分布式能源發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

吳春秋，張 平

（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 201913）

0 引言

目前，以能源管理系統(tǒng)（Home Energy Management System，HEMS）為主的中小功率分布式能源系統(tǒng)逐步得到了重視和研究。本文研究的能源系統(tǒng)為直流微網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1所示。能源系統(tǒng)由光伏發(fā)電組件、電池儲能模塊與一個可以實現(xiàn)并離網(wǎng)雙模運行的逆變器構(gòu)成。本地交流負(fù)載與配電網(wǎng)可以各自使用獨立的逆變器，也可以共用同一個逆變器，共用逆變器可以提高系統(tǒng)利用效率，也能完成并離與孤島的運行需求。本文提出的光儲一體化能源系統(tǒng)中采用共用逆變器的形式，逆變器與本地負(fù)載始終保持連接，與配電網(wǎng)的連接通過并網(wǎng)開關(guān)控制。當(dāng)公共連接點 PCC（Point of Common Coupling）斷開時，系統(tǒng)處于孤島運行模式；當(dāng)PCC閉合時，系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行模式。

本文以微網(wǎng)系統(tǒng)中各組件為研究對象，以微網(wǎng)逆變器與雙向DC-DC變換器為研究熱點。

圖1 光儲一體化能源系統(tǒng)

微網(wǎng)逆變器的控制方式可以分為恒功率控制、恒壓恒頻控制、下垂控制等。微網(wǎng)逆變器處于并網(wǎng)運行模式下，適用恒功率控制，恒功率控制時，逆變器向配電網(wǎng)輸送有功與無功功率[1-4]。微網(wǎng)逆變器處于孤島運行模式下，適用恒壓恒頻控制，恒壓恒頻控制下，逆變器支撐交流微網(wǎng)的電壓頻率與幅值[5-7]。下垂控制則是為了模擬發(fā)電機(jī)組“功頻靜特性”[8]。在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，電池儲能單元通過DC-DC變換器連接到直流母線。常用的雙向 DC-DC變換器包括 Buck-Boost變換器、雙有源橋變換器、LC諧振變換器等。Buck-Boost變換器的增益通常較低，同時為非隔離型變換器，因此較少應(yīng)用于本文所述微網(wǎng)場景中[9]。雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）變換器為近年來直流微網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛的變換器，但DAB變換器的軟開關(guān)特性無法在全電壓增益范圍實現(xiàn)，因此會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗[10-11]。本文采用LLC拓?fù)?，從單向LLC諧振變換器出發(fā)，進(jìn)行了雙向LLC變換器的拓?fù)湓O(shè)計，構(gòu)建能源直流微網(wǎng)系統(tǒng)。

1 逆變器并離網(wǎng)無縫切換控制策略研究

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

基于下垂控制的電壓源型的電網(wǎng)支撐型逆變器可以在并網(wǎng)與孤島 2種模式下運行，同時可以實現(xiàn)并離網(wǎng)的無縫切換。本節(jié)介紹該控制策略下的逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略。按照電壓源型的電網(wǎng)支撐型逆變器設(shè)計思路，利用下垂特性，可以實現(xiàn)單相逆變器的并離網(wǎng)切換統(tǒng)一策略，其系統(tǒng)控制框圖如圖 2所示。逆變器通過計算輸出的有功功率與無功功率，經(jīng)過下垂控制得到逆變器的輸出電壓幅值與頻率參考。根據(jù)計算出的電壓幅值與頻率得到交流電壓參考，經(jīng)過雙環(huán)控制，最終通過PWM控制逆變器輸出。

圖2 逆變器系統(tǒng)控制框圖

1.2 下垂曲線的設(shè)置

本文針對逆變器到電網(wǎng)線路阻抗為純感性時的情形，分析了下垂曲線的設(shè)置。在這種情況下，下垂曲線的公式見式（1）、式（2），也就是“有功調(diào)頻，無功調(diào)壓”的原則。

式中：ω0與V0為輸出有功與無功功率均等于設(shè)置值P0與Q0時，給定逆變器的輸出電壓頻率與幅值；kp與kq為下垂系數(shù)，其均為正數(shù)，決定了下垂曲線的斜率。

針對“頻率（角速度）-有功功率”下垂曲線，其設(shè)置方式為：將ω0設(shè)置為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)角速度 2π×f0（f0即為50 Hz)，P0設(shè)置為電網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)角速度下逆變器應(yīng)當(dāng)輸出的有功功率。下垂系數(shù)kp可以根據(jù)逆變器允許的最大有功輸出與電網(wǎng)容許情況下的最小角速度ωmin進(jìn)行計算，計算式如式（3）所示。

由式（3）可知：下垂系數(shù)的設(shè)置與逆變器容量成反比，容量越大的逆變器其下垂曲線斜率越小。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)某一頻率偏差（ω0－ωreal）時，多個并聯(lián)逆變器的輸出功率會依照下垂曲線調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為其輸出參考值改變正比于其容量。這說明針對不同容量的并網(wǎng)逆變器，可以通過設(shè)置不同的有功下垂系數(shù)，在無需互聯(lián)信號線的情況下，實現(xiàn)多個并聯(lián)逆變器的有功功率分配。

針對“電壓-無功功率”下垂曲線，其設(shè)置方式為：將V0設(shè)置為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓有效值220 V，Q0設(shè)置為電網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)電壓下逆變器應(yīng)當(dāng)輸出的無功功率。下垂系數(shù)kp可以根據(jù)逆變器允許的最大無功輸出與電網(wǎng)容許情況下的最小輸出電壓Vmin進(jìn)行計算，計算公式如式（4）所示。

與有功下垂系數(shù)影響多逆變器并聯(lián)輸出功率的情形類似，針對不同容量的并網(wǎng)逆變器，可以通過設(shè)置不同的無功下垂系數(shù)，實現(xiàn)無需互聯(lián)信號線的情況下多個并聯(lián)逆變器的無功功率分配。

1.3 雙模運行與切換邏輯

下文分析基于下垂控制的逆變器在并網(wǎng)與孤島模式下的運行工況。

首先分析由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程。切換過程中，需要明確的前提是：負(fù)載消耗的有功功率與無功功率在逆變器的輸出容量范圍以內(nèi)，則在切換的暫態(tài)過程中，逆變器可以保證輸出電壓的幅值與頻率保持在接近于標(biāo)準(zhǔn)值的一個較小范圍以內(nèi)。因為頻率與電壓保持穩(wěn)定，切換過程中負(fù)載可以保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。并網(wǎng)-孤島運行的切換流程如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)-孤島運行切換流程

再分析由孤島轉(zhuǎn)為并網(wǎng)的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程。當(dāng)逆變器處于孤島運行模式時，系統(tǒng)具有自身的電壓幅值與頻率。在并網(wǎng)之前，需要進(jìn)行預(yù)同步過程，即需要鎖定電網(wǎng)電壓的頻率與相位?？紤]到在頻率與相位一致的情況下，并網(wǎng)后PCC點電壓將立刻由電網(wǎng)電壓決定，同時逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓幅值基本接近，因此，無需在預(yù)同步過程中再對電壓幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)通過單相鎖相環(huán)鎖定電網(wǎng)的頻率與相位，考慮到孤島運行模式下負(fù)載功率始終保持不變，則逆變器調(diào)節(jié)自身在標(biāo)準(zhǔn)角速度下逆變器應(yīng)當(dāng)輸出的有功功率P0，將影響到角速度給定ω的輸出。最終，逆變器輸出電壓的頻率與相位將與電網(wǎng)電壓的保持一致。此時，可以執(zhí)行閉合PCC節(jié)點指令。當(dāng)PCC節(jié)點閉合時，并網(wǎng)點電壓將由電網(wǎng)決定。由于負(fù)載端電壓的頻率與幅值保持穩(wěn)定（電壓差值很?。?，因此對于負(fù)載無沖擊。孤島-并網(wǎng)運行的切換流程如圖4所示。

圖4 孤島-并網(wǎng)運行切換流程

2 雙向LLC諧振變換器的設(shè)計方法

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究了一種能量雙向流動的LLC電路拓?fù)?，將單相LLC諧振變換器副邊的整流二極管替換為開關(guān)管，使得變換器具有能量反向流動能力。同時，在變換器中增加一個輔助電感，使得整體電路拓?fù)湓谡蚺c反向工作狀態(tài)下對稱。雙向LLC諧振變換器的主電路如圖5所示。

圖5 雙向LLC諧振變換器

2.2 變換器性能指標(biāo)

考慮到實際應(yīng)用背景，對雙向LLC諧振變換器的性能指標(biāo)規(guī)定如下。

輸入電壓：額定電壓為400 VDC；

輸出電壓：額定電壓為 48 VDC，變化范圍為 42 VDC～52 VDC；

變換器功率：最大功率5 kW；

開關(guān)頻率：約100 kHz。

需要設(shè)計的參數(shù)如下。

變壓器變比：n；

諧振電感：Lr；

諧振電容：Cr；

變壓器勵磁電感：Lm1。

2.3 雙向LLC參數(shù)設(shè)計

由于雙向LLC諧振變換器的開關(guān)管使用Mosfet，且在全運行頻率范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)原邊與副邊的零電壓開通?？紤]到變換器運行在諧振頻率f0時，直流增益固定為單位增益1，與負(fù)載無關(guān)的特性，所以在本文設(shè)計過程中，變壓器的變比按照輸入輸出額定電壓進(jìn)行設(shè)計，輸出變化按照調(diào)節(jié)變換器增益進(jìn)行實現(xiàn)。變壓器的匝比由式（5）確定。

式中：變壓器的變比n設(shè)置為8.333，實際制作過程中變壓器原邊與副邊的匝比設(shè)置為25∶3。

當(dāng)變壓器變比等于輸入輸出額定電壓時，變換器諧振頻率f0可以選擇為期望的開關(guān)頻率，即100 kHz。

按照變換器直流增益最高，即輸出電壓最高時候考慮，當(dāng)輸出電壓為額定電壓52 VDC，滿功率5 kW時，負(fù)載電阻如式（6）所示。

此時變換器的增益要求計算如式（7）所示。

為了保證增益特性，對k與r的取值如式（8）與式（9）所示。

考慮到諧振頻率f0，可得式（10）。

由此可得一組參數(shù)，如式（11）所示。

可得k、r與f0的值為

3 雙向LLC設(shè)計的仿真驗證

3.1 仿真電路的設(shè)計

本節(jié)將說明仿真搭建環(huán)境與仿真設(shè)計結(jié)果。由分析可知，輔助電感Lm2使得電路具有對稱性，當(dāng)變換器正向運行時，Lm2不參與電路諧振過程。為了提升仿真速率，在本節(jié)仿真模型中不再加入輔助電感Lm2。

基于Saber搭建的仿真電路圖如圖6所示。電路圖設(shè)置與前文保持一致，其中原邊與副邊均由全橋電路構(gòu)成，開關(guān)管為 Mosfet。Q1至 Q8為對應(yīng)開關(guān)管 M1至M8的門極驅(qū)動信號。仿真電路參數(shù)與2.3節(jié)中保持一致。

圖6 基于Saber搭建的仿真電路圖

3.2 仿真結(jié)果

為了驗證LLC諧振變換器的工作特性，本節(jié)選取以下典型工作點對變換器工作特性進(jìn)行仿真。

輸出額定電壓48 VDC，滿負(fù)荷運行。設(shè)置變換器的開關(guān)頻率為100 kHz，負(fù)載電阻按照滿載進(jìn)行計算，仿真結(jié)果如圖7所示，其中：q1、q5、q2、q6對應(yīng)開關(guān)管M1、M5、M2、M6的門極驅(qū)動信號；Vab代表 A、B兩點電壓；i-Lr代表諧振電感Lr中電流；i-Lm代表變壓器勵磁電感Lm中電流；-imos5代表開關(guān)管中M5中由s極流向d極的電流；imos1代表開關(guān)管中M1中由d極流向 s極的電流；Vc代表諧振電容兩端電壓；V0代表變換器輸出電壓；I0代表變換器輸出電流。

圖7 48V滿載仿真波形

觀察仿真結(jié)果，可知：變換器開關(guān)狀態(tài)、電壓電流波形以及軟開關(guān)特性等均良好，此時變換器輸出電壓約為48.5 V，略高于理論值。

輸出最高電壓52 VDC，滿負(fù)荷運行。設(shè)置變換器的開關(guān)頻率為81.46 kHz，負(fù)載電阻按照滿載進(jìn)行計算，仿真結(jié)果如圖 8所示。觀察仿真結(jié)果，可知：變換器開關(guān)狀態(tài)、電壓電流波形以及軟開關(guān)特性等均良好，此時變換器輸出電壓約為54.5 V，略高于理論值。

輸出最低電壓42 VDC，滿負(fù)荷運行。設(shè)置變換器的開關(guān)頻率為129 kHz，負(fù)載電阻按照滿載進(jìn)行計算，仿真結(jié)果如圖 9所示。觀察仿真結(jié)果，可知：變換器開關(guān)狀態(tài)、電壓電流波形以及軟開關(guān)特性等均良好，此時變換器輸出電壓約為40 V，略低于理論值。

圖8 52V滿載仿真波形

圖9 42V滿載仿真波形

輸出最低電壓 42 VDC，1%負(fù)荷運行。設(shè)置變換器的開關(guān)頻率為183 kHz，仿真結(jié)果如圖10所示。觀察仿真結(jié)果，可知：變換器開關(guān)狀態(tài)、電壓電流波形以及軟開關(guān)特性等均良好，此時變換器輸出電壓約為42 V，與理論值相近。

圖10 42V1%負(fù)載仿真波形

上述結(jié)論表明：本文設(shè)計的雙向DC-DC變換器參數(shù)真實可用，此參數(shù)的變換器性能良好。

4 結(jié)束語

本文以光儲一體化能源系統(tǒng)為研究對象，主要研究了分布式能源發(fā)電系統(tǒng)中一種逆變器的雙模運行與無縫切換技術(shù)和雙向DC-DC變換器的設(shè)計。

針對分布式能源發(fā)電系統(tǒng)中光儲能源系統(tǒng)，選用了直流微網(wǎng)作為分布式能源發(fā)電系統(tǒng)的基本架構(gòu)。針對分布式能源發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的并網(wǎng)與孤島雙模運行要求，提出了一種基于下垂控制的單相雙向功率逆變器控制策略。

針對分布式能源發(fā)電系統(tǒng)中電池儲能環(huán)節(jié)DC-DC變換器的運行要求，以單向LLC諧振變換器為依據(jù)，本文提出了一種雙向LLC諧振變換器的設(shè)計方案。本文從實際運行需求出發(fā)，給出了變換器的設(shè)計指標(biāo)，并依照指標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計，最后基于Saber對變換器進(jìn)行了仿真驗證，表明了理論分析的準(zhǔn)確性。