基于虛擬阻抗的二次濾波功率分頻控制方法

楊朝雯，楊國朝，劉建軍，王宏偉，白辛雨

（國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250）

隨著世界能源的日益緊缺，分布式發(fā)電成為解決能源危機(jī)的重要方法。分布式發(fā)電包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等方式，具有綠色清潔、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但同時(shí)分布式電源發(fā)出的功率也具有間歇性、隨機(jī)性以及波動(dòng)大的缺點(diǎn)[4]。為了解決上述問題，使分布式發(fā)電發(fā)出的功率滿足并網(wǎng)要求，需將分布式發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能單元通過微網(wǎng)的方式接入電網(wǎng)。

微網(wǎng)包括直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)。直流微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行依賴于直流母線電壓的穩(wěn)定。相對(duì)于交流微網(wǎng)而言，直流微網(wǎng)供電效率更高，控制更方便，運(yùn)行更穩(wěn)定[5]。但是直流微網(wǎng)的慣性較低，無法快速對(duì)母線電壓波動(dòng)進(jìn)行抑制。因此一般采用下垂控制來增大微網(wǎng)的慣性，根據(jù)儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）或微電源出力的不同改變下垂系數(shù)，從而將負(fù)載電流合理地分配給各供電單元（微電源、儲(chǔ)能裝置）。具體的下垂控制框圖如圖1所示。

圖1 直流微網(wǎng)下垂控制框圖Fig.1 The control diagram of droop control in DC microgrid

圖1中，uref為母線電壓初始給定值，io為負(fù)載電流，r為下垂系數(shù)，ubus為母線電壓值。

儲(chǔ)能單元通過電力電子變換器與直流母線相連，將下垂曲線加在變換器的閉環(huán)控制之外，作為控制外環(huán)，得到變換器母線電壓給定值uo，再進(jìn)行變換器閉環(huán)PI控制[6]。

儲(chǔ)能單元用于平抑微網(wǎng)內(nèi)的功率，實(shí)現(xiàn)功率的削峰填谷。通過引入儲(chǔ)能裝置，分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量以及可靠性得到提升，也降低了分布式發(fā)電的投資成本。

常用的儲(chǔ)能裝置包括超級(jí)電容儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能等。超級(jí)電容具有快速充放電、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，可以滿足補(bǔ)償高頻功率的需要。蓄電池具有能量密度大的特點(diǎn)，可以滿足補(bǔ)償?shù)皖l功率的需要[7-9]。超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮了功率型儲(chǔ)能與能量型儲(chǔ)能互補(bǔ)的優(yōu)勢，有效提高了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能[10-12]。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需對(duì)功率進(jìn)行分頻控制，區(qū)分高低頻功率以方便儲(chǔ)能單元進(jìn)行補(bǔ)償[13]。許多混合儲(chǔ)能控制算法基于集中控制方式的濾波器實(shí)現(xiàn)，即微網(wǎng)波動(dòng)功率被高通濾波器（high pass filter，HPF）和低通濾波器（low pass filter，LPF）分成高頻分量和低頻分量，然后分別作為超級(jí)電容控制環(huán)和蓄電池控制環(huán)的功率給定信號(hào)。然而，上述方法需要中央控制器并且對(duì)通信的要求較高，可能會(huì)造成通信延遲和通信失敗，也不利于直流微網(wǎng)的擴(kuò)展[1]。其原理圖如圖2所示。

圖2 基于集中控制方式的功率分頻控制原理框圖Fig.2 Schematic diagram of power dividing frequency control based on centralized control

圖2中，PL為負(fù)載功率，PG為分布式發(fā)電功率，PESS_ref為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償功率，PBat_ref為蓄電池低頻給定功率，PSC_ref為超級(jí)電容高頻給定功率。

為了提高直流微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，不依靠通信，僅需本地信息的分布式控制方式受到廣泛關(guān)注?；谔摂M阻抗的功率分頻控制是其中一種方式。即保證系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容具有足夠快的響應(yīng)速度，對(duì)蓄電池具有較慢的響應(yīng)速度，從而形成一個(gè)隱形的高通濾波器和一個(gè)隱形的低通濾波器，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容對(duì)高頻功率的補(bǔ)償，蓄電池對(duì)低頻功率的補(bǔ)償。蓄電池和超級(jí)電容均運(yùn)行在電壓控制模式以維持母線電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14]提出了一種分布式虛擬阻抗控制方法，HPF和LPF分別結(jié)合比例電壓控制器生成高低頻電流給定信號(hào)。文獻(xiàn)[15]提出了一種分頻協(xié)調(diào)控制策略，通過母線電壓的反饋來提取功率波動(dòng)，利用直流母線電壓環(huán)和超級(jí)電容環(huán)設(shè)置高通濾波器、帶通濾波器和低通濾波器三個(gè)隱形濾波器。其中母線功率波動(dòng)的高、中、低頻分量依次由母線電容、超級(jí)電容和蓄電池響應(yīng)。

DC-DC變換器是連接儲(chǔ)能裝置和直流母線的中介，可分為儲(chǔ)能單元單獨(dú)接入直流母線或者通過多端口的形式接入直流母線。為了便于集成控制并提高效率，可通過諧振型三端口將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流母線相連。

本文在第1節(jié)介紹了直流微網(wǎng)分層控制體系；第2節(jié)介紹了LCLC多諧振三端口變換器的工作原理以及拓?fù)涮攸c(diǎn)；第3節(jié)詳細(xì)分析了基于虛擬阻抗的二次濾波功率分頻控制方法。

1 直流微網(wǎng)分層控制體系

為了提高儲(chǔ)能單元的壽命以及經(jīng)濟(jì)性，并使混合儲(chǔ)能互補(bǔ)優(yōu)勢最大化，需對(duì)直流微網(wǎng)進(jìn)行分層控制[16-17]。根據(jù)對(duì)通信需求的不同，可分為本地信息控制和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)調(diào)控制，具體的控制框圖如圖3所示。從圖3中可以看到，直流微網(wǎng)的分層控制包括利用本地信息的底層控制以及依賴于通信協(xié)調(diào)的中層控制和頂層控制[18]。母線電壓控制用于穩(wěn)定直流母線電壓以維持直流微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[19]。負(fù)載電壓控制主要為了維持直流微網(wǎng)接入負(fù)荷的電壓穩(wěn)定。同時(shí)為了最大程度地發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，對(duì)微電源進(jìn)行最大功率 跟 蹤 控 制（maximum power point tracking，MPPT）和輸出電壓控制[20]。中層控制主要對(duì)各單元進(jìn)行功率控制和保護(hù)，包括分布式電源優(yōu)化控制和混合儲(chǔ)能優(yōu)化控制。頂層控制主要負(fù)責(zé)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

圖3 直流微網(wǎng)分層控制框圖Fig.3 The hierarchical control block diagram of DC microgrid

各單元功率控制和保護(hù)框圖如圖4所示。其中應(yīng)將分布式發(fā)電功率采用下垂控制合理分配到各分布式發(fā)電單元[21-22]。將儲(chǔ)能單元需提供的功率利用高通濾波和低通濾波的方式分為高頻功率和低頻功率，分別由超級(jí)電容和蓄電池進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)也需要對(duì)混合儲(chǔ)能單元進(jìn)行保護(hù)，防止蓄電池過充過放以及限制超級(jí)電容的最大充放電功率，以延長混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命[23]。同時(shí)為了充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的互補(bǔ)優(yōu)勢，應(yīng)使儲(chǔ)能單元之間協(xié)調(diào)配合，維持儲(chǔ)能單元SOC恒定。一般的方法是利用蓄電池維持超級(jí)電容SOC恒定，利用電網(wǎng)維持蓄電池SOC恒定[24]。

圖4 各單元功率控制與保護(hù)框圖Fig.4 The block diagram of power control and protection for each unit

2 LCLC多諧振三端口拓?fù)?/h2>

諧振型LCLC多諧振三端口拓?fù)鋄25]如圖5所示，其中 CP1，LP1，Cr1，Lr1和 CP2，LP2，Cr2，Lr2分別構(gòu)成LCLC諧振腔。

圖5 LCLC多諧振三端口拓?fù)銯ig.5 Multi-resonant LCLC three-port topology

多諧振腔阻抗為

通過合理的諧振腔參數(shù)配置，使諧振腔可以完全傳遞基波和三次諧波能量以提高變換器效率和電流利用率，對(duì)二次諧波能量完全抑制以減小諧振腔環(huán)流損耗。當(dāng)諧振腔電流頻率分別為ωr，2ωr，3ωr時(shí)的諧振腔阻抗Z1，Z2，Z3分別為

令Z1=Z3=0，Z2=∞，可得諧振腔參數(shù)之間的關(guān)系為

諧振腔電流仿真波形如圖6所示，由于諧振腔傳遞了基波和三次諧波能量，諧振腔電流ir為馬鞍波。可見通過合理的諧振腔參數(shù)配置可以提高LCLC多諧振三端口的電流利用率。

圖6 諧振腔電流仿真波形Fig.6 Simulation waveform of resonant current

3 基于虛擬阻抗的二次濾波功率分頻控制方法

將混合儲(chǔ)能提供的功率進(jìn)行分頻控制，超級(jí)電容補(bǔ)償高頻功率，蓄電池補(bǔ)償?shù)皖l功率。本文提出了一種基于虛擬阻抗的二次濾波功率分頻控制方法，控制框圖如圖7所示。

圖7中，uob為蓄電池端口控制環(huán)路輸出值，uoc為超級(jí)電容端口控制環(huán)路輸出值，r為蓄電池內(nèi)阻。C與L分別為虛擬電容和虛擬電感，R為虛擬電阻。ibat為蓄電池輸出電流，isc為超級(jí)電容輸出電流，uoc1為超級(jí)電容控制環(huán)母線電壓給定值，uob1為蓄電池控制環(huán)母線電壓給定值。

圖7 基于二次濾波控制方法的LCLC多諧振三端口原理圖Fig.7 The schematic diagram of LCLC multi-resonant three-port converter based on the second order filtering control

在蓄電池端口的控制環(huán)路中包含虛擬電感-電阻控制環(huán)以及母線電壓下垂控制環(huán)。其中，虛擬電感-電阻控制環(huán)用于提取蓄電池電流ibat中的高頻分量，作為負(fù)反饋信號(hào)加入到母線電壓控制環(huán)中：

同理，在超級(jí)電容端口的控制環(huán)路中包含虛擬電容控制環(huán)以及母線電壓下垂控制環(huán)。其中，虛擬電容控制環(huán)用于提取超級(jí)電容電流isc中的低頻分量，作為負(fù)反饋信號(hào)加入到母線電壓控制環(huán)中：

當(dāng)母線電壓穩(wěn)定時(shí)：

為了進(jìn)一步分析，根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，建立圖7的等效電路圖，如圖8所示。圖8中UR=io（RL+r），iEss=ibat+isc，其中RL為負(fù)載電阻。

圖8 基于虛擬阻抗的二次濾波控制等效電路Fig.8 The equivalent circuit of second order filtering control based on virtual impedance

根據(jù)電路原理可得：

Za與Zb的頻率特性如圖9所示?？梢奪a為高通濾波器，Zb為低通濾波器。超級(jí)電容和蓄電池分別補(bǔ)償功率波動(dòng)的高頻分量和低頻分量，實(shí)現(xiàn)了混合儲(chǔ)能對(duì)不同頻段功率的補(bǔ)償。

圖9 Za與Zb的頻率特性Fig.9 The frequency characteristics of Zaand Zb

4 結(jié)論

本文針對(duì)直流微網(wǎng)的應(yīng)用，首先闡述了直流微網(wǎng)分層控制體系，同時(shí)采用LCLC多諧振三端口拓?fù)鋵⒒旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)接入直流母線，并說明了通過合理的參數(shù)配置可以使三端口傳遞基波和三次諧波能量，提高電流利用率和效率。最后詳細(xì)分析了所提到的虛擬阻抗二次濾波功率分頻控制方法，實(shí)現(xiàn)了混合儲(chǔ)能對(duì)不同頻段功率的補(bǔ)償。