基于母線電壓分層的直流微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

林其友，蔣文良，李媛媛，汪冬冬，牟思南

(1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000；2. 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；3. 中國城市能源變革產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，北京 100123)

0 引言

以光伏發(fā)電(photovoltaic，PV)作為主要能量來源的直流微網(wǎng)往往會(huì)受到環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度等因素影響[1-4]，加之直流微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致母線電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[5-7]。

在直流微網(wǎng)中，通常使用母線電壓來衡量系統(tǒng)內(nèi)功率是否平衡[8-10]，文獻(xiàn)[11-16]提出了以分層控制為基礎(chǔ)的基于母線電壓信號(hào)（DC bus voltage signaling，DBS）的控制策略，利用能量調(diào)度實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化。文獻(xiàn)[17]用DBS作為區(qū)分表征系統(tǒng)多種運(yùn)行模態(tài)的信息載體，并定義不同接口變換器的工作方式。文獻(xiàn)[18]利用DBS定義系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上將系統(tǒng)狀態(tài)之間的切換與DBS的變化一一對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)[19]將母線電壓分為4個(gè)層級(jí)，分布式電源（distributed generation，DG）[20]、儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）[21]、并網(wǎng)變換器以及次要負(fù)荷等單元協(xié)調(diào)運(yùn)行以維持母線電壓平穩(wěn)。

本文以直流微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，并在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中提出一種基于母線電壓分層的協(xié)調(diào)控制策略。將母線電壓分為5個(gè)層級(jí)，研究每個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)工作模式下各分布式單元運(yùn)行方式，并對(duì)所連接的變換器進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)，兼顧系統(tǒng)離/并網(wǎng)運(yùn)行，共同維護(hù)直流微網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定。

1 母線電壓分層控制及運(yùn)行模式分析

1.1 母線電壓分層控制策略

微網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要包括光伏電池及其升壓變換器、超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能單元、交流電網(wǎng)單元及其雙向DC/AC變換器以及可控直流負(fù)載單元等裝置，如圖1所示。將母線電壓分為5個(gè)層級(jí)以使系統(tǒng)中各單元之間協(xié)調(diào)運(yùn)行。5個(gè)層級(jí)分別對(duì)應(yīng)著各微網(wǎng)電源變換器的5種工作模式，當(dāng)某一電壓層級(jí)下的電壓無法穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)將改變層級(jí)，變換到不同的工作模式。由系統(tǒng)中指定類型單元穩(wěn)定該層級(jí)電壓，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)分布式單元在不同電壓層級(jí)下的協(xié)調(diào)控制方案。

圖1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of DC micro grid

將母線電壓分層控制與微電網(wǎng)離/并網(wǎng)切換控制相結(jié)合，使得系統(tǒng)可以在失穩(wěn)情況下切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式從而依靠大電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的安全可靠性。

系統(tǒng)在各種模式下運(yùn)行都應(yīng)使各單元之間能量供需平衡。能量平衡關(guān)系為

式中：PDG（t）為分布式單元發(fā)電功率；PBE（t）為混合儲(chǔ)能單元的蓄電池部分充放電功率；PSC（t）為混合儲(chǔ)能單元的超級(jí)電容部分充放電功率；PGCC（t）為并網(wǎng)變換器發(fā)出或吸收功率；PLoad（t）為負(fù)載消耗功率；t為系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間。

1.2 運(yùn)行模式分析

圖2 各模式下不同單元控制策略Fig. 2 Control strategy of different units in each mode

5種模式下的轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，如表1所示。PV單元可在恒壓下垂?fàn)顟B(tài)或最大功率點(diǎn)追蹤算法（maximum power point tracking，MPPT）[22]狀態(tài)。

表1 不同模式下各變換器運(yùn)行狀態(tài)Table 1 Operation status of each converter in different modes

工作模式Ⅰ。該模式下母線電壓最高，PV單元工作在恒壓下垂?fàn)顟B(tài)且發(fā)電量充足。PV單元變換器通過犧牲輸出功率的方式來維持母線電壓穩(wěn)定；當(dāng)儲(chǔ)能單元的剩余電量（state of charge，SOC）達(dá)到臨界值后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。各單元功率平衡條件為

式中：PPV（t）為PV發(fā)電功率。

工作模式Ⅱ。該模式下母線電壓高于額定值，PV變換器工作在MPPT狀態(tài)且發(fā)電量充足，將剩余能量通過GCC輸送到大電網(wǎng)，各單元功率平衡條件為

工作模式Ⅲ。該模式下PV單元發(fā)電量保持恒定，直流母線電壓略高于額定值。負(fù)荷變化影響并網(wǎng)變換器的工作狀態(tài)，當(dāng)工作狀態(tài)為待機(jī)模式時(shí)，母線電壓穩(wěn)定就依賴于混合儲(chǔ)能單元放電。各單元功率平衡條件為

工作模式Ⅳ。該模式下直流母線電壓略低于額定值，PV單元發(fā)電量不足；混合儲(chǔ)能單元工作于下垂放電模式以彌補(bǔ)PV單元供能的不足，并網(wǎng)變換器工作于待機(jī)狀態(tài)。各單元功率平衡條件為

工作模式Ⅴ。該模式下直流母線電壓低于額定值，負(fù)載需求不能得到滿足；通過整流的方式將交流電網(wǎng)的能量輸送到直流微網(wǎng)系統(tǒng)從而來維持母線電壓穩(wěn)定。各單元功率平衡條件為

2 分布式單元接口變換器控制策略

2.1 PV單元變換器控制策略

當(dāng)PV單元發(fā)電能滿足負(fù)荷、儲(chǔ)能及并網(wǎng)限制功率需求時(shí)，變換器的工作模式是恒壓下垂模式，除此之外的工作模式是MPPT模式[23]。PV變換器控制模塊，如圖3所示。

圖3 PV變換器控制Fig. 3 PV converter control

2.2 混合儲(chǔ)能單元變換器控制策略

本文采用的儲(chǔ)能方式是利用靜電荷存儲(chǔ)能量的超級(jí)電容和蓄電池相混合進(jìn)行儲(chǔ)能[24]，能夠快速地應(yīng)對(duì)負(fù)載方面的突發(fā)狀況。

（1）蓄電池接口變換器控制策略。恒壓下垂充放電控制、恒流充放電控制以及SOC管理模塊共同組成了混合儲(chǔ)能單元的蓄電池模塊。變換器控制策略，如圖4所示。其中，UBE和iBE分別為蓄電池單元實(shí)際電壓值和電流值。

圖4 蓄電池接口變換器控制策略Fig. 4 Battery interface converter control strategy

在圖4中K為下垂參數(shù)。參考母線電壓有5個(gè)層級(jí)，選取400 V作為蓄電池輸出電壓的參考值UBERef，當(dāng)直流母線電壓的實(shí)際值等于參考值時(shí)，在下垂控制的作用下，此時(shí)蓄電池單元產(chǎn)生電流值就是參考電流值iBERef。

（2）超級(jí)電容接口變換器控制策略。超級(jí)電容[25]可以彌補(bǔ)蓄電池在瞬時(shí)能量補(bǔ)充的不足?？刂撇呗?，如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容接口變換器控制策略Fig. 5 Control strategy for ultracapacitor interface converter

在圖5中，UBusRef為直流微網(wǎng)母線電壓額定值。直流母線電壓的實(shí)際值是控制超級(jí)電容充放電的關(guān)鍵。利用下垂控制改變實(shí)際的母線電壓得到混合后的儲(chǔ)能模塊電流參考值iRef，再通過SOC管理模塊得到給定的電流值。最后為了超級(jí)電容能夠按照設(shè)定好的控制策略工作，在變換器的開關(guān)管中輸入超級(jí)電容生成的控制信號(hào)。

2.3 并網(wǎng)變換器控制策略

并網(wǎng)部分的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。LC濾波器將DC/AC變換器與大電網(wǎng)相連，整體再與直流微網(wǎng)母線相連。

圖6 并網(wǎng)部分及其控制結(jié)構(gòu)Fig. 6 Grid connection part and its control structure

在圖6中，并網(wǎng)接口變換器（grid-connected interface converter，GCC）控制策略首先通過Park變換將交流電網(wǎng)的采樣電壓和采樣電流變換成d、q軸的電壓電流值，然后在GCC控制器中輸入與交流電網(wǎng)相同的相位，得到準(zhǔn)確的SPWM調(diào)制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)與開關(guān)管對(duì)號(hào)入座進(jìn)行輸入，從而保證設(shè)計(jì)的控制策略能夠發(fā)揮作用[26]。

3 仿真結(jié)果及分析

表2 直流微網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of DC microgrid system

（1）直流微網(wǎng)處于離網(wǎng)模式，系統(tǒng)在模式Ⅲ和模式Ⅳ下運(yùn)行控制。在外界環(huán)境溫度T保持恒定的情況下，變化的光照強(qiáng)度S會(huì)影響PV發(fā)電并進(jìn)一步對(duì)直流微網(wǎng)產(chǎn)生影響。當(dāng)外界環(huán)境溫度T恒定為25℃時(shí)，仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7 相同溫度不同光照對(duì)直流微網(wǎng)的影響Fig. 7 Influence of the same temperature and different lighting on the DC microgrid

由圖7的仿真實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)外部環(huán)境溫度恒定在25℃時(shí)，光照強(qiáng)度與PV單元最大輸出功率呈正比例增長關(guān)系；在離網(wǎng)狀態(tài)下，可以通過運(yùn)行模式Ⅲ和Ⅳ使系統(tǒng)內(nèi)部分布式單元協(xié)調(diào)控制和母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行來解決由于光照強(qiáng)度導(dǎo)致的PV輸出功率變化。

（2）直流微網(wǎng)處于離網(wǎng)模式，系統(tǒng)在模式Ⅲ和模式Ⅳ下運(yùn)行控制。在光照強(qiáng)度S不變的條件下，變化的外界環(huán)境溫度T會(huì)使PV發(fā)電產(chǎn)生變化并對(duì)直流微網(wǎng)產(chǎn)生影響。當(dāng)光照強(qiáng)度S保持在1 000 W/m2并恒定不變時(shí)，仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 相同光照不同溫度對(duì)直流微網(wǎng)的影響Fig. 8 Influence of the same lighting and different temperature on the DC microgrid

由圖8仿真實(shí)驗(yàn)，可知：當(dāng)外界光照強(qiáng)度S保持在1 000 W/m2并恒定不變時(shí)，外界環(huán)境溫度T與PV單元最大輸出功率增長的趨勢(shì)相同。相比較而言，關(guān)于PV最大輸出功率，溫度的影響要遠(yuǎn)小于光照強(qiáng)度；在離網(wǎng)運(yùn)行的過程中，模式Ⅲ和Ⅳ可以通過系統(tǒng)內(nèi)部分布式單元協(xié)調(diào)控制和母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行來解決由于外界環(huán)境溫度導(dǎo)致的PV輸出功率變化。

（3）直流微網(wǎng)處于并網(wǎng)模式，系統(tǒng)運(yùn)行在5個(gè)模式中進(jìn)行控制。直流微網(wǎng)母線電壓及各單元功率變化情況，如圖9所示。由圖9可知，本文所提的控制策略可以在任何母線電壓層級(jí)下協(xié)調(diào)微網(wǎng)內(nèi)部單元之間的功率交換來維持母線電壓的穩(wěn)定，確保直流微網(wǎng)的安全可靠性。

圖9 直流微網(wǎng)母線電壓及各單元功率變化情況Fig. 9 Variation of bus voltage and power of each unit in DC micro grid

4 結(jié)語

本文主要研究直流微網(wǎng)中基于母線電壓分層的分布式單元協(xié)調(diào)控制策略。首先分析了母線電壓分層控制策略，將母線電壓劃分為5個(gè)層級(jí)，并詳細(xì)分析了不同層級(jí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式。針對(duì)不同層級(jí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式，研究分布式單元運(yùn)行方式及其控制策略，并對(duì)其所連接的變換器都進(jìn)行了控制策略的設(shè)計(jì)。最后通過離網(wǎng)和并網(wǎng)情況下的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制策略在環(huán)境因素變化導(dǎo)致光伏發(fā)電波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)的情況下對(duì)抑制系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)的有效性。