主從結(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)綜合控制策略

汪 寶，匡洪海，鄭麗平，丁曉薇

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

微電網(wǎng)目前已具有交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)3種具體形式[1-2]，兼顧交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)特征的交直流混合微電網(wǎng)近年來(lái)備受關(guān)注[3-6]。微電網(wǎng)通常包含多種新能源發(fā)電形式，具有顯著地促進(jìn)新能源發(fā)電利用與提高供電可靠性的特征。在微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，微電網(wǎng)可根據(jù)電網(wǎng)的工作狀態(tài)通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行模式切換以提高供電可靠性。

在交直流混合微電網(wǎng)的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[7]針對(duì)交直流混合微電網(wǎng)進(jìn)行了建模與控制仿真研究，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各單元的控制策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了交直流混合微電網(wǎng)并/離網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定；文獻(xiàn)[8]從直流母線電壓的角度出發(fā)，基于對(duì)直流母線電壓的分層控制設(shè)計(jì)，采用下垂控制實(shí)現(xiàn)了直流子系統(tǒng)的功率分配，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法；文獻(xiàn)[9]針對(duì)交直流混合微電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)變流器進(jìn)行了控制策略研究，通過(guò)設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)變流器的虛擬同步電機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)了交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[10-11]指出混合微電網(wǎng)主變流器采用并網(wǎng)PQ控制以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的充分利用，采用孤島V/f控制以維持交流母線的電壓與頻率穩(wěn)定，但沒(méi)有考慮兩種控制模式切換的暫態(tài)沖擊問(wèn)題，且切換后通常需要切除負(fù)荷以維持系統(tǒng)功率平衡。文獻(xiàn)[12]基于滑?？刂普归_(kāi)了混合微電網(wǎng)接口換流器的控制策略研究，通過(guò)滑模控制有效提高了接口換流器的魯棒性和快速響應(yīng)性，但滑?？刂圃趯?shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)[13]針對(duì)設(shè)計(jì)的一種混合微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于蓄電池展開(kāi)了系統(tǒng)的并網(wǎng)/孤島切換研究，采用直接電流補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)交流側(cè)儲(chǔ)能變流器控制參量的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了切換過(guò)程中控制參量的平滑，達(dá)到了混合微電網(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換的效果。

在目前有關(guān)交直流混合微電網(wǎng)的相關(guān)研究中，通常只在直流側(cè)設(shè)置蓄電池等儲(chǔ)能元件，通過(guò)對(duì)聯(lián)絡(luò)變流器的優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；但在系統(tǒng)孤島時(shí)，如由于交流母線的斷開(kāi)導(dǎo)致交流側(cè)有較大功率缺額時(shí)，難以保證交流負(fù)荷的可靠供電。因此，本文針對(duì)主從結(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)，通過(guò)交流側(cè)與直流側(cè)分別設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)，分別承擔(dān)混合微電網(wǎng)中直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)的系統(tǒng)功率平抑，對(duì)混合微電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)綜合控制的研究，并通過(guò)電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件PSCAD搭建了相應(yīng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 主從結(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)

主從結(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。在該交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中，將連接交流側(cè)蓄電池的儲(chǔ)能變流器設(shè)置為主控單元，將連接直流側(cè)直流子系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)變流器設(shè)置為從控單元。當(dāng)混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，混合微電網(wǎng)交流側(cè)的電壓與頻率由公共配電網(wǎng)支撐，此時(shí)主控單元與從控單元均采用恒功率(PQ)控制；當(dāng)混合微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，混合微電網(wǎng)交流側(cè)的電壓與頻率失去了公共配電網(wǎng)的支撐，此時(shí)主控單元由PQ控制切換為恒壓恒頻(V/f)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流混合微電網(wǎng)交流側(cè)電壓與頻率的支撐，而從控單元仍保持PQ控制，以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)富余功率向交流側(cè)輸送。

圖1 主從結(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Hybrid AC/DC microgrid system with master-slave structure

在圖1所示的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流母線側(cè)的光伏發(fā)電、儲(chǔ)能元件分別通過(guò)相應(yīng)的電能變換裝置接入直流母線，既減少DC/AC變換器的使用，又避免了直流微電源通過(guò)DC/AC接入交流母線所帶來(lái)的頻率控制與無(wú)功環(huán)流等問(wèn)題。交流母線側(cè)的儲(chǔ)能元件通過(guò)相應(yīng)電能變換裝置接入交流母線，交直流負(fù)荷分別接在交直流母線上，交流母線與直流母線通過(guò)聯(lián)絡(luò)變流器連接。

在交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)儲(chǔ)能裝置通過(guò)雙向DC/DC變換器接入直流母線以平滑直流母線系統(tǒng)的功率波動(dòng)，從而維持直流母線電壓穩(wěn)定。直流母線通過(guò)雙向AC/DC變換器(聯(lián)絡(luò)變流器)與交流母線連接實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)富裕分布式發(fā)電功率向交流側(cè)的傳輸，交流母線以靜態(tài)開(kāi)關(guān)的形式通過(guò)公共連接點(diǎn)(point of common coupling, PCC)與公共配電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了電能在微電網(wǎng)與公共配電網(wǎng)之間的傳遞。

2 交直流混合微電網(wǎng)綜合控制策略

2.1 光伏系統(tǒng)控制策略

光伏發(fā)電通過(guò)單向DC/DC升壓變換器并入直流母線，其并入直流母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。光伏發(fā)電可采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)控制和恒壓控制兩種并網(wǎng)控制模式，交直流混合微電網(wǎng)中，為了充分利用光伏發(fā)電而采用MPPT控制模式，常用的MPPT控制策略有牛頓-拉夫遜迭代法、擾動(dòng)觀察法和增量導(dǎo)納法。由于增量導(dǎo)納法在光照變化時(shí)具備良好的最大功率跟蹤性能且功率波動(dòng)較小，因此光伏電池的MPPT控制采用增量導(dǎo)納法。

圖2 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制框圖Fig.2 Structure and control diagram of photovoltaic grid-connected system

光伏發(fā)電采用MPPT控制并入交直流混合微電網(wǎng)的直流母線，其控制框圖如圖2(b)所示。由MPPT得到光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓，將最大功率點(diǎn)電壓Uref作為光伏輸出電壓的參考電壓，再將其與光伏輸出電壓比較后通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)后輸入脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)，實(shí)現(xiàn)了光伏電池的最大功率并網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的充分利用。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

在交直流混合微電網(wǎng)中，由于在直流子系統(tǒng)中不需要涉及頻率及無(wú)功功率的控制，系統(tǒng)的功率平衡僅需通過(guò)保持直流母線電壓穩(wěn)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，直流側(cè)蓄電池采用恒壓控制策略以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的平穩(wěn)控制；在交流子系統(tǒng)中，交流側(cè)蓄電池需快速維持交流子系統(tǒng)功率平衡，尤其在混合微電網(wǎng)由并網(wǎng)向孤島運(yùn)行模式切換時(shí)，交流側(cè)蓄電池需要迅速響應(yīng)系統(tǒng)功率需求，通過(guò)放電來(lái)維持交流子系統(tǒng)的功率平衡。因此，本文的直流側(cè)蓄電池采用恒壓充放電控制，交流側(cè)蓄電池采用恒流充放電控制。

在直流子系統(tǒng)中，直流側(cè)蓄電池并入直流母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，其控制框圖如圖3(b)所示。比較直流母線參考電壓Uref與實(shí)際電壓Udc，將經(jīng)過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)后的輸出作為電流內(nèi)環(huán)中蓄電池輸出電流的參考值；再與蓄電池實(shí)際輸出電流Ibattery比較后經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后輸入PWM信號(hào)發(fā)生器,產(chǎn)生PWM信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的充放電控制。

圖3 直流側(cè)蓄電池并入直流母線結(jié)構(gòu)與控制策略Fig.3 Battery incorporated DC bus structure and control strategy of DC side

在交流子系統(tǒng)中，交流側(cè)蓄電池通過(guò)雙向DC/DC變換器與儲(chǔ)能變流器連接。當(dāng)交流子系統(tǒng)功率富余時(shí)，儲(chǔ)能變流器工作在整流狀態(tài)下，通過(guò)雙向DC/DC變換器工作于Buck模式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能；當(dāng)交流子系統(tǒng)功率不足時(shí)，雙向DC/DC換流器工作在Boost模式釋放存儲(chǔ)的電能，通過(guò)儲(chǔ)能變流器饋入交流子系統(tǒng)以維持系統(tǒng)的功率平衡。交流側(cè)蓄電池并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，其控制框圖如圖4(b)所示。

圖4 交流側(cè)蓄電池并入交流母線結(jié)構(gòu)與控制策略Fig.4 Battery incorporated AC bus structure and control strategy of AC side

在圖4所示的蓄電池恒流充放電控制框圖中，通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)蓄電池實(shí)際電流Ibattery對(duì)給定參考充放電電流Iref的跟蹤控制，將PI控制器輸出信號(hào)作為輸入PWM信號(hào)發(fā)生器的參考調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電控制。

2.3 聯(lián)絡(luò)變流器控制策略

在圖1所示的交直流混合微電網(wǎng)中，系統(tǒng)采用主從控制模式。將連接交流側(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能變流器設(shè)置為主控單元，連接交流母線與直流母線的聯(lián)絡(luò)變流器作為從控單元；并根據(jù)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行模式的不同，分別對(duì)主控單元與從控單元設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)目刂撇呗浴＝恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)考慮新能源發(fā)電充分利用這一需求，在交直流混合微電網(wǎng)時(shí)，無(wú)論交直流混合微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式還是孤島模式，聯(lián)絡(luò)變流器均采用恒功率控制，將直流側(cè)光伏發(fā)電帶來(lái)的富余功率恒定地送至交流側(cè)，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效益的最大化。

當(dāng)交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PCC處?kù)o態(tài)開(kāi)關(guān)閉合，聯(lián)絡(luò)變換器采用PQ控制將直流子系統(tǒng)富余的光伏發(fā)電產(chǎn)生的富余電能以恒定功率的形式輸送至交流子系統(tǒng)；直流側(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)直流子系統(tǒng)功率波動(dòng)的平滑調(diào)節(jié)，保證直流母線電壓的穩(wěn)定；由于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)交流母線的電壓和頻率可由配電網(wǎng)支撐，對(duì)交流側(cè)儲(chǔ)能變換器也采用PQ控制進(jìn)行充電儲(chǔ)能以備不時(shí)之需。通過(guò)給定有功與無(wú)功功率參考值，采用PI控制器實(shí)現(xiàn)功率的跟蹤控制，聯(lián)絡(luò)變流器實(shí)現(xiàn)了直流子系統(tǒng)向交流側(cè)定向輸送恒定功率。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制框圖如圖5所示。

2.4 儲(chǔ)能變流器控制策略

當(dāng)公共配電網(wǎng)由于故障等原因?qū)е码妷旱鋾r(shí)，PCC處?kù)o態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)使混合微電網(wǎng)系統(tǒng)成為孤島，交流母線的電壓與頻率失去了公共配電網(wǎng)的支撐。此時(shí)為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要儲(chǔ)能變換器由PQ切換為恒壓恒頻V/f控制以維持交流母線的電壓與頻率穩(wěn)定，儲(chǔ)能變流器的PQ與V/f控制框圖如圖6所示。

圖5 聯(lián)絡(luò)變流器PQ控制框圖Fig.5 PQ control diagram of contact converter

圖6 儲(chǔ)能變流器的PQ與V/f控制框圖Fig.6 PQ and V/f control block diagram of energy storage converter

儲(chǔ)能變流器采用V/f控制時(shí)，頻率由標(biāo)準(zhǔn)交流參考信號(hào)給定，通過(guò)交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額。當(dāng)公共配電網(wǎng)恢復(fù)正常后，根據(jù)并網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)同步調(diào)整后將儲(chǔ)能變換器由V/f控制平滑切換為PQ控制，為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電儲(chǔ)備電能。通常情況下，交直流混合微電網(wǎng)傾向于工作在并網(wǎng)模式中，當(dāng)系統(tǒng)再次檢測(cè)到配電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)預(yù)同步控制后再將儲(chǔ)能變流器由PQ控制切換為V/f控制。在儲(chǔ)能變流器PQ控制與V/f控制切換時(shí)，為避免切換時(shí)產(chǎn)生劇烈的電壓電流沖擊，在切換時(shí)采用控制參數(shù)平滑策略[14-15]。

2.5 系統(tǒng)的功率控制策略

為實(shí)現(xiàn)混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率分配控制，需要進(jìn)行交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需求分析，因此，首先分別針對(duì)直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功率流動(dòng)分析。在交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流子系統(tǒng)與交流子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各單元功率情況如圖7所示。

圖7 交/直流子系統(tǒng)與功率分布Fig.7 AC/DC subsystem and power distribution

由圖7(a)所示的直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，為充分利用光伏發(fā)電功率，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)始終將光伏發(fā)電置于MPPT控制模式，通過(guò)聯(lián)絡(luò)變流器將直流側(cè)富余功率輸送至交流側(cè)以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電輸出功率的充分利用。在交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，記光伏發(fā)電系統(tǒng)注入直流母線功率為Ppv，直流負(fù)荷需求功率為Pdc_load，通過(guò)聯(lián)絡(luò)變流器輸送至交流側(cè)的功為Pinv，直流子系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)需求功率即直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流母線交換功率為Pdc_st，不計(jì)系統(tǒng)功率損耗，根據(jù)功率平衡關(guān)系可知

Pdc_st+Ppv=Pdc_load+Pinv

(1)

即有

Pdc_st=Pdc_load+Pinv-Ppv

(2)

式中：當(dāng)Pdc_st>0時(shí)，表示直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)向直流母線輸出功率；當(dāng)Pdc_st<0時(shí)，表示直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)從直流母線吸收功率。

類似的，可分析交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)交流子系統(tǒng)對(duì)交流側(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需求。結(jié)合圖7(b)所示的交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入交流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，記交流負(fù)荷需求為Pac_load，交流母線與公共配電網(wǎng)交換功率為Pgrid，交流子系統(tǒng)對(duì)交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)需求功率即交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與交流母線交換功率為Pac_st，根據(jù)系統(tǒng)功率平衡關(guān)系可知

Pac_st+Pinv=Pac_load+Pgrid

(3)

即有

Pac_st=Pac_load+Pgrid-Pinv

(4)

式中：當(dāng)Pac_st>0時(shí)，表示交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)向交流母線輸出功率；當(dāng)Pac_st<0時(shí)，表示交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)從交流母線吸收功率。

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)

為驗(yàn)證本文所述的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略的可靠性，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，搭建了圖1所示的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了系統(tǒng)的運(yùn)行與控制仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)基本仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 仿真分析

3.2.1 交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真

在公共配電網(wǎng)正常的狀態(tài)下，交直流混合微電網(wǎng)通常工作在并網(wǎng)模式，針對(duì)并網(wǎng)模式下的交直流混合微電網(wǎng)仿真，仿真初始條件為：交流負(fù)荷250 kW，直流負(fù)荷55 kW，假設(shè)仿真過(guò)程中光照及溫度等條件保持恒定，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定輸出200 kW。仿真過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

表1 系統(tǒng)基本仿真參數(shù)Table 1 Basic simulation parameters of system

(1) 0～2 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行：

(2) 2 s時(shí)系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)荷由55 kW突變?yōu)?5 kW；

(3) 2～4 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；

(4) 4 s時(shí)交流側(cè)負(fù)荷由250 kW突變?yōu)?00 kW；

(5) 4～6 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

由上述仿真過(guò)程，得到并網(wǎng)模式下的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真波形如圖8所示。

圖8 并網(wǎng)運(yùn)行交直流混合微電網(wǎng)仿真波形Fig.8 Simulation waveform of grid-connected hybrid AC/DC microgrid

由圖8(a)、(b)可知：光伏發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)平穩(wěn)的輸出功率200 kW，其中150 kW由聯(lián)絡(luò)變流器傳輸至交流子系統(tǒng)側(cè)，0～2 s期間直流負(fù)荷消耗功率55 kW，導(dǎo)致直流子系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額5 kW，該缺額由直流側(cè)蓄電池通過(guò)雙向DC/DC變換器放電5 kW補(bǔ)充；在2 s時(shí)，直流負(fù)荷由55 kW突變?yōu)?5 kW，由于光伏發(fā)電一直處于最大功率發(fā)電狀態(tài)，無(wú)法為負(fù)荷突增需求的功率需求，此時(shí)的功率缺額35 kW由蓄電池補(bǔ)充，整個(gè)直流子系統(tǒng)保持功率平衡，直流母線電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。

由圖8(c)、(d)可知：交流側(cè)負(fù)荷功率需求為250 kW，聯(lián)絡(luò)變流器向交流子系統(tǒng)輸送功率150 kW，儲(chǔ)能變流器控制交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)以50 kW進(jìn)行恒功率充電儲(chǔ)能，此時(shí)的功率缺額由公共配電網(wǎng)向系統(tǒng)補(bǔ)充150 kW，系統(tǒng)功率保持平衡；在4 s時(shí)，交流負(fù)荷由250 kW突變?yōu)?00 kW，系統(tǒng)維持其他單元功率不變，由公共配電網(wǎng)向系統(tǒng)補(bǔ)充的功率相應(yīng)減少50 kW，整個(gè)系統(tǒng)功率依舊保持穩(wěn)定。系統(tǒng)的電壓與頻率由公共配電網(wǎng)支撐，交流母線電壓保持正常輸出。

3.2.2 交直流混合微電網(wǎng)孤島運(yùn)行仿真

在公共配電網(wǎng)由于故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)必須孤島運(yùn)行以保證系統(tǒng)內(nèi)重要負(fù)荷的不間斷供電，提高供電可靠性。針對(duì)孤島模式下的交直流混合微電網(wǎng)仿真，仿真初始條件為：交流負(fù)荷200 kW，直流負(fù)荷85 kW，假設(shè)仿真過(guò)程中光照及溫度等條件保持恒定，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定輸出200 kW。仿真過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

(1) 0～2 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行；

(2) 2 s時(shí)系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)荷由85 kW突變?yōu)?5 kW；

(3) 2～4 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；

(4) 4 s時(shí)交流側(cè)負(fù)荷由200 kW突變?yōu)?50 kW；

(5) 4～6 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

由上述仿真過(guò)程，得到孤島模式下的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真波形如圖9所示。

圖9 孤島運(yùn)行交直流混合微電網(wǎng)仿真波形Fig.9 Simulation waveform of islands running hybrid AC/DC microgrid

由圖9(a)、(b)可知：光伏發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)平穩(wěn)的輸出功率200 kW，其中150 kW由聯(lián)絡(luò)變流器傳輸至交流子系統(tǒng)側(cè)，0～2 s期間直流負(fù)荷消耗功率85 kW，導(dǎo)致直流子系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額35 kW，該缺額由直流側(cè)蓄電池通過(guò)雙向DC/DC變換器放電補(bǔ)充；在2 s時(shí)，直流負(fù)荷由85 kW突變?yōu)?5 kW，此時(shí)系統(tǒng)功率缺額由35 kW改變?yōu)? kW，由蓄電池向系統(tǒng)補(bǔ)充的功率也隨之由35 kW改變?yōu)? kW，整個(gè)直流子系統(tǒng)保持功率平衡，直流母線電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。

由圖9(c)、(d)可知：交流側(cè)負(fù)荷功率需求為200 kW，聯(lián)絡(luò)變流器向交流子系統(tǒng)輸送功率150 kW，由于斷開(kāi)了與公共配電網(wǎng)的連接，系統(tǒng)功率出現(xiàn)了50 kW的缺額，儲(chǔ)能變流器控制交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)以50 kW進(jìn)行恒功率放電，補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額，系統(tǒng)功率保持平衡；在4 s時(shí)，交流負(fù)荷由200 kW突變?yōu)?50 kW，系統(tǒng)維持其他單元功率不變，由交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)向系統(tǒng)補(bǔ)充的功率相應(yīng)增加50～100 kW，整個(gè)系統(tǒng)功率依舊保持穩(wěn)定。在儲(chǔ)能變流器的控制調(diào)節(jié)下，交流母線電壓與頻率維持相對(duì)穩(wěn)定輸出。

3.2.3 并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行切換仿真

當(dāng)公共配電網(wǎng)正常時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，而當(dāng)公共配電網(wǎng)由于故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)必須由并網(wǎng)運(yùn)行切換為孤島運(yùn)行以保證系統(tǒng)內(nèi)重要負(fù)荷的不間斷供電，提高供電可靠性；當(dāng)公共配電網(wǎng)故障解除后，又需要將交直流混合微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行切換為并網(wǎng)運(yùn)行，這里就涉及到交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行模式的切換問(wèn)題?；谇拔姆治觯旌衔㈦娋W(wǎng)運(yùn)行模式的切換由儲(chǔ)能變流器的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)，下文將針對(duì)交直流混合微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)與孤島運(yùn)行模式切換的仿真分析。仿真初始條件為：直流子系統(tǒng)保持相對(duì)穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定輸出200 kW，直流負(fù)荷為45 kW，聯(lián)絡(luò)變流器參考功率為150 kW。仿真過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

(1) 0～2 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；

(2) 2 s時(shí)設(shè)置公共配電網(wǎng)故障，混合微電網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障后進(jìn)行運(yùn)行模式切換；

(3) 2～4 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持孤島穩(wěn)定運(yùn)行；

(4) 4 s時(shí)檢測(cè)設(shè)置公共配電網(wǎng)故障消除，混合微電網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障恢復(fù)后進(jìn)行并網(wǎng)預(yù)同步控制，4.075 s左右實(shí)現(xiàn)由孤島向并網(wǎng)運(yùn)行的切換；

(5) 4.075～6 s混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

由上述仿真過(guò)程，得到孤島模式下的交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真波形如圖10所示。

圖10 并/離網(wǎng)運(yùn)行交直流混合微電網(wǎng)仿真波形Fig.10 Simulation waveform with grid-connected/islands operation of AC/DC hybrid microgrid

0～2 s期間，在混合微電網(wǎng)的直流側(cè)，保持光照、溫度條件不變的情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)較為穩(wěn)定的輸出功率200 kW，供給直流負(fù)荷45 kW，由聯(lián)絡(luò)變流器傳輸50 kW至交流子系統(tǒng)側(cè)，富余的5 kW對(duì)直流側(cè)蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能；在混合微電網(wǎng)的交流側(cè)，交流負(fù)荷為250 kW，儲(chǔ)能變流器控制交流側(cè)蓄電池以50 kW的功率進(jìn)行充電儲(chǔ)能，系統(tǒng)從配電網(wǎng)吸收150 kW補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額。

2 s時(shí)設(shè)置公共配電網(wǎng)故障，為保持混合微電網(wǎng)交流母線的電壓與頻率穩(wěn)定，將儲(chǔ)能變流器由PQ平滑切換為V/f控制。切換后直流側(cè)系統(tǒng)各單元功率保持不變，交流側(cè)的交流母線由于與公共配電網(wǎng)斷開(kāi)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)了100 kW的功率缺額，此時(shí)交流側(cè)儲(chǔ)能蓄電池迅速響應(yīng)，通過(guò)雙向DC/DC變換器以100 kW的恒定功率向交流子系統(tǒng)放電，系統(tǒng)功率平衡。

2～4 s期間，交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)保持孤島穩(wěn)定運(yùn)行。由圖10(c)可知，在孤島運(yùn)行期間交直流混合微電網(wǎng)交流側(cè)的電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。

4 s時(shí)設(shè)置公共配電網(wǎng)故障恢復(fù)，為防止蓄電池放電過(guò)度，需要將混合微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式切換為并網(wǎng)運(yùn)行模式。在系統(tǒng)檢測(cè)到公共配電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，啟動(dòng)并網(wǎng)預(yù)同步動(dòng)作，預(yù)同步結(jié)束發(fā)出指令進(jìn)行PCC的合閘并網(wǎng)操作，混合微電網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行，混合微網(wǎng)系統(tǒng)各單元重新進(jìn)入0～2 s期間的混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

交直流混合微電網(wǎng)綜合了單純交/直流微電網(wǎng)在新能源發(fā)電利用和高可靠的交直流負(fù)荷供電等方面的突出優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)微電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一?；谥鲝慕Y(jié)構(gòu)的交直流混合微電網(wǎng)綜合控制策略展開(kāi)研究，分別采用直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與交流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑系統(tǒng)的功率波動(dòng)，通過(guò)對(duì)從控單元聯(lián)絡(luò)變流器與主控單元儲(chǔ)能變流器的恰當(dāng)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)并/離網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所述綜合控制策略的正確性與有效性。