直流微電網(wǎng)研究綜述

葉 鵬,徐 帥,楊玉鵬,秦 偉

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870;3.國(guó)網(wǎng)遼陽(yáng)供電公司運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

●學(xué)術(shù)研究●

直流微電網(wǎng)研究綜述

葉 鵬1,徐 帥2,楊玉鵬3,秦 偉2

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870;3.國(guó)網(wǎng)遼陽(yáng)供電公司運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

作為一種新興的電網(wǎng)形式,直流微電網(wǎng)擁有重構(gòu)靈活、電能質(zhì)量高、線路損耗低等優(yōu)勢(shì),能使分布式電源和微電網(wǎng)的價(jià)值與效益得到充分的發(fā)揮。根據(jù)現(xiàn)有的直流微電網(wǎng)文獻(xiàn)資料,在認(rèn)真調(diào)查研究基礎(chǔ)上,對(duì)其結(jié)網(wǎng)形式、監(jiān)控保護(hù)和電壓控制技術(shù)、能量管理方式、采用的電力電子接口技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行了歸納和總結(jié),對(duì)直流微電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討和展望。

直流微電網(wǎng);供電模式;能量管理;電壓控制方法

微電網(wǎng)是由負(fù)荷與微電源(微電網(wǎng)中的分布式電源)組合構(gòu)成的系統(tǒng)[1],內(nèi)部主要由電力電子器件負(fù)責(zé)微電源的能量變換,并提供必要的控制;微電網(wǎng)相對(duì)大電網(wǎng)呈現(xiàn)為簡(jiǎn)單的受控單元,不會(huì)對(duì)大電網(wǎng)造成不利影響,一旦大電網(wǎng)出現(xiàn)故障,微電網(wǎng)可轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行繼續(xù)對(duì)自身內(nèi)部的負(fù)荷保持電能供應(yīng),直到故障解除[2]。

微電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活,可實(shí)現(xiàn)分布式能源的接納和與電網(wǎng)的互相支撐[3]。對(duì)于微電網(wǎng)的組網(wǎng)方式,采用直流組網(wǎng)還是采用交流組網(wǎng)一直存在爭(zhēng)議[4]。隨著配電系統(tǒng)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)采用直流組網(wǎng)比交流組網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)。直流微電網(wǎng)具備能量變換環(huán)節(jié)少、系統(tǒng)效率高和便于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此,探究直流微電網(wǎng),對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與普及非常有利,對(duì)緩解世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題也具有重要的意義。

本文研究了直流微電網(wǎng)結(jié)網(wǎng)方式、監(jiān)控保護(hù)和電壓控制技術(shù)、能量管理方式和所采用的電力電子接口等技術(shù),分析目前研究中存在的難點(diǎn)與技術(shù)問(wèn)題,對(duì)直流微電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 直流微電網(wǎng)基本概念

直流微電網(wǎng)是以直流配電的方式,采用一條公共直流母線將全部微電源連接起來(lái)的獨(dú)立可控系統(tǒng),如圖1所示。光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)等微電源接在直流母線上,經(jīng)過(guò)一個(gè)集中 DC/AC 換流設(shè)備與大電網(wǎng)連接。

在電力系統(tǒng)中,大多數(shù)的分布式微源和電力用戶終端負(fù)載是直流,所以連接到直流微電網(wǎng)可以減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù),降低損耗和故障率。與交流微電網(wǎng)相比,直流微電網(wǎng)(DC-Micro-Grid)有許多優(yōu)點(diǎn)。

1) 直流微電網(wǎng)中的各類(lèi)微源與直流母線的連接方式簡(jiǎn)捷方便,無(wú)須關(guān)注交流電源輸出電壓的頻率、相位等問(wèn)題。一般只需要一次AC/DC或DC/DC變流即可,直流母線也只需經(jīng)過(guò)一個(gè)DC/AC逆變器就可和交流大電網(wǎng)相連, 大大降低了系統(tǒng)成本和損耗[5]。

圖1 直流微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

2) 直流微電網(wǎng)控制問(wèn)題只取決于直流母線電壓,潮流的控制主要取決于電流,因此容易實(shí)現(xiàn)微電源間的協(xié)調(diào)控制。

3) 如果大電網(wǎng)發(fā)生故障,直流微電網(wǎng)能迅速與大電網(wǎng)斷開(kāi)。當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí),直流微電網(wǎng)的負(fù)荷能得到持續(xù)供電,而不會(huì)受到大電網(wǎng)故障的影響。

4) 經(jīng)過(guò)負(fù)荷側(cè)的變流裝置可給負(fù)荷提供很高的供電可靠性和電能質(zhì)量。即使某處負(fù)荷發(fā)生故障時(shí),其他負(fù)荷也不會(huì)受影響。

5) 直流微電網(wǎng)可以作為一個(gè)整體補(bǔ)償發(fā)電功率和負(fù)荷功率的變化。

直流微電網(wǎng)具備良好的發(fā)展前景,但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究只是剛剛展開(kāi),尚處于起步階段,研究方向主要包括直流微電網(wǎng)監(jiān)控保護(hù)和電壓控制技術(shù)、結(jié)網(wǎng)形式、采用的電力電子接口技術(shù)、能量管理方式等方面。

2 直流微電網(wǎng)結(jié)網(wǎng)方式

直流微電網(wǎng)的結(jié)網(wǎng)形式中最重要的是直流母線結(jié)構(gòu)和母線電壓的等級(jí)。

在直流母線構(gòu)成形式方面,直流微電網(wǎng)母線的組成形式主要有四類(lèi):單母線結(jié)構(gòu)[6]、雙層母線結(jié)構(gòu)[7]、冗余式母線結(jié)構(gòu)和雙母線結(jié)構(gòu)[8]。單母線布局的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)易于和現(xiàn)今使用的交流接線設(shè)備兼容,但一些情況下變流器的電壓應(yīng)力較大,比如在給計(jì)算機(jī)等低壓設(shè)備供電時(shí),每一個(gè)低壓電子設(shè)備都要配備相應(yīng)體積的電源適配器;雙層式母線結(jié)構(gòu)對(duì)單母線進(jìn)行了分層,這樣雙層母線結(jié)構(gòu)提高了對(duì)低壓設(shè)備供電安全性,降低了電源適配器的體積,但不容易與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容;冗余式母線體系適合于對(duì)電能質(zhì)量要求高的區(qū)域,如對(duì)商業(yè)建筑和船舶區(qū)域的配電等;雙母線形結(jié)構(gòu)能根據(jù)負(fù)荷端對(duì)供電電壓需求的不同選擇由不同的母線進(jìn)行供電,并實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)共地[9]。

在直流母線電壓的等級(jí)上,直流母線電壓等級(jí)的確定應(yīng)滿足現(xiàn)有交流設(shè)備對(duì)輸入電壓范圍的要求。日本于2009年提出380 V的直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)行了相關(guān)的檢驗(yàn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日前已經(jīng)被美國(guó)電力研究院驗(yàn)證后采用。380 V的直流標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)被普遍稱(chēng)為 DC380 V,它的提出是基于數(shù)據(jù)中心直流配電,現(xiàn)已逐步得到了業(yè)界的認(rèn)同。但DC380 V的標(biāo)準(zhǔn)能否符合中國(guó)一般用戶的用電要求,還有待于產(chǎn)學(xué)研各界進(jìn)一步的驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[10]提出一種雙母線結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng),如圖2所示。

圖2 雙母線型直流微電網(wǎng)

在圖2中,電網(wǎng)電壓為6.6 kV,經(jīng)過(guò)變壓器降為交流230 V,再經(jīng)過(guò)雙向AC/DC換流器變換成直流340 V,然后經(jīng)過(guò)電源平衡器變成直流±170 V。燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過(guò)換流器接入230 V的交流側(cè),超級(jí)電容器和蓄電池經(jīng)過(guò)雙向DC/DC接在直流母線上,用于抑制功率的波動(dòng),光伏電池經(jīng)過(guò)DC/DC變換器接在直流母線上。在負(fù)載側(cè),直流電經(jīng)過(guò)電力電子裝置轉(zhuǎn)換成直流電或交流電。該結(jié)構(gòu)可為多種不同電壓等級(jí)負(fù)載供應(yīng)電能,如果某處負(fù)載發(fā)生故障不會(huì)影響其余負(fù)載;如果大電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障,可以與大電網(wǎng)斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行。

文獻(xiàn)[11]展現(xiàn)了一種交流、直流微電網(wǎng)組合成混合微電網(wǎng)。兩個(gè)微電網(wǎng)分別具有獨(dú)立的電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載,兩者間通過(guò)一個(gè)或多個(gè)變流器連接,用于微電網(wǎng)間的能量雙向交換。構(gòu)成的混合微電網(wǎng)經(jīng)過(guò)一個(gè)智能開(kāi)關(guān)與大電網(wǎng)相連,主線路在正常情況下,微電網(wǎng)與大電網(wǎng)能夠達(dá)到能量的最優(yōu)利用,微電網(wǎng)都采用下垂控制;如果主線路出現(xiàn)故障,智能開(kāi)關(guān)關(guān)斷,微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi),但交直流微電網(wǎng)之間依然可以進(jìn)行能量交流。這個(gè)交直流混合微電網(wǎng)如圖3所示。

圖3 交直流混合微電網(wǎng)

文獻(xiàn)[12]提出以太陽(yáng)能電池作為分布式電源,儲(chǔ)能裝置采用蓄電池的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)

這個(gè)直流微電網(wǎng)經(jīng)雙向AC/DC換流器連接在大電網(wǎng)上。同時(shí)為達(dá)到優(yōu)化能量利用、維持功率平衡和直流母線電壓的穩(wěn)定,設(shè)計(jì)了一種能量管理策略,把直流母線電壓作為控制信息載體,確定直流微電網(wǎng)的4種工作模式:并網(wǎng)逆變運(yùn)行、并網(wǎng)整流運(yùn)行、孤島運(yùn)行時(shí)蓄電池放電、孤島運(yùn)行時(shí)光伏電池恒壓輸出。

3 直流微電網(wǎng)監(jiān)控保護(hù)和電壓控制

3.1 直流微電網(wǎng)監(jiān)控和保護(hù)

直流微電網(wǎng)有3類(lèi)常用的控制方法:

1) 依托電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對(duì)等”的控制方法[13]。該方法依據(jù)微電網(wǎng)控制要求,靈活采用與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的下垂特性曲線進(jìn)行控制,將系統(tǒng)不平衡功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組,簡(jiǎn)單、可靠，易于實(shí)現(xiàn),但沒(méi)有顧及系統(tǒng)電壓和頻率的恢復(fù)問(wèn)題,與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整問(wèn)題相似,因此當(dāng)微電網(wǎng)遭受?chē)?yán)重?cái)_動(dòng)時(shí),無(wú)法保證系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。

2) 基于功率管理系統(tǒng)的控制[14]。該方法采用不同控制模塊達(dá)到了微電網(wǎng)對(duì)各種控制的要求,特別是維持功率平衡時(shí),功率管理系統(tǒng)采取多種控制方法,從而在保持控制靈活性的前提下提高了控制性能。

3) 基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制方法[15]。該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中。代理的自發(fā)行為、反應(yīng)能力和自治性等特點(diǎn),恰好適應(yīng)微電網(wǎng)分散控制的需求,提供了一個(gè)可以嵌入多種控制性能但又不用管理者頻繁出現(xiàn)的系統(tǒng)。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,認(rèn)為微電網(wǎng)控制系統(tǒng)將來(lái)的研究目標(biāo)是: 1)在孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式下,檢驗(yàn)已有的電壓控制方法在微電網(wǎng)中的適用性; 2)不同種類(lèi)的微電源(如采用變流器和不采用變流器可控和間歇)的運(yùn)行和控制;3)優(yōu)化、智能的控制方法。

配網(wǎng)中含多個(gè)分布式電源及儲(chǔ)能裝置的直流微電網(wǎng)的接入,大大改變了配電系統(tǒng)故障特征[16]。 而且直流微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式下,短路電流大小不同,懸殊很大。因此,怎樣在孤島和并網(wǎng)下都能對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部的故障做出反應(yīng)以及在并網(wǎng)情況下及時(shí)感知大電網(wǎng)故障,同時(shí)做到保護(hù)的快速性、選擇性、靈敏性與可靠性[17],是微電網(wǎng)保護(hù)的核心和關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[18]構(gòu)建了基于多代理技術(shù)的控制系統(tǒng)。構(gòu)建了一個(gè)典型直流微電網(wǎng)系統(tǒng)和采用逆系統(tǒng)方法的定交流電壓控制策略,在PSCAD/EMTDC中搭建了孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

該模型的仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示,在風(fēng)速波動(dòng)致使全網(wǎng)主要發(fā)電元件風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)的情況下,直流系統(tǒng)電壓仍能保持恒定,即便在孤島運(yùn)行時(shí),對(duì)用戶也能保證可靠供電。

文獻(xiàn)[19]提出基于直流母線信號(hào)DBS(DC Bus Signaling)的控制策略。該控制策略通過(guò)直流母線信號(hào)和直流微電網(wǎng)的下垂控制,達(dá)到直流微電網(wǎng)的控制最優(yōu)化,能夠最大程度地提高新能源的利用率,并且達(dá)到了同一個(gè)電壓等級(jí)下多個(gè)微電源的功率分配及電壓控制。經(jīng)過(guò)研究各個(gè)微源變換器的特性,做到了并網(wǎng)換流器及儲(chǔ)能單元的恒功率平滑切換控制與下垂控制。

3.2 直流微電網(wǎng)母線電壓控制方法

在直流微網(wǎng)中,因?yàn)椴淮嬖跓o(wú)功功率的流動(dòng),反映系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)是電壓,所以直流微電網(wǎng)控制的核心問(wèn)題是控制直流母線電壓穩(wěn)定。目前比較常用的直流母線電壓控制方法主要有下垂控制、電壓分層控制、協(xié)調(diào)控制等。

文獻(xiàn)[20]通過(guò)建立帶恒功率負(fù)荷變換器的小信號(hào)模型,推導(dǎo)了占空比與電容電壓的傳遞函數(shù),給出了開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。同時(shí)通過(guò)把 PI 控制器和高通濾波器相結(jié)合,提出了一種新型控制策略,通過(guò)繪制控制器各參數(shù)變化的根軌跡圖,得出了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的各參數(shù)的取值范圍,以及控制直流微電網(wǎng)母線電壓。仿真結(jié)果表明孤島和并網(wǎng)運(yùn)行下采用這種控制策略均可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,而且有良好的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

文獻(xiàn)[21]以風(fēng)電直流微電網(wǎng)為研究對(duì)象,提出基于直流電壓變化量的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略。這個(gè)控制策略通過(guò)檢測(cè)直流電壓的變化量來(lái)協(xié)調(diào)各換流器的工作模式,從而保證在各種工況下都能保持微網(wǎng)功率平衡。各變流器獨(dú)立工作,不存在相互通訊,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化,并使直流微電網(wǎng)能夠“即插即用”。經(jīng)過(guò)對(duì)包括直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能蓄電池的微電網(wǎng)的仿真分析,驗(yàn)證了該直流微電網(wǎng)控制策略的有效性。

文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電組件多模式接入直流微電網(wǎng)及控制辦法,包括MPPT控制模式、恒電壓模式和恒定功率模式。即通過(guò)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法達(dá)到MPPT控制,采用 PI 環(huán)節(jié)控制達(dá)到恒壓或恒功率控制,能量管理器管理光伏發(fā)電組件,使其在三種工作模式間切換。當(dāng)不能達(dá)到恒壓或恒功率模式時(shí),返回到MPPT模式同時(shí)告知能量管理器,能量管理器通過(guò)對(duì)直流微電網(wǎng)的其余部分進(jìn)行調(diào)度來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)這個(gè)直流微電網(wǎng)的能量管理器而言相當(dāng)于一個(gè)受限可控源,對(duì)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常有利。

文獻(xiàn)[23]提出了直流電壓協(xié)調(diào)控制策略。這個(gè)控制策略基于直流電壓的變化量和蓄電池的荷電狀態(tài)SOC來(lái)協(xié)調(diào)各換流器的工作狀態(tài),以此達(dá)到了不同運(yùn)行工況下直流微電網(wǎng)內(nèi)的有功功率平衡,實(shí)現(xiàn)了保持直流母線電壓穩(wěn)定的目標(biāo),仿真結(jié)果證實(shí)了這種控制策略的有效性。

文獻(xiàn)[24]通過(guò)研究以光伏組件、儲(chǔ)能裝置、網(wǎng)側(cè)換流器和直流負(fù)荷組成的直流微電網(wǎng),結(jié)合微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)2種運(yùn)行模式,提出了系統(tǒng)4種工作方式,并對(duì)這個(gè)微電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了鋰電池組件自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的這種控制方法,優(yōu)化各種情況下電池的輸出功率,提高了系統(tǒng)和電池運(yùn)行效率;光伏變換器通過(guò)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法進(jìn)行MPPT控制;通過(guò)基于前饋解耦的電壓電流環(huán)控制網(wǎng)側(cè)換流器。此系統(tǒng)結(jié)合光伏發(fā)電和儲(chǔ)能控制方法,可以實(shí)現(xiàn)在2種運(yùn)行模式和4種工作方式間平滑切換,直流母線電壓能夠維持恒定,做到了系統(tǒng)穩(wěn)定工作和能量利用最優(yōu)化。

文獻(xiàn)[25]構(gòu)建了一個(gè)電壓下垂綜合控制策略,采用構(gòu)建包含微源和負(fù)荷的直流微電網(wǎng)的小信號(hào)模型測(cè)定直流母線電壓,然后調(diào)節(jié)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓,并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微源間的負(fù)荷平衡。經(jīng)過(guò)對(duì)該控制方法的模擬實(shí)驗(yàn)仿真,結(jié)果證實(shí)該方法正確、可行。

文獻(xiàn)[26]以多種微電源和本地負(fù)載組成的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過(guò)阻抗比例判據(jù)來(lái)判斷直流微電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定情況。這個(gè)控制策略通過(guò)把電源子系統(tǒng)的總輸出阻抗與負(fù)載子系統(tǒng)的總輸入阻抗的比值作為等效的回路增益,然后通過(guò)Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

從當(dāng)前來(lái)看,直流微電網(wǎng)的控制研究大多處于理論仿真階段,在實(shí)用化方面還不夠成熟,有待深入研究。

4 直流微電網(wǎng)能量管理

微電網(wǎng)的能量管理是指通過(guò)調(diào)節(jié)微電源及儲(chǔ)能出力、投切負(fù)荷、改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等手段,滿足不同時(shí)間尺度上系統(tǒng)的能量平衡。由于直流微電網(wǎng)不存在頻率問(wèn)題,因此能量管理策略上更加靈活。

能量管理策略若要達(dá)到最優(yōu)化,就要充分利用可再生能源,降低儲(chǔ)能裝置的充放電頻率,并保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

在并網(wǎng)條件下,如果直流微電網(wǎng)內(nèi)部功率不足,可經(jīng)過(guò)并網(wǎng)換流器從配電網(wǎng)補(bǔ)充能量;若配電網(wǎng)用電緊張,直流微電網(wǎng)也可參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰。在微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí),直流微電網(wǎng)內(nèi)部微源和負(fù)荷功率不需要供求平衡,所以這種情況下可以重點(diǎn)關(guān)注其他問(wèn)題,例如最優(yōu)化管理微電網(wǎng)內(nèi)部能量。當(dāng)控制器決定要轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí),并網(wǎng)換流器逐漸減少系統(tǒng)間的功率交換。在孤島模式下,一定要達(dá)到微電網(wǎng)內(nèi)部功率供求平衡,因此對(duì)能量管理的自由有所限制。總控制器需要保證在直流微電網(wǎng)內(nèi)部有功平衡的基礎(chǔ)上不影響微電網(wǎng)的供電質(zhì)量,這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募?、減電源或負(fù)荷,或通過(guò)修正電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作點(diǎn)(如MPPT模式和下垂控制模式的轉(zhuǎn)換) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[27]采用一種應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)元件包括光伏組件、蓄電池、超級(jí)電容器、充電控制器、并聯(lián)控制器和負(fù)載等,系統(tǒng)中蓄電池與負(fù)載直接相連。超級(jí)電容在系統(tǒng)中作用是對(duì)光伏陣列輸出電能起到濾波作用,當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生波動(dòng)時(shí),對(duì)蓄電池的充電起到優(yōu)化作用。充電控制器能夠及時(shí)滿足所需的峰值功率,控制蓄電池的輸出電流峰值,使蓄電池放電的過(guò)程得到優(yōu)化;并聯(lián)控制器的變流功能會(huì)大大降低蓄電池充放電循環(huán)的次數(shù)。

圖6 混合儲(chǔ)能獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)[28]構(gòu)建了一個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng),容量為5 kW,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)框圖

針對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)性能上的不足,設(shè)計(jì)了一種能量管理控制策略,基于電流的間接控制。若負(fù)荷功率出現(xiàn)波動(dòng),電流內(nèi)環(huán)立即動(dòng)作,把負(fù)載電流的變化部分作為雙向 DC/DC 變換器的輸出跟蹤對(duì)象,因此燃料電池就有充足的時(shí)間來(lái)調(diào)整,這就彌補(bǔ)了燃料電池在動(dòng)態(tài)性能上的不足,對(duì)延長(zhǎng)燃料電池的工作壽命非常有利。

直流微電網(wǎng)的能量管理研究在國(guó)際上尚處于初步階段,采用更先進(jìn)、更智能的能量管理策略將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

5 直流微電網(wǎng)電力電子接口

電力電子技術(shù)在分布式電源電能轉(zhuǎn)換、傳遞和存儲(chǔ)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。按照利用的一次能源不同,分布式電源可分為兩種類(lèi)型:一類(lèi)是直流源型,比如燃料電池、太陽(yáng)能電池和蓄電池等;另一類(lèi)是需經(jīng)過(guò)整流的交流源型,如微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。無(wú)論哪種類(lèi)型電源都得轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的工頻交流電才能供給負(fù)荷或并網(wǎng)。因此,需要將AC/DC,DC/DC和DC/AC三種電力電子換流技術(shù)應(yīng)用到能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中。

文獻(xiàn)[29]構(gòu)建的直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)接口是一個(gè)電流反饋型換流器,它實(shí)際上是由兩個(gè)換流器組合而成,分別是三開(kāi)關(guān)式電流源整流器(3SW-CSR)和三相電流源型逆變器(CSI)。當(dāng)并網(wǎng)接口處于逆變工作狀態(tài)時(shí),三相CSI作為直流母線電流通路;當(dāng)并網(wǎng)接口處于整流工作狀態(tài)時(shí), 3SW-CSR作為反向的直流母線電流通路。這個(gè)換流器能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng),直流側(cè)電流有很大可控范圍,并且電流波紋被限制得很低, 諧波干擾在交流側(cè)電流中很少。換流器處在整流或逆變工作模式時(shí),能按照期望的功率因數(shù)進(jìn)行超前或滯后調(diào)整,靈活性很強(qiáng)。這個(gè)并網(wǎng)接口如圖8所示。

圖8 三相電流反饋型換流器

文獻(xiàn)[30]中構(gòu)建了一種兩級(jí)拓?fù)涫街绷魑㈦娋W(wǎng)的并網(wǎng)接口并研究了其控制策略,該接口由一個(gè)雙向DC/DC換流器和一個(gè)單相全橋換流器串聯(lián)而成,并能減小直流母線的電容值,系統(tǒng)的電流保護(hù)和動(dòng)態(tài)解耦不受影響。該結(jié)構(gòu)可以達(dá)到控制功率的雙向流動(dòng),不僅可用于直流微電網(wǎng)并網(wǎng)接口,而且可用在其他儲(chǔ)能裝置的充放電控制器中。該接口實(shí)現(xiàn)的是單相并網(wǎng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 單相兩極式雙向換流器

對(duì)于直流微電網(wǎng)來(lái)說(shuō),電力電子技術(shù)具有決定性作用,因此要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于直流微電網(wǎng)的電力電子接口。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)直流微電網(wǎng)結(jié)網(wǎng)方式、監(jiān)控保護(hù)和電壓控制技術(shù)、能量管理方法、采用的電力電子接口等技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和綜述。從分析的情況看,直流微電網(wǎng)的研究還處在起步階段,若要充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和作用,還要從以下幾方面進(jìn)行更深層次的研究:

1) 完善已有的控制技術(shù),研究新的建模方法和更簡(jiǎn)捷、更智能的控制策略。

2) 增強(qiáng)通信通道的建設(shè),采用先進(jìn)的通信技術(shù),搭建建模仿真和一體化試驗(yàn)平臺(tái)。

3) 開(kāi)發(fā)分布式電源協(xié)調(diào)控制模塊和可再生能源預(yù)測(cè)模塊。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Overview on DC microgrid research

YE Peng1, XU Shuai2, YANG Yupeng3, QIN Wei2

(1. Shenyang Institute of Engineering,110136, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 3. State Grid Liaoyang Power Supply Company Operation Center, Liaoyang 111000, China)

As a newly-emerged power grid, DC microgrid is advantageous in low line loss, high power quality and flexible in reconstruction, which enables better exertion of value of distributed generations and microgrid. Based on conscientious research, according to the existing documents, the paper summarized and concluded DC microgrid in terms of grid netting, monitoring protection and voltage control method, energy management, power electronic interface technology and discussed and forecasted the development trend of DC microgrid.

DC micro-grid; power supply mode; energy management; voltage control method

2015-03-31。

葉 鵬(1974—),男,教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、配電自動(dòng)化等領(lǐng)域。

TM711

A

2095-6843(2015)06-0471-06