直流微電網并網控制技術研究

葛浩天

山東理工大學

直流微電網并網控制技術研究

葛浩天

山東理工大學

目前，世界各國對于交流微電網的研究比較廣泛，并建立了不同的微電網示范工程。相對于交流微電網，直流微電網結構簡單、轉換環節少、能源利用效率高，隨著直流發電、用電設備的日益增多而受到關注。直流微電網運行過程中不存在交流微電網中頻率、相位同步問題，控制相對容易；沒有無功功率流動，電能質量好；電力電子變換設備少，系統可靠性高。本文先展開了對直流微電網的研究并提出一種直流微電網結構與控制方法。對直流微電網的組網方式、控制與保護技術、通信技術和電力電子接口電路等關鍵技術進行了綜述。

直流微電網；并網；技術

目前，光伏發電、風力發電、生物質發電等分布式發電技術快速發展，分布式發電并網要求勢在必行。微電網主要是由分布式發電、儲能、負荷以及控制裝置所組成的獨立發電系統，屬于分布式能源有效組織方式。其不僅能有效地實現自我控制、自我管理以及自我保護，還具備較為完整的輸電、發電、配電等功能，除此之外，還可以依靠本身的功能實現功率平衡控制、故障檢測、系統運行優化等內容。

1 低壓直流微電網組成與體系結構

圖 1 為本文所采用的低壓直流微電網體系結構。

圖1 低壓直流微電網體系結構

從圖1 可以看出，微電網在運行過程中，主要有兩種運行方式，分別是并網運行、離網運行。其中并網運行主要指的是微電網和公用大電網進行相連，與主網配電網系統進行電能交換；而離網運行主要指的是電話計劃或者是故障需要時候，和主網配電網系統斷開，然后再由DG、儲能裝置和負荷共同構成運行，這種運行方式也可以將其稱之為孤島運行。兩相對比，并網運行方式在控制過程中較為簡單，離網運行控制較為復雜。系統包含直流400V、直流48V 和交流220V3 種不同電壓等級負載，并將負載分為重要負載和非重要負載兩類。非重要負載主要包括加熱、照明等非關鍵用電設備，這些非重要負載在系統電能充足時正常運行，在系統能量不足時可通過非重要負載變換器(non-critical loads’ converter，NLC)調節進行降功率運行。

2 直流微電網并網控制技術

2.1 并網接口控制

2.1.1 三相vsc的局限

選取三相VSC作為直流微電網并網接1，是因為它可以實現能量雙向流動，且功率因數可控，可以控制直流側電壓。但是三相VSC也具有一定的局限性：

直流側電壓的穩定性取決于交流側電網電壓和轉換器采用的調制算法。使用不同的調制算法對不同速率的直流電壓，如果在調制比相同的情況下，傳統的SPWM算法，直流電壓利用率為1/2，也就是說通過變流器直流側電壓下限SPWM 2次電網電壓峰值；SVPWM調制算法直流電壓利用率可提高到1，采用變頻器的直流側電壓的下限為SVPWM是振幅電網電壓的兩倍。在盡管采用SVPWM的調制，直流側的電壓值會減少，但對三相直流電壓的穩定性總是有下限。

2.2.2 改進措施

為了克服三相VSC的局限性，本文在三相VSC基礎_上串聯一個工作在Buck模式的雙I句DC/DC變換器(Bi-directional DC/DC Converter， BDC )，簡稱為Buck變換器，這種結構能夠進一步增加對直流母線電壓的可控性。

當負載或電網電壓不平衡，即使DC側電壓的三相導致更大的波動性，但通過Buck轉換器來控制直流母線電壓，直流電壓保持穩定。同時，由于降壓轉換器的存在，直流母線電壓沒有下限，也就是說，因為Buck變換器的存在，結構可以輸出直流母線電壓范圍更大。

2.2 基于母線電壓的協調控制

為了實現系統，從電網控制、電網和離網設計相結合，自主控制系統協調也被加入到并網和離網切換準則，系統能正常交流電源系統根據能量流動不同單位的網絡與網絡之間的切換操作，當電網發生故障時自動切換到離網運行模式。同時為了充分利用可再生能源為原則，都和關閉電網運行狀態和極端系統，確保運作模式可以設置在與電壓開關模式功率一致，即使一個單位可以跳過下一模式平滑過渡也異常，從而實現不同的電壓范圍內自主運行系統之間的協調。

2.3 微電網離網的解決措施

離網運行的微電網，其主要運用在一些較為偏遠的地區，通常情況下，這些地區都受不到常規電網的輻射，屬于獨立的微電網，這種微電網有著較高的滲透率，其主要是三態控制系統所組成。其中，主站調度層主要組成部分包括以下幾各方面，分別是前置、歷史數據服務器、應用、外部系統接口服務器、工作站等，這些組成部分的作用就是為了思想常規的經濟優化調度；集中控制層主要組成部分則是以下幾點，分別是動態穩定控制器、電網集中保護控制器、光纖交換機、模式切換器等方面，其主要的作用就是為了完成微電網系統動態功率擾動控制及集中式故障保護，微電網在運行過程中，可以借助集中控制層對整個電網的數據進行采集，同時還能對其狀態進行實時的監控；就地控制層主要組成部分則分別是CT 與PT 采集單元、電網智能終端、分布式電源逆變設備等方面，其主要的作用就是對數據進行采集，同時對設備進行本地控制與保護。

直流微電網是一種直流配電方式，可以提供高電能質量的各種分布式電源的協調控制，微電網通過一個集中的方式將并網口與大電網接口，具有并網和孤島兩種運行方式。與交流微電網相比，直流微電網更容易獲得直流電源和負載，降低了逆變器和整流環節的能量損耗，有無頻率穩定、無功調節等問題。直流微電網以其獨特的優勢越來越受到人們的關注。

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