基于母线电压信息的直流微电网协调控制策略.pdf

Telecom Power Technology 28 Sep.25,2023,Vol.40 No.18 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.18.010基于母线电压信息的直流微电网协调控制策略李露露1，赵世芳2（1.国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250118；2.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 261000）摘要：随着国家科学技术水平的不断提升，直流用电设备日趋增多。直流型微电网相比交流型微电网，经济性好、绿色环保、可控性强，是未来微电网系统的研究趋势。直流微电网系统中各个组成单元输出电压、电流均各不相同，容易导致功率输出不均衡问题。利用下垂控制算法主要解决多个单元并联时功率分配不均衡的问题。传统的下垂控制算法容易导致输出功率均衡和各个单元的输出电压也容易存在偏差。针对这个问题，提出利用下垂曲线平移的调整方式对下垂控制算法进行改进，即增加处理器对 U 进行比例-积分（Proportional Integral，PI）控制器反馈环节。为了加强各个组成单元之间的协调控制，另外设计了一种基于母线电压信息的直流微电网统一协调控制方法，以便对直流微电网的并网和离网进行统一管理。关键词：直流微电网；下垂控制；协调控制Coordinated Control Strategy of DC Microgrid Based on Bus Voltage InformationLI Lulu1,ZHAO Shifang2(1.State Grid Shandong Electric Power Company Ultra-High Voltage Company,Jinan 250118,China;2.State Grid Weifang Power Supply Company,Weifang 261000,China)Abstract:With the continuous improvement of national science and technology level,Direct current electrical equipment is also increasing.Direct current microgrid is more economical,green and controllable than alternating current microgrid,which is also the research trend of future microgrid system.The output voltage and current of each component unit in Direct current microgrid system are different,which easily leads to the problem of unbalanced power output.The sag control algorithm is mainly used to solve the problem of unbalanced power distribution when multiple units are in parallel.The traditional sag control algorithm is easy to lead to the deviation of output power balance and the output voltage of each unit.To solve this problem,the sag control algorithm is improved by using the sag curve translation adjustment method,that is,adding the processor to perform Proportional Integral(PI)controller feedback on U.In order to strengthen the coordination and control among each component unit,a unified coordination and control method of direct current microgrid based on bus voltage information is designed to manage the on-grid and off-grid uniformly.Keywords:direct current microgrid;droop control;coordinated control0引言微电网是指可对一定区域内分布式单元有效管理的微型自治供电网络，主要包括直流型、交流型以及交直流混合型 3 类1。如今，已经建设好的微电网工程一部分以交流型为主，可以直接匹配交流电力设备。在微电网的组成单元中，风力发电单元输出为交流电，但太阳能光伏发电单元与储能单元均为直流电。直流微电网系统经济性好、可控性强，能够充分利用自然界中的可再生能源，是未来的研究方向。1直流微电网的组成及控制策略1.1直流微电网的组成直流微电网的组成主要包括太阳能光伏发电单元、风力发电单元、并网单元、蓄电池储能单元、超级电容储能单元、各类负载单元以及线路开关等几个部分。各个单元通过一条公共直流母线（DC Bus）连接，进行能量流动。太阳能光伏发电单元输出为直流电，需要进行直流/直流（Direct/Direct，DC/DC）转换后与电网连接；风力发电单元输出为交流电，必须先进行整流交流/直流（Alternating/Direct，AC/DC）变换，将交流电转换为直流电；并网单元利用 AC/DC双向变换器，通过并网变换器直流微电网可以与大型交流电网连接进行能量流动；蓄电池单元和超级电容储能单元均需要进行 DC/DC 变换，当发电单元的电量供应过多时，储能单元进行充电，当负载电量不足时，储能单元放电，以满足直流微电网系统电量供需平衡2。本文设计的低压直流微电网的组成结构如图 1 所示。1.2改进型下垂控制算法本文提出了利用下垂曲线平移的调整方式对算法进行改进。利用电压互感器对公共直流母线电压进收稿日期：2023-07-01作者简介：李露露（1989），男，山东潍坊人，本科，工程师，主要研究方向为电力系统分析、高压试验、变电运检等；赵世芳（1988），女，山东潍坊人，本科，工程师，主要研究方向为电力系统分析、高压试验、变电运检等。2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期 29 Telecom Power TechnologySep.25,2023,Vol.40 No.18 李露露，等：基于母线电压信息的 直流微电网协调控制策略行测量，测量的电压数据传输给中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。CPU 将测量的实时电压值与额定电压值进行误差计算，并将结果反馈给比例-积分（Proportional Integral，PI）控制器。关于改进型下垂控制算法的控制效果，通过 CPU 处理器对 U 进行 PI 控制器反馈，使得母线电压偏差变小。1.3各组成单元的控制策略设计1.3.1太阳能光伏发电电源的控制策略设计该控制策略包括 2 部分，上部分是恒压下垂控制策略，下部分是最大功率点追踪控制策略。Uref_DC为微电网直流母线电压的参考值，Upv为太阳能光伏发电单元的电压值，Ipv为太阳能光伏发电单元的电流值。输入 Upv及 Ipv，经过运算得到太阳能光伏发电单元的电压参考值 Upv*，将电压参考值进行反馈，使得太阳能光伏发电单元一直处于最大功率追踪模式。r 为直流下垂控制系数，UDC_bus为微电网的直流母线电压，当系统检测到微电网直流母线电压的参考值Uref_DC等于直流母线电压值时，系统处于恒压下垂控制模式。1.3.2并网单元的控制策略设计该单元主要包括电压锁相环、电压内环控制、电压外环控制 3 个部分。Uref_GCH为参考电压允许最高值，Uref_GCL为参考电压允许最低值，Uac为交流侧电压，Iac为交流侧电流。当微电网的直流母线电压 UDC-bus高于电压允许最高值 Uref_GCH时，微电网向交流电网输送能量；当微电网的直流母线电压 UDC-bus低于电压允许最低值Uref_GCL时，交流电网向微电网输送能量。电压锁相环保证在并网操作时，逆变之后的交流电压与交流电网电压频率、相位保持一致，并网变换器单元以交流电网的功率因数并网3。2系统仿真及实验结果分析2.1系统仿真结果分析为了验证基于直流母线电压信息的系统离、并网统一运行控制策略的可行性，对各个单元采取控制策略时的母线电压及输出功率大小进行记录。将直流微电网的运行模式分为共 5 个模式，运行模式的母线电压由光伏发电单元维持稳定，工作在恒压下垂状态；运行模式的母线电压由并网变换器单元维持稳定，工作在逆变状态；运行模式的母线电压由储能单元维持稳定，工作在充电或者放电状态；运行模式的母线电压由并网变换器单元维持稳定，工作在整流状态；运行模式的母线电压由非重要负载变换器单元维持稳定，工作在降功率状态4。（1）情景 1 的仿真模式切换过程为，切换时间分别为 0.8 s 和 1.6 s。仿真初期，非重要及重要负载单元的功率需求 PLoad为 4 000 W，太阳能光伏发电单元处于最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式，光伏发电单元 1 发出的功率PDG1为 1 000 W，太阳能光伏发电单元 2 发出的功率PDG2为 2 000 W，太阳能光伏发电单元发出的功率和为3 000 W，不能够满足负载用电需求，需要储能单元放电，此时直流母线电压为 400 V，母线电压由储能单元处于放电状态维持稳定。当时间为 0.4 s 时，太阳能光伏发电单元 1 发出的功率 PDG1为 2 000 W，太阳能光伏发电单元 2 发出的功率 PDG2为 4 000 W，太阳能光伏发电单元发出的功率和为 6 000 W，远远超过负载的功率需求，储能单元开始变为充电状态，储存多余电DC/DCDC/DCDC/DCBi-DC/DCBi-DC/DCDC Bus蓄电池超级电容DC/ACLOADsLOADsLOADsAC/DCAC/DCAC/DC光伏阵列风力发电交流电网PMSGPMSG图 1直流微电网结构组成 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期Sep.25,2023,Vol.40 No.18Telecom Power Technology 30 能。当时间为 0.8 s 时，母线电压上升至 410 V，原因是 2 个太阳能光伏发电单元的输出功率远远大于储能单元的额定容量和负载单元的功率需求和，储能单元此时处于限流充电模式，微电网系统能量过剩，因此并网变换器单元处于逆变状态，向交流电网输送功率，直流微电网系统由运行模式变为运行模式。当时间为 1.2 s 时，因为荷电状态值管理的限制，储能单元的充电功率减小，并网变换器增加向交流电网的功率输出。（2）情景 2 的仿真模式切换过程为，切换时间分别为 1.0 s 和 1.6 s。光伏发电单元 1 发出的功率 PDG1为 4 000 W，太阳能光伏发电单元 2 发出的功率 PDG2为 3 000 W，太阳能光伏发电单元发出的功率和为 7 000 W，重要负载单元的功率需求 PLoad1为 4 000 W，非重要负载单元的功率需求 PLoad2为 2 600 W，负载单元的功率总需求为 6 600 W，发电量充足，储能单元储存多余电量，此时直流母线电压为400 V，母线电压由储能单元处于充电状态维持稳定，系统为运行模式。当时间为 0.2 s 时，太阳能光伏发电单元 1 发出的功率 PDG1开始减少；当时间为 0.6 s 时，太阳能光伏发电单元 2 发出的功率 PDG2也逐渐减少，为了维持能量供需平衡，储能单元开始变为放电模式；当时间为 1.0 s 时，因为荷电状态值管理的限制，储能单元的放电功率减小，无法满足负载单元的用电需求，因此导致母线电压降低，此时直流微电网系统需要从交流电网获得能量，交流电变换为直流电，并网变换器单元处于整流状态。并网变换器单元负责维持母线电压稳定，直流微电网系统由运行模式变为运行模式。2.2实验结果分析利用下垂曲线平移的调整方式对下垂控制算法进行改进，为了加强各个组成单元的协调控制，设计了一种基于母线电压信息的直流微电网统一离网、并网协调控制方法5。实际的直流微电网由大量的电力电子元件、滤波电容、滤波电感等组成，导致仿真结果可能与实际差距较大。设计直流微电网物理实验平台，通过物理实验来弥补软件仿真的缺陷，进一步对直流微电网的协调控制策略进行验证。2.2.1实验 1 结果分析当直流微电网系统运行时间处于 t1之前时，负载单元电流值 Iload较低，并网变换器单元处于并网逆变模式，直流微电网系统向交流电网输送能量。随着负载单元电流值 Iload不断升高，太阳能发电单元与储能单元共同供电，满足负载的功率需求，太阳能光伏发电单元处于 MPPT 状态，直流微电网系统由运行模式变为运行模式。当直流微电网系统运行时间处于 t2时，负载单元电流值 Iload逐渐降低，仅仅依靠太阳能光伏发电单元即可满足负载的功率需求。储能单元将剩余的电能储存起来，直流微电网系统由运行模式变为运行模式。另外，在直流微电网系统的整个运行过程中，直流母线电压变化量 Udc几乎保持不变，模式切换平滑，说明控制策略可行性高。2.2.2实验 2 结果分析当直流微电网系统运行时间处于 t1之前时，负载单元的负载电流 Iload值较大，太阳能光伏发电单元处于 MPPT 状态，分布式发电单元与储能单元同时供电，满足负载的用电需求。当直流微电网系统运行时间处于 t1时，直流微电网系统由运行模式变为运行模式，负载单元的负载电流 Iload值继续升高，交流电网需要向直流微电网系统供电，并网变换器单元处于并网整流状态，此时直流微电网系统处于系统模式。当直流微电网系统运行时间处于 t2时，负载单元的负载电流 Iload值降低，直流微电网系统由运行模式变为运行模式。与实验 1 相同，说明控制策略可行性高。3结论本文提出利用下垂曲线平移的调整方式对下垂控制算法进行改进，设计了一种基于母线电压信息的直流微电网统一离网、并网协调控制方法。通过物理实验来弥补软件仿真缺陷，进一步对直流微电网协调控制策略进行验证。实验表明，直流微电网系统运行稳定，直流母线电压变化量 Udc几乎保持不变，系统运行模式切换平滑，验证了控制策略的可行性。参考文献：1 王成山，李微，王议锋，等.直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述 J.中国电机工程学报，2017，37（1）：84-98.2 杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述J.中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.3 吕振宇，吴在军，窦晓波，等.基于离散一致性的孤立直流微网自适应下垂控制 J.中国电机工程学报，2015，35（17）：4397-4407.4 李鑫.单母线直流微电网模型的建立及其稳定性分析 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.5 王盼宝，王卫，孟尼娜，等.基于运行模式与运行指标综合评价的直流微电网优化配置 J.电网技术，2016，40（3）：741-748.