直流微電網(wǎng)儲能變流器動態(tài)下垂控制研究

胡慧欣

摘要：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，各分布式發(fā)電單元和負荷都通過直流變流器接入其中。負荷功率在微電源之間的合理分配以及良好的電壓質(zhì)量是整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的重要研究目標。為了實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，需要根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)中不同單元的運行狀況，制定相應(yīng)的能量管理策略。直流微電網(wǎng)中各個設(shè)備的控制都是通過控制直流變流器來實現(xiàn)的，其控制手段多種多樣，其中可實現(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，再進行電壓電流雙閉環(huán)控制，達到控制目的。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng);變流器;下垂控制

引言

為了有效提升分布式發(fā)電單元接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量和新能源利用率，美國電力可靠性解決方案協(xié)會（CERTS）在2002年提出將分布式電源、儲能系統(tǒng)、換流器和負荷組合成一個微電網(wǎng)（MG）的概念。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)沒有無功功率、相位差、諧波電壓等問題，且由于系統(tǒng)中大部分分布式電源和負荷為直流形式，網(wǎng)絡(luò)采用直流結(jié)構(gòu)減少了很多電力電子設(shè)備成本。因此，關(guān)于直流微電網(wǎng)的研究得到了越來越多的關(guān)注。

1直流微電網(wǎng)的下垂控制分析

對于功率單元采用下垂控制的微電網(wǎng)而言，其簡化模型如圖1所示，DG通過升壓型單向功率變換器（Boost變換器）接入直流母線，負荷通過降壓型單向變換器接入直流母線。圖中，Ln、Cn分別為功率單元n的Boost變換器的電感、電容（n∈N?，N?={1，2，…，N}為采用下垂控制的功率單元集合，N為功率單元的數(shù)量）;rn、Lr，n分別為功率單元n連接至直流母線的線路電阻、等值電感;In為功率單元n的輸出電流;Idc為負荷電流;Req、Leq分別為直流母線負荷等效電阻、電感;LR、CR分別為降壓型單向變換器的等值電感、穩(wěn)壓電容。

采用U-I下垂控制的功率單元的輸出特性可表示為：Un=Un，ref-knIn（1）其中，Un為功率單元n變換器出口處的電壓;Un，ref為功率單元n下垂控制的電壓參考值;kn為功率單元n的下垂系數(shù)。穩(wěn)態(tài)運行時的功率單元可等效為一個理想電壓源與一個電阻串聯(lián)，如圖2所示。圖中，Udc為直流母線電壓。

2基于下垂控制的電壓控制策略

2.1直流微電網(wǎng)設(shè)備級控制

設(shè)備級控制中，微電網(wǎng)內(nèi)部在電網(wǎng)單元出力未達功率上限時由電網(wǎng)單元平衡負荷變動，在其功率超出限值之后由儲能單元作為微電網(wǎng)內(nèi)部平衡單元發(fā)出或吸收多余功率。其中并網(wǎng)單元選用電壓型脈寬調(diào)制（PWM）變流器連接交流電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。并網(wǎng)換流器采用定功率控制，通過微電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度平衡內(nèi)部負荷波動，其外環(huán)控制由系統(tǒng)調(diào)度給出功率參考值，通過電壓換算得到電流d軸分量參考值，電流q軸分量參考值為0;內(nèi)環(huán)控制采用PI控制器，使實際d軸電流與q軸電流跟蹤外環(huán)電流參考值。

2.2母線電壓二次補償控制

本文提出的控制策略是在根據(jù)下垂控制原理改進得到的，因此在系統(tǒng)功率波動時會帶來直流側(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償二次控制來提高母線電壓的穩(wěn)定性。具體而言，電壓補償二次控制是通過PI控制器將直流母線電壓輸出的補償量疊加至各底層控制器的直流母線電壓參考值上，實現(xiàn)對母線電壓偏差的補償?？刂瓶驁D如圖4所示。加入母線電壓二次補償控制之后得到儲能變流器動態(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，控制各個變流器的輸出功率。

2.3參數(shù)整定

對于二次電壓控制的參數(shù)整定而言，首先需明確功率單元集合及各功率單元的參與度，即參與二次電壓控制的功率單元及其具體的調(diào)節(jié)量。功率單元集合的確定需考慮DG單元的容量限制、DG單元發(fā)生故障、線路容量限制等因素。在每一輪的二次電壓控制中，若根據(jù)初步設(shè)定的負荷分配系數(shù)預(yù)估的功率大于功率單元的額定功率，表明該運行狀態(tài)下不能達到預(yù)期的負荷分配效果，需將該功率單元的功率整定為額定功率，并將其從功率單元集合中刪除;在新的功率單元集合中重新設(shè)置負荷分配系數(shù)，直至完成當前負荷分配。

2.4電壓二次補償控制分析

母線電壓二次控制通過在控制外環(huán)增加電壓PI控制器來實現(xiàn)，主要用來補償下垂控制引起的母線電壓偏離。開啟電壓二次補償控制后，母線電壓能夠恢復到參考電壓。其中，ki主要影響母線電壓的暫態(tài)特性，ki越大母線電壓恢復至參考值的時間越短，暫態(tài)時間越短，但過大易引起電壓突變，不利于母線電壓恢復;kp主要影響母線電壓的振蕩幅值，kp過大母線波動越強，過小母線動態(tài)特性則會較差。kp和ki的取值應(yīng)根據(jù)母線電壓要求進行取值，本研究kp和ki分別取0.9、10。

2.5直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制

在設(shè)備級控制中，為了自動實現(xiàn)功率分配，直流電壓控制單元往往采用下垂控制，但是由于下垂控制屬于一次控制，會造成直流母線電壓偏差，影響電壓質(zhì)量，因此在系統(tǒng)級控制中可以對電壓進行二次控制，從而提升電壓水平。此外，為了控制微電網(wǎng)間功率流動，在系統(tǒng)級控制中還應(yīng)考慮對聯(lián)絡(luò)線功率的控制。在直流微電網(wǎng)集群控制中，各子微電網(wǎng)需要通過二次控制來消除由下垂控制導致的子微電網(wǎng)母線電壓跌落問題，但微電網(wǎng)間有功率傳輸時無法保證所有微電網(wǎng)母線電壓控制在額定值。因此，本文利用基于一致性算法的電壓觀測器計算集群內(nèi)各母線電壓的平均值，控制其穩(wěn)定在額定電壓附近。

2.6聯(lián)絡(luò)線功率控制策略

在上述聯(lián)絡(luò)線功率控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。通過功率控制期望達到的目的是：在各微電網(wǎng)內(nèi)部電源出力能夠滿足負荷需求時，各微電網(wǎng)獨立運行;當某些微電網(wǎng)內(nèi)部電源充裕而無法消納或電源不足而無法滿足負荷需求時，若其余微電網(wǎng)有能力提供功率支持，則調(diào)整聯(lián)絡(luò)線功率值，由集群功率單元吸收過剩功率或發(fā)出不足功率。因此，需根據(jù)集群的不同運行場景制定不同的聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。

結(jié)束語

本文對直流微電網(wǎng)的電壓控制策略進行了研究，提出了基于動態(tài)負荷分配的二次電壓控制策略，可實現(xiàn)直流母線電壓的快速調(diào)節(jié)及動態(tài)負荷分配。所提控制策略在較寬的范圍內(nèi)設(shè)置下垂系數(shù)，不受變換器容量配比約束，從而增加了系統(tǒng)運行的靈活性.通過在下垂控制的下垂系數(shù)中引入儲能電池SOC動態(tài)值，使負荷功率在儲能電池間動態(tài)分配，實現(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：功率波動時，控制策略能夠完成負荷功率在儲能電池間的均衡分配，并增強直流母線電壓的阻尼特性，抑制母線電壓偏離。

參考文獻

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