直流微電網儲能變流器動態下垂控制研究

胡慧欣

摘要：直流微電網作為提高可再生能源利用率的有效平臺，近年來得到了快速發展。直流微電網中，直流母線是源荷各單元的公共連接點，各分布式發電單元和負荷都通過直流變流器接入其中。負荷功率在微電源之間的合理分配以及良好的電壓質量是整個直流微電網系統的重要研究目標。為了實現直流微電網的穩定運行，需要根據微電網系統中不同單元的運行狀況，制定相應的能量管理策略。直流微電網中各個設備的控制都是通過控制直流變流器來實現的，其控制手段多種多樣，其中可實現即插即用的下垂控制被廣泛研究和討論。直流微電網中下垂控制的實現方法普遍是基于電壓電流雙環控制，是將下垂曲線控制環作為控制外環，其輸出量作為變換器電壓的參考值，再進行電壓電流雙閉環控制，達到控制目的。

關鍵詞：直流微電網;變流器;下垂控制

引言

為了有效提升分布式發電單元接入電網后的電能質量和新能源利用率，美國電力可靠性解決方案協會（CERTS）在2002年提出將分布式電源、儲能系統、換流器和負荷組合成一個微電網（MG）的概念。相比于交流微電網，直流微電網沒有無功功率、相位差、諧波電壓等問題，且由于系統中大部分分布式電源和負荷為直流形式，網絡采用直流結構減少了很多電力電子設備成本。因此，關于直流微電網的研究得到了越來越多的關注。

1直流微電網的下垂控制分析

對于功率單元采用下垂控制的微電網而言，其簡化模型如圖1所示，DG通過升壓型單向功率變換器（Boost變換器）接入直流母線，負荷通過降壓型單向變換器接入直流母線。圖中，Ln、Cn分別為功率單元n的Boost變換器的電感、電容（n∈N?，N?={1，2，…，N}為采用下垂控制的功率單元集合，N為功率單元的數量）;rn、Lr，n分別為功率單元n連接至直流母線的線路電阻、等值電感;In為功率單元n的輸出電流;Idc為負荷電流;Req、Leq分別為直流母線負荷等效電阻、電感;LR、CR分別為降壓型單向變換器的等值電感、穩壓電容。

采用U-I下垂控制的功率單元的輸出特性可表示為：Un=Un，ref-knIn（1）其中，Un為功率單元n變換器出口處的電壓;Un，ref為功率單元n下垂控制的電壓參考值;kn為功率單元n的下垂系數。穩態運行時的功率單元可等效為一個理想電壓源與一個電阻串聯，如圖2所示。圖中，Udc為直流母線電壓。

2基于下垂控制的電壓控制策略

2.1直流微電網設備級控制

設備級控制中，微電網內部在電網單元出力未達功率上限時由電網單元平衡負荷變動，在其功率超出限值之后由儲能單元作為微電網內部平衡單元發出或吸收多余功率。其中并網單元選用電壓型脈寬調制（PWM）變流器連接交流電網和直流微電網。并網換流器采用定功率控制，通過微電網內部調度平衡內部負荷波動，其外環控制由系統調度給出功率參考值，通過電壓換算得到電流d軸分量參考值，電流q軸分量參考值為0;內環控制采用PI控制器，使實際d軸電流與q軸電流跟蹤外環電流參考值。

2.2母線電壓二次補償控制

本文提出的控制策略是在根據下垂控制原理改進得到的，因此在系統功率波動時會帶來直流側母線電壓偏離參考值的現象。為了解決該問題，本文加入直流母線電壓補償二次控制來提高母線電壓的穩定性。具體而言，電壓補償二次控制是通過PI控制器將直流母線電壓輸出的補償量疊加至各底層控制器的直流母線電壓參考值上，實現對母線電壓偏差的補償。控制框圖如圖4所示。加入母線電壓二次補償控制之后得到儲能變流器動態下垂控制的控制框圖如圖5所示，母線電壓和變流器輸出電流分別經過電壓補償控制和下垂控制，得到電壓控制環反饋量，最后經過電流環得到控制脈沖，控制各個變流器的輸出功率。

2.3參數整定

對于二次電壓控制的參數整定而言，首先需明確功率單元集合及各功率單元的參與度，即參與二次電壓控制的功率單元及其具體的調節量。功率單元集合的確定需考慮DG單元的容量限制、DG單元發生故障、線路容量限制等因素。在每一輪的二次電壓控制中，若根據初步設定的負荷分配系數預估的功率大于功率單元的額定功率，表明該運行狀態下不能達到預期的負荷分配效果，需將該功率單元的功率整定為額定功率，并將其從功率單元集合中刪除;在新的功率單元集合中重新設置負荷分配系數，直至完成當前負荷分配。

2.4電壓二次補償控制分析

母線電壓二次控制通過在控制外環增加電壓PI控制器來實現，主要用來補償下垂控制引起的母線電壓偏離。開啟電壓二次補償控制后，母線電壓能夠恢復到參考電壓。其中，ki主要影響母線電壓的暫態特性，ki越大母線電壓恢復至參考值的時間越短，暫態時間越短，但過大易引起電壓突變，不利于母線電壓恢復;kp主要影響母線電壓的振蕩幅值，kp過大母線波動越強，過小母線動態特性則會較差。kp和ki的取值應根據母線電壓要求進行取值，本研究kp和ki分別取0.9、10。

2.5直流微電網系統級控制

在設備級控制中，為了自動實現功率分配，直流電壓控制單元往往采用下垂控制，但是由于下垂控制屬于一次控制，會造成直流母線電壓偏差，影響電壓質量，因此在系統級控制中可以對電壓進行二次控制，從而提升電壓水平。此外，為了控制微電網間功率流動，在系統級控制中還應考慮對聯絡線功率的控制。在直流微電網集群控制中，各子微電網需要通過二次控制來消除由下垂控制導致的子微電網母線電壓跌落問題，但微電網間有功率傳輸時無法保證所有微電網母線電壓控制在額定值。因此，本文利用基于一致性算法的電壓觀測器計算集群內各母線電壓的平均值，控制其穩定在額定電壓附近。

2.6聯絡線功率控制策略

在上述聯絡線功率控制方法的基礎上提出了一種聯絡線功率控制策略。通過功率控制期望達到的目的是：在各微電網內部電源出力能夠滿足負荷需求時，各微電網獨立運行;當某些微電網內部電源充裕而無法消納或電源不足而無法滿足負荷需求時，若其余微電網有能力提供功率支持，則調整聯絡線功率值，由集群功率單元吸收過剩功率或發出不足功率。因此，需根據集群的不同運行場景制定不同的聯絡線功率控制策略。

結束語

本文對直流微電網的電壓控制策略進行了研究，提出了基于動態負荷分配的二次電壓控制策略，可實現直流母線電壓的快速調節及動態負荷分配。所提控制策略在較寬的范圍內設置下垂系數，不受變換器容量配比約束，從而增加了系統運行的靈活性.通過在下垂控制的下垂系數中引入儲能電池SOC動態值，使負荷功率在儲能電池間動態分配，實現并聯儲能電池輸出功率和SOC的均衡;并增加電壓二次控制和補償虛擬阻抗，抑制下垂控制引起的直流母線電壓偏離，改善直流變流器的動態特性，提升直流母線電壓的穩定性。仿真結果表明：功率波動時，控制策略能夠完成負荷功率在儲能電池間的均衡分配，并增強直流母線電壓的阻尼特性，抑制母線電壓偏離。

參考文獻

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