含分布式电源的直流微电网并网技术分析

2022-09-09祁佟万晔

电子技术与软件工程 2022年11期

祁佟万晔

（国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司江苏省淮安市 223001）

推广新能源的应用，能够保证能源的可再生性，减少能源使用对环境的影响，降低能源成本等。含分布式电源的直流微电网并网技术能够有效整合绿色能源，提升微电网的切换能力

1 微电网研发现状

目前，国内外的很多学者都在研究微电网。直流微电网包括光伏与储能两大部分，并通过对储能、光伏、负载的协同工作，使其能够在多种运行模式下进行转换，以达到更好的节能效果。为了改善风力发电系统最大功率点追踪（MPPT）的效率，可以将基于遗传算法的量子神经网络和间接自适应控制系统应用于风力风轮叶尖速比和扭矩模式。目前国内外对直流微网的研究多为建模和仿真，微源功率跟踪，各种变换器的控制策略，微网的可靠性评价。

国内很多大学和科研单位纷纷响应国家的号召，对微电网进行了深入的研究。目前，国内已开展了对直流微电网的研究，许多新能源研究机构都在对其进行研究。其中包括了对直流微网中母线电压的相关控制以及各种变换器的控制策略。针对HVDC，我国有关部门在借鉴国外先进思想的基础上，根据我国当前的实际情况，进行了大量的研究和探讨，形成了一套较为合理的规范。随着这一领域的深入和技术的不断完善，我们将在实现可持续、高效率的绿色发展的基础上，在这一领域中将会有骄人的成就。

2 直流微电网电压控制策略

2.1 主从控制

主从控制是在一个控制器中选取一个作为主要的控制器，其它的则称为从控制器。主控制器与从控制器的通讯是利用联络线来实现的，它要对每一个电气量都要进行监控和分析，并下达相应的命令来控制整个微电网的电压。

各模块均包含直流电源、变换器以及相关控制器。一般来说，控制直流母线电压的工作都是通过第一个模块完成，所以它被选为主要模块；而其他辅助组件，则负责控制电流。该方法的不足之处在于，主模块要给出一个给定的变换器电流，因此对通信系统的要求也很高，如果联络线发生故障，则会造成整个系统的瘫痪。

2.2 下垂控制

与传统的主从控制器比较，为了确保电压的稳定，使用下垂控制的方法必须对其进行有效的调整。这个方法既要有信号的回馈，又要有电阻和电流的串行。在下垂控制中，每个微电源均为独立的，各模块间无通讯连接，使其可靠度得到了极大的改善。图1为下垂控制的结构图。

图1：下垂控制的结构

图1中，各个下垂控制器均为单一阻抗，且各模块之间相对均等，由于不需要进行集中的控制，所以电流可以进行共享，提高了变换器控制的运行稳定性。然而，由于下垂控制会导致母线电压产生偏移，因此，在选择合适的下垂系数时要考虑到电压的改变。

3 直流微网各系统控制策略研究

3.1 光伏发电系统的MPPT控制

新的电压采样由光伏组件进行测试，然后再进行相关的功率分析。通过对各种的功率进行比较，得出最大功率值的最佳样本。剩余的样本以P 的概率被随机剔除。然后生成一个新的随机样本，在此之后，对所有的样本进行重新测量，并用J 法计算出最佳的样本，直到全部的样本都满足MPP，迭代完成。特别要指出的是，在所有的采样集都向MPP 方向收敛时，它们之间的间距接近于零，并且每个样本的功率值相同。然而，当周围的环境条件发生变化时，同样的电压也会发生变化。针对此问题，采用阈值方法对归一化功率进行处理。

式中s 表示迭代次数，P 表示样本的功率值。可变ΔP表示归一化的功率容许偏差，其数值是0.1。所以，当归一化的功率偏差超过0.1 时，样本将会被重新分配到PV 曲线，或者维持在MPP。

3.2 Boost变换器的控制策略

图2展示了 Boost 变换器的光电系统的控制方案。模式1 是最大功率点跟踪控制，该系统采用了一种布谷鸟搜索算法，它的电压值U。模式2 是直流母线恒压控制，也就是说，该控制系统的输出电压U维持不变。光伏发电系统可以在两种模式下运行，分别是最大功率点跟踪和电压控制。一种常用的解决办法是，在每一种运行方式中都采用一条独立的控制回路，并将其转换成相应的控制环路。系统在运行某一工作模式的过程中，可以比较所得电压值和理论电压数值U，通过PI 调节器得出调制信号U(t)，在将得到信号和等腰兰角波U(t)的电压进行比较，得到相应PWM 信号，对占比进行控制。

图2：Boost 的PWM 控制框图

3.3 双向DC/DC变换器的控制

DC/DC 变换器的作用是保持DC 端电压的稳定性。根据蓄电池的具体需求，可以采用不同的充放电控制方式。该电池变换器能够在母线控制、恒流充电控制、恒压控制以及待机状态下工作。

图3是双向DC/DC 变换器的控制框图，在该图中，I表示蓄电池变换器的输出电流，U和I分别表示蓄电池的电压和电流，d1、d3 和d4 分别表示BC、CCC 和CVC 模式下的占空比。

图3：双向DC/DC 变换器控制框图

在 BC 控制模式中，PI 调节器根据V-I 的下垂特性来调整变换器的输出电压，它是根据基准电压来决定的。然后得到占空比d1。此外，电流环控制电路还包含了电流的上限值I和下限I值，以防止过电流的充放电。在 CCC 控制方式下，其控制目标是保持最大的充电电流。通过 PI 电流调节器来生成占空比d3。CVC 控制模式的控制结构类似于 BC 模式的电压控制器，但CVC 模式的控制参数为电池的输出电压，BC 模式的控制参数为母线电压。同样地，通过PI 调节器来生成电池转换器所需要的占空比d4。

在不同的微电网情况下，这些模式是按照蓄电池耦合点的直流母线电压状况进行控制的。正如以上所述，在具体的蓄电池充电期间，要根据SOC 值来决定是否要进行恒定充电或恒压充电。以下是BC 模式中的下垂控制策略。

使用如图4所示的线性下垂控制模式，以提高蓄电池的调压性能。如图所示，蓄电池可以在3 种不同的操作模式下工作。

图4：蓄电池下垂特性曲线

（1）充电模式。

当微网系统中存在过多的功率时，会导致直流母线电压的上升。如果它的数值大于U，那么电池就会进入 Buck 充电状态。在母线电压变成U之前，逆变器停止工作。

（2）备用模式。

当微网系统的功率基本均衡时，直流母线的电压值与额定值 U相等。这个数值是很小的，在这个时候，逆变器是待机状态的，不用工作。

（3）放电模式。

当微网系统中的功率不足导致直流母线的电压值降低时，当它的数值大于U时，电池就会进入Boost 放电模式。变换器在母线电压值回到U之前停止操作。

4 直流微电网的层次控制

层次控制的关键在于将系统按一定的要求划分为多个子系统，每个子系统都有对应的控制对象。并配有中央监控装置，对各子系统进行统一的控制。但是，对于不同的系统，没有统一的集中控制，而是采用分层控制，让所有系统之间可以互相配合，从而极大地增强了系统的稳定性和可靠性。

针对以上问题，将整个DC 微电网系统分为三个层次：总管理层、直流母线控制层和变换器控制层。

以下对各控制层的具体功能进行了详细说明。

（1）变换器控制层。变换器控制层的功能是根据他的开关管脉冲占空比进行控制，从而有效控制输入和输出的电气量。在变换器控制层中，所有的变换器都是独立的，它可以被看作是电流源、电压源或者功率源。因此，只要将所需的控制指令传达给变换器，相应的变换器就可以按照要求进行操作。

（2）直流母线控制层。各个分配的电源和储能装置都是由对应的变换器和公用的直流母线相连，使得分散的小型系统变成了一个完整的整体。所以，一般情况下，直流微电网的控制目标是稳定系统的工作电压。但是，由于分布式电源的随机性和负荷的不稳定性等因素的存在，会对系统的电压有很大的负面影响。因此，只有各单位之间的协作，才能更好地控制直流母线的电压。

本文所述的协调控制方法，是将所检测到的直流母线电压作为信号，由各变频器进行协调控制，使得各电源处于相应的工作状态，以保持直流母线电压不变，从而确保了系统的稳定工作。

（3）总管理层。在大部分的情况下，仅仅依靠上述两个层面的控制就能够保证系统的正常工作，但是，在系统的优化过程中，总管理层的作用是必不可少的。为了保证系统运行的可靠性，总管理层将通讯总线与所有变换器进行通讯，及时掌握各个变换器的运行状况，发出相关的调度命令。

本文重点阐述了直流微电网系统中的变换器控制层与直流母线控制层的控制策略。

4.1 变换控制层

在直流微电网系统里，有4 种类型的变流器，即：光伏系统 Boost 升压变换器，风力发电系统 PWM 整流器，蓄电池双向变换器和并网逆变器。

在微电网系统里，有4 种类型的变换器，即：光伏系统Boost 升压变换器、风力发电系统PWM 整流器、蓄电池双向变换器、并网逆变器。

基于上述说明，光伏发电系统Boost 升压变换器一般在MPPT 工作方式下运行，并提出一种用于光伏的最大功率跟踪的新算法——布谷鸟搜索算法，它具有较低的计算复杂度和较好的寻优能力，能够迅速地跟踪光伏发电单元的最大功率。对于直流母线，在MPPT 模式下，光伏发电系统能够正常运行。当输出的功率太多时，输出电压可以由DC/DC 变换器的占空比的控制进行调整。

PWM 电压型整流器被广泛应用于风力发电系统。这一过程和光伏发电系统相似，对于直流母线而言，风力发电单元也可以被等效成一个电压源。

通过对两路Boost-BuckDC-DC 进行控制，可以实现蓄电池在多种工作方式下的工作，从而实现了电力传输的方向和功率的变化。就直流母线而言，双向DC-DC 变换器也可以视为一种受控电压源。

并网单元使用了电压源型的逆变器，采取解耦控制。对于母线，可以把并网的逆变器看作是一个可控制的电压源。

U表示电压指令值，U表示直流母线的电压，G(s)表示变流器动态响应的传递函数。

因此，对于直流母线来说，Boost 升压变换器、PWM整流器、蓄电池双向变流器、并网逆变器等都是可等效为受控电压源。

4.2 直流母线控制层

从以上的分析可以看出，在变换器的控制层，不同的变换器具有各自的控制策略，但是在各变换器的控制中，并不能实现相应的协调控制。所以，在直流母线控制层中，采用了相关的控制策略，使得各单元处于各自的工作状态，从而降低了母线电压的波动。

在系统运行时，对直流母线电压设定4 个阈值，使得各系统处于不同的工作状态。

在选择相邻阈值时，要谨慎地选取电压差，不能太小，避免因测量错误而耽误模式与模式的转换；同时，也不能过大，否则会引起母线的电压剧烈变化，进而对负荷的工作造成不利的后果。其大小关系为：

其中U表示直流母线额定电压；U和U表示直流微电网所允许的直流电压的阈值；U、U表示蓄电池充放电的阈值。

至今，对于直流输电网的需求，例如直流母线的最佳电压等级和阈值，还没有统一的标准。在低电压和中压直流微电网中，对不同的阈值进行了界定。由于大部分负载为恒定负载，因此无须考虑输入电压的改变，采用前端变换器就可以设定所需的工作电压。在控制方面，直流母线电压的改变可以看作是负载变换器的输入电压干扰。所以，在大多数负载下，电压的改变是可以接受的。在此，将U设置为400 伏；U为1.05U，U为1.1U；而U为0.95U、U为0.9U。

该系统按母线电压的大小可划分在此为五种运行模式：

（1）模式1:U≤U≤U

系统孤岛，为防止蓄电池在负荷和功率上出现细微的变动而导致电池充电和放电。在第一种模式中，蓄电池是在备用状态。在该区域内，发电站采用 MPPT 模式工作，为了得到更多的循环能源，持续提供电力。在此区域内的电压值是能源和负载功率之间的平衡。

（2）模式2:U≤U≤U

在系统孤岛运行下，当光伏和风机所需的功率超过了负载需要的功率，直流母线电压在此区域内，蓄电池在充电状态下，通过吸收过多的电能来调节母线的电压。在第二种模式下，蓄电池的充电电流会大于最大容许的电流。为防止蓄电池过流，发电单元应从MPPT 向恒压模式过渡，以减少输出功率，确保系统功率均衡，并使直流母线电压得到稳定。

（3）模式3:U≤U≤U

系统孤岛，直流母线电压低，表明电力不足。在三种方式中，当电源在 MPPT 方式下运行时，电池会在放电状态下，以弥补电能的短缺。在此模式下，在U点，蓄电池的放电速度达到最高值。

（4）模式4U≥U

当U ≥U 时，说明发电单元输出功率太大，导致直流母线电压不断上升，发电单元从MPPT 模式向恒压状态过渡。这时，蓄能装置已超出其最大功率，并网装置的直流/交流变换器转换成逆变器，使整个系统并网。

（5）模式5:U≤U

当U≤U时，说明系统功率不够，直流母线电压不断下降。这时，发电单元处于MPPT 工作状态，蓄能装置已经完全放电，并网单元DC/AC 变换器处于整流状态，保持了系统的电源均衡，使系统能够正常地工作。当负载仍然无法满足时，需要按优先次序进行减载。

上述已详细地描述了各个变换器的有关控制。通过将所检测到的直流母线电压作为信号，由各个变换器进行协同控制，保证单位都保持相应的工作状态，以保持直流母线的电压不变，确保了系统的稳定工作。

4.3 仿真验证

在 PSCAD 的基础上，建立了一个直流微电网的结构图，以验证本文提出的系统综合控制策略的正确性。其中，直流微电网的母线电压值是400V，电网电压是170V，并网变换器的容量是4kW。以下是对各种情形进行仿真验证。

4.3.1 并网运行

在初始阶段，光照强度是4kW/m，风速是6m/s，发电单元处于 MPPT 模式下运行，并将 AC/DC 负载接入，这时就会出现功率缺额。并网变换器在整流状态。在0.3 秒时，光照强度为1 千瓦每米，风速达到12 米每秒，直流侧的电压会出现小幅度地震荡，再稳定在400 伏，这时负载功率小于发电输出功率，蓄电池开始充电。同时，并网设备处于逆变过程。在0.6 秒时，受操作影响，负载功率下降，母线中电压逐渐上升，蓄电池开始充电：在0.9 秒时，负载1 接入系统，母线电压下降，蓄电池开始放电。系统直流电压逐渐趋于稳定运行状态。

4.3.2 孤岛运行

在开始阶段，风速为10 米每秒，照度为1.4 千瓦每平米，系统包含两种电流负载和本地负载三方面。在0.3 秒时，电网发生异动，并网装置被切断，整个系统单独工作，母线一侧，电压小幅度上升，蓄电池进入充电状态，温控变为恒压。要避免蓄电池深度充电，SOC 达到百分之95，蓄电池停止工作，对系统放电，控制变为恒压模式，发电系统由MPPT 控制。在0.9 秒时，系统接入负载2，功率缺额，系统放电，系统由MPPT 控制。1.1 秒风速为9 米每秒，光照强度为12 千瓦每平米，蓄电池放电。可见，在各模式下系统都能稳定运行。