一種可再生能源接入的多端口變換器及其能量協(xié)同管理

陸海，楊洋，李耀華，蘇適，羅恩博，朱真，馬伏軍

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南大理 671000；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082）

隨著新能源的大量滲入，相對(duì)分散、間歇性新能源的有效接入是目前電力系統(tǒng)領(lǐng)域急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-6].同時(shí)，隨著電力電子設(shè)備的高速發(fā)展，新一代的多端口變換器為“源、荷、儲(chǔ)、網(wǎng)”之間能量流動(dòng)提供了有效的解決方案.本文著力解決多源交互的“能量協(xié)同控制”的一般性問(wèn)題，提出一種適應(yīng)新能源接入的多端口變換器及能量協(xié)同管理方案.

從多端口變換器拓?fù)鋵用婵?，目前DC/AC 變換器常用的變換拓?fù)溆卸娖叫?、二極管鉗位型、電容鉗位型及T 型鉗位三電平型電路等；DC/DC 變換器的常用拓?fù)溆蠦oost 型、Buck-boost 型及隔離型DC/DC 電路等.根據(jù)以上基本拓?fù)?，研究者們提出了多種不同功能的多端口變換器.文獻(xiàn)[7]根據(jù)DC/AC、DC/DC 變換器串并聯(lián)不同連接方式，提出了共直流母線(xiàn)串聯(lián)型和并聯(lián)型多端口變換器，該拓?fù)洳皇芟辔缓皖l率的影響，不存在功角穩(wěn)定問(wèn)題，但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能量變換次數(shù)多，損耗大.文獻(xiàn)[8-11]以不間斷電源UPS 為基本拓?fù)?，通過(guò)DC/AC、DC/DC 變換器連接直流母線(xiàn)，得到能連接新能源的發(fā)電端口，構(gòu)成“超級(jí)UPS”，為新能源的就近消納提供了有效途徑.同時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究了“能量路由器”，根據(jù)文獻(xiàn)[12-14]可知，多端口能量路由器的拓?fù)淇煞譃椋?）基于固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）的能量路由器，主要應(yīng)用在中高壓配電場(chǎng)合[12]；2）基于多端口變換器（Multi-Port Converter，MPC）的能量路由器，主要應(yīng)用在低壓場(chǎng)合[13-14].

從多源多荷能量管理層面看，目前研究較多的是微網(wǎng)多逆變器并網(wǎng)場(chǎng)景，該場(chǎng)景能量管理可歸納為對(duì)等控制、主從控制和分層控制[15]，這些方法為多端口變換器的能量協(xié)同控制研究提供了思路.針對(duì)光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)，文獻(xiàn)[16]提出了一種基于分布式協(xié)同控制策略，考慮電池荷電狀態(tài)（SOC）和功率極限，實(shí)現(xiàn)集成光伏源的直流微網(wǎng)的平均母線(xiàn)電壓一致性.文獻(xiàn)[17]提出一種基于ANFIS 的儲(chǔ)能和光伏接口逆變器的協(xié)同控制方案，并評(píng)估了系統(tǒng)協(xié)同性能，在非線(xiàn)性、波動(dòng)工作條件下能有效調(diào)整逆變器的輸出電壓.針對(duì)光伏、風(fēng)電和水電等多能源，文獻(xiàn)[18]分析了各單元的組成及其相應(yīng)控制，研究了系統(tǒng)運(yùn)行中光伏獨(dú)立供電模式、光伏和水電聯(lián)合供電模式及兩種模式間的基于VSG 無(wú)縫切換控制策略.文獻(xiàn)[19]針對(duì)新能源接入的超級(jí)UPS，提出了不同運(yùn)行狀態(tài)下的端口協(xié)同控制策略，保證為負(fù)荷提供穩(wěn)定的供電電源.針對(duì)柔性多端口直流系統(tǒng)，文獻(xiàn)[20]提出了基于母線(xiàn)電壓偏差分區(qū)的多端口協(xié)同控制，無(wú)需通訊，具有分散自律和多點(diǎn)協(xié)同的特點(diǎn).針對(duì)直流微電網(wǎng)，文獻(xiàn)[21]根據(jù)各端口源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)劃分幾種基本運(yùn)行模式，研究了不同模式下的端口逆變器協(xié)同控制策略.這些研究對(duì)微網(wǎng)提出了多種混合能源管理方法，但這些研究大多是針對(duì)微網(wǎng)同源多逆變器，且考慮負(fù)荷端口的運(yùn)行狀態(tài)較少.

本文針對(duì)光伏、小水電等新能源，綜合考慮日照、氣候等不確定性因素，提出一種適應(yīng)新能源接入的多端口變換器及能量協(xié)同控制策略，該策略能解決各區(qū)域水力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的功率波動(dòng)大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題.同時(shí)，各配電區(qū)域負(fù)荷存在明顯的季節(jié)性過(guò)載現(xiàn)象，通過(guò)能量協(xié)調(diào)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)多源互補(bǔ)、解決負(fù)荷季節(jié)性過(guò)載問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)新能源的高效利用和區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定、可靠供電.

1 多端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多端口變換器的外接物理源包含小水電、光伏和儲(chǔ)能電池，如圖1 所示.其中，小水電源輸出有2條路徑，一路通過(guò)6.3 kV ∶35 kV 升壓變壓器連接到35 kV 配電網(wǎng)，另一路通過(guò)6.3 kV ∶380 V 降壓變壓器連接到多端口變換器；光伏和儲(chǔ)能電壓等級(jí)在200～700 V 范圍內(nèi)波動(dòng)，可直接連接至多端口變換器；多端口變換器再通過(guò)逆變和升壓變間接連接至10 kV 配電網(wǎng)，給工廠供電，實(shí)現(xiàn)多源互補(bǔ)、解決負(fù)荷季節(jié)性過(guò)載問(wèn)題.

圖1 多端口變換器外部接口圖Fig.1 External interfaces of multi-port converters

為了更好地適應(yīng)新能源的接入，本文提出了如圖2 的多端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖2 多端口變換器整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of multi-port converters

水電廠發(fā)電后，經(jīng)過(guò)6.3 kV ∶380 V 降壓變壓器傳輸給多端口變換器，同時(shí)，當(dāng)水電廠發(fā)出的電不足以滿(mǎn)足35 kV 配電網(wǎng)的負(fù)荷需求時(shí)，該端口的能量可反向流動(dòng)，對(duì)35 kV 配電網(wǎng)作電壓支撐，該端口可采用三相PWM 整流電路.

光伏端口輸入為200 V～700 Vdc，輸出為750 Vdc，能量是單向流動(dòng)，采用單向Boost 電路即可.儲(chǔ)能端口能量變換的電壓等級(jí)相同，但由于存在充電、放電兩種模態(tài)，能量需雙向流動(dòng)，故采用雙向Boost電路.

并網(wǎng)端口輸入為750 Vdc，輸出為380 Vac，能量需雙向流動(dòng)，為了保證電能質(zhì)量，該端口在并網(wǎng)側(cè)采用了LCL 濾波器.同時(shí)，該端口連接的10 kV 配網(wǎng)常出現(xiàn)負(fù)荷季節(jié)性過(guò)載現(xiàn)象，PWM 變換器工作在逆變模式居多.

2 多端口變換器能量管理及控制策略研究

根據(jù)上述多端口變換器的外部特性及數(shù)學(xué)模型，本文提出了一種適應(yīng)新能源接入的多端口變換器雙層控制策略，上層為多模態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，下層為獨(dú)立控制策略，該策略能實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度，能解決多源互補(bǔ)、負(fù)荷季節(jié)性過(guò)載問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)新能源的高效利用和區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定、可靠供電.

2.1 上層能量管理控制策略

根據(jù)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)與輸出功率指令確立多端口變換器的多種模態(tài).其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)將盡可能工作在MPPT 模態(tài)，以節(jié)約能源，且僅在緊急狀況下工作于恒功率控制模態(tài).小水電端口做直流母線(xiàn)電壓控制，儲(chǔ)能端口進(jìn)行直流母線(xiàn)控制的二次穩(wěn)壓，并網(wǎng)逆變端口進(jìn)行PQ 控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV 配電側(cè)的消峰填谷，解決配電側(cè)負(fù)荷的季節(jié)性過(guò)載問(wèn)題.工作模態(tài)可歸為8 類(lèi)，如圖3 所示，其中，Pwater、Ppv、Ps、Pout分別表示小水電端口、光伏端口、儲(chǔ)能端口和并網(wǎng)逆變端口的功率大小，P1為上層對(duì)并網(wǎng)逆變器端口的有功輸出指令.

模態(tài)1：SOC＜0.2，P1＞Ppv

光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，仍無(wú)法滿(mǎn)足上層功率指令P1的需求，且儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電下限，不動(dòng)作，此時(shí)小水電輸出功率為Pwater=P1-Ppv，滿(mǎn)足各端口功率平衡.

模態(tài)2：SOC＜0.2，P1＜Ppv

光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，輸出功率大于上層功率指令P1的需求，且儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC處于放電下限，可進(jìn)行充電動(dòng)作，系統(tǒng)功率平衡.

模態(tài)3：0.2＜SOC＜0.8，P1＞Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 處于充放電上下限之間，允許充放電動(dòng)作.此時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，仍無(wú)法滿(mǎn)足上層功率指令P1的需求量，儲(chǔ)能和小水電同時(shí)出力保持系統(tǒng)功率指令需求.

模態(tài)4：0.2＜SOC＜0.8，P1＜Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 處于充放電上下限之間，允許充放電.此時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，輸出功率大于上層功率指令P1的需求，當(dāng)母線(xiàn)電壓偏差大于Uh時(shí)，儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電操作，小水電輸出功率為各端口功率差值，維持功率平衡.

模態(tài)5：0.2＜SOC＜0.8，P1＞Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 處于充放電上下限之間，允許充放電.此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，由于直流母線(xiàn)電壓偏差在很小的范圍內(nèi)，儲(chǔ)能單元不動(dòng)作，小水電輸出功率為各端口功率差值，維持系統(tǒng)功率平衡.

模態(tài)6：SOC≥0.8，P1＞Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 處于充電上限，不允許充電.此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，卻仍無(wú)法滿(mǎn)足上層功率指令P1的需求，小水電出力保持系統(tǒng)功率指令需求，儲(chǔ)能不動(dòng)作.

模態(tài)7：SOC≥0.8，P1＜Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 處于充電上限，不允許充電行為.此時(shí)如果光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率追蹤模態(tài)，輸出功率大于上層功率指令P1的需求.若此時(shí)水電端口能量不需回流至35 kV 配網(wǎng)，將出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩.但由于儲(chǔ)能系統(tǒng)處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法投入充電.此時(shí)選擇光伏系統(tǒng)工作于恒壓控制模式，實(shí)現(xiàn)Ppv=P1.

模態(tài)8：SOC≥0.8，P1＜Ppv

儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電上限，可進(jìn)行放電動(dòng)作，確定是否放電由母線(xiàn)電壓偏差值而定.同時(shí)，為滿(mǎn)足新能源最大利用率，光伏發(fā)電系統(tǒng)可保持在最大功率追蹤模態(tài)，當(dāng)輸出功率大于上層功率指令P1的需求時(shí)，剩余的能量可通過(guò)水電端口回饋給35 kV 配電網(wǎng).

圖3 多端口變換器運(yùn)行模態(tài)Fig.3 Mode analysis of multi-port converters

2.2 底層控制策略

2.2.1 小水電輸入端口控制策略

根據(jù)前面分析，小水電端口采用三相PWM 整流電路，考慮到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及工程實(shí)踐，選用電壓電流雙閉環(huán)控制策略對(duì)Boost 升壓電路進(jìn)行控制，其控制框圖如圖4 所示.

圖4 小水電輸入端口控制框圖Fig.4 Control diagram of small hydro-power input port

其中，VR 為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，CR 為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，PWM 環(huán)節(jié)近似等效為比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)為KPWM；Kfv為電壓反饋比例系數(shù)；Kfi為電流反饋比例系數(shù).

電壓電流雙閉環(huán)控制策略的原理是：檢測(cè)Boost升壓電路的輸出電壓Uo，與給定值Uref進(jìn)行比較，得到電壓誤差并通過(guò)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行放大，且作為內(nèi)環(huán)電流的基準(zhǔn)值（給定值）與電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，同樣得到電流誤差并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行放大，從而生成控制信號(hào)，作用于PWM 電路，輸出占空比D 可變的脈沖信號(hào)作用于功率開(kāi)關(guān)管上.電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

對(duì)電壓外環(huán)來(lái)說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)的截止頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)通?？梢院雎圆挥?jì)，根據(jù)這一條件可以對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其等效為比例環(huán)節(jié)，即

2.2.2 光伏輸入端口控制策略

由于光伏發(fā)電具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，即輸出電壓會(huì)有一定的波動(dòng)，所以光伏端口的控制目標(biāo)是使直流母線(xiàn)側(cè)的電壓穩(wěn)定在750 V.本文采用電流單閉環(huán)控制策略對(duì)光伏端口進(jìn)行控制，其控制框圖如圖5所示.

圖5 光伏端口控制框圖Fig.5 Control diagram of photovoltaic port

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

2.2.3 儲(chǔ)能端口控制策略

儲(chǔ)能端口的控制目標(biāo)是滿(mǎn)足一定條件下對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充、放電，同時(shí)保證直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定.本文采用電流單閉環(huán)控制策略對(duì)儲(chǔ)能端口進(jìn)行控制，其控制框圖如圖6 所示.

圖6 儲(chǔ)能端口控制框圖Fig.6 Control diagram of battery port

非線(xiàn)性控制策略控制儲(chǔ)能設(shè)備的充、放電，通過(guò)電壓的波動(dòng)情況，控制儲(chǔ)能電池工作在充電、放電、空閑模式三個(gè)狀態(tài).由于空閑狀態(tài)的引入，儲(chǔ)能電池在充放電模式切換下留下一段緩沖區(qū)間，避免了由于多端口變換器系統(tǒng)直流母線(xiàn)電壓正常波動(dòng)所引起的儲(chǔ)能設(shè)備充放電頻繁切換對(duì)儲(chǔ)能電池和功率開(kāi)關(guān)器件造成的損害.

整個(gè)儲(chǔ)能電池控制系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是狀態(tài)檢測(cè)單元、非線(xiàn)性策略控制單元和系統(tǒng)執(zhí)行單元.系統(tǒng)檢測(cè)單元首先檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓Ubus、儲(chǔ)能裝置的充放電流Ibat以及電池的荷電狀態(tài)參數(shù)SOC.Ubus反映了整個(gè)直流微網(wǎng)系統(tǒng)或多端口變換器系統(tǒng)的功率平衡情況，是進(jìn)行系統(tǒng)控制的主要控制量，儲(chǔ)能裝置的充放電流Ibat是對(duì)儲(chǔ)能電池的控制，需要檢測(cè)完成一個(gè)閉環(huán)控制，而電池的荷電狀態(tài)參數(shù)SOC 則反映了此時(shí)儲(chǔ)能電池的容量，是控制系統(tǒng)指令發(fā)出的重要參考量.系統(tǒng)的非線(xiàn)性策略控制單元首先將檢測(cè)單元傳輸?shù)闹绷髂妇€(xiàn)電壓Ubus與系統(tǒng)母線(xiàn)參考電壓Un進(jìn)行比較得到參考量ΔU，通過(guò)ΔU 和選取的儲(chǔ)能系統(tǒng)空閑電壓滯環(huán)環(huán)寬Uh、-Uh比較.

隨后系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電池所處的狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)基本判斷，選定一個(gè)儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)參數(shù)SOC 的參考基準(zhǔn)值SOCd，對(duì)檢測(cè)的儲(chǔ)能電池所處狀態(tài)SOC 做一個(gè)狀態(tài)判斷，判斷儲(chǔ)能電池是處于過(guò)荷狀態(tài)、正常狀態(tài)還是欠荷狀態(tài)，判定方式如下：

針對(duì)應(yīng)用于直流微網(wǎng)系統(tǒng)和多端口變換器系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的控制技術(shù)存在的往復(fù)充放電、儲(chǔ)能充放電電流大小與電池負(fù)荷狀態(tài)SOC 不匹配問(wèn)題，提出一種儲(chǔ)能雙向變換器及其非線(xiàn)性控制策略，如圖7 所示.

其功能在于：

1）實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電、放電及空閑模式間自由選擇并且控制不同荷電狀態(tài)（SOC）下的儲(chǔ)能充電速度，對(duì)SOC 與系統(tǒng)充電電流的協(xié)調(diào)控制，提高儲(chǔ)能電池的穩(wěn)定性和工作壽命；

2）非線(xiàn)性控制策略可避免儲(chǔ)能電池在系統(tǒng)母線(xiàn)電壓Ubus微小波動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)頻繁充放電，有利于直流微網(wǎng)系統(tǒng)和多端口變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也避免了功率開(kāi)關(guān)管頻繁開(kāi)關(guān)造成的損耗.

圖7 儲(chǔ)能電池非線(xiàn)性控制策略Fig.7 Nonlinear control strategy of battery

2.2.4 并網(wǎng)端口控制策略

并網(wǎng)端口采用三相電壓型橋式逆變電路，其控制目標(biāo)是輸出三相工頻交流電.本文針對(duì)并網(wǎng)端口后面接入電網(wǎng)提出PQ 控制策略，其控制框圖如圖8所示.

圖8 并網(wǎng)端口控制框圖Fig.8 Control diagram of grid-conneted port

PQ 控制策略通常用于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)以保證輸出功率恒定，其控制目標(biāo)是輸出的有功功率P 和無(wú)功功率Q，與VSG 控制策略相比較而言，其控制方式比較簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)；VSG 控制策略能夠使交流端口具有一定的慣性和阻尼特性，并且具有更好的電壓支撐能力.

其中，PWM 環(huán)節(jié)采用線(xiàn)電壓控制方式.這種控制方式有以下優(yōu)點(diǎn)：1）在信號(hào)波的1/3 周期內(nèi)功率開(kāi)關(guān)器件不動(dòng)作，可使功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗減少1/3；2）最大輸出線(xiàn)電壓基波幅值為Ud，和相電壓控制方法相比，直流電壓利用率提高了15%；3）輸出線(xiàn)電壓中不含低次諧波，這是因?yàn)橄嚯妷褐邢鄳?yīng)于up的諧波分量相互抵消的緣故，這一性能優(yōu)于梯形波調(diào)制方式.由此可以看出，這種線(xiàn)電壓控制方式的特性較好，其不足之處是控制復(fù)雜.

由圖8 可得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

總之，上述分析的雙層控制策略，其上層采用多模態(tài)的協(xié)調(diào)控制策略，下層采用獨(dú)立的控制策略，實(shí)現(xiàn)一種適應(yīng)新能源接入的能量管理及控制方法，系統(tǒng)控制圖如圖9 所示.

在圖9 中，P、Q 為各端口的有功、無(wú)功，U、I 為電壓、電流，“*”為子變換器的功率、電壓和電流等參考指令，PI 為各端口的本地控制器，SOC 為電池荷電狀態(tài)，MPPT 為最大功率點(diǎn)跟蹤.

圖9 多端口變換器整體控制框圖Fig.9 Control diagram of multi-port converters

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各端口控制策略的有效性與正確性以及多端口變換器在多場(chǎng)景模式下運(yùn)行的協(xié)同控制策略的合理性與正確性，利用PSIM9.1.1 仿真軟件對(duì)圖2 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多端口變換器進(jìn)行仿真，系統(tǒng)及控制參數(shù)如表1 和表2 所列.

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation

表2 控制器參數(shù)Tab.2 Parameters of controllers

其中，KiP1，2，3，4和KiI1，2，3，4分別代表各端口控制器的比例和積分增益.

工況1：水電廠輸出功率大于35 kV 配網(wǎng)負(fù)荷功率需求量，多端口變換器的水電端口不回流，儲(chǔ)能端口SOC 在正常工作范圍內(nèi)，光伏端口的最大功率輸出Ppvmax在0.1 s 時(shí)，由50 kW 變至150 kW，其他參數(shù)如表3，仿真結(jié)果見(jiàn)圖10.

表3 工況1Tab.3 Case 1

圖10 工況1 中四個(gè)端口均正常工作仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of four ports in good conditions in case 1

在圖10（a）中，0 ＜t ＜0.1 s 時(shí)，指定輸出P1為200 kW，光伏最大功率輸出Ppvmax為150 kW.此時(shí)，P1＞Ppvmax，儲(chǔ)能SOC 雖在[0.2，0.8]的正常工作范圍內(nèi)，但直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在750 V 附近，即在[-Uh，Uh]區(qū)間內(nèi)，根據(jù)圖7 的非線(xiàn)性控制策略，儲(chǔ)能端口不動(dòng)作，系統(tǒng)模態(tài)5 運(yùn)行，如圖3 和圖9 所示.當(dāng)t=0.1 s，光伏最大功率輸出Ppvmax減小為50 kW，新能源輸入功率之和小于逆變輸出功率時(shí)，直流母線(xiàn)電壓將降低，當(dāng)偏差小于-Uh=-10 V 時(shí)，儲(chǔ)能端口開(kāi)始動(dòng)作，進(jìn)行放電穩(wěn)壓操作.此時(shí)，系統(tǒng)從模態(tài)5 切換到模態(tài)3.當(dāng)t=0.17 s 時(shí)，直流母線(xiàn)電壓又回升至750 V 附近，系統(tǒng)將進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)，同時(shí)，儲(chǔ)能退出動(dòng)作，從模式3 又切換至模式5.其中，圖10（b）為各端口的電流波形，整個(gè)過(guò)程中，儲(chǔ)能電池有輔助穩(wěn)壓的功能.系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中均滿(mǎn)足Pwater+Ppv+Pbat=Pout，能夠保證功率均衡.

工況2：水電廠輸出功率大于35 kV 配網(wǎng)負(fù)荷功率需求量，多端口變換器的水電端口不回流，儲(chǔ)能端口SOC ＜0.2，光伏端口的最大功率輸出Ppvmax不變，但并網(wǎng)逆變端口的指定功率P1在0.1 s 時(shí)，由250 kW 變至150 kW，其他參數(shù)如表4.仿真結(jié)果見(jiàn)圖11.

表4 工況2Tab.4 Case 2

在圖11（a）中，0 ＜t ＜0.1 s 時(shí)，并網(wǎng)逆變參考指令P1為250 kW，光伏最大功率輸出Ppvmax為200 kW.此時(shí)，P1＞Ppvmax，儲(chǔ)能SOC 在[0，0.2]內(nèi)，無(wú)法進(jìn)行放電動(dòng)作，輸出功率完全由光伏和小水電端口提供，即模態(tài)1 ∶Pbat=0，Pout=Pwater+Ppv.當(dāng)t=0.1 s，并網(wǎng)逆變參考指令P1降至150 kW，多端口輸入功率之和大于逆變輸出功率.此時(shí)，小水電輸入功率減小需一段反應(yīng)過(guò)程，在此過(guò)程中，直流母線(xiàn)電壓升高.當(dāng)實(shí)際電壓偏差大于Uh=10 V 時(shí)，儲(chǔ)能端口動(dòng)作，剩余的能量給電池充電，系統(tǒng)從模態(tài)1 切換至模態(tài)2.由于儲(chǔ)能采用的非線(xiàn)性控制策略，會(huì)有一定的電壓偏差，但該電壓偏差保持在5%容許范圍內(nèi)，系統(tǒng)正常工作.圖11（b）為電流波形，波形質(zhì)量好.

圖11 工況2 中四個(gè)端口均正常工作仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of four ports in good conditions in case 2

工況3：在0 ＜t ＜0.6 s 時(shí)，水電廠的輸出功率大于35 kV 配網(wǎng)負(fù)荷功率需求量，水電端口功率不回流.在0.6 ＜t ＜1.0 s 時(shí)，水電廠的輸出功率小于35 kV 配網(wǎng)負(fù)荷功率需求量，多端口變換器的水電端口功率可回流.儲(chǔ)能端口一直保持在SOC＞0.8 范圍內(nèi)，不能充電，光伏端口的最大功率輸出Ppvmax在0～0.3 s時(shí)為100 kW，在0.3 ＜t ＜1.0 s 時(shí)為200 kW，并網(wǎng)逆變端口的指定功率P1一直為150 kW，具體參數(shù)如表5，仿真結(jié)果見(jiàn)圖12.

表5 工況3Tab.5 Case 3

當(dāng)0 ＜t ＜0.3 s 時(shí)，并網(wǎng)逆變指定輸出P1為150 kW，光伏最大功率輸出Ppvmax為100 kW.此時(shí)，P1＞Ppvmax，光伏維持在最大功率輸出控制模式，剩下的功率由小水電端口提供，即模態(tài)6：Pout=Pwater+Ppv.當(dāng)t=0.3 s 時(shí)，光伏最大功率輸出Ppvmax增加到200 kW.此時(shí)，P1＜Ppvmax，小水電端口功率降為0 kW，且由于水電廠的輸出功率大于35 kV 配網(wǎng)側(cè)功率需求量，水電端口的能量不回流，故小水電端口的Pwater一直為0.光伏端口如果仍以最大功率輸出控制模式，多余的能量無(wú)法釋放，故只能將最大功率輸出控制模式變?yōu)楹銐嚎刂颇Ｊ剑沟肞pv=P1，實(shí)現(xiàn)功率平衡，系統(tǒng)工作于模態(tài)7.當(dāng)t=0.6 s 時(shí)，水電廠輸出功率小于35 kV 配網(wǎng)側(cè)功率需求量，多端口變換器的水電端口的能量能回流.同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，光伏以最大功率輸出控制模式，多余的能量提供給35 kV 配網(wǎng)，即模式8：Pwater=P1-Ppv，此時(shí)Pwater＜0，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量平衡.

圖12 工況3 中四個(gè)端口均正常工作仿真結(jié)果Fig.12 Simulationresultsoffourportsingoodconditionsincase3

4 結(jié)論

本文針對(duì)水力發(fā)電和光伏發(fā)電存在功率波動(dòng)大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，提出一種適應(yīng)新能源接入的多端口變換器及能量協(xié)同控制方案.首先，針對(duì)多端口變換器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，選定了多端口變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其次，針對(duì)多種新能源（如光、水、風(fēng)力等）能量互補(bǔ)的一般性問(wèn)題，本文提出了一種基于多端口變換器的多模態(tài)協(xié)同控制方案.最后，通過(guò)仿真模擬了不同工況的運(yùn)行狀態(tài)，仿真結(jié)果表明，雙層控制策略能有效進(jìn)行能量協(xié)同管理，使得直流母線(xiàn)電壓和輸出功率保持穩(wěn)定.