直流微網(wǎng)低電壓穿越控制策略研究

孟明，賀海博，王志鵬，李圓智

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定071003；2.國網(wǎng)石家莊供電公司，石家莊050000）

0 引 言

近年來，隨著直流分布式電源的發(fā)展以及越來越多的用電設(shè)備趨于使用直流電能，直流微網(wǎng)迎來了廣闊的發(fā)展空間［1-4］。直流微網(wǎng)運(yùn)行方式可分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。與孤島運(yùn)行相比，并網(wǎng)運(yùn)行由于有大電網(wǎng)的支撐，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行［5-6］。此外，隨著我國智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，微網(wǎng)的研究發(fā)展也將不斷深入，必將推動(dòng)微網(wǎng)與配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更高層次的互動(dòng)，未來微網(wǎng)將承載信息和能源雙重功能［7］，如果其不具備低電壓穿越能力，會(huì)給自身和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大隱患?；谏鲜鲈?，直流微網(wǎng)低電壓穿越能力研究具有很大實(shí)際意義。

直流微網(wǎng)的低電壓穿越又稱故障穿越，指當(dāng)網(wǎng)側(cè)故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，要求直流微網(wǎng)能夠在一定電網(wǎng)電壓降落范圍和一定時(shí)間內(nèi)保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，并盡可能地向電網(wǎng)注入無功功率，為電網(wǎng)電壓提供支撐的能力。在低電壓穿越控制策略的設(shè)計(jì)上，主要考慮三個(gè)方面：直流母線電壓的穩(wěn)定、對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐和并網(wǎng)變流器輸出限流問題［8-9］。

目前，學(xué)者圍繞光伏并網(wǎng)和風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越能力已經(jīng)開展了大量研究工作［10-12］。文獻(xiàn)［10］提出光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基于電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流變化前饋的低電壓穿越優(yōu)化控制策略，能夠有效加快電流環(huán)對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抵消電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)［11］提出對(duì)光伏逆變器進(jìn)行電壓定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功和無功功率解藕，投入直流卸荷電路穩(wěn)定直流側(cè)電壓，并根據(jù)電壓的跌落深度補(bǔ)償一定的無功功率以支撐電壓恢復(fù)。文獻(xiàn)［12］提出一種采用機(jī)側(cè)變流器控制直流電壓穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和有功無功協(xié)調(diào)的新型控制策略。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是針對(duì)大中型光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力的研究，對(duì)直流微網(wǎng)低電壓穿越能力研究則很少提及，本文基于光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)提出一種綜合利用光儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制和有功無功協(xié)調(diào)控制的LVRT控制方案。通過光儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)側(cè)低電壓期間維持直流母線電壓恒定的目標(biāo)，避免因母線電壓大范圍波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響；有功無功協(xié)調(diào)限流控制可避免網(wǎng)側(cè)輸出過流，同時(shí)提供動(dòng)態(tài)無功功率支撐網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，PPV表示光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率，PBat表示儲(chǔ)能電池充放電功率；Pload表示負(fù)載消耗功率；Pgrid表示直流微網(wǎng)與電網(wǎng)的交換功率。

圖1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DCmicro-grid

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過單向DC/DC變換器將其發(fā)電功率饋入直流母線，為了充分利用光伏能量，其通常運(yùn)行于MPPT模式；儲(chǔ)能電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線連接，在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，儲(chǔ)能電池根據(jù)預(yù)設(shè)的SOC臨界值范圍采用充放電優(yōu)先控制原則，以便在電網(wǎng)電壓跌落期間充分發(fā)揮其協(xié)調(diào)配合作用；直流微網(wǎng)通過網(wǎng)側(cè)變換器經(jīng)變壓器與電網(wǎng)相連，負(fù)載包括恒功率負(fù)載和本地負(fù)載。

2 LVRT控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度實(shí)現(xiàn)有功無功的協(xié)調(diào)控制，以保證直流微網(wǎng)在適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)電壓跌落期間，仍能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行，并發(fā)出一定的無功功率，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)低電壓安全穿越，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。LVRT有功無功協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，圖中開關(guān)采用滯環(huán)比較器。

圖2 LVRT有功無功協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Coordinated control structure diagram for active and reactive power of LVRT

根據(jù)電網(wǎng)電壓幅值UT（pu）的不同，將該LVRT控制策略分析如下：

（1）UT≥0.9，認(rèn)為電網(wǎng)電壓處于正常狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)處于正常的直流微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，變流器采取有功優(yōu)先控制原則，即采用電壓電流雙閉環(huán)控制，優(yōu)先滿足有功電流，實(shí)現(xiàn)有功的最大化利用，同時(shí)控制直流母線電壓的穩(wěn)定。（2）0.2＜UT＜0.9，電網(wǎng)電壓處于跌落狀態(tài)，由于并網(wǎng)變流器對(duì)輸出電流值的限幅作用，若執(zhí)行有功優(yōu)先控制原則不變，則網(wǎng)側(cè)變流器僅處于功率限幅狀態(tài)，無法對(duì)系統(tǒng)提供無功支撐，因此需要切換為無功優(yōu)先控制。

由于與微網(wǎng)相關(guān)的低電壓穿越動(dòng)態(tài)無功支撐能力標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和 GB/T 19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，設(shè)定電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，直流微網(wǎng)注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流應(yīng)滿足：

正常情況下直流微網(wǎng)以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行，即：

且限定電網(wǎng)電壓跌落時(shí)網(wǎng)側(cè)輸出電流不超過額定電流的1.1倍，若id以IN作為限制，則允許輸出的最大無功電流為：

為了避免變流器較長時(shí)間運(yùn)行于最大限幅狀態(tài)，此處取0.45IN，由式（1）得到對(duì)應(yīng)的UT為0.6，注意到式（1）中iq隨著UT遞增而遞減，因此細(xì)分為如下狀態(tài)：

（1）0.6≤UT＜0.9，為了提高系統(tǒng)低電壓穿越能力，則固定無功輸出電流為：

相應(yīng)的有功輸出電流為：

（2）0.2＜UT＜0.6時(shí)，根據(jù)低電壓穿越動(dòng)態(tài)無功支撐要求，此時(shí)設(shè)定無功電流參考值為：

相應(yīng)有功電流參考值為：

根據(jù)上述分析，低電壓穿越期間，采用無功優(yōu)先控制確定動(dòng)態(tài)無功支撐電流參考值如式（8）所示：相應(yīng)的有功電流參考值如式（9）所示：

（3）UT≤0.2，認(rèn)為電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障，此時(shí)直流微網(wǎng)脫網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行。

由以上分析，電網(wǎng)電壓跌落期間，采用無功優(yōu)先控制原則，根據(jù)電壓跌落深度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功支撐電流，改善電壓跌落情況。LVRT有功無功協(xié)調(diào)控制的整體控制流程圖如圖3所示。根據(jù)電網(wǎng)情況，選擇有功無功的優(yōu)先控制權(quán)，從而保障系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間，能夠獲得動(dòng)態(tài)無功支撐，實(shí)現(xiàn)低電壓安全穿越。

圖3 LVRT有功無功協(xié)調(diào)控制流程圖Fig.3 Flow chart of coordinated control for active and reactive power of LVRT

3 直流母線電壓控制

直流微網(wǎng)中母線電壓的穩(wěn)定是直流微網(wǎng)可靠運(yùn)行的一個(gè)重要保障。系統(tǒng)能量不平衡和功率波動(dòng)會(huì)造成母線電壓波動(dòng)［3，13］，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)在低電壓穿越期間，為了抑制直流電壓波動(dòng)，傳統(tǒng)的控制方案通常是在直流側(cè)安裝卸荷電路［11，14］來消納直流電容多余的能量，這種方法由于采用額外的硬件電路，既增加了投入又造成了能量浪費(fèi)，系統(tǒng)控制復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性差。直流微網(wǎng)由于本身儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)置能夠緩沖和平抑系統(tǒng)能量波動(dòng)，母線電壓的控制更具靈活性和可靠性。本文充分考慮直流微網(wǎng)各部分協(xié)調(diào)參與系統(tǒng)的整體控制，在電網(wǎng)電壓跌落期間利用光伏、儲(chǔ)能電池以及負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制來維持直流母線電壓恒定并使系統(tǒng)能量得到最優(yōu)利用。設(shè)定母線電壓標(biāo)稱值Vdc_n=500 V，允許電壓偏差為±2%。

需要說明的是在電網(wǎng)電壓跌落期間，系統(tǒng)內(nèi)光伏出力、負(fù)荷存在波動(dòng)以及網(wǎng)側(cè)有功功率變化會(huì)引起系統(tǒng)能量不平衡，因此儲(chǔ)能電池在電壓跌落期間應(yīng)具有輸出和吸收功率的能力（即正常并網(wǎng)運(yùn)行期間不能達(dá)到過放和滿充狀態(tài)）。設(shè)定正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能電池SOC臨界值范圍為60%～70%（SOC上下限值分別為90%和40%），儲(chǔ)能電池?fù)?jù)此進(jìn)行充放電優(yōu)先控制（即系統(tǒng)能量剩余時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電池優(yōu)先充電，能量不足時(shí)優(yōu)先放電）以充分發(fā)揮儲(chǔ)能電池在電壓跌落期間的協(xié)調(diào)配合作用。

為了更好模擬系統(tǒng)實(shí)際工作狀況，對(duì)電網(wǎng)電壓正常和故障時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況，具體分析研究如下：

（2）狀態(tài)1：電網(wǎng)電壓正常

直流微網(wǎng)處于正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，光伏系統(tǒng)運(yùn)行于MPPT模式，充分利用光伏能量。儲(chǔ)能電池根據(jù)自身SOC情況進(jìn)行充放電控制，網(wǎng)側(cè)接口變換器采用有功優(yōu)先控制，即采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式來控制直流母線電壓維持在Vdc_n，同時(shí)平衡系統(tǒng)能量。

（2）狀態(tài)2：電網(wǎng)電壓跌落

此狀態(tài)下，記 ΔP=PPV-Pload-Pgrid，根據(jù) Pload變化情況，比較 ΔP和 PB_m（1，2）（PB_m1為儲(chǔ)能電池最大充電功率，PB_m2為儲(chǔ)能電池最大放電功率）關(guān)系，細(xì)分為3個(gè)子狀態(tài)：

（a）狀態(tài) 2-1：Pload不變，ΔP＜PB-m（1，2）。光伏系統(tǒng)保持MPPT模式不變，由于網(wǎng)側(cè)變換器采用無功優(yōu)先控制，輸出電流被限幅，直流側(cè)可能產(chǎn)生能量堆積導(dǎo)致母線電壓升高，儲(chǔ)能電池采用穩(wěn)壓控制，吸收系統(tǒng)多余能量，維持母線電壓穩(wěn)定在Vdc_n；

（b）狀態(tài)2-2：Pload減小，若此時(shí) ΔP＜PB-m1，則光伏系統(tǒng)繼續(xù)MPPT運(yùn)行，儲(chǔ)能電池運(yùn)行于穩(wěn)壓充電模式控制母線電壓穩(wěn)定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m1，由于儲(chǔ)能電池穩(wěn)壓控制模式電壓環(huán)輸出飽和，處于功率限幅狀態(tài)，無法控制母線電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)功率過剩，直流母線電壓升高，當(dāng)電壓升高到1.02Vdc_n時(shí)，光伏系統(tǒng)切換為恒壓控制，控制直流母線電壓穩(wěn)定在1.02Vdc_n；

（c）狀態(tài) 2-3：Pload增加，若此時(shí) ΔP＜PB-m2，光伏系統(tǒng)繼續(xù)MPPT運(yùn)行，儲(chǔ)能電池運(yùn)行于穩(wěn)壓放電模式控制母線電壓穩(wěn)定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m2，系統(tǒng)功率缺額超過儲(chǔ)能電池最大出力，儲(chǔ)能電池穩(wěn)壓控制處于功率限幅狀態(tài)，無法控制母線電壓，導(dǎo)致母線電壓降低，當(dāng)電壓降低到0.98Vdc_n時(shí)，切除不重要負(fù)荷，直到使得ΔP＜PB-m2，儲(chǔ)能電池穩(wěn)壓控制電壓外環(huán)輸出退飽和，恢復(fù)穩(wěn)壓放電控制，維持母線電壓穩(wěn)定于0.98Vdc_n。

圖4和圖5分別給出光儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制中光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池的控制結(jié)構(gòu)圖，為了避免控制模式之間的頻繁切換，圖中開關(guān)均采用滯環(huán)比較器。

圖4 光伏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure diagram of photovoltaic system

圖5 儲(chǔ)能電池控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control structure diagram of storage battery

4 仿真結(jié)果及分析

基于Matlab/Simulink搭建了如圖1所示系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓正常和不同程度跌落工況下系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真測(cè)試，以驗(yàn)證所提LVRT控制策略可行性和有效性。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置Tab.1 Main parameters of DCmicro-grid system

4.1 仿真算例1

網(wǎng)側(cè)電壓跌落60%，即UT=0.4，設(shè)定儲(chǔ)能電池初始SOC為65%，負(fù)荷全部接入系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定后的仿真結(jié)果如圖6所示。

在0 s～0.3 s，網(wǎng)側(cè)電壓正常，系統(tǒng)運(yùn)行于正常并網(wǎng)狀態(tài)。網(wǎng)側(cè)變換器采用有功優(yōu)先控制，控制直流母線電壓維持在500 V，如圖6（e），同時(shí)平衡系統(tǒng)有功能量。此時(shí)id約為0.3 pu，如圖6（b），對(duì)應(yīng)并網(wǎng)有功功率約為6 kW，如圖6（d）。由于儲(chǔ)能電池SOC在臨界范圍，因此處于待機(jī)狀態(tài)，如圖6（f）。

在0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落，如圖6（a），要求對(duì)電網(wǎng)提供無功支持，網(wǎng)側(cè)變換器切換為無功優(yōu)先控制，iq給定不為0，根據(jù)所提LVRT方法，id相應(yīng)變化，如如圖6（b），對(duì)應(yīng)有功、無功功率如圖6（d）。由狀態(tài)2-1知儲(chǔ)能電池此時(shí)切換為穩(wěn)壓放電運(yùn)行模式，維持直流母線電壓為500 V。

在0.45 s時(shí)，切除L3，網(wǎng)側(cè)變換器控制方式不變，此時(shí)切換為狀態(tài)2-2，儲(chǔ)能電池由放電變?yōu)槌潆娢斩嘤嗄芰浚瑫r(shí)繼續(xù)維持直流母線電壓為500 V。

在0.6 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)正常，網(wǎng)側(cè)變換器恢復(fù)有功優(yōu)先控制，重新控制母線電壓，由于切除L3，此時(shí)并網(wǎng)有功能量增加，儲(chǔ)能電池處于待機(jī)狀態(tài)。

圖6（c）給出了系統(tǒng)在采取LVRT控制策略前后的并網(wǎng)點(diǎn)電壓比較，可以看出在采用本文所提控制方法后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓有所提升，滿足低電壓穿越期間支撐電壓恢復(fù)要求。注意到提升幅度并不是很大，這是由于仿真系統(tǒng)容量設(shè)置較小的原因。

圖6（g）表明光伏系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間仍運(yùn)行于MPPT模式，充分利用了光伏能量，驗(yàn)證了本文控制方法的有效性。

4.2 仿真算例2

網(wǎng)側(cè)電壓跌落30%，即UT=0.7，設(shè)定初始狀態(tài)光照強(qiáng)度由算例1的1 kW/m2增強(qiáng)為1.4 kW/m2，負(fù)荷L1和L2接入系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定后的仿真結(jié)果如圖7所示。

在0 s～0.3s，網(wǎng)側(cè)電壓正常，系統(tǒng)正常并網(wǎng)運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)變換器采用有功優(yōu)先控制，控制直流母線電壓維持在500 V，如圖7（f）。由于光伏系統(tǒng)輸出能量增加，此時(shí)id約為0.82 pu，如圖7（b），對(duì)應(yīng)并網(wǎng)有功功率約為16.4kW，如圖7（d）。儲(chǔ)能電池處于待機(jī)狀態(tài)，如圖7（g）。

在0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落，如圖7（a），網(wǎng)側(cè)變換器切換為無功優(yōu)先控制，根據(jù)所提LVRT方法，此時(shí)iq給定為0.45 pu，為了防止過電流產(chǎn)生id被限制在1 pu，如圖7（b），對(duì)應(yīng)有功、無功功率如圖7（d）和7（e）。

同時(shí)切除L2，此時(shí)由于負(fù)荷較輕，使得儲(chǔ)能電池達(dá)到吸收功率上限，處于功率限幅狀態(tài)，如圖7（g），無法完全吸收冗余能量，導(dǎo)致直流母線電壓升高，當(dāng)電壓升高到510 V時(shí)（約0.32 s時(shí)），光伏系統(tǒng)切換為恒壓控制模式，控制直流母線電壓穩(wěn)定在510 V。

在0.45 s時(shí)，L2和L3重新接入系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)變換器控制方式不變，由于負(fù)荷加重，系統(tǒng)功率缺額由直流母線冗余能量提供，導(dǎo)致母線電壓下降，當(dāng)母線電壓下降到500 V時(shí)（約0.46 s時(shí)），光伏系統(tǒng)切換為MPPT控制，此時(shí)由狀態(tài)2-3知儲(chǔ)能電池運(yùn)行于穩(wěn)壓放電模式，重新維持直流母線電壓為500 V。

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓跌落60%系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig.6 System operation when grid-side voltage drops 60%

在0.6 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)正常，網(wǎng)側(cè)變換器恢復(fù)有功優(yōu)先控制，重新控制母線電壓，由于負(fù)荷加重，此時(shí)并網(wǎng)有功能量有所減少，如圖7（d），儲(chǔ)能電池切換為待機(jī)狀態(tài)，如圖7（g）。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓跌落30%系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig.7 System operation when grid-side voltage drops 30%

圖7（c）表明在采取LVRT控制策略后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓有所提升，驗(yàn)證了本文控制方法的有效性。

圖7（h）所示為光伏系統(tǒng)輸出能量變化情況，可以看出只有在系統(tǒng)能量過剩時(shí)光伏系統(tǒng)運(yùn)行于恒壓模式，光伏出力有所減少，其余情況均運(yùn)行于MPPT模式，使光伏能量得到了最優(yōu)利用。

5 結(jié)束語

基于光伏直流微網(wǎng)，針對(duì)其低電壓穿越能力要求，提出一種網(wǎng)側(cè)變流器有功無功協(xié)調(diào)控制策略，該方法根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓幅值，選擇有功無功的優(yōu)先控制權(quán)，并給出控制系統(tǒng)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案。詳細(xì)分析故障期間光伏出力、負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)性大造成系統(tǒng)能量波動(dòng)，影響母線電壓穩(wěn)定，提出一種光儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制策略。在系統(tǒng)不同運(yùn)行工況時(shí)，通過光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池和負(fù)荷的協(xié)調(diào)配合控制來穩(wěn)定直流母線電壓，并平衡系統(tǒng)能量。算例仿真結(jié)果表明：

（1）低電壓穿越期間，能夠避免網(wǎng)側(cè)變流器輸出過流，并動(dòng)態(tài)提供無功功率支撐網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)低電壓的安全穿越，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行；

（2）無論網(wǎng)側(cè)電壓正?；蚴堑洌绷髂妇€電壓均能很好的維持穩(wěn)定，并能充分利用光伏能量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的最優(yōu)利用。