狀態(tài)切換過程如圖13所示。直流子網(wǎng)電壓和交流子網(wǎng)頻率如圖14所示。

圖12 模式5交直流子網(wǎng)負(fù)載與交互功率

圖13 模式5狀態(tài)切換控制信號

圖14 模式5直流電壓與交流頻率

在整個過程中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增大，然后逐漸減小到過輕。圖15顯示了儲能子網(wǎng)的功率交互和荷電狀態(tài)的變化趨勢，儲能在2～8 s放電，10～12 s充電。表5給出了本文與文獻(xiàn)[14]充放電時間對比結(jié)果，當(dāng)儲能子網(wǎng)的平均荷電狀態(tài)即將達(dá)到極限，隨時可能失去調(diào)節(jié)能力時，相比文獻(xiàn)[14]中的控制策略，本文模式5控制下的儲能子網(wǎng)在2～4 s和8～10 s中額外參與子網(wǎng)的功率交互，主動釋放功率，最終實(shí)現(xiàn)了較低的平均荷電狀態(tài)水平，避免由于過充而失去功率協(xié)調(diào)能力。

圖15 模式5儲能子網(wǎng)功率交互與荷電狀態(tài)

表5 本文與文獻(xiàn)[14]充放電時間對比結(jié)果

4.4 RT-LAB仿真驗(yàn)證

在RT-LAB平臺上對所建模型進(jìn)行了仿真，以評估所提控制策略的性能。RT-LAB是由OPAL-RT制造的實(shí)時數(shù)字仿真器，它可以根據(jù)Artemis求解器的不同功能將復(fù)雜模型劃分為子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最大限度的并行操作。因此電力系統(tǒng)和通信仿真模型可以在相同于真實(shí)物理時間尺度上運(yùn)行。

以模式3為代表，在采樣頻率為50 kHz的RT-LAB環(huán)境中建立孤島交直流微電網(wǎng)仿真模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)均與Matlab仿真結(jié)果一致。交直流子網(wǎng)的功率交互情況如圖16所示。

圖16 模式3交直流子網(wǎng)功率交互

RT-LAB仿真結(jié)果與前文中Simulink仿真所得結(jié)果一致。驗(yàn)證了本文提出的能源管理控制策略可以實(shí)時有效地在子網(wǎng)間按需分配功率。

5 結(jié) 論

本文針對經(jīng)典的三端口交直流混合微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行，提出了一種考慮子網(wǎng)負(fù)載狀態(tài)和儲能裝置荷電狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制策略。得出以下結(jié)論：

1)本文提出的控制策略及模式判斷方法能夠根據(jù)儲能子網(wǎng)的平均荷電狀態(tài)狀況對系統(tǒng)在各種工況下的子網(wǎng)間功率交互狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)劃分，在保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的前提下，避免網(wǎng)絡(luò)變換器頻繁動作，減少網(wǎng)絡(luò)間功率交互損耗。

2)本文提出的控制策略能夠兼顧交流頻率、直流電壓以及儲能單元SOC需求，無論交流子網(wǎng)還是直流子網(wǎng)產(chǎn)生功率波動，都能合理實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間互助互濟(jì)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況分配功率流向。

3)儲能單元充滿或放空時將失去對系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)能力，因此本文所提控制策略考慮了SOC整體過高或過低時的恢復(fù)需求。網(wǎng)絡(luò)可以靈活提高儲能子網(wǎng)參與子網(wǎng)間功率交互的優(yōu)先性，避免未來運(yùn)行環(huán)境惡化時儲能失去調(diào)節(jié)能力導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰。