含多光储微电网直流型主动配电系统动态协同控制*

马牧原, 赵妍辉, 李国庆

(东北电力大学 电气工程学院, 吉林 吉林 132012)

0 引 言

随着常规能源供应逐渐紧张,气候、环境问题日益加剧,以清洁能源为主的分布式发电(Distributed Generation,DG)得到了广泛重视[1-4]。直流型主动配电系统便于分布式电源(Distributed Energy Resource,DER)及新型直流负载接入[5-8],能够使系统的可控性和可靠性得到大幅提高。同时电力储能技术作为一种新兴灵活的调节手段,对平抑DER出力波动,保证电网稳定运行意义重大[9-10]。

为了使直流型主动配电系统所整合的各类不同性质的结构单元作为一个整体,及时响应负载需求,就必须结合分布式储能设备的功率平衡分配与协调控制特性进行合理的协调控制[11-16]。文献[17]提出一种适用于直流分布式储能系统(Distribution Energy Storage System,DESS)的基于储能单元剩余容量(State of Charge,SOC)的改进下垂控制方法,实现了负载功率在不同储能单元间的动态分配。该方法可以实现负荷功率在不同储能单元间的合理分配,但没有考虑微电网层级同配电网层级之间的协调配合,因此难以解决规模化的含光储微电网分布式接入配电网后会降低配电网电压母线稳定性的问题。文献[18]提出一种适用于柔性直流配电网的电压控制策略,对直流配电网的拓扑结构、控制方法及模式切换问题进行了阐述,但其并没有设计微电网层级的协调控制。

结合目前国内外的研究现状,本文首先提出一种含多光储微电网的放射状直流配电系统结构方案。其次,分别从配电网层面和微电网层面设计了系统的不同运行方式,并以各级直流母线电压稳定为控制目标,研究了系统的动态协调控制策略。最后,通过基于MATLAB/Simulink的仿真实验,对系统各种运行状态下电压、功率关系进行了详细的分析论证。

1 系统结构方案及模式切换

1.1 系统结构方案

目前,直流配电系统的基本拓扑结构主要有环状、双端供电及放射状3种形式。放射状多微电网直流配电系统结构如图1所示。本文将系统中所有的DC/DC接口单元按不同运行控制方式分为4类,分别以标号“1～4”表示:第1类和第2类分别为储能站和各微电网与配电网级直流母线间的接口;第3类和第4类分别为各微电网内储能系统(Energy Storage System,ESS)和PVS与微电网级直流母线间的接口。相邻各微电网级直流母线由联络开关连接,交流主网和无源交流配电系统分别通过并网和逆变单元接入配电网级直流母线,其中配电网级直流母线为有损线路。

图1 放射状多微电网直流配电系统结构

1.2 系统运行模式切换

系统各接口一般有功率控制(P/Q),定直流电压/无功控制(UDC/Q)及定交流电压/频率控制(Uf)等模式。根据系统各接口单元的不同运行模式,本文分别从配电网和微电网两方面对图1放射状多微电网直流配电系统的运行模式进行了设计。

1.2.1 配电网级运行模式

并网运行时由交流主网为直流配电系统提供电压支撑,并网接口单元工作在UDC/Q模式,负责维持配电网级直流母线电压稳定,储能站接口采用功率控制,以实现对整个配电系统的功率调节。孤岛运行时,储能站接口切换至定UDC控制模式,在一定时间裕度内维持配电网级直流母线电压稳定,必要时通过减载来延长直流配电系统的孤岛运行时间。连接无源交流配电系统与配电网级直流母线的接口单元,始终采用Uf控制模式,以维持对交流配电系统的可靠供电。

1.2.2 微电网级运行模式

当ESS裕度充足,即能够自由地吸收和释放电能时,由ESS接口单元负责平抑微电网内PVS出力及负载容量波动,维持微电网级直流母线电压稳定,此时PVS工作在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)状态。

当微电网内ESS以最大能力吸收电能或已充满时,即

SOCMi=SOCmax或PMESSiimax

(1)

式中: SOCMi——第i个微电网内ESS的剩余容量;

SOCmax——方案中设计的ESS剩余容量的高阈值;

PMESSiimax——第i个微电网内ESS最大吸收功率;

PPVi——第i个微电网内的PVS输出功率;

PMLi——第i个微电网内的PVS直流负载功率。

首先控制相邻微电网级直流母线间的联络开关闭合,多微电网共同分担系统功率,若仍有功率剩余,则PVS脱离MPPT状态,降低出力,转由PVS接口单元控制微电网级直流母线电压稳定。

当ESS的SOC降至最低阈值或以最大出力仍无法满足微电网内的功率需求,即

SOCMi≤SOCmin或PMESSiomax

(2)

式中: SOCmin——方案中设计的ESS剩余容量的低阈值;

PMESSiomax——第i个微电网内ESS最大输出功率。

首先控制相邻微电网级直流母线间的联络开关闭合,多微电网共同平抑母线电压波动,若仍有功率缺额,则在直流配电系统并网运行方式下,由配电网与微电网间的接口单元负责维持微电网级直流母线电压稳定,在直流配电系统孤岛运行方式下,微电网减载运行。

在忽略换流器损耗的情况下,则

(3)

式中: SOCMi∣t=0——ESS初始剩余容量;

uPVi——第i个微电网内PVS输出电压;

PMESSi——第i个微电网内的ESS输出功率;

CE——单体电池容量。

综上,直流配电系统结构发生变化或部分可控设备退出运行等情况,都可能导致系统运行方式改变。系统运行方式切换原理如图2所示。

图2 系统运行方式切换原理

2 系统动态协调控制

在交直流系统并联运行情况下,系统联络开关KS闭合,系统整体功率关系为

(4)

式中:PDESS——DESS输出功率;

PS——交直流系统交换功率;

PDL——交流负载功率;

PDC——配电网级直流母线电容充电总功率;

n——微电网数量。

配电网级直流母线电压变化时,其电容CD储存总能量的变量ΔEDC为

(5)

式中:uDDCN、uDDC——设计配电网级直流母线电压和其实际电压。

由式(4)可得:

(6)

式中:T——系统运行时间。

联立式(5)、式(6)可得

(7)

同理,对于第i条微电网级直流母线,则

(8)

式中:uMDCN、uMDCi——设计微电网级直流母线电压和第i条微电网级直流母线实际电压;

CMi——第i条微电网级直流母线电容。

由式(7)、式(8)可见,PVS出力变化和负载容量变化都会引起直流母线电压波动。因此,为保证系统稳定运行,必须以直流母线电压为依据,结合ESS及DESS容量,对各接口单元进行协调控制。本文以比例积分(Proportion Integral,PI)环节为基础,将系统整体控制策略从微电网级控制、配电网级控制、并网控制和交流负载恒压/恒频控制4方面分别进行设计,除逆变接口单元外,均采用PWM方式进行调制。

2.1 微电网级控制

微电网级控制策略如图3所示。微电网联络开关控制策略如图4所示。当ESS裕度充足,即能够自由地吸收和释放电能时,由ESS负责平抑微电网内PVS出力波动,维持母线电压稳定,此时PVS工作在MPPT状态;当微电网内ESS以最大能力吸收电能或已充满时,首先控制与相邻微电网级直流母线间的联络开关闭合,多微电网共同分担系统功率,若仍有功率剩余,则PVS脱离MPPT状态,降低出力,转由PVS接口单元控制母线电压稳定;当ESS的SOC降至最低阈值或以最

图3 微电网级控制策略

图4 微电网联络开关控制策略

大出力仍无法满足微电网内功率需求,控制与相邻微电网级直流母线间的联络开关闭合,多微电网共同平抑母线电压波动。图3中,uPVi、iPVi分别为第i个微电网内PVS输出电压和电流;uMDCr为微电网级直流母线电压参考值;iMESSLi为第i个微电网内ESS输出电流;M1、M2分别为PVS的MPPT和定母线电压控制模式。

在忽略换流器损耗的情况下,第i个微电网内的载荷差额ΔPMi为

ΔPMi=PPVi-PMLi

(9)

ESS的剩余容量为式(3)。

2.2 配电网级控制

在配电网层面,本文采用独立的DESS平抑母线电压波动,维持系统稳定,用以提高系统调节能力,拓展响应裕度,强化用户侧驱动。配电网级控制策略如图5所示。图5中,iDL为DESS输出电流;uDDCi为第i个第2类接口单元输出电压。第2类、第3类接口单元均采用双闭环控制,并在第2类接口单元PWM模块输入侧叠加电压调节环节,以降低线路阻抗对母线电压的影响。

图5 配电网级控制策略

在设计配电网级直流母线电压调节控制时,将输入的参考电压uDDCa考虑为n个第2类接口单元输出电压的均值,即

(10)

校正量Δu通过比例控制参数得到,即

Δu=Kdelt(uDDCa-uDDCN)

(11)

2.3 并网控制

整流馈电接口单元通过闭环PWM调制实现功率的双向传输。并网控制的整流馈电接口如图6所示。图6中,uS、iS分别为交流系统输出电压和电流;iSr为交流系统输出电流参考值;M3、M4分别为定配电网级直流母线电压和定交流系统出口电压控制模式。当直流系统总出力不足以供给负载需求时,功率缺额由交流系统提供,此时整流馈电接口工作在可控整流状态,其中在主网电流控制环节出口叠加相应电压uS,能够有效抑制系统电压波动对输出电流的影响;当直流系统总出力充分满足系统内负载需求时,剩余功率可送入交流系统,此时整流馈电接口工作在逆变状态,特别地,由于此时没有主网电压支撑,系统需自生成主网输出电压参考值uSr。

图6 并网控制的整流馈电接口

2.4 交流负载恒压/恒频控制

逆变接口单元采用双闭环SPWM控制,交流负载恒压/恒频控制的逆变接口如图7所示。图7中,uL为交流负载电压;uLMRS、uLMRSr分别为交流负载电压有效值和其参考值;fL为负载频率。有效值外环保证负载电压波形的幅值更接近参考值,瞬时值内环保证负载电压波形更接近正弦波,减小波形畸变;负载频率参考值fLr取50 Hz。

图7 交流负载恒压/恒频控制的逆变接口

3 系统仿真分析

为验证所设计的适用于多微电网直流配电系统控制策略的有效性及源荷的动态匹配,本文基于MATLAB/Simulink仿真平台,以图1结构为基础搭建系统实验模型,系统实验模型参数如表1所示。

表1 系统实验模型参数

3.1 PVS输出功率波动

PVS输出功率波动情况的实验波形如图8所示。图8(a)中,当t=0.5 s时,微电网1内PVS输出功率由85 kW降至40 kW,t=1.0 s时,微电网2内PVS输出功率由40 kW升至85 kW,t=1.5 s时,微电网3内PVS输出功率由85 kW降至40 kW。图8(b)、图8(c)中,在各PVS出力变化时,相应ESS快速响应,以平抑各微电网级直流母线电压波动。当t=2.5 s时,开关KM3断开,微电网3内ESS系统退出运行,此时微电网3内PVS系统出力不足以供给负载需求,联络开关K23即时闭合,微电网2内ESS吸收功率降低,由两微电网共同维持微电网级母线电压稳定在380 V。

图8 PVS输出功率波动情况的实验波形

3.2 负载容量波动

设置各PVS恒定输出功率85 kW。负载容量波动情况的实验波形如图9所示。

图9 负载容量波动情况的实验波形

当t=0.6 s时,直流负载L1由20 kW增至30 kW,t=1.8 s时,直流负载L2由60 kW增至80 kW,t=2.4 s时,交流配电系统内负载由150 kW增至200 kW。图9(a)、图9(b)中,在系统内负载容量变化时,独立储能站及各微电网ESS快速响应,以平抑系统内各直流母线电压波动。由图9(c)、图9(d)可见,上述过程中交流配电系统电压仅在交流配电系统内负载变化时存在小幅波动,交直流系统交换功率基本恒定于120 kW,为直流配电系统提供电压支撑。

3.3 交流配电系统故障

设置各PVS恒定输出功率85 kW。交流配电系统故障情况的实验波形如图10所示。

图10 交流配电系统故障情况的实验波形

图10(a)、10(b)中,当t=1.0(0.8) s时,交流配电系统发生三相短路,各直流母线电压产生波动,储能站及各微电网内ESS快速响应,即时增大吸收电能速率,以维持母线电压稳定,t=1.5(1.6) s时故障切除后恢复正常运行状态;当t=2.5(2.4) s时,3组微电网同时退出运行,配电网级直流母线电压开始下降,独立储能站增加出力,以维持母线电压回到设计值800 V,如图10(c)。上述过程中,交直流系统交换功率在120 kW附近波动,为直流配电系统提供电压支撑,如图10(d)。

3.4 并网运行切换至孤岛运行

设置各PVS恒定输出功率85 kW,并离网切换情况的实验波形如图11所示。

图11 并离网切换情况的实验波形

当t=0.5 s时,系统由并网运行切换至孤岛运行,直流配电系统电压开始下降。此时,配电系统失去主网电压支撑,需由EMS自生成参考电压uDCr,独立储能站切换至定UDC控制模式,增大输出功率,以维持直流母线电压稳定,直到t=1.85 s时,储能站SOC降至最低阈值,系统整体失稳,上述过程如图11,在切换至孤岛运行后,交流配电系统电压略有下降。实验中,可通过适当减载来延长配电系统的孤岛运行时间,降低系统失稳概率,尽量保证对重要负载供电的连续性和可靠性。

4 结 语

本文提出了一种含多微电网的放射状直流配电系统结构,设计了系统的不同运行模式及控制策略,所提控制策略结构简单,易于实现,基本能够以就地控制实现系统在DER出力波动、负载容量变化、故障及并离网切换等状态下的电压稳定控制和功率平衡优化,实现了控制模式的无缝切换,且大大降低了系统通信成本,并使直流系统具备了“即插即用”功能。但在系统运行状态变化时,电压波动的幅值较大,下一阶段会主要在电压波动越限优化控制方面展开更深入的研究。