直流微電網改進分級控制策略研究

高崧耀

【摘要】：隨著時代的發展，直流微電網已在很多方面得到了廣泛的應用。相對于交流微電網而言，直流微電網具有無需跟蹤頻率以及電壓相位、抗擾性更好、降低線路損耗、在基礎設施的投資上較低等諸多優點，可見其未來的發展將不可估量。文章針對適用于任意用戶的小型直流微電網，在分析其組成結構及發電單元輸出特性的基礎上，提出一種改進分級控制策略。

【關鍵詞】：直流微電網；改進分級；控制策略

1、導言

為了協調大電網與分布式發電之間的矛盾，充分利用分布式發電的優勢，并促進其大規模的整合與應用，學者們提出了微網（Microgrid）的概念。盡管對微網的定義各不相同，但國際上基本認為：微電網是由各種分布式電源/微電源、儲能單元、負荷以及監控、保護裝置組成的集合；具有靈活的運行方式和調度性能，即能在并網運行和孤島運行兩種模式間切換。

2、基于直流母線電壓的控制策略

直流微網控制策略主要分為集中控制、分散控制和分布控制3種，其中分散控制不考慮直流母線變化使得各分布電源間的信息無法交互不予采用，集中控制由于需要一個傳輸速度較快的通信架構，目前實現較為困難，所以大部分直流微網的控制策略都選用分布控制，即基于直流母線電壓的控制策略（DCbussignalcontrol）。直流母線電壓的選取，依據文中對不同直流電壓對負載和線路損耗的分析，得出選擇直流母線電壓為48V較為合適。直流微網作為電源輸出時DBS的具體實現方式，變換器的U-I下垂控制線見圖1，原理框圖見圖2，變換器通過將母線電壓幅值與自身工作狀態閥值電壓比較，進而決定工作模式。

圖1新能源放電時的控制器U-I下垂線

圖2新能源放電時變換器控制框圖

直流系統中包含3類電能單元：新能源、儲能裝置和負載單元。首先，直流母線電壓的幅值作為信號，分為不同控制區域。當系統直流母線電壓處于狀態1時，僅將新能源并入直流母線，狀態2中儲能裝置也被加入。其中新能源的放電閥值為U0，儲能裝置的放電閥值為U1。當負載小于新能源最大功率點（曲線PS1）時，新能源的變換器與直流母線交互，使得僅新能源并網，并且變換器工作在恒壓輸出狀態，調制母線電壓至其放電閥值。當負載電流增大，母線電壓由于下垂線的控制逐漸降低，所以，當帶負載PL1時，系統工作點在A點處。當負載超過新能源最大功率點，新能源變換器檢測到該狀態后，改變其工作狀態至恒功率輸出模式，限制其輸出功率為PS1。由于按PS1曲線增長，電壓會跌落較多，所以為了保持母線電壓在一定范圍內穩定，當電壓跌落至U1以下，儲能裝置并入，提高整個系統的工作電壓，當帶負載PL2時，系統工作點在B點處。

圖2控制模塊是標準雙環控制，電流內環響應速度快，電壓外環通過PI調節保證電壓穩定。在恒壓工作模式中，PI控制器使得直流母線電壓調制到其放電閥值電壓，電流按照內環輸出額定值。同時，設置了控制器的下垂曲線保證了不同新能源和儲能裝置能通過變換器實現功率均分。下垂曲線公式為

U0*=Un-kI0。（1）

式（1）中：Un為變換器放電閥值；I0為輸出電流；k為下垂系數。恒功率運行時，新能源的變換器跟蹤新能源的最大功率點運行，儲能裝置在母線電壓達到放電閥值后，按下垂控制支撐母線電壓。以上介紹了新能源模塊放電方式的控制策略，對于整個系統，儲能裝置作為一個能量緩沖器，其控制器根據直流母線電壓的不同分為充電控制和放電控制兩部分，具體儲能變換器的控制框圖見圖3。

圖3儲能變換器總體控制框圖

圖3中：Ub為檢測的蓄電池電壓；Ubh為相對于剩余容量95%時的電壓；Ubl為相對于剩余容量40%時的電壓，充放電電流最大值都有相應限制；Ib*為儲能變換器的參考電流；Ib為變換器實際輸出電流；D*為變換器的占空比；Udc為直流母線電壓測量值；Udc_ref為給定參考值。

將Udc和Udc_ref比較后通過PI調節及限流環節得到電流控制環的輸入參考值Ir2，若Ub小于Ubl，則Ir2=0，此時蓄電池為充電狀態，參考電流為Ir1；若Ub大于Ubl，則參考電流為Ir2，此時蓄電池為放電狀態。其中，充電狀態時，將Ub和Ubh比較后通過PI調節和限流環節，得到參考電流Ib1=Ib*。通過Ib*的大小決定電池工作狀態，當其大于0，變換器工作在放電狀態，小于零則充電狀態。Ubh和Ubl的設置實現了儲能的過沖過放保護。

3、直流微電網的分級控制

3.1第3級控制

第3級控制主要實現上級電網對直流微電網的調度。直流微電網從上級電網吸收功率的最大值由直流微電網并網變換器的容量決定；直流微電網向上級電網輸出功率的大小由上級電網的調度決定。直流微電網通過并網變換器與上級電網相聯。采用電網電壓定向的矢量控制策略時，并網變換器在dq坐標系下的交流側有功功率和直流側有功功率可以表示為

（1）

式中：Pac_g為并網變換器交流側輸出的有功功率，該值為調度層給定；Ug和Igd分別為并網變換器交流側電壓有效值和交流側電流d軸分量有效值；Pg為并網變換器直流側功率；Ig為并網變換器直流側電流有效值。

根據功率守恒，忽略傳輸線路損耗，令Pac_g等于Pg，則上級電網調度時的并網變換器直流側電流輸出電流參考值Ig*為

（2）

3.2第2級控制

第2級控制使用直流母線電壓作為調度信號，在直流微電網電壓允許的波動范圍內，實現對直流微電網中各個微源工作狀態的調度管理。該調度策略可以根據設定的運行規律優先對分布式電源進行調度，分布式電源輸出功率不夠時，再根據并網或孤島狀態分別對并網變換器和儲能裝置進行調度，達到母線電壓平衡和潮流控制的目的。直流微電網的工作模式示意圖如圖4，其中UN為額定電壓，H2UN和L2UN分別為母線電壓允許的最大值和最小值，系數需滿足

（3）

圖4直流微電網母線電壓控制

3.3第1級控制

第1級控制根據母線控制層的調度要求實現對微源接口變換器的控制。

結論

綜上所述，針對適用于任意用戶的低壓直流微電網，本文提出一種層次化優化控制策略，該層次化控制策略通過調度管理層與上級電網接口，實現上級電網對直流微電網的調度，母線電壓控制層以直流母線電壓作為信息載體實現對發電單元的調度及狀態的調度，變換器控制層實現變換器的下垂及最大功率控制。

【參考文獻】：

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