含分布式電源的直流微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)分析

祁佟 萬曄

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司 江蘇省淮安市 223001）

推廣新能源的應(yīng)用，能夠保證能源的可再生性，減少能源使用對環(huán)境的影響，降低能源成本等。含分布式電源的直流微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)能夠有效整合綠色能源，提升微電網(wǎng)的切換能力

1 微電網(wǎng)研發(fā)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者都在研究微電網(wǎng)。直流微電網(wǎng)包括光伏與儲能兩大部分，并通過對儲能、光伏、負載的協(xié)同工作，使其能夠在多種運行模式下進行轉(zhuǎn)換，以達到更好的節(jié)能效果。為了改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點追蹤（MPPT）的效率，可以將基于遺傳算法的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和間接自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)力風(fēng)輪葉尖速比和扭矩模式。目前國內(nèi)外對直流微網(wǎng)的研究多為建模和仿真，微源功率跟蹤，各種變換器的控制策略，微網(wǎng)的可靠性評價。

國內(nèi)很多大學(xué)和科研單位紛紛響應(yīng)國家的號召，對微電網(wǎng)進行了深入的研究。目前，國內(nèi)已開展了對直流微電網(wǎng)的研究，許多新能源研究機構(gòu)都在對其進行研究。其中包括了對直流微網(wǎng)中母線電壓的相關(guān)控制以及各種變換器的控制策略。針對HVDC，我國有關(guān)部門在借鑒國外先進思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國當(dāng)前的實際情況，進行了大量的研究和探討，形成了一套較為合理的規(guī)范。隨著這一領(lǐng)域的深入和技術(shù)的不斷完善，我們將在實現(xiàn)可持續(xù)、高效率的綠色發(fā)展的基礎(chǔ)上，在這一領(lǐng)域中將會有驕人的成就。

2 直流微電網(wǎng)電壓控制策略

2.1 主從控制

主從控制是在一個控制器中選取一個作為主要的控制器，其它的則稱為從控制器。主控制器與從控制器的通訊是利用聯(lián)絡(luò)線來實現(xiàn)的，它要對每一個電氣量都要進行監(jiān)控和分析，并下達相應(yīng)的命令來控制整個微電網(wǎng)的電壓。

各模塊均包含直流電源、變換器以及相關(guān)控制器。一般來說，控制直流母線電壓的工作都是通過第一個模塊完成，所以它被選為主要模塊；而其他輔助組件，則負責(zé)控制電流。該方法的不足之處在于，主模塊要給出一個給定的變換器電流，因此對通信系統(tǒng)的要求也很高，如果聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障，則會造成整個系統(tǒng)的癱瘓。

2.2 下垂控制

與傳統(tǒng)的主從控制器比較，為了確保電壓的穩(wěn)定，使用下垂控制的方法必須對其進行有效的調(diào)整。這個方法既要有信號的回饋，又要有電阻和電流的串行。在下垂控制中，每個微電源均為獨立的，各模塊間無通訊連接，使其可靠度得到了極大的改善。圖1為下垂控制的結(jié)構(gòu)圖。

圖1：下垂控制的結(jié)構(gòu)

圖1中，各個下垂控制器均為單一阻抗，且各模塊之間相對均等，由于不需要進行集中的控制，所以電流可以進行共享，提高了變換器控制的運行穩(wěn)定性。然而，由于下垂控制會導(dǎo)致母線電壓產(chǎn)生偏移，因此，在選擇合適的下垂系數(shù)時要考慮到電壓的改變。

3 直流微網(wǎng)各系統(tǒng)控制策略研究

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制

新的電壓采樣由光伏組件進行測試，然后再進行相關(guān)的功率分析。通過對各種的功率進行比較，得出最大功率值的最佳樣本。剩余的樣本以P 的概率被隨機剔除。然后生成一個新的隨機樣本，在此之后，對所有的樣本進行重新測量，并用J 法計算出最佳的樣本，直到全部的樣本都滿足MPP，迭代完成。特別要指出的是，在所有的采樣集都向MPP 方向收斂時，它們之間的間距接近于零，并且每個樣本的功率值相同。然而，當(dāng)周圍的環(huán)境條件發(fā)生變化時，同樣的電壓也會發(fā)生變化。針對此問題，采用閾值方法對歸一化功率進行處理。

式中s 表示迭代次數(shù)，P 表示樣本的功率值?？勺儲表示歸一化的功率容許偏差，其數(shù)值是0.1。所以，當(dāng)歸一化的功率偏差超過0.1 時，樣本將會被重新分配到PV 曲線，或者維持在MPP。

3.2 Boost變換器的控制策略

圖2展示了 Boost 變換器的光電系統(tǒng)的控制方案。模式1 是最大功率點跟蹤控制，該系統(tǒng)采用了一種布谷鳥搜索算法，它的電壓值U。模式2 是直流母線恒壓控制，也就是說，該控制系統(tǒng)的輸出電壓U維持不變。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在兩種模式下運行，分別是最大功率點跟蹤和電壓控制。一種常用的解決辦法是，在每一種運行方式中都采用一條獨立的控制回路，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制環(huán)路。系統(tǒng)在運行某一工作模式的過程中，可以比較所得電壓值和理論電壓數(shù)值U，通過PI 調(diào)節(jié)器得出調(diào)制信號U(t)，在將得到信號和等腰蘭角波U(t)的電壓進行比較，得到相應(yīng)PWM 信號，對占比進行控制。

圖2：Boost 的PWM 控制框圖

3.3 雙向DC/DC變換器的控制

DC/DC 變換器的作用是保持DC 端電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)蓄電池的具體需求，可以采用不同的充放電控制方式。該電池變換器能夠在母線控制、恒流充電控制、恒壓控制以及待機狀態(tài)下工作。

圖3是雙向DC/DC 變換器的控制框圖，在該圖中，I表示蓄電池變換器的輸出電流，U和I分別表示蓄電池的電壓和電流，d1、d3 和d4 分別表示BC、CCC 和CVC 模式下的占空比。

圖3：雙向DC/DC 變換器控制框圖

在 BC 控制模式中，PI 調(diào)節(jié)器根據(jù)V-I 的下垂特性來調(diào)整變換器的輸出電壓，它是根據(jù)基準電壓來決定的。然后得到占空比d1。此外，電流環(huán)控制電路還包含了電流的上限值I和下限I值，以防止過電流的充放電。在 CCC 控制方式下，其控制目標是保持最大的充電電流。通過 PI 電流調(diào)節(jié)器來生成占空比d3。CVC 控制模式的控制結(jié)構(gòu)類似于 BC 模式的電壓控制器，但CVC 模式的控制參數(shù)為電池的輸出電壓，BC 模式的控制參數(shù)為母線電壓。同樣地，通過PI 調(diào)節(jié)器來生成電池轉(zhuǎn)換器所需要的占空比d4。

在不同的微電網(wǎng)情況下，這些模式是按照蓄電池耦合點的直流母線電壓狀況進行控制的。正如以上所述，在具體的蓄電池充電期間，要根據(jù)SOC 值來決定是否要進行恒定充電或恒壓充電。以下是BC 模式中的下垂控制策略。

使用如圖4所示的線性下垂控制模式，以提高蓄電池的調(diào)壓性能。如圖所示，蓄電池可以在3 種不同的操作模式下工作。

圖4：蓄電池下垂特性曲線

（1）充電模式。

當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)中存在過多的功率時，會導(dǎo)致直流母線電壓的上升。如果它的數(shù)值大于U，那么電池就會進入 Buck 充電狀態(tài)。在母線電壓變成U之前，逆變器停止工作。

（2）備用模式。

當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)的功率基本均衡時，直流母線的電壓值與額定值 U相等。這個數(shù)值是很小的，在這個時候，逆變器是待機狀態(tài)的，不用工作。

（3）放電模式。

當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)中的功率不足導(dǎo)致直流母線的電壓值降低時，當(dāng)它的數(shù)值大于U時，電池就會進入Boost 放電模式。變換器在母線電壓值回到U之前停止操作。

4 直流微電網(wǎng)的層次控制

層次控制的關(guān)鍵在于將系統(tǒng)按一定的要求劃分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有對應(yīng)的控制對象。并配有中央監(jiān)控裝置，對各子系統(tǒng)進行統(tǒng)一的控制。但是，對于不同的系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的集中控制，而是采用分層控制，讓所有系統(tǒng)之間可以互相配合，從而極大地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

針對以上問題，將整個DC 微電網(wǎng)系統(tǒng)分為三個層次：總管理層、直流母線控制層和變換器控制層。

以下對各控制層的具體功能進行了詳細說明。

（1）變換器控制層。變換器控制層的功能是根據(jù)他的開關(guān)管脈沖占空比進行控制，從而有效控制輸入和輸出的電氣量。在變換器控制層中，所有的變換器都是獨立的，它可以被看作是電流源、電壓源或者功率源。因此，只要將所需的控制指令傳達給變換器，相應(yīng)的變換器就可以按照要求進行操作。

（2）直流母線控制層。各個分配的電源和儲能裝置都是由對應(yīng)的變換器和公用的直流母線相連，使得分散的小型系統(tǒng)變成了一個完整的整體。所以，一般情況下，直流微電網(wǎng)的控制目標是穩(wěn)定系統(tǒng)的工作電壓。但是，由于分布式電源的隨機性和負荷的不穩(wěn)定性等因素的存在，會對系統(tǒng)的電壓有很大的負面影響。因此，只有各單位之間的協(xié)作，才能更好地控制直流母線的電壓。

本文所述的協(xié)調(diào)控制方法，是將所檢測到的直流母線電壓作為信號，由各變頻器進行協(xié)調(diào)控制，使得各電源處于相應(yīng)的工作狀態(tài)，以保持直流母線電壓不變，從而確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

（3）總管理層。在大部分的情況下，僅僅依靠上述兩個層面的控制就能夠保證系統(tǒng)的正常工作，但是，在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，總管理層的作用是必不可少的。為了保證系統(tǒng)運行的可靠性，總管理層將通訊總線與所有變換器進行通訊，及時掌握各個變換器的運行狀況，發(fā)出相關(guān)的調(diào)度命令。

本文重點闡述了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的變換器控制層與直流母線控制層的控制策略。

4.1 變換控制層

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)里，有4 種類型的變流器，即：光伏系統(tǒng) Boost 升壓變換器，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) PWM 整流器，蓄電池雙向變換器和并網(wǎng)逆變器。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)里，有4 種類型的變換器，即：光伏系統(tǒng)Boost 升壓變換器、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)PWM 整流器、蓄電池雙向變換器、并網(wǎng)逆變器。

基于上述說明，光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost 升壓變換器一般在MPPT 工作方式下運行，并提出一種用于光伏的最大功率跟蹤的新算法——布谷鳥搜索算法，它具有較低的計算復(fù)雜度和較好的尋優(yōu)能力，能夠迅速地跟蹤光伏發(fā)電單元的最大功率。對于直流母線，在MPPT 模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠正常運行。當(dāng)輸出的功率太多時，輸出電壓可以由DC/DC 變換器的占空比的控制進行調(diào)整。

PWM 電壓型整流器被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這一過程和光伏發(fā)電系統(tǒng)相似，對于直流母線而言，風(fēng)力發(fā)電單元也可以被等效成一個電壓源。

通過對兩路Boost-BuckDC-DC 進行控制，可以實現(xiàn)蓄電池在多種工作方式下的工作，從而實現(xiàn)了電力傳輸?shù)姆较蚝凸β实淖兓?。就直流母線而言，雙向DC-DC 變換器也可以視為一種受控電壓源。

并網(wǎng)單元使用了電壓源型的逆變器，采取解耦控制。對于母線，可以把并網(wǎng)的逆變器看作是一個可控制的電壓源。

U表示電壓指令值，U表示直流母線的電壓，G(s)表示變流器動態(tài)響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

因此，對于直流母線來說，Boost 升壓變換器、PWM整流器、蓄電池雙向變流器、并網(wǎng)逆變器等都是可等效為受控電壓源。

4.2 直流母線控制層

從以上的分析可以看出，在變換器的控制層，不同的變換器具有各自的控制策略，但是在各變換器的控制中，并不能實現(xiàn)相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制。所以，在直流母線控制層中，采用了相關(guān)的控制策略，使得各單元處于各自的工作狀態(tài)，從而降低了母線電壓的波動。

在系統(tǒng)運行時，對直流母線電壓設(shè)定4 個閾值，使得各系統(tǒng)處于不同的工作狀態(tài)。

在選擇相鄰閾值時，要謹慎地選取電壓差，不能太小，避免因測量錯誤而耽誤模式與模式的轉(zhuǎn)換；同時，也不能過大，否則會引起母線的電壓劇烈變化，進而對負荷的工作造成不利的后果。其大小關(guān)系為：

其中U表示直流母線額定電壓；U和U表示直流微電網(wǎng)所允許的直流電壓的閾值；U、U表示蓄電池充放電的閾值。

至今，對于直流輸電網(wǎng)的需求，例如直流母線的最佳電壓等級和閾值，還沒有統(tǒng)一的標準。在低電壓和中壓直流微電網(wǎng)中，對不同的閾值進行了界定。由于大部分負載為恒定負載，因此無須考慮輸入電壓的改變，采用前端變換器就可以設(shè)定所需的工作電壓。在控制方面，直流母線電壓的改變可以看作是負載變換器的輸入電壓干擾。所以，在大多數(shù)負載下，電壓的改變是可以接受的。在此，將U設(shè)置為400 伏；U為1.05U，U為1.1U；而U為0.95U、U為0.9U。

該系統(tǒng)按母線電壓的大小可劃分在此為五種運行模式：

（1）模式1:U≤U≤U

系統(tǒng)孤島，為防止蓄電池在負荷和功率上出現(xiàn)細微的變動而導(dǎo)致電池充電和放電。在第一種模式中，蓄電池是在備用狀態(tài)。在該區(qū)域內(nèi)，發(fā)電站采用 MPPT 模式工作，為了得到更多的循環(huán)能源，持續(xù)提供電力。在此區(qū)域內(nèi)的電壓值是能源和負載功率之間的平衡。

（2）模式2:U≤U≤U

在系統(tǒng)孤島運行下，當(dāng)光伏和風(fēng)機所需的功率超過了負載需要的功率，直流母線電壓在此區(qū)域內(nèi)，蓄電池在充電狀態(tài)下，通過吸收過多的電能來調(diào)節(jié)母線的電壓。在第二種模式下，蓄電池的充電電流會大于最大容許的電流。為防止蓄電池過流，發(fā)電單元應(yīng)從MPPT 向恒壓模式過渡，以減少輸出功率，確保系統(tǒng)功率均衡，并使直流母線電壓得到穩(wěn)定。

（3）模式3:U≤U≤U

系統(tǒng)孤島，直流母線電壓低，表明電力不足。在三種方式中，當(dāng)電源在 MPPT 方式下運行時，電池會在放電狀態(tài)下，以彌補電能的短缺。在此模式下，在U點，蓄電池的放電速度達到最高值。

（4）模式4U≥U

當(dāng)U ≥U 時，說明發(fā)電單元輸出功率太大，導(dǎo)致直流母線電壓不斷上升，發(fā)電單元從MPPT 模式向恒壓狀態(tài)過渡。這時，蓄能裝置已超出其最大功率，并網(wǎng)裝置的直流/交流變換器轉(zhuǎn)換成逆變器，使整個系統(tǒng)并網(wǎng)。

（5）模式5:U≤U

當(dāng)U≤U時，說明系統(tǒng)功率不夠，直流母線電壓不斷下降。這時，發(fā)電單元處于MPPT 工作狀態(tài)，蓄能裝置已經(jīng)完全放電，并網(wǎng)單元DC/AC 變換器處于整流狀態(tài)，保持了系統(tǒng)的電源均衡，使系統(tǒng)能夠正常地工作。當(dāng)負載仍然無法滿足時，需要按優(yōu)先次序進行減載。

上述已詳細地描述了各個變換器的有關(guān)控制。通過將所檢測到的直流母線電壓作為信號，由各個變換器進行協(xié)同控制，保證單位都保持相應(yīng)的工作狀態(tài)，以保持直流母線的電壓不變，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

4.3 仿真驗證

在 PSCAD 的基礎(chǔ)上，建立了一個直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，以驗證本文提出的系統(tǒng)綜合控制策略的正確性。其中，直流微電網(wǎng)的母線電壓值是400V，電網(wǎng)電壓是170V，并網(wǎng)變換器的容量是4kW。以下是對各種情形進行仿真驗證。

4.3.1 并網(wǎng)運行

在初始階段，光照強度是4kW/m，風(fēng)速是6m/s，發(fā)電單元處于 MPPT 模式下運行，并將 AC/DC 負載接入，這時就會出現(xiàn)功率缺額。并網(wǎng)變換器在整流狀態(tài)。在0.3 秒時，光照強度為1 千瓦每米，風(fēng)速達到12 米每秒，直流側(cè)的電壓會出現(xiàn)小幅度地震蕩，再穩(wěn)定在400 伏，這時負載功率小于發(fā)電輸出功率，蓄電池開始充電。同時，并網(wǎng)設(shè)備處于逆變過程。在0.6 秒時，受操作影響，負載功率下降，母線中電壓逐漸上升，蓄電池開始充電：在0.9 秒時，負載1 接入系統(tǒng)，母線電壓下降，蓄電池開始放電。系統(tǒng)直流電壓逐漸趨于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

4.3.2 孤島運行

在開始階段，風(fēng)速為10 米每秒，照度為1.4 千瓦每平米，系統(tǒng)包含兩種電流負載和本地負載三方面。在0.3 秒時，電網(wǎng)發(fā)生異動，并網(wǎng)裝置被切斷，整個系統(tǒng)單獨工作，母線一側(cè)，電壓小幅度上升，蓄電池進入充電狀態(tài)，溫控變?yōu)楹銐?。要避免蓄電池深度充電，SOC 達到百分之95，蓄電池停止工作，對系統(tǒng)放電，控制變?yōu)楹銐耗Ｊ剑l(fā)電系統(tǒng)由MPPT 控制。在0.9 秒時，系統(tǒng)接入負載2，功率缺額，系統(tǒng)放電，系統(tǒng)由MPPT 控制。1.1 秒風(fēng)速為9 米每秒，光照強度為12 千瓦每平米，蓄電池放電。可見，在各模式下系統(tǒng)都能穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

綜上所述，要做好風(fēng)力發(fā)電機和太陽能光伏模型搭建工作，合適配置蓄電池，科學(xué)設(shè)定儲能電池數(shù)量，結(jié)合實踐開展微電網(wǎng)技術(shù)，切實加強微電網(wǎng)技術(shù)在含分布式電源直流應(yīng)用。