直流微電網(wǎng)儲能變流器動(dòng)態(tài)下垂控制研究

王亞旭，宋維功，李勇軍，王春強(qiáng)

(國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南省 平頂山市 467000)

0 引言

直流微電網(wǎng)作為提高可再生能源利用率的有效平臺，近年來得到了快速發(fā)展。直流微電網(wǎng)中，直流母線是源荷各單元的公共連接點(diǎn)，各分布式發(fā)電單元和負(fù)荷都通過直流變流器接入其中[1-2]。負(fù)荷功率在微電源之間的合理分配以及良好的電壓質(zhì)量是整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的重要研究目標(biāo)[3-4]。

為了實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)中不同單元的運(yùn)行狀況，制定相應(yīng)的能量管理策略[5]。直流微電網(wǎng)中各個(gè)設(shè)備的控制都是通過控制直流變流器來實(shí)現(xiàn)的，其控制手段多種多樣，其中可實(shí)現(xiàn)即插即用的下垂控制被廣泛研究和討論。直流微電網(wǎng)中下垂控制的實(shí)現(xiàn)方法普遍是基于電壓電流雙環(huán)控制，是將下垂曲線控制環(huán)作為控制外環(huán)，其輸出量作為變換器電壓的參考值，再進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)控制，達(dá)到控制目的。對于下垂控制，不少學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]提出一種阻性虛擬阻抗加補(bǔ)償虛擬阻抗的下垂控制策略，阻性虛擬阻抗在直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)功率分配，補(bǔ)償虛擬阻抗用來提升系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[7]研究了一種模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下垂控制，通過控制策略建立2種調(diào)壓模式，分別由儲能單元調(diào)節(jié)直流母線電壓和分布式發(fā)電單元調(diào)節(jié)直流母線，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)中分布式發(fā)電和儲能單元的協(xié)同控制，達(dá)到系統(tǒng)單元之間電能量的平衡，并且減小直流母線電壓偏差。文獻(xiàn)[8-9]均利用通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)各個(gè)分布式電源之間電壓、電流和功率參數(shù)的交換，通過主控制器調(diào)整各個(gè)分布式電源之間的功率分配。文獻(xiàn)[10]考慮線路阻抗的影響，在下垂控制中添加一個(gè)控制變換器，來模擬一個(gè)串聯(lián)阻抗，使其等效的輸出阻抗遠(yuǎn)高于線路阻抗，消除線路阻抗對下垂控制精度的影響。文獻(xiàn)[11]利用平移曲線算法對下垂曲線初始電壓進(jìn)行平移，并增加多智能體滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)儲能單元的剩余容量荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)平衡。

結(jié)合傳統(tǒng)下垂控制研究方法，本文提出一種適合直流儲能變流器的基于儲能電池SOC調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的改進(jìn)下垂控制方法，使并聯(lián)儲能裝置通過動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)剩余電量和輸出調(diào)節(jié)功率的平衡，同時(shí)，增加電壓二次調(diào)節(jié)控制，補(bǔ)償下垂控制帶來的電壓跌落，在此基礎(chǔ)上，增加虛擬阻抗，提升直流接口的阻尼特性以及直流母線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建直流微電網(wǎng)模型，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 控制原理分析

1.1 基于儲能電池SOC的動(dòng)態(tài)下垂控制方法

直流微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[12]，各個(gè)單元通過電力電子變流器接口接入到直流母線，通過一定的控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的合理分配。

圖1 直流微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of DC microgrid

直流微網(wǎng)中的傳統(tǒng)下垂控制表達(dá)式[13]為

Uoi=Uref-rioi

(1)

式中：Uoi為變流器輸出空載電壓；Uref為直流母線參考電壓；r為下垂系數(shù)；ioi為變流器輸出的電流。

從式(1)可以看出，傳統(tǒng)下垂控制通過引入定下垂系數(shù)r使變流器輸出電壓Uoi和輸出電流ioi呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系，由于變流器輸出電壓Uoi基本恒定，近似等于直流母線電壓，通過改變r(jià)即可改變變流器輸出的電流值，達(dá)到下垂控制調(diào)節(jié)負(fù)荷功率的目的。但下垂系數(shù)的加入會引起母線電壓偏離參考值，且若線路參數(shù)的不一致會導(dǎo)致儲能調(diào)節(jié)功率的不一致，影響儲能裝置的使用壽命[14-15]?？紤]傳統(tǒng)定系數(shù)下垂控制的不足，研究基于儲能電池SOC的動(dòng)態(tài)下垂控制方法，控制框圖如圖2所示。

圖2 直流微電網(wǎng)儲能變流器控制框圖Fig.2 Control block diagram of DC microgrid energy storage converter

定義所提出的動(dòng)態(tài)下垂控制理論方程為

(2)

式中：SOCi為儲能電池的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)值；SOCavg為各儲能電池SOC的平均值；R0為均衡下垂系數(shù)；k為下垂速率系數(shù)。

從式(2)中可以看出，下垂系數(shù)是一個(gè)關(guān)于儲能電池SOC的一個(gè)指數(shù)函數(shù)，在運(yùn)行過程中，各儲能電池能夠根據(jù)自身SOC值調(diào)整下垂系數(shù)，輸出不同的功率值。

以2臺儲能電池為例，考慮到同類儲能電池的差異很小，且忽略變流器內(nèi)部損耗，由式(2)可得：

(3)

式中：Po1、Po2為變流器1和變流器2輸出的功率值，根據(jù)式(3)，儲能電池的SOC值差額越大，所輸出的功率差值也越大，且SOC值小的儲能電池在充電過程中始終吸收更多的負(fù)荷功率，其SOC值上升更快；SOC值多的儲能電池在放電過程中始終發(fā)出更多的負(fù)荷功率，其SOC值下降更快，最終在運(yùn)行過程中二者SOC值趨于一致，輸出功率也達(dá)到一致。

1.2 補(bǔ)償虛擬阻抗控制

儲能電池直流接口采用電力電子變換器件，動(dòng)態(tài)特性差，在下垂控制中增加虛擬阻抗控制來提升變流器的動(dòng)態(tài)特性，加入虛擬阻抗的控制策略小信號框圖[16]如圖3所示。

圖3 加人補(bǔ)償虛擬阻抗的控制策略小信號框圖Fig.3 Small signal block diagram of control strategy for adding compensation virtual impedance

圖中：ΔIo、ΔUo和ΔUbus分別為變流器輸出電流、變流器輸出電壓和母線電壓的擾動(dòng)量；f(s)為虛擬阻抗補(bǔ)償量；GuPI(s)=(kps+ki)/s為電壓補(bǔ)償器；Gτ(s)=1/(1+τs)為等效延遲環(huán)節(jié)[17]。根據(jù)圖3得出ΔIo到ΔUbus的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(4)

為減小負(fù)載電流對母線電壓的影響，取1+f(s)GuPI(s)Gτ(s)=0，并忽略高階項(xiàng)的影響，可以得到：

(5)

由式(5)可得到虛擬阻抗補(bǔ)償后的控制框圖如圖2所示。增加虛擬阻抗后的下垂控制相當(dāng)于在動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)上疊加了一個(gè)高通濾波器。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，利用虛擬阻抗補(bǔ)償下垂系數(shù)，改善直流變流器出口的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而提升母線穩(wěn)定性。

1.3 母線電壓二次補(bǔ)償控制

本文提出的控制策略是在根據(jù)下垂控制原理改進(jìn)得到的，因此在系統(tǒng)功率波動(dòng)時(shí)會帶來直流側(cè)母線電壓偏離參考值的現(xiàn)象。為了解決該問題，本文加入直流母線電壓補(bǔ)償二次控制來提高母線電壓的穩(wěn)定性[18-19]。具體而言，電壓補(bǔ)償二次控制是通過PI控制器將直流母線電壓輸出的補(bǔ)償量疊加至各底層控制器的直流母線電壓參考值上，實(shí)現(xiàn)對母線電壓偏差的補(bǔ)償?？刂瓶驁D如圖4所示。

圖4 電壓補(bǔ)償控制框圖Fig.4 Voltage compensation control block diagram

圖5 儲能變流器動(dòng)態(tài)下垂控制控制框圖Fig. 5 Dynamic droop control block diagram of energy storage converter

加入母線電壓二次補(bǔ)償控制之后得到儲能變流器動(dòng)態(tài)下垂控制的控制框圖如圖5所示，母線電壓和變流器輸出電流分別經(jīng)過電壓補(bǔ)償控制和下垂控制，得到電壓控制環(huán)反饋量，最后經(jīng)過電流環(huán)得到控制脈沖，控制各個(gè)變流器的輸出功率。

2 參數(shù)影響分析

2.1 功率調(diào)節(jié)速率分析

圖6 k對SOC和輸出功率均衡速率的影響Fig. 6 Effect of k on SOC and output power equalization rate

在上面所述方法中，建立包含2臺儲能電池的直流微電網(wǎng)模型，研究參數(shù)k對SOC和功率均衡速率的影響。設(shè)置2臺儲能電池的初始SOC值為0.4和0.5，k值依次取0.9、1.5和2.1，在負(fù)荷功率缺少2 kW的情況下，2臺儲能電池的SOC值及輸出功率變化結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，k值越大，2臺儲能電池起始輸出的差額功率越多，輸出功率趨于一致的速度更快，SOC值均衡的速度也越快。因此，k值的大小決定了下垂控制調(diào)節(jié)速率的快慢，k值越大，SOC和功率均衡速率速度越快?？紤]到儲能變流器輸出功率極限，本文k值取1.5。

2.2 虛擬阻抗影響分析

虛擬阻抗等效為一個(gè)高通濾波器，參數(shù)取值與電壓控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)，圖7(a)為kp取0.5，ki分別取5、13和50時(shí)的母線波動(dòng)曲線；圖7(b)為ki取15，kp分別取0.6、1和2.2時(shí)的母線波動(dòng)曲線。從結(jié)果中可看出，kp和ki均影響母線的阻尼特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。二者的值越大，母線阻尼特性越強(qiáng)，在功率不平衡瞬間，母線的超調(diào)量越小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定；相對應(yīng)的母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值的過渡時(shí)間也逐漸增長，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，且ki過小將引起母線暫態(tài)波動(dòng)增強(qiáng)。kp和ki的取值應(yīng)根據(jù)電壓環(huán)和系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制要求合理設(shè)計(jì)。

圖7 虛擬阻抗對直流母線電壓的影響Fig.7 Effect of virtual impedance on DC bus voltage

2.3 電壓二次補(bǔ)償控制分析

圖8 二次補(bǔ)償控制對直流母線電壓的影響Fig.8 Effect of secondary compensation control on DC bus voltage

母線電壓二次控制通過在控制外環(huán)增加電壓PI控制器來實(shí)現(xiàn)，主要用來補(bǔ)償下垂控制引起的母線電壓偏離。圖8給出了不同參數(shù)下開啟電壓二次補(bǔ)償控制的母線電壓仿真情況。母線參考電壓取300 V，1 s時(shí)開啟電壓二次補(bǔ)償控制。圖8(a)為kp取0.9，ki分別取5、10和15時(shí)的母線電壓曲線；圖8(b)為ki取10，kp分別取0.3、0.9和1.2時(shí)的母線電壓曲線。從圖8中可以看出，開啟電壓二次補(bǔ)償控制后，母線電壓能夠恢復(fù)到參考電壓。其中，ki主要影響母線電壓的暫態(tài)特性，ki越大母線電壓恢復(fù)至參考值的時(shí)間越短，暫態(tài)時(shí)間越短，但過大易引起電壓突變，不利于母線電壓恢復(fù)；kp主要影響母線電壓的振蕩幅值，kp過大母線波動(dòng)越強(qiáng)，過小母線動(dòng)態(tài)特性則會較差。kp和ki的取值應(yīng)根據(jù)母線電壓要求進(jìn)行取值，本研究kp和ki分別取0.9、10。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中建立如圖1所示的直流微電網(wǎng)模型，驗(yàn)證所提出的動(dòng)態(tài)下垂控制的正確性。模型中選用2臺鋰電池作為儲能電池裝置，各單元參數(shù)取值見表1。

表1 仿真參數(shù)取值Table 1 Simulation parameter values

1) 放電過程。

首先，設(shè)置新能源出力為3 kW，恒功率負(fù)荷為6 kW，2臺儲能鋰電池的初始SOC值分別為0.8和0.7，此時(shí)，儲能鋰電池工作在放電模式。2臺儲能鋰電池的SOC和輸出功率均衡仿真結(jié)果如圖9所示，從圖9中可以看中，2臺儲能鋰電池在放電初始階段輸出的功率分別約為2.22 kW和0.78 kW，大約在165 s時(shí)，2臺儲能鋰電池的SOC達(dá)到一致，此時(shí)2臺儲能鋰電池輸出功率均為1.5 kW。

圖9 放電過程并聯(lián)儲能鋰電池SOC和輸出功率均衡結(jié)果Fig.9 SOC and output power balance results of Li ion battery during discharge

2) 充電過程。

設(shè)置新能源出力為4 kW，恒功率負(fù)荷為2 kW，2臺儲能鋰電池的初始SOC值分別為0.35和0.3，此時(shí)，儲能鋰電池工作在充電模式。2臺儲能鋰電池的SOC和輸出功率均衡仿真結(jié)果如圖10所示，從圖10中可以看中，2臺儲能鋰電池在充電初始階段輸出的功率分別約為0.65 kW和1.35 kW，隨著儲能鋰電池的充電運(yùn)行，二者SOC差值和功率差值在逐步減小，大約在140 s時(shí)，SOC和輸出功率均達(dá)到均衡。

圖10 充電過程并聯(lián)儲能鋰電池SOC和輸出功率均衡結(jié)果Fig.10 SOC and output power balance results of Li ion battery during charging process

3) 充放電切換過程。

設(shè)置新能源初始出力為4.5 kW，恒功率負(fù)荷為6 kW，130 s時(shí)新能源出力提升至6.9 kW，260 s時(shí)投入1.9 kW負(fù)荷。2臺儲能鋰電池的初始SOC值分別為0.85和0.8。儲能鋰電池SOC、輸出功率均衡和母線電壓仿真結(jié)果如圖11所示，同時(shí)為證明控制策略的優(yōu)越性，在相同條件下對比了傳統(tǒng)下垂控制。

圖11 并聯(lián)儲能鋰電池SOC、輸出功率均衡及母線電壓仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of SOC, output power balance and bus voltage of parallel fed lithium battery

從圖11(a)和圖11(b)中可以看出，在建立的工況條件下，傳統(tǒng)下垂控制在370 s附近實(shí)現(xiàn)儲能電池SOC和輸出功率的均衡，而本研究控制在275 s附近實(shí)現(xiàn)儲能電池SOC和輸出功率的均衡，均衡速度更快，且在本研究控制下儲能鋰電池均衡速度能夠隨功率差額和SOC值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，二者差額越大均衡速率越快。同時(shí)從圖10(b)中可以看出，在260 s之后系統(tǒng)差額功率為1 kW時(shí)，傳統(tǒng)下垂控制下2臺儲能鋰電池輸出功率只能均衡在0.45 kW左右，不能有效補(bǔ)償差額功率，而本研究控制下2臺儲能鋰電池輸出功率均衡在0.5 kW，能夠?qū)崿F(xiàn)差額功率的有效補(bǔ)償。

從圖11(c)直流母線受到擾動(dòng)時(shí)的仿真波形中可以看出，在功率波動(dòng)瞬間，相比傳統(tǒng)下垂控制，直流母線在所提出的控制方法下表現(xiàn)出一定的阻尼性，具有更小的超調(diào)量，且能夠補(bǔ)償下垂控制引起的母線電壓偏離。因此本研究控制提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過在下垂控制的下垂系數(shù)中引入儲能電池SOC動(dòng)態(tài)值，使負(fù)荷功率在儲能電池間動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)儲能電池輸出功率和SOC的均衡；并增加電壓二次控制和補(bǔ)償虛擬阻抗，抑制下垂控制引起的直流母線電壓偏離，改善直流變流器的動(dòng)態(tài)特性，提升直流母線電壓的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明：功率波動(dòng)時(shí)，控制策略能夠完成負(fù)荷功率在儲能電池間的均衡分配，并增強(qiáng)直流母線電壓的阻尼特性，抑制母線電壓偏離。