交直流混合微電網(wǎng)孤島情景下的能量管理

王智方 張欽惠 鐘建偉 李正剛 程明亮

摘 要：DC/AC雙向變換器對于交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率分配有著重要的作用。文中針對交直流混合微電網(wǎng)孤島情景，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網(wǎng)之間的功率流動，以此提高孤島情景下的穩(wěn)定性和可控性，并在SimuLink中搭建混合微電網(wǎng)微網(wǎng)孤島情景下的仿真模型。負(fù)荷變動的仿真結(jié)果驗(yàn)證了提案控制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：混合微電網(wǎng);孤島情景;U-I雙下垂控制;功率分配;變換器;母線

中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

分布式新能源越來越普及，大量的分布式新能源接入配電網(wǎng)，而新能源具有間歇性和不確定性的特點(diǎn)[1]，對電網(wǎng)運(yùn)行帶來不利影響[2]。微電網(wǎng)被認(rèn)為是解決這個(gè)問題的有效方法[3]。微電網(wǎng)包括交流的和直流的微網(wǎng)[4]，當(dāng)前主流是交流[5]。但是直流負(fù)荷日益增加，僅交流供電會提高成本、產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題[6]。利用交直流混合供電，可以降低成本，有效利用分布式電源[7]。

在混合微電網(wǎng)中，DC/AC雙向變換器控制交直流母線之間的電力流動，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可控發(fā)揮著重要的作

用[8]。下垂控制因?yàn)榭刂坪唵?、能夠自我運(yùn)行，所以被廣泛應(yīng)用在微網(wǎng)的控制中[9]。由于混合微電網(wǎng)中的DC/AC雙向變換器需要同時(shí)連接交流母線以及直流母線，因此不能應(yīng)用傳統(tǒng)的控制方法，需要采用新的控制方法[10]。

本文針對交直流混合微電網(wǎng)孤島情景下的狀況，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網(wǎng)之間的功率流動，并提高孤島情景下的穩(wěn)定性和可控性。根據(jù)下垂特性，使用DC/AC雙向變換器兩側(cè)的交流母線的頻率以及直流母線的電壓來控制交流、直流微電網(wǎng)的功率流動的方向和大小。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1.1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

文中研究了交直流混合微電網(wǎng)孤網(wǎng)情景，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。通過結(jié)構(gòu)圖可以看出，新能源發(fā)電通過變換器分別與交流部分和直流部分連接。DC/AC雙向變換器作為母線之間的紐帶，不僅實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動，還承擔(dān)了微網(wǎng)之間功率的平衡以及母線電壓的穩(wěn)定。在混合微電網(wǎng)孤網(wǎng)情景下，變換器不僅參與調(diào)節(jié)直流母線的電壓，還參與交流母線頻率的調(diào)節(jié)。

令?f為交流母線電壓頻率實(shí)際值與設(shè)定值的差值，?U為直流母線電壓實(shí)際值與設(shè)定值的差值。這兩個(gè)參數(shù)分別反映了交直流微電網(wǎng)各自的頻率與電壓的變化，與對應(yīng)的下垂系數(shù)的乘積表示當(dāng)交流母線電壓值達(dá)到設(shè)定值時(shí)、直流母線電壓值達(dá)到設(shè)定值時(shí)對應(yīng)微網(wǎng)功率可輸出值或者需輸入值。當(dāng)直流負(fù)載增加、交流負(fù)載不變或減小，直流微電網(wǎng)功率缺失，交流微電網(wǎng)功率有盈余，變換器切換到整流模式，由下垂特性可知交流微電網(wǎng)輸出功率增加，電壓頻率下降，交流微電網(wǎng)增加的輸出功率通過變換器流向直流微電網(wǎng)，由下垂特性可知直流母線電壓升高;反之，當(dāng)直流負(fù)載減小或不變、交流負(fù)載增加，交流微電網(wǎng)功率缺失，直流微電網(wǎng)功率有盈余，變換器切換到逆變模式，由下垂特性可知直流微電網(wǎng)輸出功率增加，電壓下降，直流微電網(wǎng)增加的輸出功率通過變換器流向交流微電網(wǎng)，由下垂特性可知交流母線電壓頻率升高。

二者的平衡關(guān)系為：

式中：?f為交流母線電壓頻率實(shí)際值與設(shè)定值的差值;?U為直流母線電壓實(shí)際值與設(shè)定值的差值;?PDC為直流微電網(wǎng)吸收或者增發(fā)的功率值;?PAC為交流微電網(wǎng)吸收或者增發(fā)發(fā)功率值;mACsys為交流微電網(wǎng)系統(tǒng)有功垂系數(shù);mDCsys直流微電網(wǎng)系統(tǒng)有功下垂系數(shù)。

1.2 直流微電網(wǎng)控制

直流微電網(wǎng)中，太陽能等直流可再生電源通過Boost-Buck雙向變換器接入微電網(wǎng)，儲能模塊則通過控制雙向DC/DC變換器充放電來獲得功率平衡的效果，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的直流母線電壓。在直流微網(wǎng)中，由于不存在無功功率和電壓頻率的因素，所以直流母線的穩(wěn)定可以用直流母線電壓來衡量，其P-U下垂特性可表示為：

式中：Udcref為直流母線電壓的設(shè)定值;UdcN為直流母線電壓的額定值;PN為可再生能源輸出的額定有功功率值;P為可再生能源的實(shí)際輸出有功功率;n為下垂系數(shù)。

1.3 交流微電網(wǎng)控制

理想的交直流混合微電網(wǎng)中可再生新能源種類比較少，但實(shí)際中交流子網(wǎng)中也含類似鋰電池系統(tǒng)等儲能式電源。交流微電網(wǎng)可以分為三個(gè)主要部分：光電和風(fēng)電為主的可再生新能源部分、儲能部分和交流負(fù)載部分。為了充分利用可再生能源，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的工作模式多為MPPT模式。當(dāng)微網(wǎng)無通信線路，為使儲能模塊可以根據(jù)其容量分配輸出功率，將儲能模塊作為支撐的系統(tǒng)中多采用下垂控制。在低壓微電網(wǎng)中，由于線路具有呈阻性的等效阻抗特點(diǎn)，所以多采用P-V，Q-f下垂控制方式。

2 混合微電網(wǎng)控制策略

交直流混合微電網(wǎng)變換器的控制主要分為兩種：一種是由下垂特性決定功率如何流動以及具體的數(shù)值，例如雙下垂控制;另一種是基于標(biāo)幺化的思想，在同一個(gè)坐標(biāo)中看交流微網(wǎng)的下垂曲線和直流微網(wǎng)的下垂曲線，并以此來決定變換器如何動作，例如基于單位化混合下垂控制。

用以連接混合微電網(wǎng)的變換器，當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)中的負(fù)荷發(fā)生變化后，利用直流母線電壓值和交流母線電壓頻率值的變化來調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行模式，使微網(wǎng)達(dá)到新的平衡。其功率參考值為：

式中：P0為額定功率;Pref為參考功率值;Udc0為額定的直流母線電壓值;Udc為實(shí)際的直流母線電壓值;f0為額定的交流母線頻率值;f為實(shí)際的交流母線頻率值。

圖2和圖3為變換器前級控制策略圖和后級控制。

圖2、圖3中：Un為直流母線電壓參考值;Ibus為直流母線電流實(shí)際值;Ubus為直流母線電壓實(shí)際值;IL為電感電流;D為占空比。Iabc為三相電流;sin_cos，vd，vq由三相電壓分解得到;Id_ref，Iq_ref分別為d軸電流和q軸電流參考值;Udc_VSR為直流母線電壓實(shí)際值。

當(dāng)IGBT處于通電狀態(tài)時(shí)，電源通過IGBT向電感L供電，以儲能。同時(shí)，電容C輸出電壓維持在基本恒定的狀態(tài)，并供電，此后IGBT關(guān)斷，L釋放能量。輸入/輸出電壓的關(guān)系如下：

式中：Uin，Uo是雙向控制器的輸入、輸出電壓;α為IGBT的導(dǎo)通比;負(fù)號代表輸出/輸入電壓是相反的極性。

由雙向控制器工作原理可得IGBT的狀態(tài)方程。導(dǎo)通為：

關(guān)斷為：

式中：IL為電感電流;L為電感;C為電容;α為IGBT的導(dǎo)通比;R為電阻。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

為證明所采用控制策略的有效性，在SimuLink里建模進(jìn)行仿真。設(shè)定直流微網(wǎng)電壓設(shè)置為800 V，交流微網(wǎng)電壓設(shè)定為300 V，P0取20，mDCsys取2×10-3，mACsys取1×10-4。在1 s時(shí)交流負(fù)載突然增大，2 s時(shí)交流負(fù)載突然減小。

3.2 仿真結(jié)果分析

1 s時(shí)直流母線輸出功率為21 800 W，直流母線電壓為

794.5 V，交流負(fù)載突然增大，輸出功率在1.001 s突變?yōu)?/p>

23 300 W，電壓突變?yōu)?93.7 V。在1.05 s時(shí)，功率逐漸平穩(wěn)在24 300 W，電壓逐漸穩(wěn)定在794 V。2 s時(shí)負(fù)載突然變小。功率在2.01 s突變?yōu)?3 500 W，電壓突變?yōu)?95 V。在2.05 s時(shí)，功率逐漸穩(wěn)定在21 800 W，電壓逐漸穩(wěn)定在794.5 V。

圖5為交流母線三相電壓和電流示意圖。第1 s時(shí)三相電壓為315 V，電流為23 A，交流負(fù)載突然增大，電壓在1.001 s

時(shí)突變?yōu)?01 V，電流突變?yōu)?9 A。在第1.1 s時(shí)，電壓逐漸穩(wěn)定在314 V，電流逐漸穩(wěn)定在25 A。2 s時(shí)負(fù)載突然變小。在2.01 s，電壓在突變?yōu)?26 V，電流突變?yōu)?2.8 A。在2.1 s時(shí)，電壓逐漸穩(wěn)定在314 V，電流逐漸穩(wěn)定在23 A。

圖6為交流母線輸出有功功率和電壓頻率示意圖。在1 s

時(shí)交流母線輸出有功功率為10 000 W，電壓頻率為49.985 Hz，

交流負(fù)載突然增大，在1.001 s功率突變?yōu)?8 200 W，頻率突變?yōu)?9.955 Hz。在1.05 s，功率逐漸穩(wěn)定在29 200 W，頻率逐漸穩(wěn)定在49.954 Hz。2 s時(shí)負(fù)載突然變小。在2.01 s，功率突變?yōu)?1 500 W，頻率突變?yōu)?9.982 Hz。在2.05 s，功率逐漸穩(wěn)定在10 000 W，頻率逐漸穩(wěn)定在49.985 Hz。

圖7為交流負(fù)載有功功率示意圖。第1 s時(shí)交流負(fù)載有功功率為20 000 W，負(fù)載突然增加。在1.001 s，功率突變?yōu)?5 460 W。在1.05 s，功率逐漸穩(wěn)定在40 000 W。2 s時(shí)負(fù)載突然變小。在2.01 s，功率突變?yōu)?2 500 W。在2.05 s，功率逐漸穩(wěn)定在20 000 W。

4 結(jié) 語

本文針對交直流混合微電網(wǎng)孤島情景，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網(wǎng)之間的功率流動，并以此提高孤島情景下的穩(wěn)定性和可控性。根據(jù)下垂特性，使用DC/AC雙向變換器兩側(cè)的交流母線的頻率以及直流母線的電壓來控制交流、直流微電網(wǎng)的功率流動的方向和大小。最后，在SimuLink中搭建混合微電網(wǎng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行下的仿真模型。根據(jù)負(fù)荷變動的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了提案控制策略的可行性。

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