直流匯集系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制技術(shù)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

1 引言

隨著大量分布式新能源發(fā)電越來越多的接入電力系統(tǒng)，其對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量的影響受到廣泛關(guān)注。分布式新能源發(fā)電中大部分電源如光伏、燃料電池等，發(fā)電出口均為直流電壓。分布式發(fā)電集電直流匯集系統(tǒng)由分布式電源、負(fù)載和并網(wǎng)接口電路等部分通過各自的變流裝置與直流母線相并聯(lián)。根據(jù)變流器的并聯(lián)特性可知，各并聯(lián)模塊對外表現(xiàn)為電壓源特性時(shí)，由于配電線纜上存在阻抗壓降，各節(jié)點(diǎn)電壓存在差異，很有可能導(dǎo)致各并聯(lián)電壓源之間產(chǎn)生環(huán)流，為了控制母線電壓的穩(wěn)定和避免環(huán)流的產(chǎn)生，需要對并聯(lián)在直流母線上的等效電壓源變換電路進(jìn)行均流控制。

2 電壓源并聯(lián)等效電路

圖1為各并聯(lián)電壓源的等效示意圖。V1和V2表示并聯(lián)電壓源幅值，Z1和Z2表示線路阻抗，i1和i2分別表示流過模塊1與模塊2的電流，Vdc表示模塊連接處的母線電壓。

圖1 電壓源并聯(lián)等效示意圖

3 直流母線電壓穩(wěn)定控制策略研究

儲(chǔ)能單元并聯(lián)穩(wěn)壓控制是指通過系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能單元穩(wěn)定直流母線電壓，該情況下分布式新能源在并網(wǎng)模式下仍工作在MPPT狀態(tài)，離網(wǎng)模式下則根據(jù)儲(chǔ)能、負(fù)荷狀況而定。并網(wǎng)變流器在并網(wǎng)狀態(tài)下采取PQ恒功率控制[1]，離網(wǎng)狀態(tài)下不工作。根據(jù)儲(chǔ)能單元的并聯(lián)方式又可細(xì)分為主從控制法[2-4]和下垂控制法[5-8]。

圖2 主儲(chǔ)能單元恒壓控制框圖

圖3 從儲(chǔ)能單元恒流控制框圖

下垂控制，各儲(chǔ)能單元均做恒壓控制，控制框圖如圖4所示。圖中Udc_refi為第i個(gè)儲(chǔ)能單元經(jīng)下垂控制器校正后的輸出電壓的給定，Idci為第i個(gè)儲(chǔ)能單元電流。采用下垂控制由于直流電壓給定值需經(jīng)下垂控制器校正，會(huì)使直流母線電壓有一定偏差。當(dāng)下垂控制系數(shù)較小時(shí)直流母線電壓偏差較小但是調(diào)節(jié)速度較慢，動(dòng)態(tài)性能較差，當(dāng)下垂控制系數(shù)較大時(shí)調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，但是直流母線電壓偏差較大，特別是當(dāng)功率流動(dòng)較大時(shí)電壓會(huì)更為明顯。并且一旦下垂控制系數(shù)確定后各儲(chǔ)能單元充放電功率比例即確定，無法再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是該控制方法不需要通信線的連接，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)冗余控制，擴(kuò)容簡單方便，實(shí)用效果好。

圖4 下垂控制儲(chǔ)能單元恒壓控制框圖

綜合考慮以上各直流母線控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用變系數(shù)下垂控制控制策略以恒定母線電壓。該控制策略控制框圖與傳統(tǒng)下垂控制相同，但是在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)之上根據(jù)母線電壓偏差以及儲(chǔ)能系統(tǒng)自身容量不斷進(jìn)行下垂控制曲線的調(diào)節(jié)，當(dāng)母線電壓偏差較小，即系統(tǒng)內(nèi)功率流動(dòng)較小時(shí)增大下垂系數(shù)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，當(dāng)母線電壓偏差較大即系統(tǒng)內(nèi)功率流動(dòng)較大時(shí)減小下垂控制系數(shù)，以減小母線電壓偏差。同時(shí)通過對各儲(chǔ)能單元下垂控制系數(shù)的調(diào)節(jié)可進(jìn)一步控制其充放電功率大小，以提高各儲(chǔ)能單元的利用率，使整個(gè)系統(tǒng)能夠長期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 變系數(shù)下垂控制策略

下垂控制是通過控制調(diào)節(jié)各個(gè)分布式電源自身的等效輸出阻抗進(jìn)行輸出功率的調(diào)節(jié)。

假設(shè)DG1、DG2為直流匯集系統(tǒng)內(nèi)兩儲(chǔ)能單元，輸出電壓與輸出電流關(guān)系分別如式(1)，式(2)所示。

(1)

(2)

當(dāng)k1=k2時(shí)，其下垂特性曲線如圖5所示。假設(shè)DG1運(yùn)行在功率點(diǎn)P1處時(shí)DG2投入使用，則DG1回路電流降低輸出電壓給定增大，DG2輸出電流增大輸出電壓給定降低，當(dāng)二者運(yùn)行至P3點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)保持穩(wěn)定DG1、DG2輸出電壓給定相同，電流相同。

圖5 下垂系數(shù)相同時(shí)特性曲線

當(dāng)k1≠k2時(shí)，其下垂特性曲線如圖6所示。假設(shè)DG1運(yùn)行于P1點(diǎn)時(shí)DG2投入運(yùn)行，DG1沿曲線M1運(yùn)行，電流減小輸出電壓給定增大。DG2沿曲線M2運(yùn)行，電流增大輸出電壓降低。當(dāng)兩臺(tái)DG1、DG2輸出電壓給定相同后系統(tǒng)穩(wěn)定，其各自電流大小與斜率成反比。

圖6 下垂系數(shù)不同時(shí)特性曲線

由式(1)、式(2)以及圖2、圖3可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)并聯(lián)的儲(chǔ)能單元輸出電壓給定相同，可以得到：

k1Idc1=k2Idc2

(3)

即：

k1P1=k2P2

(4)

其中P1、P2分別為兩種類型儲(chǔ)能單元的輸出功率。對于多系統(tǒng)并聯(lián)來說則有：

k1P1=k2P2=Λ=knPn，n≥2

(5)

由式(5)可見，通過調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)可調(diào)節(jié)直流母線側(cè)各個(gè)分布式儲(chǔ)能的輸出功率。

直流母線電壓的高低是功率波動(dòng)以及潮流流向的直接反應(yīng)，因而可以根據(jù)母線電壓的高低對接入其中的各儲(chǔ)能單元的下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)整以穩(wěn)定直流母線電壓。為了方便下垂控制將直流母線電壓分為七個(gè)區(qū)域，具體如圖7所示。圖中Udc為直流母線電壓，V1V5為過壓故障區(qū)。

正常工作區(qū)：該階段直流母線電壓在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)分布式新能源發(fā)電量與可控負(fù)荷消耗電量基本平衡。各儲(chǔ)能單元下垂控制系數(shù)為初始值；

母線電壓偏低1區(qū)：該階段直流母線電壓偏低，此時(shí)分布式新能源發(fā)電量略小于負(fù)荷消耗量。需根據(jù)直流母線電壓降低幅度以及各儲(chǔ)能單元自身剩余容量減小下垂系數(shù)，提高直流母線電壓。下垂系數(shù)調(diào)節(jié)方式具體如下：

圖7 各個(gè)工作階段

ki(t+1)=ki(t)+Δki

(6)

式中ki(t)、ki(t+1)分別為當(dāng)前時(shí)刻以及下一時(shí)刻第i個(gè)儲(chǔ)能單元的下垂系數(shù)，Δki為第i個(gè)儲(chǔ)能單元下垂系數(shù)變化值，δL1為母線電壓偏低1區(qū)的下垂系數(shù)變化量加權(quán)值，SOCi、Si分別為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的SOC以及初始時(shí)刻容量。

下垂系數(shù)約束條件如下：

(7)

式中ki_max、ki_min分別為下垂系數(shù)最大最小值。

母線電壓偏低2區(qū)：該階段直流母線電壓偏低幅度較大，調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏低1區(qū)相似，繼續(xù)減小儲(chǔ)能單元下垂系數(shù)，具體調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏低1區(qū)類似，但是下垂系數(shù)變化量加權(quán)值為δL2，且滿足δL2>δL1。

母線電壓偏高1區(qū)：階段直流母線電壓偏高，此時(shí)分布式新能源發(fā)電量略高于負(fù)荷消耗量。需根據(jù)直流母線電壓升高幅度以及各儲(chǔ)能單元自身剩余容量調(diào)整下垂系數(shù)，降低直流母線電壓。下垂系數(shù)調(diào)節(jié)如式(6)所示，但是下垂系數(shù)變化值有所變化，如式(8)所示。

(8)

其約束條件與(7)相同。

母線電壓偏低2區(qū)：該階段直流母線電壓偏高幅度較大，調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏高1區(qū)相似，繼續(xù)提高儲(chǔ)能單元下垂系數(shù)，具體調(diào)節(jié)方法與母線電壓偏高1區(qū)類似，但是下垂系數(shù)變化量加權(quán)值為δH2，且滿足δH2>δH1。

欠壓故障區(qū)、過壓故障區(qū)：該階段直流母線電壓過低，向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送欠壓故障、過壓故障信號(hào)。

5 仿真分析

基于下垂控制的共直流母線仿真中母線電壓控制目標(biāo)、儲(chǔ)能單元1，儲(chǔ)能單元2的下垂控制系數(shù)如表1所示。仿真波形如圖8、圖9所示，其中圖8(a)為系統(tǒng)空載穩(wěn)定運(yùn)行0.02s后突加63kW負(fù)載的母線電壓波形，圖8(b)為儲(chǔ)能單元1、儲(chǔ)能單元2的電流波形(k1>k2)。從圖中可以看出突加負(fù)載后直流母線電壓約有6V波動(dòng)，經(jīng)25ms后穩(wěn)定。儲(chǔ)能單元1、儲(chǔ)能單元2輸出電流與下垂控制系數(shù)成反比，突加負(fù)載后儲(chǔ)能單元1電流迅速提高以平抑負(fù)荷帶來的母線電壓波動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)主要通過儲(chǔ)能單元2輸出功率，穩(wěn)定直流母線電壓，經(jīng)25ms后二者電流穩(wěn)定，電流大小分別為26A、52A。圖9(a)為系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行至0.02s后突然切除負(fù)載的母線電壓波形，圖9(b)為儲(chǔ)能單元1、儲(chǔ)能單元2的輸出電流波形。從仿真圖中可以看出突切負(fù)載后儲(chǔ)能單元1、儲(chǔ)能單元2的電流穩(wěn)定時(shí)間約為20ms，穩(wěn)定后系統(tǒng)之間環(huán)流較小，約為1A。

表1 仿真關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

6 結(jié)論

本文在對常用直流母線電壓控制策略特性深入研究的基礎(chǔ)上，提出了變系數(shù)下垂控制策略，該控制策略將下垂曲線斜率作為直流母線電壓偏差值以及儲(chǔ)能單元自身容量的函數(shù)，解決了傳統(tǒng)下垂控制中儲(chǔ)能單元充放電功率比例無法進(jìn)行在線調(diào)節(jié)的問題，并且在功率流動(dòng)較大時(shí)仍能夠?qū)⒅绷髂妇€偏差控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。解決了傳統(tǒng)下垂控制中儲(chǔ)能單元充放電功率比例無法進(jìn)行在線調(diào)節(jié)的問題。最后本文通過仿真分析證明了所提控制策略的有效性和可行性。

圖8 突加負(fù)荷時(shí)參數(shù)變化情況

圖9 突切負(fù)荷時(shí)參數(shù)變化情況