薛 易， 張 帥， 吳立涵， 陳 元

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 15002)

0 引 言

隨著國家雙碳目標的提出，以風電和太陽能發(fā)電為主構(gòu)成的高比例新能源發(fā)電成了未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。新能源發(fā)電的高比例電力電子化特征對于電網(wǎng)，尤其是微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

微電網(wǎng)根據(jù)母線種類不同，可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。在交直流混合微電網(wǎng)中，由于高比例電力電子設(shè)備的隔離，使交直流混合微電網(wǎng)成為了一個低慣性的網(wǎng)絡(luò)。當混合微電網(wǎng)發(fā)生較大的功率波動時，將會導(dǎo)致交流頻率和直流母線電壓劇烈突變,嚴重影響電能質(zhì)量，甚至?xí)：ο到y(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。虛擬同步發(fā)電機技術(shù)使微網(wǎng)接口變換器具有傳統(tǒng)同步電機的機械轉(zhuǎn)動慣量和電磁調(diào)節(jié)特性，可有效提高微網(wǎng)接口變換器的慣性，受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的青睞。李峰等[1]提出了一種適用于交直流混合微電網(wǎng)ILC的VSG控制策略，使混合微電網(wǎng)在的交流頻率和母線電壓在離網(wǎng)運行時獲得了良好的慣量支撐和阻尼特性。朱曉榮等[2]通過分析交流微電網(wǎng)中的VSG控制策略，提出了一種適用于直流微電網(wǎng)儲能的VSG控制技術(shù)，有效提高了直流母線電壓的抗擾動性。薛易等[3]提出了交直流混合微電網(wǎng)的全虛擬同步電機控制策略，即ILC采用虛擬同步電機控制策略，對于交流子網(wǎng)的AC-DC雙向變換器采用傳統(tǒng)的虛擬同步電機控制，通過類比交流子網(wǎng)的VSG控制策略，得到了適用于直流子網(wǎng)DC-DC雙向變換器的類虛擬同步電機控制策略，有效提高了混合微電網(wǎng)在孤島運行時交流頻率和母線電壓的抗擾動能力，但是直流子網(wǎng)DC-DC雙向變換器的類VSG控制策略比較簡單，且交流子網(wǎng)的AC-DC雙向變換器采用傳統(tǒng)的虛擬同步電機控制會導(dǎo)致混合微電網(wǎng)的功率傳輸不均衡，易造成功率傳輸?shù)亩秳印?/p>

基于上述研究，筆者提出一種改進的交直流混合電網(wǎng)VSG協(xié)調(diào)控制策略，在混合微電網(wǎng)接口變換器(ILC)虛擬同步電機(VSG)控制和交流微電網(wǎng)下垂控制的基礎(chǔ)上，通過對比分析交流微電網(wǎng)的VSG控制策略，改進適用于混合微網(wǎng)直流層儲能DC-DC雙向變換器的VSG控制策略，不僅可以使交流頻率和母線電壓獲得良好的慣量支撐，而且能夠在功率突變時，使交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)能夠均衡地承擔起整個混合微電網(wǎng)的負荷，降低功率傳輸?shù)亩秳?。文中主要對直流層的雙向DC-DC變換器進行研究。

1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在交直流混合微電網(wǎng)中，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)通過ILC連接，并網(wǎng)點設(shè)置在交流子網(wǎng)側(cè)，交流母線可通過并網(wǎng)開關(guān)的開斷選擇并網(wǎng)或者離網(wǎng)模式。在離網(wǎng)運行下，交流子網(wǎng)內(nèi)部采用下垂控制策略。直流子網(wǎng)中變流器采用下垂控制，直流母線電壓由微源輸出功率決定[4]。儲能裝置通過DC-DC雙向變換器與直流母線連接，實現(xiàn)功率的雙向流動。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 AC-DC hybrid microgrid structure

2 電壓源逆變器VSG控制原理

電壓源逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。逆變器左側(cè)為直流微網(wǎng)母線，右側(cè)為交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)通過電壓源逆變器相連接，實現(xiàn)能量的傳輸和交換。

圖2 電壓源逆變器結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of voltage source inverter

2.1 VSG功頻調(diào)節(jié)器

在交流微網(wǎng)中，假設(shè)極對數(shù)為1，則機械角速度和電角速度相等[5]，VSG功頻調(diào)節(jié)器的控制方程為

式中：J——轉(zhuǎn)動慣量；

ωN——額定角頻率；

ω0——空載角頻率；

ω——實際角頻率；

Pm——機械功率；

Pe——電磁功率；

D——阻尼系數(shù)；

δ——功角。

為了便于分析，令Pm=Pref，可以得到VSG功頻調(diào)節(jié)器的控制原理如圖3所示。

圖3 功頻調(diào)節(jié)器Fig. 3 Power frequency regulator

2.2 VSG孤島模式下功頻調(diào)節(jié)特性

根據(jù)VSG功頻調(diào)節(jié)器的控制，可以得到VSG實際角頻率ω和輸出功率的關(guān)系為

(1)

取ω0=ωN，式(1)變?yōu)?/p>

(2)

將式(2)進行化簡，可以得到VSG控制頻率變化量和功率變化量之間的關(guān)系為

(3)

將式(3)化為尾1標準形式為

可得：

經(jīng)上述分析可知，VSG的有功與頻率控制是在下垂有功與頻率控制中增加了一階慣性環(huán)節(jié)，其中，m為下垂系數(shù)，τ為慣性時間常數(shù)。因此，VSG在不考慮慣性和阻尼的情況下和下垂控制等價。由于慣性和阻尼的存在，使微電網(wǎng)在發(fā)生功率突變時，頻率和電壓變化較為緩慢，更有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 變換器的VSG控制

通過上述分析可知，在交流微電網(wǎng)中，虛擬同步電機技術(shù)可以改善AC-DC接口變換器的外特性，使其具有慣性和阻尼特性。同樣，可以在直流子網(wǎng)中引入慣性和阻尼特性，使直流子網(wǎng)中的儲能接口變換器(雙向Buck-Boost)也具有VSG的外特性，抑制直流母線電壓的突變和震蕩。

3.1 儲能接口變換器結(jié)構(gòu)

直流子網(wǎng)中，儲能裝置通過雙向DC-DC變換器掛靠在直流母線上，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，L為濾波電感，C為穩(wěn)壓電容，Ub為儲能裝置的電壓，Ib為儲能裝置的輸入電流，Udc為直流母線電壓，Idc為變流器(母線側(cè))的輸出電流。

圖4 儲能接口變換器結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of energy storage interface converter

3.2 儲能裝置的VSG控制

在直流子網(wǎng)中，分布式電源具有分散性，一般符合下垂特性[6]，其下垂特為

(4)

Udcr——直流母線電壓基準值；

Pdc——直流微源輸出功率；

r——下垂系數(shù)。

在P-U下垂公式中，同樣引入慣性系數(shù)和阻尼系數(shù)，便可得到儲能單元的VSG控制為

(5)

式中：Uo——改進VSG控制策略的直流母線電壓實際值；

Udcr——直流母線電壓基準值；

P——儲能單元功率。

根據(jù)式(5) 設(shè)計儲能單元的VSG控制方案如圖5所示。該儲能單元的VSG控制策略主要由兩部分組成：第一部分是VSG核心的控制環(huán)節(jié)，按照式(5)進行搭建，由直流母線電壓的基準值Udcr得到直流母線電壓實際Uo,通過式(5)計算得到Uo，將得到的直流直母線實際電壓Uo與實測的直流母線電壓Udc作差并送入PI控制器，實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定并消除靜態(tài)誤差。在式(5)中，引入了直流層的虛擬慣性系數(shù)J和直流層的阻尼系數(shù)D，使儲能接口變換器具有了慣性和阻尼特性，能夠有效阻止直流母線電壓的突變和震蕩。第二部分為電流內(nèi)環(huán)控制，將Idc變換到電池端的給定電流Ibr，與實測的電流Ib作差送入到PI控制器，實現(xiàn)電流的控制，文中對儲能接口變換器采用互補的控制方式。

圖5 儲能單元VSG控制Fig. 5 VSG control block of energy storage unit

4 交直流混合電網(wǎng)VSG協(xié)調(diào)控制策略

交直流混合電網(wǎng)VSG的協(xié)調(diào)控制策略分為交流層和直流層，其中，交流層對功率雙向變換器采用VSG控制策略，直流層對DC-DC變換器采用了一種改進的VSG控制策略，通過在交直兩側(cè)同時采用VSG控制策略[7-10]，為混合微電網(wǎng)的交直流母線提供慣性和阻尼特性，實現(xiàn)整個混合微電網(wǎng)的VSG協(xié)調(diào)控制。

利用Matlab/Simiulink仿真平臺搭建混合微電網(wǎng)模型如圖6所示。其中，直流微電網(wǎng)用DC-DC儲能接口變換器來模擬。交流微電網(wǎng)用AC-DC雙向變換器來模擬，其中，交流微電網(wǎng)采用傳統(tǒng)下垂控制，直流微電網(wǎng)采用改進的VSG控制策略，ILC采用VSG控制策略，仿真時間為6 s。

圖6 交直流混合微電網(wǎng)具體結(jié)構(gòu)Fig. 6 Specific structure of AC-DC hybrid microgrid

4.1 逆變模式

在交流子網(wǎng)負荷增加4 kW，t=4 s時，交流子網(wǎng)負荷減少4 kW。圖7和8分別為采用下垂控制和VSG控制時，交直流混合微電網(wǎng)的交流頻率、直流母線電壓和傳輸?shù)挠泄β?，如圖7和8所示。

由圖7可見，采用下垂控制時，由于缺乏慣性和阻尼，響應(yīng)速度較快，約為0.1 s,變化很快，交流頻率和直流母線電壓發(fā)生突變，交流頻率的波動最大約為0.5 Hz，直流母線電壓的波動最大約為2 V。

圖7 下垂控制仿真波形Fig. 7 Simulation waveform of droop control

圖8 VSG控制仿真波形Fig. 8 VSG control simulation waveform

由圖8可見，采用VSG控制策略時，由于系統(tǒng)具有慣性和阻尼特性，響應(yīng)速度較慢，約為0.5 s,變化較慢，交流頻率和直流母線電壓平緩降低，直流電壓的波動最大約為1 V。當交流子網(wǎng)負荷增加時，ILC中流過約2 kW的功率，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)能夠均衡承擔系統(tǒng)的負荷增量，且傳輸過程中，發(fā)生功率波動。

4.2 整流模式

在t=1 s時，直流子網(wǎng)負荷增加4 kW；在t=4 s時，直流子網(wǎng)負荷減少4 kW。采用下垂控制和VSG控制時，交直流混合微電網(wǎng)的交流頻率、直流母線電壓和傳輸?shù)挠泄β嗜鐖D9和10所示。

圖9 下垂控制仿真波形Fig. 9 Simulation waveform of droop control

圖10 VSG控制仿真波形Fig. 10 VSG control simulation waveform

由圖9可見，采用下垂控制時，由于缺乏慣性和阻尼，響應(yīng)速度較快，約為0.1 s,變化很快，交流頻率和直流母線電壓發(fā)生突變，交流頻率的波動最大約為0.5 Hz，直流母線電壓的波動最大約為3 V。由圖10可見，采用VSG控制策略時，由于系統(tǒng)具有慣性和阻尼特性，響應(yīng)速度較慢，約為0.5 s,變化較慢，交流頻率和直流母線電壓平緩降低，直流電壓的波動最大約為2 V。當直流子網(wǎng)負荷增加時，ILC中流過約2 kW的功率，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)能夠均衡的承擔系統(tǒng)的負荷增量，且傳輸過程中，未發(fā)生功率波動。

5 結(jié) 論

(1)在混合微電網(wǎng)接口變換器(ILC)虛擬同步電機(VSG)控制和交流微電網(wǎng)下垂控制的基礎(chǔ)上，通過分析交流微電網(wǎng)的VSG控制策略，改進了適用于混合微網(wǎng)直流層儲能DC-DC雙向變換器的VSG控制，得到了改進的交直流混合電網(wǎng)VSG協(xié)調(diào)控制策略。

(2)在VSG控制下，交直流混合微電網(wǎng)的直流母線電壓和交流頻率都獲得了良好的慣性和阻尼特性。當系統(tǒng)負荷增加時，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)能夠均衡承擔起負荷增量，且沒有功率波動。