兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)

摘 要：該文主要探究兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)，旨在提升直流配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性。以直流配電系統(tǒng)中的并網(wǎng)接口作為控制對(duì)象，在并網(wǎng)接口中設(shè)計(jì)三相VSC變換器和DC/DC變換器，均采用電流與電壓的雙閉環(huán)控制策略。在交流負(fù)載側(cè)采用恒壓恒頻控制，滿足直流配電網(wǎng)向交流電網(wǎng)供電的需要。仿真結(jié)果表明，并網(wǎng)接口的VSC變換器和DC/DC變換器直流側(cè)輸出電壓在啟動(dòng)1.5 s后達(dá)到設(shè)定值并且維持穩(wěn)定，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好；交流負(fù)載側(cè)電壓的幅值和頻率恒定，穩(wěn)定輸出220 V交流電壓，保證直流配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：兼容分布式電源；直流配電系統(tǒng)；變換器；并網(wǎng)接口；控制模塊

中圖分類號(hào)：TM721.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0178-04

Abstract： This paper mainly explores the operation control technology of DC distribution system compatible with distributed power supply， in order to improve the voltage stability and operation reliability of DC distribution network. Taking the grid-connected interface of DC distribution system as the control object， three-phase VSC converter and DC/DC converter are designed in the grid-connected interface， both of which adopt the double closed-loop control strategy of current and voltage. Constant voltage and constant frequency control is adopted on the AC load side to meet the needs of DC distribution network to supply power to AC network. The simulation results show that the DC-side output voltage of VSC converter and DC/DC converter with grid-connected interface reaches the set value and remains stable after 1.5s start-up， and the dynamic response performance of the system is good; the amplitude and frequency of AC load side voltage are constant， and the output voltage of 220V AC is stable， which ensures the reliable operation of DC distribution system.

Keywords： compatible distributed power supply; DC distribution system; converter; grid-connected interface; control module

現(xiàn)階段技術(shù)較為成熟的分布式電源有光伏電池、燃料電池、風(fēng)力機(jī)等，分布式電源產(chǎn)生的直流電可以直接并入直流配電網(wǎng)，省去了換流步驟，簡化了直流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，直流配電系統(tǒng)具有更高的供電可靠性、更低的線路損耗、更便捷的分布式電源接入方式等特點(diǎn)，因此兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)得到了廣泛運(yùn)用。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免因?yàn)榉植际诫娫吹牟▌?dòng)而引起直流母線電壓閃變、跌落等情況，必須要對(duì)直流配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)行模式，探究其運(yùn)行控制策略對(duì)保障直流配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行、維護(hù)電網(wǎng)公司經(jīng)濟(jì)利益有積極幫助。

1 直流配電系統(tǒng)及其各單元控制模式

1.1 直流配電系統(tǒng)控制模塊

為保證直流母線電壓穩(wěn)定在安全區(qū)間，需要對(duì)直流配電系統(tǒng)進(jìn)行有效控制?？蛇x擇的控制對(duì)象有若干種，如并網(wǎng)接口交流器以及負(fù)載側(cè)變換器等。其中，并網(wǎng)接口可以在直流配電網(wǎng)的電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，起到緩解用戶側(cè)電壓陡升或驟降的作用，從而避免用戶側(cè)電氣設(shè)備因?yàn)殡妷翰▌?dòng)而遭受損失；負(fù)載側(cè)變換器則是在電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)小范圍突變后自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)電壓，避免電壓波動(dòng)對(duì)直流母線側(cè)電壓產(chǎn)生不良影響。直流配電系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

由圖1可知，該直流配電系統(tǒng)可以兼容光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池3種分布式電源。通過分布式電源發(fā)電容量PDG以及負(fù)荷側(cè)用電情況PLOAD判斷VSC（電壓源換流器）和DC/DC（直流-直流變換器）的運(yùn)行工況。如果存在PDG＞PLOAD，此時(shí)VSC處于逆變狀態(tài)，DC/DC置于Boost模式（升壓模式），將多余的電量經(jīng)并網(wǎng)接口傳輸給交流主網(wǎng)，即直流配電網(wǎng)向交流電網(wǎng)供電；反之，如果存在PDG＜PLOAD，此時(shí)VSC處在整流狀態(tài)，DC/DC置于Buck模式（降壓模式），由交流電網(wǎng)向直流配電網(wǎng)供電[1]。

1.2 直流配電系統(tǒng)并網(wǎng)接口模塊

1.2.1 三相VSC變換器

在直流配電系統(tǒng)中，并網(wǎng)接口選用VSR（電壓型PWM整流器），其特點(diǎn)是將電容作為儲(chǔ)能元件，從而使VSR的直流輸出側(cè)呈現(xiàn)出低阻抗的電壓源特性。三相VSR采用三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2中，Usa、Usb、Usc表示三相電壓，ia、ib、ic表示三相電流，R表示三相濾波電阻，L表示三相濾波電感，6個(gè)全控器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）采用對(duì)稱并聯(lián)方式連接，idc和Udc分別表示直流側(cè)的電流和電壓。當(dāng)VSR正常運(yùn)行時(shí)，從交流側(cè)流向整流橋的能量會(huì)存儲(chǔ)到網(wǎng)側(cè)濾波電感上，然后進(jìn)行PWM整流。電感值對(duì)直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行有明顯影響，增大電感能夠減少輸入側(cè)電流中高次諧波的含量，從而提高電能質(zhì)量；但是電感太大又會(huì)導(dǎo)致直流配電系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)直流配電網(wǎng)的額定電壓確定電感值。

在控制策略上，三相VSR采用由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的“雙閉環(huán)”控制，電壓外環(huán)上的PWM整流器可以跟蹤直流側(cè)電壓的給定值，靈活調(diào)節(jié)實(shí)際輸出電壓值，保證實(shí)際值與給定值之間的誤差在±5 V以內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)壓的目的；電流內(nèi)環(huán)上設(shè)置了交流側(cè)電流反饋，進(jìn)一步增強(qiáng)了整流器網(wǎng)側(cè)電流的響應(yīng)速度，提升電流控制的魯棒性，從而使直流配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到了加強(qiáng)[2]。

1.2.2 DC/DC變換器

并網(wǎng)接口中的DC/DC變換器，可以把一種直流電源轉(zhuǎn)變成另一種幅值不同、極性不同的直流電源，具體又可分為Boost變換器（升壓型）、Buck變換器（降壓型）以及雙向變換器等類型。鑒于直流配電系統(tǒng)的并網(wǎng)接口處，存在能量雙向流動(dòng)的特性，因此本文在設(shè)計(jì)中選擇了雙向DC/DC變換器，該器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，U1側(cè)為高壓側(cè)，與VSC直流端相連；Udc側(cè)為低壓側(cè)，輸出電壓為直流母線電壓；開關(guān)S1和二極管D1、開關(guān)S2和二極管D1分別組成2個(gè)IGBT器件。當(dāng)S1閉合、S2斷開時(shí)，能量流動(dòng)方向?yàn)閁1→Udc，此時(shí)為Buck變換器模式，即交流電網(wǎng)向直流配電系統(tǒng)供電；反之，當(dāng)S1斷開、S2閉合時(shí)，能量流動(dòng)方向?yàn)閁dc→U1，此時(shí)為Boost變換器模式，即直流配電系統(tǒng)向交流電網(wǎng)供電。需要注意的是，無論直流配電系統(tǒng)處于哪種工作狀態(tài)，電壓U0的波形始終為正，而電感電流iL的方向受到U0和Udc差值的影響，若U0-Udc的值為正，則iL的方向?yàn)檎粗怼?/p>

在控制策略上，針對(duì)傳統(tǒng)單環(huán)控制存在的響應(yīng)速度慢等問題，在原來電壓反饋的基礎(chǔ)上引入電流反饋，形成由電流控制和電壓控制相結(jié)合的“雙環(huán)”控制模式[3]。其中，電流控制用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并靈活調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的最大電流值，電壓控制則是對(duì)比輸出電壓與參考電壓的差值，由PI控制器根據(jù)差值輸出一個(gè)PWM電壓控制信號(hào)，從而使輸出電壓始終等于或接近參考電壓。

1.3 直流配電系統(tǒng)負(fù)載側(cè)控制模塊

負(fù)載側(cè)變換器作為直流配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，可用于保證母線側(cè)電壓不受負(fù)荷側(cè)電壓的波動(dòng)影響。為了滿足直流配電系統(tǒng)向交流電網(wǎng)供電的需要，本文設(shè)計(jì)了交流負(fù)載側(cè)單向DC/AC逆變器，支持自定義輸出電壓的幅值和頻率，并基于電流、電壓雙環(huán)控制策略，保證輸出恒壓、恒頻的工頻交流電壓。這樣既可以滿足向交流負(fù)載側(cè)供電的需要，同時(shí)又能提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。交流負(fù)載側(cè)的恒壓恒頻（V/F）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)首先對(duì)比設(shè)定的參考電壓Vref與采樣得到的輸出電壓V0，將兩者的誤差信號(hào)Ve發(fā)送到電壓環(huán)控制器上。經(jīng)過處理后，控制器輸出電流環(huán)的參考電流iref，同時(shí)采集逆變器的電感電流iL，按照同樣的方法得到誤差信號(hào)ie，并將其發(fā)送到電流環(huán)控制器。經(jīng)過處理后，控制器輸出逆變器SPWM控制信號(hào)。在該信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，IGBT輸出工頻正弦電壓。在保證逆變器輸出電壓穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)加強(qiáng)電流環(huán)，將會(huì)使直流配電系統(tǒng)的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到明顯提升[4]。

2 直流配電系統(tǒng)運(yùn)行控制仿真分析

為驗(yàn)證兼容分布式電源的直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行控制效果，基于Matlab軟件進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。將系統(tǒng)直流母線電壓設(shè)定崗位DC380 V，模擬為4個(gè)居民樓用戶供電。用戶側(cè)的分布式電源有3種，分別是光伏電池、儲(chǔ)能電池、小型風(fēng)機(jī)，分布式電源相互獨(dú)立，各臺(tái)分布式電源與交流器采用一對(duì)一的方式連接后接入直流配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。為滿足用戶的用電需要，將直流配電系統(tǒng)負(fù)荷的總?cè)萘看_定為300 kW。另外，選擇4個(gè)相同的100 kW變流器作為并網(wǎng)接口，3主1備，任意一臺(tái)主變流器發(fā)生故障后，備用變流器自動(dòng)投切使用，保證直流配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.1 并網(wǎng)接口模塊仿真

基于上述直流配電系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證并網(wǎng)接口模塊的功能實(shí)現(xiàn)情況。仿真參數(shù)設(shè)定如下。

交流側(cè)輸入電壓為380 V。

VSC直流側(cè)輸出電壓為800 V。

交流側(cè)輸如電感為5 mH。

VSC直流側(cè)電容為20 mF。

DC/DC直流側(cè)輸出電壓為380 V。

DC/DC側(cè)輸入電感為1 mH。

DC/DC直流側(cè)電容為100 mF。

設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)后，觀察VSC和DC/DC直流側(cè)的輸出電壓波形，如圖5所示。

由圖5可知，在直流配電系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，VSC直流側(cè)輸出電壓和DC/DC直流側(cè)輸出電壓快速升高，大約在1.5 s后穩(wěn)定在設(shè)定的800 V和380 V。該直流配電系統(tǒng)只需要1.5 s的響應(yīng)時(shí)間即可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較好。

2.2 負(fù)載DC/AC模塊仿真

直流配電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間進(jìn)行雙向能量傳遞，本文設(shè)計(jì)的直流配電系統(tǒng)中加入了單向的DC/AC逆變器，確保在直流配電系統(tǒng)向交流電網(wǎng)供電時(shí)，能夠輸出一個(gè)恒壓恒頻的電壓[5]。為了驗(yàn)證這一功能，對(duì)負(fù)載DC/AC模塊進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。采用電壓和電流雙環(huán)控制方式，仿真參數(shù)設(shè)定如下。

直流母線電壓為380 V。

負(fù)載側(cè)電壓為220 V。

開關(guān)頻率為100 kHz。

濾波電感為20 mH。

濾波電容為100 mF。

開關(guān)管類型為IGBT。

負(fù)載側(cè)電壓波形如圖6所示。

由圖6可知，交流負(fù)載側(cè)電壓波形的幅值和頻率恒定，并且實(shí)際電壓值與設(shè)定值相同（220 V），說明本文設(shè)計(jì)的直流配電系統(tǒng)在加入了單向DC/AC逆變器后，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓恒頻控制。

3 結(jié)束語

隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的成熟，基于分布式電源的直流配電系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。如何保證直流配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的雙向能量交換，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在直流配電系統(tǒng)中加入基于VSC變換器和DC/DC變換器的并網(wǎng)接口，在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時(shí)，還能減少電壓波動(dòng)，提高了電能質(zhì)量。同時(shí)，在交流負(fù)載側(cè)采取DC/AC恒壓恒頻控制策略，能夠保證直流配電系統(tǒng)向交流電網(wǎng)穩(wěn)定供電，進(jìn)一步提高了風(fēng)能、光能等新能源的利用率。

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