交直流混合微电网组网和控制策略的研究与应用

刘二鹏 王旭东 李辉

摘要：为解决交直流混合微电网中功率波动、交直流系统之间功率平衡、直流侧源荷比相对较大光伏利用率不高 的问题，研究了交直流混合微电网并网运行时，在蓄电池的平抑作用下，直流侧光伏发电以恒定的功率通过交流 侧并入大电网，提高直流侧光伏利用率。孤岛运行时，蓄电池作为平衡节点，和双向 AC/DC 变换器一起维持整 个系统的电压、频率稳定，并实现交、直流系统之间功率平衡的控制方案。最后利用 PSCAD/EMTDC 软件对系统 功率波动、并网运行向非计划孤岛运行切换、孤岛运行向并网运行切换进行了仿真验证，运行结果表明该控制方 案能有效平抑系统功率波動，维持交直流混合微电网稳定运行。

关键词：交直流混合微电网;光伏发电;蓄电池储能;功率平衡

引言

近年来，越来越多的可再生能源通过接入微电 网得到了极大的利用。微电网从网架结构和供电方 式上可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合 微电网[1-2]。随着数字社会的发展，直流用电设备越 来越多，如电动汽车、新型家用电器、电脑通信设 备等，未来将会出现直流设备与交流设备共享市场 的格局。为了降低单纯的交流/直流微电网在应用中因多重 AC/DC 或 DC/AC 变换带来的功率损耗、谐 波电流及控制难度，提高系统的可靠性和经济性， 也为了各式各样的可再生能源和用电设备更好地接 入微电网，交直流混合微电网得到了国内外的重视 与研究[3-7]。交直流混合微电网具有非常明显的特 点：（1） 交直流混合微电网系统包括交流子系统（交 流母线）、直流子系统（直流母线）、交直流母线间双 向 AC/DC 变换器;（2） 既可以直接向交流负载供电， 又可以直接向直流负载供电，降低因多重变换器带 来的损耗;

1系统结构及仿真模型

光伏发电容易受到环境温度和光照的影响，其 发电功率具有不稳定性，本文在直流侧配置蓄电池 储能，通过双向 DC/DC 变换器控制蓄电池的充放 电来平抑光伏发电及负荷的功率波动。在交直流混 合微电网并网运行时，交流母线电压和频率由大电 网支撑，直流母线电压可以通过交直流母线间双向 AC/DC变换器控制，也可以通过储能系统来控制[9]。 针对目前因直流负荷较小而直流侧光伏发电容量较 大（安装时考虑到未来直流负荷增长）导致的直流侧 源荷比较大的问题，本文采用储能系统来控制直流 母线电压，而双向 AC/DC 变换器采用 P/Q 控制， 在满足直流侧负荷的情况下，将直流侧光伏发电功率 定额并入大电网，提高直流侧光伏利用率。在交直流 混合微电网孤岛运行时，双向 AC/DC 变换器则切换 到V/f 控制，以蓄电池为平衡节点来支撑系统母线电 压、频率稳定，实现交直流系统之间的功率平衡。在 交直流混合微电网切换运行时，交直流系统之间的功 率通过双向 AC/DC 进行平衡，切换前后缺额功率由 蓄电池平抑，保证切换前后系统稳定运行。

1.1交直流混合微电网系统结构

交直流混合微电网系统由交流子 系统、直流子系统、功率交换系统、微电网控制器 组成。交流子系统中，光伏发电单元通过 DC/AC 逆变器连接至交流母线，实现 MPPT 及单位功率因 数控制，交流负荷直接接至交流母线。直流子系统 中，光伏发电单元通过 Boost 变换器实现最大功率 跟踪，蓄电池储能通过双向 DC/DC 变换器实现充 放电控制，直流负荷直接接至直流母线。功率交换 单元由隔离变压器及双向 AC/DC 变换器构成。整 个系统通过交流侧的并网接口可以在并网和孤岛模 式间切换运行。微电网控制器除了要完成孤岛检测、自动并网功能外，还需要通过通信系统、储能变流 器、负荷控制器和光伏控制器等，实现微电网不同 工况的稳定运行和顺利切换。

1.2蓄电池仿真模型

蓄电池作为分布式发电中的储能设备，其作用不 言而喻，但是蓄电池内部参数之间的关系较为复杂， 而且相互之间呈高度非线性关系，这成为蓄电池建模 的难点。常用的蓄电池模型有谢菲尔德模型[12]、戴维 南模型[13]以及通用模型[14]。本文所采用的蓄电池模型 为通用模型

2  交直流混合微电网控制策略

2.1 直流侧光伏发电控制策略

直流侧光伏发电单元通过 Boost 变换器连接至 直流母线，所采用的控制 策略为电压环控制模式，控制策略如图 7 所示。光 伏电池输出电压 Upv 经过牛顿拉夫逊迭代计算后得 到最大功率点对应的电压 Um，将 Um作为光伏电池 出口电压 Upv的参考值，经过 PI 调节后做为调制波 与载波比较后，输出来信号驱动开关管 K0，以实现 最大功率跟踪。

2.2 交流侧光伏发电控制策略

交流侧光伏发电单元通过 DC/AC 变换器连接 至交流母线，其拓扑结构如图 8 所示，所采用的控 制策略为电压-无功（UQ）控制，即以直流电压、无功 功率为外环控制，电流为内环控制，通常将无功设 置为 0，可实现单位功率因数控制，控制策略如图 9 所示。Um 与光伏电池出口电压 Upv 的差值经过 PI，调节后输出为直轴电流参考值，无功参考值与实测 值的差值经过 PI 调节后输出为交轴电流参考值，然 后与交、直轴电流实测值的差经过 PI 控制器调节，再经过解耦，输出值经过 dq 反变换输入到 PWM 发 生器来驱动开关管。该控制策略不但可以实现最大 功率跟踪，也可以实现单位功率因数控制。

2.3 蓄电池充放电控制策略

蓄电池通过双向DC/DC变换器来控制充放电， 其拓扑结构如图 10 所示，其为 Buck/Boost 变换器， K1开通，K2关断，为 Boost 变换器，蓄电池放电， K1关断，K2开通，为 Buck 变换器，蓄电池充电。 所采用的控制策略为电压外环电流内环控制，电压外 环控制直流母线电压稳定，电流内环控制蓄电池充放 电电流， Udc与直流母线电压 参考值的差值经过PI调节后输出为蓄电池充放电流参考。

2.4  AC/DC 变换器控制策略

连接交、直流子系统，实现系统功率平衡的是 交直流母线间 AC/DC 变换器，。AC/DC 变换器在交直流混合微电网 稳定运行中的作用主要有三方面：一是孤岛运行时， 采用 V/f 控制，支撑交流母线电压、频率稳定，实 现交、直流系统之间的功率平衡;二是并網运行时， 采用 P/Q 控制，将直流侧盈余光伏发电功率定额通 过交流侧并入大电网，提高直流侧光伏利用率;三 是并网运行与孤岛运行切换时，使交、直流侧功率 进行平衡，保证切换前后系统稳定运行。P/Q 控制 采用功率外环电流内环控制方式，V/f 控制采用电 压外环电流内环控制方式。两种控制可共用一个电 流内环，切换运行时，只需切换外环控制，其控制 策略如图 12 所示。模式 1 表示 V/f 控制，模式 2 表 示 P/Q 控制，V/f 控制时，dq 变换的相位角由一个 设定的标准 50 Hz 正弦电压提供，电压外环经 PI 调节后做为电流内环参考;P/Q 控制时。dq 变换的 相位角为网侧相位角，功率外环经 PI 调节后做为电 流内环参考。两种控制共用一个电流内环，控制模 式之间的切换由并网点 PCC 发出信号。

3 算例仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 中搭建如图 1 所示的交直 流混合微电网光伏发电假设温度一直为 20 ℃，光照为 1 000 kW/m2，4 s 光照开始减弱，到 6 s 时降为 700 kW/m2， 9 s 光照又开始增强，到 12 s 时变为 1 100 kW/m2。 则交直流两侧光伏发电功率 Ppvac、Ppvdc和交流侧输 出电压跟踪如图 13 所示，光伏输出功率随着光照的 变化而波动，Upv能够很好地跟踪 Um。 蓄电池容量设计对于系统稳定运行至关重要.

本文采用工程上的经验公式确定蓄电池容量。本文中，交流侧重要负荷10 kW，主要为空调 用电，日平均供电4 h，负载同时率0.8;次要负荷2 kW，为白天照明用电，日平均供电8 h，负载同时 率0.8。直流侧主要负荷3 kW，其中2 kW为机房通 信用电，日平均供电24 h，负载同时率1;1 kW为直 流展厅白天照明用电，日平均供电4 h，负载同时率 0.8;次要负荷2 kW，供直流展厅电子产品充电，日 平均供电4 h，负载同时率0.8。由此计算得负载日平 均耗电量QL=102.4 kWh。其中：安全系数取1.1;。

结论 ：

建立了光伏发电、蓄电池储能模型并进行了 光伏电池 MPPT 控制、蓄电池充放电仿真，验证了 所建模型的正确性。 （2） 交直流混合微电网并网运行时，针对目前直 流侧源荷比较大，在蓄电池的平抑作用下，直流侧 光伏发电以恒定的功率通过交流侧并入大电网，提 高直流侧光伏利用率。 （3） 交直流混合微电网孤岛运行时，蓄电池作为 平衡节点，和双向 AC/DC 变换器一起维持系统的 稳定运行，并实现交直流两侧的功率平衡。

参考文献：

[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014（1）：57-69.

[2]李莉华，李宾皑.微电网技术的研究与应用前景[J].电力与能源，2011（2）：124-126.

[3]曾正，赵荣祥，杨欢，等.多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用[J].电网技术，2012（5）：58-67.