考慮電能管理的供電系統自治協調控制策略

張金鵬， 唐婷， 燕正家， 薛玉龍

(1. 國網寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;2.國網寧夏電力有限公司中衛供電公司，寧夏 中衛 755000)

0 引 言

直流供電系統可實現分布式光伏和直流負荷的直流接入，無頻率穩定性問題，有利于系統穩定運行[1-2]。如何實現直流供電系統中不同變換器之間的協調控制成為需解決難題之一。

直流供電系統協調控制模式包括集中通信和分布式控制。采用集中控制時需要依賴設備運行數據的實時采集對各控制器下發控制指令。某個節點的信號異常嚴重時會使系統崩潰，因此這種類型的控制結構供電可靠性較低[3]。分布式控制時采用母線電壓作為協調控制信號，各控制單元可以實現獨立控制，但是無法保證各裝置輸出功率動態均衡[4]。文獻[5]介紹了以分布式風電為發電單元的協調控制策略，母線電壓由每層中相應變換器控制。文獻[6]研究了直流微電網的協調自治方案，根據預制方案實現并/離網模式切換，但是在切換過程中無法實現無縫對接，需要進行修正。

為解決上述問題，提升供電系統能效品質，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統自治協調控制策略。并網裝置通過判斷微電網直流母線電壓信息自適應選擇控制模式并無縫切換，各并網設備采用自適應下垂控制，相互之間無需通信，具備“即插即用功能”。

1 供電系統拓撲結構

圖1為典型的直流供電系統拓撲，包含以下4個部分。

圖1 光儲直流供電系統電路拓撲

(1) 光伏發電單元：光伏陣列通過DC/DC變換器并網，通常以最大功率跟蹤模式運行，特殊情況下，按照調度指令降功率運行。

(2) 儲能單元：儲能電池通過雙向DC/DC變換器并網，并網時處于熱備用狀態，依據母線信息確定工作模式；離網時采用電壓控制模式，基于下垂控制策略維持母線電壓穩定[7]。

(3) 并網變流器：光伏、儲能等直流發電單元通過雙向DC/AC變流器并入電網，實現直流微網和交流主網之間的功能交換，保障系統功率平衡及維持母線電壓穩定。

(4) 負荷單元：直流負荷直接或通過DC/DC變流器接入供電系統。離網時需要根據負荷的重要程度進行切負荷控制，確保重要負荷的供電質量。

2 供電系統自適應協調控制策略

依據直流母線電壓信息將直流供電系統分為電網主導、儲能主導、分布式發電單元主導和切負荷四種運行模式，如圖2所示。考慮系統的電能優化和管理，為避免采用集中控制，基于無互聯通信的控制策略如圖3所示。

圖2 供電系統基于母線電壓的切換控制方法

圖3 不同運行模式供電系統控制策略

2.1 模式1(電網主導運行模式)

當與交流電網相連，本地分布式發電無法支撐負荷運行時，所缺功率由交流電網提供，確保系統的功率交互平衡，系統工作于電網主導模式。忽略供電系統的損耗，該模式下交流主網提供的功率為：

Pa=Pl-Pess-Pv

(1)

式中：Pa、Pess和Pv分別為交流主網、儲能電池和光伏發電單元提供的功率；Pl為直流負荷消耗的功率。

此模式下，光伏采用最大功率跟蹤控制，儲能單元根據電池荷電狀態來決定工作在充電還是備用狀態。并網變流器采用下垂控制策略，控制如圖4所示，假設其能向供電系統傳輸的最小、最大功率分別為Pa_min、Pa_max。變系數下垂特性曲線可表示為：

圖4 并網變流器控制框圖

(2)

(3)

式中:Vdc_ref為并網變流器直流側電壓給定值；Pa為變流器輸出有功功率；ka為下垂系數;V1_l、V1_h為該模式下直流電壓允許最小值和最大值。

2.2 模式2(儲能主導運行模式)

交流電網發生故障或負荷波動時，可能導致并網變流器進入限流狀態或故障停機，此時系統進入儲能主導運行模式，儲能單元需具備較大的能量裕度，可以充電或者放電，維持母線電壓穩定。根據直流母線電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況，對應儲能系統充電和放電兩種工作狀態。

模式2-1(電壓區間V1_l到V2_l)：光伏單元發電功率大或負荷小時，并網變流器輸出功率受限為Pa_min，此時儲能單元處于充電狀態。功率為：

Pess=Pv-Pa_min-Pl

(4)

儲能系統根據母線電壓Vdc自動調整為變系數下垂控制模式，向供電系統傳輸的最小、最大功率分別為Pess_min、Pess_max。自適應下垂控制曲線為：

Pess=Pess_ref-k1δ1(Vdc-V1_h)

(5)

(6)

式中：Pess_ref為根據調度指令或電池SOC狀態給定的充/放電功率;δ1為下垂系數變化量加權值；k1為下垂系數。

模式2-2中(電壓區間V1_l到V2_l)儲能系統放電彌補功率缺額，采用變系數下垂控制策略，下垂特性曲線表示為:

Pess=Pess_ref-k2δ2(Vdc-V1_l)

(7)

下垂系數k2定義為：

(8)

因此，儲能單元存在三種不同運行模式，并可以根據直流母線電壓進行平滑切換。

(9)

蓄電池和超級電容系統均能根據自身SOC狀態自適應合理分配功率，儲能單元輸出功率均衡，控制模式切換平滑。

2.3 模式3(光伏發電單元主導運行模式)

當分布式光伏發電的輸出功率過大，超過了并網變流器的容量及本地負荷的用電需求，此時儲能電池的SOC達到最高限值，或儲能單元以最大功率充電，系統仍然無法正常運行，此時限制分布式發電的出力，用來穩定直流母線電壓。

2.4 模式4(切負荷模式)

此運行模式下，系統提供的最大功率小于負荷需求。為保障供電系統安全，需要根據負荷的重要層次，依次切除次要負荷，實現供電系統安全穩定運行。

3 仿真驗證

為驗證所提控制策略，基于PSCAD軟件搭建直流供電系統仿真模型，系統包含鐵鋰電池、超級電容、光伏、直流負荷以及并網變流器5種功率交互裝置。

3.1 仿真場景1

直流供電系統由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖5所示。可以發現：

圖5 場景1下仿真波形

0～0.5 s：供電系統并網運行，儲能處于備用狀態，光伏輸出功率30 kW，負荷30 kW，本地功率基本平衡，DC/AC變流器輸出功率很小，由DC/AC變流器控制母線電壓。

0.5～1 s：投入儲能進行恒功率充電，根據下垂特性，母線電壓有所降低。

1～1.5 s：儲能逐漸充電完成，負荷功率增大，DC/AC變流器輸出功率增大，母線電壓繼續降低。

1.5～2 s：光伏輸出出現波動，功率降為15 kW，儲能輸出功率維持功率平衡。此時并網變流器會出現限功率運行，進入模式2-2電壓變化區間，檢測到母線電壓變化后儲能電池自適應進入變系數下垂控制模式，為維持供電系統穩定需增加儲能出力。

3.2 仿真場景2

直流供電系統由模式2-1切換至模式4再恢復至模式1，仿真波形如圖6所示。可以發現：

圖6 場景2下仿真波形

0～0.5 s：供電系統獨立運行，儲能維持母線電壓恒定，光伏輸出功率30 kW，負荷30 kW，DC/AC變流器處于并網待機模式。

0.5～1 s：光伏輸出功率減小，為了維持網內功率平衡，儲能增大輸出功率，母線電壓有一定的降低。

1～1.5 s：光伏輸出進一步減小，儲能無法提供更多的功率，切除部分次要負荷，以維持母線電壓在正常運行范圍內。

1.5～2 s：供電系統切換為并網運行，母線電壓恢復額定值，之前切除的負荷重新投入，儲能暫時退出運行，在有功率剩余時再進行充電。

4 結束語

本文提出一種考慮電能管理的供電系統自治協調控制策略。仿真結果表明:微網供電系統中各并網裝置通過判斷微網直流母線電壓信息即可自適應選擇控制模式并無縫切換，能夠保證直流母線電壓穩定；同時，各并網設備之間無需相互通信，采用自適應變系數下垂控制，以保證微網中各并網設備輸出功率均衡、合理，快速實現系統內各變流器的功率平衡及協調控制。在不增加硬件成本的情況下，僅通過控制實現供電系統內部的自治與協調運行。