独立直流微电网

独立直流微电网（精选七篇）

独立直流微电网 篇1

在能源危机和环境保护的双重压力下,微电网技术受到了世界各国的广泛关注与应用。微电网是指将分布式电源、储能装置、负载以及控制装置等结合在一起的独立供电系统,既可并网运行,也可离网运行[1,2,3]。目前,微电网的结构主要包括交流微电网和直流微电网。与交流微电网相比,直流微电网具有其独特的优势[4,5,6]:直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪,可靠性和可控性都大幅提高,更适合分布式电源、储能装置及负载的接入;直流微电网仅需考虑网内有功功率的平衡,无需考虑无功功率的流动;直流微电网的能量转换次数少、效率高、成本低。

针对独立直流微电网中分布式电源与储能装置之间的功率协调控制问题,国内外研究人员进行了大量的研究。文献[7,8]基于传统的PI方法设计了独立直流发电系统的功率控制策略。然而,直流微电网系统是一种具有多变换器结构的强非线性系统,PI控制以系统的线性化模型为基础,未考虑系统中电力电子变换器的非线性特性,使得闭环系统只能在一定的范围内稳定[9]。因此,针对这一强非线性系统,利用非线性控制方法设计系统的功率分配策略是十分必要的。文献[10]基于滑模控制实现了超级电容SC(Super Capacitor)的快速充放电,稳定了直流母线电压。文献[11]利用小波变换技术将负载需求功率分为高频和低频部分,分别由超级电容和燃料电池提供。文献[12]基于微分平滑理论设计了含燃料电池发电系统的功率控制策略。上述非线性控制策略虽能够合理调节微电网的功率平衡,维持母线电压稳定,但忽略了系统的能量特性及物理结构特性。

无源控制PBC(Passivity-Based Control)方法作为一种非线性控制方法,从系统的能量角度出发,可实现闭环系统的渐近稳定[13]。目前,PBC方法已被广泛应用于电力系统、电力电子及电机控制等领域[14,15,16,17]。因此采用PBC方法从能量的角度设计稳定的系统功率控制器具有一定的实际意义。

本文针对含有燃料电池和超级电容的独立直流微电网功率协调控制问题,提出了一种PBC-PI级联控制策略。其中,PBC用于调节微电网的有功功率平衡,稳定直流母线的电压;PI控制用于改善闭环系统对于参数扰动的鲁棒性。最后,通过仿真实验对PBC-PI控制策略进行了验证。

1 独立直流微电网结构

图1是独立直流微电网系统的拓扑结构图。其中,光伏阵列和燃料电池通过单向DC/DC变换器与直流母线连接,风电通过AC/DC逆变器与直流母线连接,超级电容储能装置通过双向DC/DC变换器与直流母线连接。

在微电网的控制方面,风电和光伏阵列的输出功率受天气等自然条件的影响较大,发电具有明显的波动性和间歇性,可采用最大功率点跟踪(MPPT)控制,不参与微电网的有功功率调节;燃料电池的输出功率受天气等自然条件的影响较小,且具有连续的供电能力,因此可结合燃料电池调节网内有功功率的平衡。然而,燃料电池的燃料供应系统中包含一系列的泵、管道、阀门等机械元件,受这些装置反应速度的限制,燃料电池的动态特性较慢,快速变化的负载用电需求会导致“燃料饥饿”现象,影响燃料电池的使用寿命。因此,为了保护燃料电池,需将燃料电池与具有快速充放电能力的超级电容配合使用。当风电和光伏阵列的输出或者负载的用电需求发生变化时,超级电容可以快速补偿微电网内的暂态能量不平衡,起到保护燃料电池、稳定直流母线电压的作用。

2 独立直流微电网建模

图2所示为本文研究的独立直流微电网系统的等效模型。在该等效模型中,风电和光伏阵列采用最大功率点跟踪控制,不参与微电网的有功功率调节;为了简化分析,将风电和光伏阵列与负载一起等效为一个电流源。功率协调控制的对象为燃料电池和超级电容,其中燃料电池通过Boost变换器与直流母线连接;超级电容通过双向DC/DC变换器与直流母线连接[18]。

2.1 燃料电池模型

根据电解质的不同,燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)、熔融碳酸盐燃料电池MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)和固体氧化物燃料电池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)。相比于其他燃料电池,PEMFC因具有能量密度高、工作温度低、启动速度快以及使用寿命长等显著优点受到了研究人员的广泛关注。PEMFC的静态模型为[19]:

其中,UFC为PEMFC的输出电压;E0为PEMFC的开路电压;iFC为PEMFC的电流;in为内部电流;ie为交换电流;ilim为限制电流;Rm为膜电阻;A为塔菲尔斜率;B为质量转移常数。

2.2 超级电容模型

超级电容模型采用由理想电容CSC和等效电阻RSC串联组成的一阶RC模型,如图2所示。此模型忽略了高频段电感及长时间工作时漏电流对超级电容性能的影响,能够正确反映超级电容在充放电过程中的外在电气特性[20]。

2.3 独立直流微电网端口受控哈密顿模型

假定Boost变换器和双向DC/DC变换器都处于连续工作模式,选取电感LFC的电流iFC、电感LSC的电流iSC以及电容CDC的电压UDC作为系统的状态变量,即:

基于回路电压KVL和节点电流KCL,经计算可得微电网的状态空间模型为:

其中,USC为超级电容的输出电压;rFC和rSC分别为电感LFC和LSC的寄生电阻;α1和α2分别为功率开关管VTFC和VTSC的占空比信号;u1、u2为控制律,u1=1-α1,u2=1-α2。

定义储存在电感LFC、LSC以及电容CDC中的能量总和为系统的能量函数H(x),即:

根据无源性理论的相关知识[11],结合式(2)—(4),经计算可得微电网的端口受控哈密顿PCH(PortControlled Hamiltonian)模型为:

表征系统各个状态变量之间的互联特性的矩阵J(x,u)为:

表征系统自然阻尼特性的矩阵R(x)为:

其中,R(x)中的元素都不小于0。

输入矩阵g(x,u)为:

3 PBC-PI控制策略设计

3.1 PBC控制器设计

定义xi*(i=1,2,3)为状态变量xi的期望平衡点。为了使直流微电网在稳态时能够收敛到期望的平衡点,定义闭环系统的能量函数Hd(x)为:

采用自然互联与注入阻尼的方式设计微电网的PBC控制器,即令注入微电网中的互联矩阵Ja(x)和阻尼矩阵Ra(x)为:

其中,ri(i=1,2,3)为注入的阻尼系数;矩阵Ra(x)中的元素都不小于0。

根据PBC方法的设计步骤[19],将J(x,u)、R(x)、H(x)、Ja(x)、Ra(x)以及g(x,u)代入含有控制律u的如下矩阵方程:

经计算,式(11)的矩阵方程可化简为以下代数方程组:

所设计的PBC控制器通过控制PEMFC的电流x1使其趋向于期望平衡点x1*,控制超级电容的电流x2使其趋向于期望平衡点x2*,间接控制直流母线的电压x3使其趋向于期望平衡点x3*,最终实现状态变量xi趋向于期望平衡点xi*。因此,式(12)的一个简单解为r3=0,此时经计算可得控制律u为:

若适当地选择注入的阻尼系数r1和r2,则微电网将能够快速地收敛到期望的平衡点。

3.2 平衡点分析

由式(13)可知,为了得到PBC控制器的控制律u,必须提前计算出状态变量xi的期望平衡点xi*。

在直流微电网中,超级电容的作用是提供或吸收暂态能量,所以稳态时超级电容中无能量交换,其电流x2为0,即x2*=0。同时,设定直流母线电压x3的参考值为Ud,即x3*=Ud。

当直流微电网达到稳态时,将x2*=0及x3*=Ud代入微电网的状态空间模型式(3),经计算可得:

其中,U1和U2分别为控制率u1和u2的稳态值。

求解式(14)可得PEMFC电流x1的期望平衡点x1*为:

综上所述,直流微电网系统的状态变量的期望平衡点为:

x*=,21,UrFFCC-姨,rFCUFC32-r4UdiFCBUS姨,0,Ud姨T(16)

3.3 稳定性证明

根据式(5)、式(9)和式(13),经计算可得直流微电网闭环系统的PCH模型为:

期望互联矩阵Jd(x)为:

期望阻尼矩阵Rd(x)为:

对闭环系统的能量函数Hd(x)沿式(17)的轨迹求导可得:

由于阻尼系数r1≥0、r2≥0,电阻rFC>0、rSC>0,故式(20)满足:

因此,根据La Salle’s不变集定理[21]可知独立直流微电网的闭环系统是渐近稳定的。

3.4 PI控制器设计

理论上,如果直流微电网中不存在参数扰动,则所设计的PBC控制器能够控制PEMFC的电流x1使其趋向于x1*及超级电容的电流x2使其趋向于x2*,间接控制直流母线的电压x3使其趋向于x3*。但在实际运行中,由于参数扰动(如LFC、LSC、rFC和rSC)的原因导致由式(16)计算出的期望平衡点不精确,因而,仅使用PBC控制器将会在直流母线电压上产生稳态误差η(η=x3*-x3)。为了消除这一稳态误差、改善闭环系统对于参数扰动的鲁棒性,在PBC控制器的基础上设计了以下具有抗积分饱和作用的PI控制器。

其中,Kp和Ki分别为比例系数和积分系数。

图3是PBC-PI控制策略的结构图。从图中可以看出,PI控制器作为外环电压控制器,控制直流母线的电压;PBC控制器作为内环电流控制器,控制PEMFC和超级电容的电流。

4 仿真与分析

为了验证本文所提PBC-PI控制策略的有效性及适用性,在MATLAB/Simulink软件中搭建了直流微电网闭环系统的仿真模型,并分别对“微电网无参数扰动”和“微电网有参数扰动”2种情况进行了仿真测试。在仿真实验中,PEMFC模型由46个PEMFC单体串联组成,额定工作点为46 A/1 200 W;超级电容模型由2个超级电容模块串联组成,每个超级电容模块由6个2.7 V/1500 F的超级电容单体串联组成。PEMFC单体仿真参数如下:开路电压E0=0.98 V,交换电流ie=0.36 A,内部电流in=0.5 A,限制电流ilim=100 A,膜电阻Rm=1.4 mΩ,塔菲尔斜率A=0.05,质量转移常数B=0.205。直流微电网仿真参数如下:等效电容CSC=125 F,等效电阻RSC=10 mΩ,直流母线电容CDC=10 m F,电感LFC=300μH,电感LSC=200μH,电阻rFC=20 mΩ,电阻rSC=10 mΩ,阻尼系数r1=5,阻尼系数r2=0.05,比例系数Kp=1.26,积分系数Ki=7.9,直流母线电压参考值Ud=100 V。

4.1 无参数扰动的仿真分析

此仿真实验是在微电网系统无参数扰动的情况下验证PBC策略的正确性及有效性,并与传统的双环PI控制策略进行了比较。

图4为设定的iBUS变化曲线。图5为在PBC下的系统响应曲线。其中,图5(a)为直流母线电压的响应曲线;图5(b)为PEMFC电压和电流的响应曲线;图5(c)为超级电容电压和电流的响应曲线;图5(d)为PEMFC、超级电容和电流源之间的功率流动曲线。

结合图4和图5(a)可以看出,当iBUS发生变化时,直流母线电压UDC存在短时脉动,且能够快速恢复到参考值100 V;当t=20 s时,iBUS从6 A增加为8 A,UDC的脉动幅度约为2%;当t=40 s时,iBUS从8 A减少为4 A,UDC的脉动幅度约为5%;当t=60 s时,iBUS从4 A增加为7 A,UDC的脉动幅度约为4%。从图5(b)中可以看出,当t为20 s、40 s和60 s时,PEMFC的电压UFC和电流iFC变化缓慢,PEMFC向电流源提供稳态能量。从图5(c)中可以看出,当t=20 s和60 s时,超级电容的电流大于0 A,超级电容放电,并向电流源提供暂态能量;当t=40 s时,超级电容的电流小于0 A,超级电容充电,并吸收电流源反馈的暂态能量;当系统达到稳态时,超级电容的电流等于0 A,超级电容不提供能量。

图6为双环PI控制下的系统响应曲线。双环PI控制的参数(Kp,Ki)分别为:直流母线电压外环的参数(Kp,Ki)为(12.6,39.5);P EMFC电流内环的参数(Kp,Ki)为(0.012 6,39.5);超级电容电压外环的参数(Kp,Ki)为(1 600,5 000);超级电容电流内环的参数(Kp,Ki)为(0.012 6,39.5)。图6(a)为直流母线电压的响应曲线,从图中可以看出,当t=20 s时,UDC的脉动幅度约为6%;当t=40 s时,UDC的脉动幅度约为12%;当t=60 s时,UDC的脉动幅度约为10%。

比较图5和图6可以发现,PBC策略和双环PI控制策略都能够稳定直流母线电压,合理分配PEMFC和超级电容的出力,使PEMFC提供稳态能量,使超级电容提供或吸收暂态能量;但当iBUS发生变化时,双环PI控制策略下的直流母线电压脉动幅度较大,而PBC策略下的直流母线电压脉动幅度较小。此外,与双环PI控制相比,PBC无需对微电网系统进行线性化建模,简化了功率控制器的设计过程,提高了功率控制器的精度;此外,PBC充分利用了微电网的物理结构特性和能量特性,并能够从理论上保证闭环系统渐近稳定。

4.2 有参数扰动的仿真分析

此仿真实验是在微电网系统有参数扰动的情况下验证PBC-PI控制策略的正确性及有效性,并与PBC策略进行比较。

设定Boost变换器和双向DC/DC变换器中的LFC、LSC、rFC和rSC的值同时增大3倍作为系统的参数扰动;同时,设定iBUS变化曲线如图4所示。图7为在PBC下的系统响应曲线,图8为在PBC-PI控制下的系统响应曲线。

从图7可以看出,当系统存在参数扰动时,PBC下的直流母线电压UDC和超级电容电流iSC都存在明显的稳态误差;这是由于参数扰动导致式(16)计算出的期望平衡点不精确,使得基于系统模型的PBC策略无法达到理想的控制效果。

从图8中可以看出,PBC-PI控制策略不仅能够稳定直流母线电压,合理分配PEMFC和超级电容的出力,使PEMFC提供稳态能量,使超级电容提供或吸收暂态能量;而且当系统存在参数扰动时,可以消除直流母线电压UDC和超级电容电流iSC的稳态误差,增强闭环系统对参数扰动的鲁棒性。

4.3 有系统延时的仿真分析

为了研究参数采样、传输与处理的延时对系统控制精度和稳定性的影响,设计了考虑延时环节的闭环系统仿真实验。其中,PBC-PI反馈环节所需的5组电压电流信号均可由霍尔传感器检测,采样频率fs为20 k Hz,采样周期Ts=0.05 ms。模数转换采用8位A/D控制芯片TLC549实现,最大转换时间Tt=0.017 ms。转换后的数据可利用CAN总线传输给FPGA,设定CAN总线的传输速率为500 kbit/s,则传输40 bit数据所需时间Tc=0.08 ms。最后,PBC-PI级联控制算法可由CycloneⅡ系列FPGA编程完成;考虑FPGA算法处理和产生数字式PWM信号的时间Td=0.5Ts[22]。因此,在整个过程中总的控制延时时间td可表示为td=Ts+Tt+Tc+Td=0.05 ms+0.017 ms+0.08 ms+0.05 ms=0.197 ms。

在4.2节仿真的基础上,搭建了含有延时环节的PEMFC-超级电容混合系统闭环模型,并设置系统控制延时为0.197 ms。图9比较了有延时影响和无延时影响2种条件下的混合系统响应曲线。从图中可以看出,在考虑延时影响的情况下,PBC-PI控制器依然能够控制直流母线电压UDC、PEMFC电流iFC和超级电容电流iSC在稳态时达到期望的平衡点。

5 结论

本文针对含有燃料电池和超级电容的独立直流微电网的功率协调控制问题,提出了一种PBC-PI级联控制策略。建立了微电网的PCH模型;从能量成型和阻尼注入的角度设计了微电网的PBC控制器;从理论上证明了闭环系统的渐近稳定性。在实际运行中,考虑到系统参数扰动等原因,PBC控制器无法达到理想的控制效果。为了改善这一缺陷、增强闭环系统对于参数扰动的鲁棒性,在PBC控制器的基础上设计了外环PI控制器。仿真结果表明,PBC-PI控制策略能够合理地调节微电网的功率平衡、稳定直流母线电压,改善闭环系统对参数扰动的鲁棒性。

摘要：针对独立直流微电网的功率协调控制问题,提出了一种无源控制PBC(Passivity-Based Control)与PI控制级联的PBC-PI控制策略。建立了系统的端口受控哈密顿PCH(Port-Controlled Hamiltonian)模型,设计了系统的PBC控制器。考虑到系统参数扰动等原因,PBC控制器会在直流母线电压上产生稳态误差,为了消除这一稳态误差,改善闭环系统对于参数扰动的鲁棒性,设计了外环PI控制器调节直流母线电压。仿真结果表明,PBC-PI控制策略可合理调节微电网的功率平衡,稳定直流母线电压;并改善闭环系统对于参数扰动的鲁棒性。

直流微电网研究综述 篇2

微电网运行方式灵活, 可实现分布式能源的接纳和与电网的互相支撑[3]。对于微电网的组网方式, 采用直流组网还是采用交流组网一直存在争议[4]。随着配电系统的发展, 发现采用直流组网比交流组网更具优势。直流微电网具备能量变换环节少、系统效率高和便于控制等诸多优点。因此, 探究直流微电网, 对新能源发电技术的应用与普及非常有利, 对缓解世界能源危机和环境污染问题也具有重要的意义。

本文研究了直流微电网结网方式、监控保护和电压控制技术、能量管理方式和所采用的电力电子接口等技术, 分析目前研究中存在的难点与技术问题, 对直流微电网的未来发展趋势进行了展望。

1 直流微电网基本概念

直流微电网是以直流配电的方式, 采用一条公共直流母线将全部微电源连接起来的独立可控系统, 如图1 所示。光伏电池、燃料电池、风力发电、燃气轮机等微电源接在直流母线上, 经过一个集中DC / AC换流设备与大电网连接。

在电力系统中, 大多数的分布式微源和电力用户终端负载是直流, 所以连接到直流微电网可以减少能量转换次数, 降低损耗和故障率。与交流微电网相比, 直流微电网 ( DC - Micro - Grid) 有许多优点。

1) 直流微电网中的各类微源与直流母线的连接方式简捷方便, 无须关注交流电源输出电压的频率、相位等问题。一般只需要一次AC /DC或DC /DC变流即可, 直流母线也只需经过一个DC / AC逆变器就可和交流大电网相连, 大大降低了系统成本和损耗[5]。

2) 直流微电网控制问题只取决于直流母线电压, 潮流的控制主要取决于电流, 因此容易实现微电源间的协调控制。

3) 如果大电网发生故障, 直流微电网能迅速与大电网断开。当孤岛运行时, 直流微电网的负荷能得到持续供电, 而不会受到大电网故障的影响。

4) 经过负荷侧的变流装置可给负荷提供很高的供电可靠性和电能质量。即使某处负荷发生故障时, 其他负荷也不会受影响。

5) 直流微电网可以作为一个整体补偿发电功率和负荷功率的变化。

直流微电网具备良好的发展前景, 但目前国内外对其研究只是刚刚展开, 尚处于起步阶段, 研究方向主要包括直流微电网监控保护和电压控制技术、结网形式、采用的电力电子接口技术、能量管理方式等方面。

2 直流微电网结网方式

直流微电网的结网形式中最重要的是直流母线结构和母线电压的等级。

在直流母线构成形式方面, 直流微电网母线的组成形式主要有四类: 单母线结构[6]、双层母线结构[7]、冗余式母线结构和双母线结构[8]。单母线布局的直流微电网系统易于和现今使用的交流接线设备兼容, 但一些情况下变流器的电压应力较大, 比如在给计算机等低压设备供电时, 每一个低压电子设备都要配备相应体积的电源适配器; 双层式母线结构对单母线进行了分层, 这样双层母线结构提高了对低压设备供电安全性, 降低了电源适配器的体积, 但不容易与现有的转接设备兼容; 冗余式母线体系适合于对电能质量要求高的区域, 如对商业建筑和船舶区域的配电等; 双母线形结构能根据负荷端对供电电压需求的不同选择由不同的母线进行供电, 并实现交直流侧共地[9]。

在直流母线电压的等级上, 直流母线电压等级的确定应满足现有交流设备对输入电压范围的要求。日本于2009 年提出380 V的直流母线电压标准, 并进行了相关的检验, 这个标准日前已经被美国电力研究院验证后采用。380 V的直流标准现被普遍称为DC380 V, 它的提出是基于数据中心直流配电, 现已逐步得到了业界的认同。但DC380 V的标准能否符合中国一般用户的用电要求, 还有待于产学研各界进一步的验证。

文献[10]提出一种双母线结构的直流微电网, 如图2 所示。

在图2 中, 电网电压为6. 6 k V, 经过变压器降为交流230 V, 再经过双向AC /DC换流器变换成直流340 V, 然后经过电源平衡器变成直流 ± 170 V。燃气轮机经过换流器接入230 V的交流侧, 超级电容器和蓄电池经过双向DC /DC接在直流母线上, 用于抑制功率的波动, 光伏电池经过DC /DC变换器接在直流母线上。在负载侧, 直流电经过电力电子装置转换成直流电或交流电。该结构可为多种不同电压等级负载供应电能, 如果某处负载发生故障不会影响其余负载; 如果大电网侧发生故障, 可以与大电网断开独立运行。

文献[11]展现了一种交流、直流微电网组合成混合微电网。两个微电网分别具有独立的电源、储能装置和负载, 两者间通过一个或多个变流器连接, 用于微电网间的能量双向交换。构成的混合微电网经过一个智能开关与大电网相连, 主线路在正常情况下, 微电网与大电网能够达到能量的最优利用, 微电网都采用下垂控制; 如果主线路出现故障, 智能开关关断, 微电网与大电网断开, 但交直流微电网之间依然可以进行能量交流。这个交直流混合微电网如图3 所示。

文献[12]提出以太阳能电池作为分布式电源, 储能装置采用蓄电池的直流微电网结构, 结构如图4 所示。

这个直流微电网经双向AC /DC换流器连接在大电网上。同时为达到优化能量利用、维持功率平衡和直流母线电压的稳定, 设计了一种能量管理策略, 把直流母线电压作为控制信息载体, 确定直流微电网的4 种工作模式: 并网逆变运行、并网整流运行、孤岛运行时蓄电池放电、孤岛运行时光伏电池恒压输出。

3 直流微电网监控保护和电压控制

3. 1 直流微电网监控和保护

直流微电网有3 类常用的控制方法:

1) 依托电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制方法[13]。该方法依据微电网控制要求, 灵活采用与传统发电机相似的下垂特性曲线进行控制, 将系统不平衡功率动态分配给各机组, 简单、可靠, 易于实现, 但没有顾及系统电压和频率的恢复问题, 与传统发电机中的二次调整问题相似, 因此当微电网遭受严重扰动时, 无法保证系统的频率质量。

2) 基于功率管理系统的控制[14]。该方法采用不同控制模块达到了微电网对各种控制的要求, 特别是维持功率平衡时, 功率管理系统采取多种控制方法, 从而在保持控制灵活性的前提下提高了控制性能。

3) 基于多代理技术的微电网控制方法[15]。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用在微电网控制系统中。代理的自发行为、反应能力和自治性等特点, 恰好适应微电网分散控制的需求, 提供了一个可以嵌入多种控制性能但又不用管理者频繁出现的系统。

总结国内外研究现状, 认为微电网控制系统将来的研究目标是: 1) 在孤岛和并网两种运行模式下, 检验已有的电压控制方法在微电网中的适用性; 2) 不同种类的微电源 ( 如采用变流器和不采用变流器可控和间歇) 的运行和控制; 3) 优化、智能的控制方法。

配网中含多个分布式电源及储能装置的直流微电网的接入, 大大改变了配电系统故障特征[16]。而且直流微电网在并网和孤岛两种运行模式下, 短路电流大小不同, 悬殊很大。因此, 怎样在孤岛和并网下都能对微电网内部的故障做出反应以及在并网情况下及时感知大电网故障, 同时做到保护的快速性、选择性、灵敏性与可靠性[17], 是微电网保护的核心和关键。

文献[18]构建了基于多代理技术的控制系统。构建了一个典型直流微电网系统和采用逆系统方法的定交流电压控制策略, 在PSCAD/EMTDC中搭建了孤立风力发电系统模型, 如图5 所示。

该模型的仿真试验结果显示, 在风速波动致使全网主要发电元件风机功率波动的情况下, 直流系统电压仍能保持恒定, 即便在孤岛运行时, 对用户也能保证可靠供电。

文献[19]提出基于直流母线信号DBS ( DC Bus Signaling) 的控制策略。该控制策略通过直流母线信号和直流微电网的下垂控制, 达到直流微电网的控制最优化, 能够最大程度地提高新能源的利用率, 并且达到了同一个电压等级下多个微电源的功率分配及电压控制。经过研究各个微源变换器的特性, 做到了并网换流器及储能单元的恒功率平滑切换控制与下垂控制。

3. 2 直流微电网母线电压控制方法

在直流微网中, 因为不存在无功功率的流动, 反映系统功率平衡的唯一指标是电压, 所以直流微电网控制的核心问题是控制直流母线电压稳定。目前比较常用的直流母线电压控制方法主要有下垂控制、电压分层控制、协调控制等。

文献[20]通过建立带恒功率负荷变换器的小信号模型, 推导了占空比与电容电压的传递函数, 给出了开环系统稳定运行的条件。同时通过把PI控制器和高通滤波器相结合, 提出了一种新型控制策略, 通过绘制控制器各参数变化的根轨迹图, 得出了满足系统稳定运行的各参数的取值范围, 以及控制直流微电网母线电压。仿真结果表明孤岛和并网运行下采用这种控制策略均可以保证系统稳定运行, 而且有良好的跟踪精度和动态响应。

文献[21]以风电直流微电网为研究对象, 提出基于直流电压变化量的电压分层协调控制策略。这个控制策略通过检测直流电压的变化量来协调各换流器的工作模式, 从而保证在各种工况下都能保持微网功率平衡。各变流器独立工作, 不存在相互通讯, 控制系统结构得到简化, 并使直流微电网能够“即插即用”。经过对包括直驱永磁风电机组、储能蓄电池的微电网的仿真分析, 验证了该直流微电网控制策略的有效性。

文献[22]设计了光伏发电组件多模式接入直流微电网及控制办法, 包括MPPT控制模式、恒电压模式和恒定功率模式。即通过变步长扰动观察法达到MPPT控制, 采用PI环节控制达到恒压或恒功率控制, 能量管理器管理光伏发电组件, 使其在三种工作模式间切换。当不能达到恒压或恒功率模式时, 返回到MPPT模式同时告知能量管理器, 能量管理器通过对直流微电网的其余部分进行调度来稳定直流母线电压。因此光伏发电系统对这个直流微电网的能量管理器而言相当于一个受限可控源, 对直流微电网的稳定运行非常有利。

文献[23]提出了直流电压协调控制策略。这个控制策略基于直流电压的变化量和蓄电池的荷电状态SOC来协调各换流器的工作状态, 以此达到了不同运行工况下直流微电网内的有功功率平衡, 实现了保持直流母线电压稳定的目标, 仿真结果证实了这种控制策略的有效性。

文献[24]通过研究以光伏组件、储能装置、网侧换流器和直流负荷组成的直流微电网, 结合微电网孤岛和并网2 种运行模式, 提出了系统4 种工作方式, 并对这个微电网的运行控制策略进行研究。设计了锂电池组件自适应调节下垂系数的这种控制方法, 优化各种情况下电池的输出功率, 提高了系统和电池运行效率; 光伏变换器通过变步长电导增量法进行MPPT控制; 通过基于前馈解耦的电压电流环控制网侧换流器。此系统结合光伏发电和储能控制方法, 可以实现在2 种运行模式和4 种工作方式间平滑切换, 直流母线电压能够维持恒定, 做到了系统稳定工作和能量利用最优化。

文献[25]构建了一个电压下垂综合控制策略, 采用构建包含微源和负荷的直流微电网的小信号模型测定直流母线电压, 然后调节稳定电网电压, 并实现两个微源间的负荷平衡。经过对该控制方法的模拟实验仿真, 结果证实该方法正确、可行。

文献[26]以多种微电源和本地负载组成的直流微电网系统为研究对象, 通过阻抗比例判据来判断直流微电网电压的稳定情况。这个控制策略通过把电源子系统的总输出阻抗与负载子系统的总输入阻抗的比值作为等效的回路增益, 然后通过Nyquist稳定性判据对系统的稳定性进行分析。

从当前来看, 直流微电网的控制研究大多处于理论仿真阶段, 在实用化方面还不够成熟, 有待深入研究。

4 直流微电网能量管理

微电网的能量管理是指通过调节微电源及储能出力、投切负荷、改变网架结构等手段, 满足不同时间尺度上系统的能量平衡。由于直流微电网不存在频率问题, 因此能量管理策略上更加灵活。

能量管理策略若要达到最优化, 就要充分利用可再生能源, 降低储能装置的充放电频率, 并保证系统可靠运行。

在并网条件下, 如果直流微电网内部功率不足, 可经过并网换流器从配电网补充能量; 若配电网用电紧张, 直流微电网也可参与电力系统的调峰。在微电网并网时, 直流微电网内部微源和负荷功率不需要供求平衡, 所以这种情况下可以重点关注其他问题, 例如最优化管理微电网内部能量。当控制器决定要转为孤岛运行时, 并网换流器逐渐减少系统间的功率交换。在孤岛模式下, 一定要达到微电网内部功率供求平衡, 因此对能量管理的自由有所限制。总控制器需要保证在直流微电网内部有功平衡的基础上不影响微电网的供电质量, 这可以通过适当的加、减电源或负荷, 或通过修正电源和储能系统的工作点 ( 如MPPT模式和下垂控制模式的转换) 来实现。

文献[27]采用一种应用于独立光伏系统的混合储能系统, 其系统结构如图6 所示。该系统元件包括光伏组件、蓄电池、超级电容器、充电控制器、并联控制器和负载等, 系统中蓄电池与负载直接相连。超级电容在系统中作用是对光伏阵列输出电能起到滤波作用, 当负载功率发生波动时, 对蓄电池的充电起到优化作用。充电控制器能够及时满足所需的峰值功率, 控制蓄电池的输出电流峰值, 使蓄电池放电的过程得到优化; 并联控制器的变流功能会大大降低蓄电池充放电循环的次数。

文献[28]构建了一个燃料电池发电系统, 容量为5 k W, 其系统结构如图7 所示。

针对燃料电池动态性能上的不足, 设计了一种能量管理控制策略, 基于电流的间接控制。若负荷功率出现波动, 电流内环立即动作, 把负载电流的变化部分作为双向DC /DC变换器的输出跟踪对象, 因此燃料电池就有充足的时间来调整, 这就弥补了燃料电池在动态性能上的不足, 对延长燃料电池的工作寿命非常有利。

直流微电网的能量管理研究在国际上尚处于初步阶段, 采用更先进、更智能的能量管理策略将是未来研究的重点。

5 直流微电网电力电子接口

电力电子技术在分布式电源电能转换、传递和存储中发挥着关键作用。按照利用的一次能源不同, 分布式电源可分为两种类型: 一类是直流源型, 比如燃料电池、太阳能电池和蓄电池等; 另一类是需经过整流的交流源型, 如微型燃气轮机、风力发电机等。无论哪种类型电源都得转换成标准的工频交流电才能供给负荷或并网。因此, 需要将AC /DC, DC / DC和DC / AC三种电力电子换流技术应用到能量的转换过程中。

文献[29]构建的直流微电网的并网接口是一个电流反馈型换流器, 它实际上是由两个换流器组合而成, 分别是三开关式电流源整流器 ( 3SW -CSR) 和三相电流源型逆变器 ( CSI) 。当并网接口处于逆变工作状态时, 三相CSI作为直流母线电流通路; 当并网接口处于整流工作状态时, 3SW - CSR作为反向的直流母线电流通路。这个换流器能实现能量双向流动, 直流侧电流有很大可控范围, 并且电流波纹被限制得很低, 谐波干扰在交流侧电流中很少。换流器处在整流或逆变工作模式时, 能按照期望的功率因数进行超前或滞后调整, 灵活性很强。这个并网接口如图8 所示。

文献[30]中构建了一种两级拓扑式直流微电网的并网接口并研究了其控制策略, 该接口由一个双向DC /DC换流器和一个单相全桥换流器串联而成, 并能减小直流母线的电容值, 系统的电流保护和动态解耦不受影响。该结构可以达到控制功率的双向流动, 不仅可用于直流微电网并网接口, 而且可用在其他储能装置的充放电控制器中。该接口实现的是单相并网, 其拓扑结构如图9 所示。

对于直流微电网来说, 电力电子技术具有决定性作用, 因此要进一步开发适用于直流微电网的电力电子接口。

6 结语

本文对直流微电网结网方式、监控保护和电压控制技术、能量管理方法、采用的电力电子接口等技术的研究现状进行了总结和综述。从分析的情况看, 直流微电网的研究还处在起步阶段, 若要充分发挥其优势和作用, 还要从以下几方面进行更深层次的研究:

1) 完善已有的控制技术, 研究新的建模方法和更简捷、更智能的控制策略。

2) 增强通信通道的建设, 采用先进的通信技术, 搭建建模仿真和一体化试验平台。

3) 开发分布式电源协调控制模块和可再生能源预测模块。

摘要：作为一种新兴的电网形式, 直流微电网拥有重构灵活、电能质量高、线路损耗低等优势, 能使分布式电源和微电网的价值与效益得到充分的发挥。根据现有的直流微电网文献资料, 在认真调查研究基础上, 对其结网形式、监控保护和电压控制技术、能量管理方式、采用的电力电子接口技术等问题进行了归纳和总结, 对直流微电网发展趋势进行了探讨和展望。

独立直流微电网 篇3

与交流微电网相比, 直流微电网拥有其独特的优点。首先, 直流微电源 (如光伏发电和燃料电池) 可以直接将发出的直流电能注入电网中, 不需要考虑频率和电压相位的问题, 而不同步的交流微电源则通过交流/直流 (AC/DC) 变流器连接在直流微电网中;其次, 直流微电网减少了由无功功率引起的线路损耗且克服了自然功率的限制;再者, 电网可以直接将功率输送给变流装置, 而省去了传统电网中由交流转换成直流时引起的损耗[3]。

1 微电网的定义以及在配电网中的应用

1.1 微电网的定义和基本结构

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统, 是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统, 既可以与外部电网并网运行, 也可以孤立运行。从微观看, 微电网可以看作是小型的电力系统, 具备完整的发输配电功能, 可以实现局部的功率平衡与能量优化, 与带有负荷的分布式发电系统的本质区别在于同时具有并网和独立运行能力[1,2,3]。从宏观看, 微电网又可以认为是配电网中的一个“虚拟”的电源或负荷。

当前, 影响分布式发电技术发展的关键问题并不是分布式发电本身的技术问题, 而是其并网后带来的电网运行问题。本质上, 公用微电网已经具备了智能配电网的雏形, 它能很好地兼容各种分布式电源, 提供安全、可靠的电力供应, 实现网络层面的能量优化, 起到承上启下的作用, 但与智能配电网的主要区别体现在多样化商业产品的提供和与用户的互动性方面[4]。

对于微电网的通用解释是:微电网是集成多个分布式发电系统 (DG) 和负荷的独立系统, 提供电能和热能, 其中大多数DG都是基于电力电子设备提供所要求的灵活性, 以确保作为一个单独的集成系统运行。对于大电力系统来说这种控制的灵活性允许微电网是一个单独的可控模块, 以满足本地负荷的可靠性和安全性需要[5]。微电网的结构如图1所示。

1.2 微电网在配电网中的应用

微电网是一个独立的运行单元, 对大电网不会产生大的影响, 而且不需要修改大电网的运行策略;利用微电网技术可非常灵活地把DG接入或撤离大电网;微电网可以孤立运行, 从而大大提高了电网的可靠性。

微电网可独立运行也可并网运行。在并网运行时, 微电网和传统配电网类似, 服从系统调度, 可同时利用微电网内DG发电和从大电网吸取电能, 并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能。当外界大电网出现故障停电或有电力质量问题时, 微电网可以通过能量管理单元控制主断路器切断与外界联系, 微电网孤立运行, 此时微电网内负荷全部由DG供电[4,5]。当故障解除后, 主断路器重新合上, 微电网重新恢复和主电网同步运行, 以保证系平稳恢复到并网运行状态。而这2种运行模式缝转换的关键是微电网与电网之间的电力电子接口, 这种接口可以使分布式电源实现即插即用, 可使微电网作为一个独立的模块, 以尽量减少布式电源对电网的不利影响。微电网在配电网中的应用主要体现在以下几个方面:

(1) 微电网是发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划己将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。一方面, 充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义;另一方面, 中国可再生能源的发展潜力十分巨大。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为10万MW。然而, 可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。如前所述, 若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网, 则可再生能源将充分发挥其重要潜力[6]。例如, 对于中国未通电的偏远地区, 充分利用当地风能、太阳能等新能源, 设计合理的微电网结构, 实现微电网供电, 将是发挥中国资源优势、加快电力建设的重要举措。

(2) 微电网在提高配电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。中国的经济已进入数字化时代, 优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下, 将地理位置接近的重要负荷组成微电网, 设计合适的电路结构和控制, 为这些负荷提供优质、可靠的电力, 不仅可以省去提高整体可靠性与电能质量所带来的不必要成本, 还可减少这些重要负荷的停电经济损失, 吸引更多的高新技术在中国发展。

(3) 微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用, 从而使整个电网的发电设备得以充分利用, 实现经济运行。在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配智能灵活的控制方式, 一方面可提高系统的智能化与自动化水平, 另一方面也可为电网企业带来可观的经济效益。

2 直流微电网及其协调控制技术

2.1 直流微电网基本结构

直流微电网的基本结构如图2所示。这种结构假设直流母线没有损耗, 直流微电网通过主断路器并经DC/AC逆变器与交流大电网相连。微电网中的微电源大致可分为2类:一种是直流微电源, 如光伏电池、燃料电池和蓄电池;另一种是交流微电源, 如风力发电机和微型燃汽轮机。在直流微电网中, 这2种电源分别需要通过DC/DC和AC/DC变流装置进行转换后才可以共同接入直流母线。另外, 对于微电网中交流负荷, 还需要将直流电经DC/AC逆变之后供给负荷[4,7,8,9]。

直流微电网的电压稳定可定义为:当系统受到干扰时, 将直流母线电压保持在一定范围内 (电压波动不超过额定值的±5%) 的能力。直流微电网中, 系统中不考虑无功功率的流动, 电压成为反映系统功率平衡的唯一指标, 控制直流微电网中的电压稳定, 就可以控制微电网稳定运行。如果发生电压失稳, 很可能引起保护动作或甩负荷, 甚至还会危及大电网的正常运行[3,4,5,6,7]。因此, 必须对微电网中的变流装置进行有效的控制, 尤其是分布式电源侧的DC/DC和AC/DC变流器, 使直流母线电压保持在稳定运行的水平, 从而减少微电网对大电网的扰动作用, 更好地支撑交流配电网。

2.2 直流微电网中多变流装置协调控制技术

采用状态空间法可分别建立DC/DC、AC/DC和DC/AC变流器的平均模型。以单相AC/DC变换器平均模型为例, 图3为单相AC/DC变换器原理图, 图中各变量均标注在相应位置, 表示对应元件名称, 该变流器的状态空间平均模型如式1所示。

其中:Ls, Rs分别为单向AC/DC变换器并联电感和电阻, s=1, 2;is为流经2条支路的电流;es为2条支路串联交流电源;S1, S2, S1', S2'分别为控制开关位置, 1为接通, 0为断开;ud为并联电压值;CUd为并联电容值;Rpv和epv分别为变换后的直流电阻值和电源值。

这种平均模型展示了变流器的直流或者低频行为, 而不必考虑开关快速关断过程中引起的纹波及其他影响因素, 具有简单易用的特点, 便于稳定性分析及控制器的设计。

为了维持直流微电网中的直流母线电压稳定, 需要对分布式电源侧的变流器采取适当的控制策略。

(1) DC/DC变流器的电压控制器。对于直流电源侧的增强型DC/DC变流器, 如图4所示, Udc, ref为参考电压值, Udc为实际电压值, Uin为输入电压值, Cdc为直流母线并联电容只, 采用比例积分 (PI) 环节对变流器的输出端电压Udc进行控制。

(2) AC/DC整流器的控制器。对AC/DC整流器的控制采用了内环电流控制与外环电压控制相结合的方法, 如图5所示。

图中, ea, eb, ec分别为三相交流电源。外环电压采用PI控制环节, 参考电压值Udc, ref与实际电压值Udc之间的差值通过电压PI环节后产生电流参考值Iref, 并与实际电流值i进行比较, 再通过电流PI环产生整流器平均模型的变比值dr, 将abc坐标系下的电压、电流以及变化均转换为dq坐标系下的量, 对整流器进行d, q轴解耦控制, 如图6所示。图中, Kpa为前置控制比例系数;Kia为前置电流控制比例系数;Kpb为后置控制比例系数;Kib为后置电流控制比例系数;Id, ref, Iq, ref分别为d, q轴参考电流;ed, eq分别为d, q轴电源分量;Id, Iq分别为d, q轴电流分量;ω为角频率;drd, drq分别为d, q轴变比值。

包含风力发电、光伏发电和储能蓄电池、交流和直流负荷的直流微电网系统如图7所示, 图中, Ppv为光伏发电功率;PWT为风电发电功率;Pgrid为交流大电网功率;PBT为蓄电池输入功率。可以采用状态空间法建立算例系统中多种变流装置的平均模型, 并对该直流微电网进行小扰动稳定性分析, 变流器的控制策略如上所述。可以发现, 对多种变流装置进行适当的协调控制, 可以有效地维持直流微电网的电压稳定。

3 结束语

分布式电源对于优化配电网的运行方式、改善其电能质量是一个不可多得的极佳选择, 但是同时分布式电源接入配电网也会带来诸多问题, 目前这些问题正是研究的热点, 已经解决或者正在研究解决方案的过程中。而在目前的环境下, 发展分布式电源的经济性、能源政策导向性、联网技术性以及体制等问题都在一定程度上制约了其发展, 随着分布式电源技术水平的不断提高、各种分布式电源设备性能的不断改进和效率以及并网技术的不断提高, 分布式电源将存在巨大潜力, 其发电成本会不断降低, 应用范围不断扩大, 可延伸到生活的各种场所, 不仅可作为传统供电模式的一种重要补充, 还将在能源综合利用上占有十分重要的地位, 将成为未来能源领域的一个重要发展方向。可以预见, 分布式电源作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充手段, 将在电力系统中发挥作用, 大规模发展分布式发电技术以及接入配电网已成必然趋势。

摘要：分布式发电技术和微电网技术是智能配电网技术的2个重要组成部分。微电网技术从局部解决了分布式电源大规模并网时的运行问题, 同时在能源效率优化等方面与智能配电网的目标相一致。简要介绍了微电网及其在配电网中的应用, 分析了直流微电网技术的优势, 并给出了直流微电网的基本结构, 分析了直流微电网中多变流装置的协调控制技术, 为直流输电技术在微电网中的发展提供研究思路。

关键词：分布式发电,直流微电网,协调控制,智能配电网

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独立直流微电网 篇4

随着电力电子技术和可再生能源发电技术的发展,直流配电系统重新引起了人们的关注,尤其是作为其重要组成单元的直流微电网也成为近年来的研究热点。但目前针对直流微电网电压等级选择的研究还不够成熟,尚未形成一定的理论体系,相关研究文献也较少。

国外文献对于直流微电网的电压等级选择进行了一定的研究,但多集中在对某一实际应用场合下的电压等级进行设计。例如,文献[1]中指出DC380V可以给交流配电网、厨房负荷以及其他家用电器供电,且多存在于输入端有功率校正装置的家用电器设备,以匹配工业标准中的中间直流电压DC48V可以向小型桌面设备、娱乐设备、LED照明设备等供电,且和标准的通信电压等级一致,具有使用方便、效率高的优点。文献[2]对居民用电和商业用电的电压等级进行了分析,得出DC400V是商业用电的最佳电压等级,DC48V是居民用电的最佳电压等级。文献[3]研究了广泛应用于电信领域的DC260V和DC400V直流微电网电压等级。

国内文献对于直流微电网电压等级选择的研究还处于起步阶段,多集中在一些理论的广义分析,缺少建设性研究。例如,文献[4]指出当前直流配电网电压等级的选择方法尚未有定论,需进一步的探索研究。文献[5,6]从不同电压等级的换流站造价、电缆造价、传输损耗、运行费用、总工程投资以及投资回报等经济性指标出发,对于直流输电网电压等级序列的选择问题进行了一定的研究,但是针对低压直流配电网中电压等级序列的研究较少。文献[7]以负荷需求为基本出发点,提出了高中低压相配合的直流配电网电压等级序列,但对于低压直流微电网内部电压等级选择方面的分析较少。

合理选择电压等级能够降低网损、减少资源损耗、节约土地、提高配电网运行的稳定性和经济性。本文在借鉴传统交流配电网电压等级选择经验[8](如经典的“几何均值”规律和“舍二求三”原则)的基础之上,结合国内外直流供电工程,分析了影响直流微电网电压等级序列选择的各种因素,并以家用型直流微电网为例,设计了其电压等级序列,验证了其经济性优势,也为其他应用场合中的直流微电网电压等级序列设计提供了借鉴。

2 直流微电网电压等级选择的影响因素

直流微电网电压等级序列的合理设计关系着整个配电系统的运行效率,并影响着未来电网的发展。直流微电网的电压等级选择涉及多个因素,本文将从以下几个方面展开讨论。

2.1 负荷的供电需求

(1)交流负荷的接入问题

按照目前已有低压负荷的供电方式考虑,可知大部分负荷的工作电压为单相或者三相低压交流电。为了保证这些负荷的正常供电,直流微电网应存在相对应的直流电压等级,在其逆变后可直接给交流负荷供电。

1)三相交流负荷的供电需求

直流微电网与三相交流负荷之间的变流器选择三相逆变器,以满足三相负荷的供电需求。已知三相变流器的交、直流侧电压关系为Ud=Ul/0.816(其中,Ul为交流线电压)[9],若考虑线路的电压降落要求,则直流线路电压Ud0_3的取值应满足:

式中,ΔU%为电压损耗率。例如,三相交流负荷的工作电压为AC380V,取ΔU%=5%,则三相变流器所接线路直流电压Ud0_3的范围为:

因此,建议选用DC500V。

2)单相交流负荷的供电需求

单相交流负荷有两种供电方式:①由三相交流负荷的供电侧直接供电;②由直流线路经单相逆变器进行供电。方式①仅适用于直流微电网中含有三相交流负荷,且单相交流负荷容量相对较小的情况;当单相交流负荷容量较大时,考虑到三相平衡问题,其供电方式应采用方式②。

已知单相变流器的交、直流侧电压关系为Ud=Uo/0.9(其中,Uo为交流电压)[9],则单相变流器所接直流线路电压Ud0_1的取值应满足:

例如,单相交流负荷的工作电压为AC220V,取ΔU%=5%,则由式(2)可知直流线路的电压等级范围为:

因此,建议选取DC260V。

(2)直流负荷的供电需求

按照应用场合的不同,直流微电网中的直流负荷可分为民用负荷、办公负荷和商用负荷。

1)民用负荷、办公负荷

常见的民用直流负荷有LED灯、手机、热水器、直流电冰箱、直流空调等。打印机、电脑等办公设备也可以使用直流电。这些负荷多为小功率负荷,可接入DC24V、DC48V[10]的直流线路。

2)商用负荷

商用负荷一般为大功率直流负荷,例如小型直流电动机、有轨电车、舰船、企业数据中心、电动汽车等,调研发现不同类别的商用直流负荷的工作电压相差较大,同类商用直流负荷的工作电压也大小不一,如表1所示。

为了规范各类直流负荷的生产标准,并本着尽可能减少电能变换的次数、降低投资成本的原则,所制定的直流微电网电压等级应尽量符合一些常见负荷的接入需求,且便于不符合接入标准的负荷进行调整。本文建议,对于民用和办公用的小功率直流负荷接入,制定DC24V、DC48V电压序列;针对中小功率的商业负荷,制定DC240V、DC400V电压序列;对已有成熟制造产业的大功率直流负荷,制定DC690V、DC750V电压序列。

2.2 分布式电源的接入需求

分布式电源(Distributed Generation,DG)是直流微电网的主要供电电源,其输出电压一般不满足直接入网要求,多经变流器变压后接入直流电网。这不仅造成了能源损耗,增加了故障源,也增大了微电网的建设成本。

为了缓解上述不足,满足DG接入需求,直流微电网所制定的电压等级应与DG的输出电压相匹配。常见的DG有风力发电、光伏发电和储能装置,其输出电压如表2所示。

大功率风电输出交流电,需经三相变流器整流后接入直流电网,由式(1)可以得出大功率风电所接直流线路的电压应大于890.1V(ΔU%=5%),建议选取DC900V。

小功率风电的内部集成有变流器,输出直流电。但由于生产厂家较多,且缺少统一标准,其输出电压大小不一(见表2)。光伏发电系统由多个光伏组件串、并联,其输出电压与单个组件电压及其串联数量有关,因此光伏发电系统的输出电压可根据并网点电压进行调整,且一般接入高电压等级线路。铅酸蓄电池、超级电容器和飞轮储能也输出直流电,但单个储能装置的输出电压较小,一般采用多个装置串、并联后直接接入或经过DC/DC变换器变压后接入连接点,因此储能装置可接入多个直流电压等级线路。

由上述分析可知,光伏发电、储能装置的输出电压可变,接入需求低,可不作考虑。因此,为满足小功率风电的直接接入需求,建议制定DC48V、DC96V、DC120V和DC240V直流电压等级序列。

2.3 直流设备的制造水平

直流微电网的设备组成与交流电网相似,包括直流断路器、变流器、直流控制设备和保护设备。直流设备的工作电压范围直接影响着直流微电网电压等级的选择,同时,确定的直流电压等级也就决定了这些设备的电压设计和制造标准。本文以变流器和直流断路器为例,说明直流设备对直流电压等级制定的影响。

(1)变流器的工作电压

在直流微电网中,变流器是各母线之间、DG和母线之间、负荷和母线之间的重要桥梁,包括AC/DC变换器和DC/DC变换器。AC/DC变流器用于交流负荷、交流输出DG与直流线路的互联,DC/DC变流器用于各直流线路之间、直流输出DG和线路之间、直流负荷和线路之间的互联。当前变流器的制造水平较为成熟,工作电压范围大,基本可以满足各种直流电压等级的需求[11],例如ABB公司生产的DCS800整流器的输入电压为AC230V~AC1200V,输出为DC310V~DC1590V。

(2)直流断路器的工作电压

在直流微电网中,直流断路器是承载正常供电电流,并在规定时间内开断直流运行回路正常电流以及故障电流的开关设备[4]。鉴于直流微电网的起步较晚,适用于微电网的直流断路器还处于发展阶段,其中文献[12]指出DC800V及以下的直流断路器技术相对成熟,例如北京开关厂生产的DC250V、DC500V、DC750V和西门子公司的DC220V、DC440V、DC800V直流断路器。

2.4 供电问题

(1)供电能力

供电能力是指线路供电容量和供电距离。根据直流输电线路功率表达式P=UI可知,在线路电流一定的情况下,输送容量与直流电压成正比。由文献[7]可知,直流线路的电压损耗率和线路损耗率在数值上是相等的,可根据《电能质量供电电压允许偏差》得出直流线路的电压损耗率规定值。因此,当线路参数确定时,可根据式(3)计算出供电距离L,将L代入式(4)求出线路的供电容量P。

式中,lloss为线路损耗率;ρ为电阻率(Ω·m);J为经济电流密度(A/mm2);UN为直流电压等级(V);S为线路截面积(mm2)。

假设线路为铝芯电缆,ρ=2.826×10-8Ω·m,J=1.92A/mm2,lloss=ΔU%=5%,可估算出直流微电网中各电压等级的供电距离和供电容量,如表3所示。

(2)供电电压质量

直流线路采用单极式供电时不涉及无功功率,线路的电压降落表达式为ΔU=PR/UN,可以看出,如果保持线路参数和输送容量不变,电压等级提高一倍,电压降落变为原来的1/2。例如家庭用户功率为6k W,若采用线路电阻约为0.5Ω的DC400V进行供电,则其电压降落为7.5V,电压损耗率为1.875%,而采用具有相同线路电阻的DC200V供电时,其电压降落为15V,电压损耗率为3.75%。

2.5 绝缘接地问题

(1)直流系统接地设计

直流系统中的接地方式按照接地极性分为正极接地和负极接地,其中正极接地可能使保护及自动装置误动作,负极接地可能使保护自动装置拒绝动作。由此看出直流系统接地故障的危害很大,不仅对设备不利,也会对整个系统的安全构成威胁。我国《特低电压(ELV)限值》规定,无高度触电危险建筑物的安全电压值为AC65V,因此需要对直流微电网中相对高于此限值的部分进行接地保护设计。

美国电力研究协会(Electric Power Research Institute,EPRI)给出的直流电网接地保护方案如图1所示。采用三线制供电,将400V直流电压分解为+200V和-200V,这样可以使正负极对地电压减小为两线制时的一半;变压器二次侧中性点、整流器的中性点和电气设备的外壳通过地线连接后,经接地电阻与大地相连。由IEC23EWG2可知,采用±200V中线接地的直流系统的安全性优于220V交流系统。

因此,为保证用户安全和电器安全,给出以下建议:以DC48V为分界线,超过部分设置接地保护,低于部分不再设置接地保护。

(2)直流线路绝缘设计

由于直流微电网多建设在城市地区,而城市地上空间有限,采用架空线路会占用过多的空间资源,因此直流微电网多采用直流电缆供电。根据直流电缆的电场分布特性和绝缘特性可以得出,电压U增大,电场强度E增大,绝缘材料的电阻率ρ变小,电缆的绝缘性减弱;而过压时,绝缘材料易被击穿。另外,直流线路的绝缘特性还与线路电流、环境温度有较大关系,通过电流过大时,热效应明显,线路的绝缘材料容易老化。

参考交流低压电缆绝缘设计规范,给出了直流电缆绝缘水平选择的参考值,如表4所示。其中U0为缆芯对地额定电压值,U为正负极缆芯之间电压的额定值。

2.6 电磁兼容问题

直流微电网中使用了大量变流器。在工作过程中,变流器中的二极管、IGBT等开关器件的高频开关动作会产生很大的du/dt和di/dt冲击,而电脑、手机等直流敏感设备极易受到电磁干扰的影响。据此本文给出以下建议:采用高电压的大功率电动调速设备以及大容量的变流器,应与敏感性负荷保持一定的安全距离,以减少电磁干扰。但直流微电网线路的电压等级较低(小于1000V),因此其对用电负荷的电磁干扰可不予考虑。

3 经济性分析

为了提高直流微电网的经济性,在考虑各种影响因素下制定的直流电压等级序列所对应的直流微电网应具有经济优越性。这里的经济性是指微电网的建设成本、运行成本和维护成本[5]相对较少。

(1)建设成本

直流微电网的建设成本指电缆、变流器和直流断路器等设备的购买成本。在过流能力相同时,直流电缆的电压等级越高,其输送容量越大,能够供电的负荷功率就越大,造价也就越高。假设电缆的单价为m0,输送距离为L,则电缆的购买总成本Cl=m0L。

调研发现,在通流能力一定的情况下,变流器的额定电压越高,容量越大,相应的成本也就越高。因此,变流器的价格与其额定电压呈正相关关系。若变流器的单位容量价格为mv,额定容量为Pv,则单个变流器的购买成本Cv=mvPv。

直流线路的电压等级直接决定着直流断路器极数选择,且电压越高,所需极数越多,价格也就越高;另外直流断路器的通断电流能力与其工作电压也呈正相关关系,耐压和过流能力越高,成本也越高。若直流断路器的额定电压为Ur,则单个购买成本Cr=mrUr,其中mr为相关系数。因此合理选择直流微电网的电压等级能够有效减少直流设备的投资,降低建设成本。直流微电网的建设成本Cb为:

(2)运行维护成本

1)运行成本

直流微电网的运行成本主要指能量损耗成本,包括线路损耗和变流器损耗两个方面。

已知线路损耗ΔPl_loss=llossPl,Pl为线路输送容量。设单位千瓦时的价格为m1,系统运行年限为n,则线路损耗成本Cl_loss为:

在保持线路参数和输送功率不变的情况下,电压等级提高1倍,线路损耗成本减少为原来的1/4。

变流器损耗主要指开关损耗和导通损耗,开关损耗受控制方式影响,导通损耗则与流过的电流有关。当变流器传输功率不变时,电压等级越高,电流越小,导通损耗也就越小。已知变流器损耗率ηloss和变流器转换效率ηc的关系为:ηloss+ηc=1,则变流器损耗成本Cc_loss为:

可知,变流器的转换效率越高,损耗成本越小。

变流器的转换效率与电压等级有关,但由于变流器的转换效率受器件制造工艺、控制技术、应用环境等因素的影响,因此很难确定两者之间的数学表达式。本文经过大量的调研得出在不同场合、不同电压等级下的变流器损耗率,如表5所示。在传输功率一定的情况下,对于相同结构的变流器组合,电压等级越高变流器转换效率越大。

2)维护成本

已知微电网的维护成本与输送功率近似呈正相关关系。考虑到直流微电网的电压等级较低,输送功率较少,因此直流微电网的维护成本可近似表示为Cm=0.02m1Ptn,其中Pt为系统的输送功率。

综上所述,直流微电网系统的运行维护总成本Closs为:

(3)直流微电网的经济性分析

从上述分析可知,电压等级越高,直流电网的建设成本越高,运行维护成本则越小。因此,在制定直流微电网的电压等级时,应充分考虑其与建设成本、能量损耗成本之间的关系,使所设计的直流微电网总成本较少,以提高系统的经济性。直流微电网的总成本Ct可表示为:

式中,i代表电压等级序数;m为电压等级总个数。

4 家用型直流微电网电压等级序列的选择

本文以家用型直流微电网为例,在综合考虑直流微电网电压等级序列选择的各种影响因素下,设计了其直流电压等级序列,并说明了该电压等级序列的经济性优势。

4.1 直流电压等级序列的选择

家用型直流微电网中的负荷主要包括小功率的LED灯、手机、电脑和大功率的电动汽车等直流负荷,以及冰箱、洗衣机等单相低压交流负荷;DG有小功率的风电、光伏电池和储能装置。

为了便于上述直流负荷、DG接入直流微电网,为其选择DC24V、DC48V、DC260V、DC400V的电压等级序列。其中,DC24V和DC48V用于小功率直流负荷和小功率风电的接入;DC260V用于单相低压交流负荷经变流器变换后接入;DC400V用作各家庭用户之间互联的母线,也用于具有相同工作电压的电动汽车的直接接入,另外,光伏发电系统和直流储能装置的输出电压也可按相近的电压水平设计,并经DC/DC变流器后接入此电压等级。此外,考虑到高电压等级变流器的损耗率小,因此线间变流器的高压侧也与DC400V母线相连。调研发现,市场上已有DC250V和DC440V的直流断路器,这也验证了所选直流电压等级序列的可行性。

在接地保护方面,DC48V、DC260V和DC400V线路以及外壳导电的设备通过地线相连后,再经由主接地条(MGB)与大地相连。本例中的家用型直流微电网结构如图2所示[13]。

4.2 直流微电网的经济性分析

通过对当前直流设备生产厂家的调研,列出了所选直流电压等级序列对应的YJV电缆、变流器和直流断路器的单位投资成本、输电容量和距离,如表6所示。

参照表5,取DC260V及以下电压等级中的变流器损耗率为8.6%。若设m1=0.4883元/(k W·h),将表6中的电缆单价(m0)等数据代入式(5)、式(6),可计算出家用型直流微电网的建设总成本Cb和年运行维护总成本Closs_a分别为:

因此,采用本例所选电压等级序列时,家用型直流微电网的总成本为:

值得注意的是,当家用型直流微电网中的负荷工作电压和DG输出电压较小时,可省去DC400V电压等级,此时系统的Cb=13.39万元,Closs_a=1.7万元,对应的微电网总成本Ct2=13.39+1.7n。当微电网中无超低压直流负荷,则可去掉DC24V电压等级,对应的Cb=39.15万元,Closs_a=4.63万元,微电网系统总成本Ct3=39.15+4.63n。

而采用当前工程中常用的DC750V、DC400V、DC48V、DC24V电压等级序列时,家用型直流微电网总成本为:

经比较可知,考虑各种影响因素下选择的电压等级序列所对应的直流微电网总成本明显低于目前工程中常用直流电压序列的微电网成本,验证了其经济性优势。另外,在实际应用时,可根据所设计场景的具体需求增减电压等级,例如,无大电压负荷的直流微电网可省去DC400V电压等级、无超低压负荷的微电网可不用DC24V电压等级,这不仅能降低直流微电网成本,同时也增加了系统的可靠性。

5 结论

独立直流微电网 篇5

关键词：直流微电网,恒功率负荷,振荡,多相性,延迟耦合,稳定性

0 引言

由于在可靠性、电能质量和效率等方面优于交流电力系统，直流电力系统受到通信、军舰、工业企业电力系统、商业大厦以及民用住宅等的青睐[1,2,3,4,5,6,7]。在微电网设计时选用直流而不是交流的原因是为现在大多数电子负载、能源储存装置以及分布式能源技术采用的是直流电力。作为微电网技术发展的一个重要分支，直流微电网虽然在安全性、输电阻塞和消费成本上优于交流微电网，但是也存在着自身的稳定性问题，尤其是在直流微电网中存在大功率的恒功率负荷时，可能会引起直流母线的不稳定[2,8,9,10,11]。

现有的一些文献对直流微电网不稳定机理做了分析，并提出了一些提高稳定性的措施，其中Amr Ahmed A.Radwan等[12]把直流微电网看成一个整体，通过与交流大电网接口变换器的控制器增加有源阻尼信号来改变变换器的等效阻抗，进而提高稳定性。Junming Zhang等[11]针对于带恒功率负荷的级联电力电子系统给出了平衡点稳定的判决条件以及大干扰稳定收敛域的估算方法。Alexis Kwasinski[10]把提高直流级联电力电子系统稳定性的措施分为2类：一类基于硬件补偿，例如增加系统阻抗、增加电容值、减小电感值、增加直流母线储能装置以及卸载等;另一类是基于源侧变换器控制算法实现的，例如采用线性化控制器以及边界控制器，并指出采用传统的PI控制器不能提高系统的稳定性。而Pierre Magne[13]则提出通过对负荷点变换器的参考功率叠加一个容性功率来引入虚拟电容，进而提高系统的稳定性。因此，现有的文献对于稳定性的分析基本上都是基于单个级联电力电子系统的，而直流微电网包含多个分布式电源以及多个负荷，可以看作多个级联系统的耦合，本文正是从多个级联电力电子系统的耦合来研究直流微电网的稳定性问题的。

1 恒功率负荷的不稳定性

典型的直流微电网结构见图1，其中包含大量的电力电子变换装置。当负荷侧变换器与负荷一起工作于恒功率工况时，与源侧变换器级联就会引起不稳定问题。图1所示典型直流微电网，通常含有多个分布式电源、多个恒功率负荷(CPL)(一个典型的直流微电网约含有75%～80%的恒功率负荷、20%～25%的阻性负荷[12]，阻性负荷可以提供正阻尼)。

新能源(如光伏、风电、燃料电池等)或储能设备(如蓄电池、超级电容、飞轮储能等)都需要通过一个DC/DC变换器或AC/DC变换器接入直流微电网，一个简化的级联分布电力系统结构如图2(a)所示，包括分布式能源、源侧变换器、负荷侧变换器，通常源侧变换器工作于恒压控制，用于稳定直流母线电压，而负荷侧变换器工作于恒功率控制，因此与负荷一起可以等效为恒功率负荷。不论是源侧的DC/DC变换器还是AC/DC变换器，其平均开关模型均可简化等效为如图2(b)所示电路，图中二极管表示电流单向流动，R是线路电阻，L是变换器电感，C是直流侧电容，恒功率负荷用电流源iCPL来表示，Rl是恒阻性负荷，iL是输入电流，uC是直流母线电压。

其中，PL是恒功率负荷的功率;ξ是任一比较小的正数。描述图2(a)平均开关模型动态的微分方程为：

因为大多数源侧变换器在额定工况下的效率达到96%以上，所以可假设R=0，系统在平衡点(iL*,uC*)处有diL*/d t=0,duC*/d t=0，即简化后系统的期望动态特性渐近收敛在如下的平衡点上：

式(2)所示系统是一个非线性系统。为了利用李雅普诺夫第一法来分析其在平衡点的稳定性，对式(2)在上述平衡点进行线性化，求其Jacobian矩阵为：

此系统在平衡点渐近稳定的条件是矩阵J的迹tr J满足

即当PL=CU2eq/R1时，系统发生分岔现象;当PLCU2eq/R1时，恒功率负荷大于纯阻性负荷，则系统发生振荡。通常恒功率负荷大于纯阻性负荷，因此式(2)所描述的非线性系统在开环的情况下是不稳定的，文献[10]提到源侧变换器采用常规的PI控制器是不能抑制振荡的，并提出可采用线性化控制器和边界控制器来提高系统的稳定性。

为了简化问题，本文仅考虑含有恒功率负荷的情况，即式(2)中，R1=∞。当然对于实际系统，由于杂散和寄生电阻的存在，R≠0，平衡点的稳定性取决于恒功率负荷和杂散电阻的大小，但通常情况下，仅靠杂散电阻来抑制振荡是不够的。PL=2.5 kW,R=0.1Ω，Ueq=200 V,L=0.5 mH,C=1 mF，建立图2的MATLAB/Simulink仿真模型，仿真波形见图3(a)、(b)，电感电流和电容电压发生振荡，由图3(c)的电感电流和电容电压相平面图可看出，电感电流和电容电压稳定在极限环上而非平衡点(200,12.5)上。

2 多源直流微电网振荡抑制措施

不失一般性，考虑含2个分布式能源的微电网系统，如图1中风电1和风电2，且带有2个恒功率负荷，见图4，也可看作2个级联系统的耦合。在该系统中，假设2台源侧变换器的参数相同，2个恒功率负荷也相同，忽略线路阻抗，但考虑两级联系统间直流母线电阻为Rcoupling，即假定耦合系数σ=1/Rcoupling。

由文献[14]知，耦合系统稳定性可由线性模型特征值实部的最大值来评估。若特征值实部最大值是负数，则说明所有特征值实部都是负数，系统在平衡点稳定，而该值幅值越大，状态变量收敛速度越快。这样就可对各耦合系统进行稳定性的定量分析。

2.1 简单的耦合系统

假定2个系统之间的耦合电流为：

其中，uC1和uC2分别是源侧变换器1和2的电容电压。

描述这2个耦合系统的动态方程可写为：

耦合系统的平衡点为：

为了研究系统在平衡点的稳定性，考虑其在平衡点线性化后的Jacobian矩阵：

假定PL1=PL2=PL,Ueq1=Ueq2=Ueq，则特征值为：

特征值λ1,2与σ无关，若为一对共轭复数，其实部是大于零的;若特征值均为实数，则其中的特征值也大于零，所以这个系统在平衡点是不稳定的。因此不论耦合的强弱，系统总是不稳定的，所以可得出结论：2个相同的系统耦合不能改变其在平衡点的稳定性。

2.2 参数多相性对振荡的影响

文献[15]中提到对于2个耦合的系统，如果2个系统对应参数不一致，即参数的多相性，会引起振荡消失。由于在实际制造中，即使设计参数一致，也很难保证2个系统参数完全一致，以源侧变换器滤波电感为例，假定2个源侧变换器的滤波电感分别为：

其中，ε表征2个电感值的差异性，即多相性，可以是生产造成的差异性，也可以是人为设计选取值的不同，增大ε，表示系统的多相性增加。系统的Jacobian矩阵为：

这个矩阵的特征方程是4次的，特征值的解析表达式非常复杂，可以利用劳思-赫尔维茨稳定判据来求取系统稳定的条件，首先计算式(9)矩阵的特征方程，有如下的形式：

稳定的条件是特征方程的各项系数为正，并且有a1a2-a0a3>0，以及a1a2-a0a3>a12a4/a3。

针对于式(9)系统稳定的条件为：

假定两耦合系统的参数为：PL1=PL2=2.5 kW,R=0,Ueq=200 V,L=0.5 mH,C=1 mF，使系统稳定的σ和ε的取值范围如图5所示阴影部分。从图中也可以看出当ε=0时，即2个参数相同的系统耦合，不管耦合的强弱，系统都是不稳定的(不包含在阴影部分)，这与2.1节的结论一致。

如当σ=0.16和ε=0.3时，λ1,2=-42±j1 359，λ3,4=-56±j1 289，特征值的实部为负，系统是稳定的，电压电流波形如图6所示，图6(a)中相位超前的波形为uC1，滞后的波形为uC2，图6(b)中振荡幅值大的为iL1，幅值小的为iL2。可见引入参数的多相性，消除了振荡，使2个振荡的耦合系统都收敛于平衡点。图7中阴影部分为可抑制振荡的参数选取值。图7(a)为ε取值0.2、0.3、0.4，σ取不同值时对应特征值实部最大值情况。当σ比较小时，接近非耦合系统，是不稳定的;ε越大使系统收敛的σ的取值范围越大，而对于同样的σ，收敛的速度也越大;当σ比较大时，相当于用理想电缆连接2个系统，没有足够的阻尼，系统也不稳定。图7(b)为σ取值0.1、0.16、0.2，ε取不同值时对应特征值实部最大值情况，表明只有当多相性系数ε大于一定值时，才能够起到抑制振荡的作用。ε大于一定值时，特征值实部最大值max[Re(λ)]趋于恒定值;σ越大，使系统收敛的最小的ε也越大;但ε大于一定值时，σ越大，-max[Re(λ)]越大，此时系统的收敛速度也越快。

图8给出了特征值实部最大值max[Re(λ)]与ε-σ的关系，当max[Re(λ)]<0时，系统在平衡点稳定;max[Re(λ)]>0，系统不稳定。对于多相性参数ε的取值，可以通过选取不同的电感值来实现，对于耦合系数σ，取决于两源侧变换器之间的直流母线电阻Rcoupling，而这个电阻取决于母线的长度和材料，通常是不可变的，为了满足设计的需要，可以在负荷侧变换器电流参考值增加控制量来实现，式(7)写为：

其中，耦合系数k为控制量的增益。

2.3 延迟耦合消除振荡

2.1节中得到结论，2个相同的系统耦合不能改变其在平衡点的稳定性，由此引入参数多相性来抑制振荡。参考文献[16]中提到通过延迟耦合也可以使相同频率的振荡环实现振荡消失，并通过实验进行了验证。可以这样理解：对于2个振荡系统通过延迟环节的互相引入，使得每个振荡系统都把当前状态拉向对方延迟的状态，如果有足够的耦合强度和时间延迟，2个振荡器就会渐近收敛到平衡点上。将式(10)方程组第2个方程中uC2(t)用其延迟量uC2(t-τ)代替，第4个方程中的uC1(t)用其延迟量uC1(t-τ)代替，考虑延迟耦合，系统的动态方程为：

首先对其进行平衡点的线性化，然后对延迟环节进行处理，假定τ比较小，可以利用L[uC1(t-τ)]=e-τsuC1(s)≈(1-τs)uC1(s)，其中L[·]为拉普拉斯算子。参照上面的推导，系统稳定的条件为：

对应MATLAB/Simulink仿真模型如图9所示。

假设PL1=PL2=2.5 kW,Ueq1=Ueq2=200 V,L1=L2=0.5 mH,C=1 mF,2个系统之间为弱耦合，设Rcoupling=1 000Ω，可近似为2个独立的振荡系统，在0.2 s时采用延迟耦合控制，选取k=15，τ=15×10-5 s，由图10(a)、(b)所示的仿真波形可以看出，延迟耦合的作用使2个状态不同步的振荡系统首先达到相位一致，然后收敛于平衡点。如果2个系统为强耦合，Rcoupling=1Ω，此时的仿真波形如图10(c)、(d)所示，由于耦合较强，2个系统状态一致，在0.11 s进行延迟耦合控制，能同步收敛于平衡点。

Rcoupling=1Ω，延迟τ和增益k取不同值时，仿真波形如图11所示，图11(a)、(b)为延迟τ=11×10-5 s、k=10时的仿真波形，此时2个系统的电容电压和电感电流仍是振荡的，由于是在强耦合下，两电感电流和电容电压波形均基本一致;保持延迟为11×10-5 s不变，增大增益k=20时的仿真波形如图11(c)、(d)所示，此时电容电压和电感电流都收敛到平衡点，系统稳定;保持增益k=10时不变，增大延迟为13×10-5 s时的仿真波形如图11(e)、(f)所示，此时电容电压和电感电流都收敛到平衡点，系统稳定，而且延迟τ和增益k越大，系统收敛也越快。

3 结论

独立直流微电网 篇6

近年来传统化石能源日趋枯竭, 世界各国大力发展可再生能源。微电网是将分布式能源、负荷、储能装置及能量变换装置等集成而形成的一个可控单元, 是微型化、模块化发电装置与低压分布式电网结合的产物, 其在提高可再生能源利用率、缓解能源需求与环境保护之间的矛盾、提高供电的安全性和可靠性等方面具有重要的意义。它作为一个独立的整体, 既可以并网运行, 也可以孤岛运行。从结构上分类, 微电网可以分为交流微电网和直流微电网。交流微电网可以利用现有的交流系统结构, 但并网时与大电网的同频同相控制实现起来比较复杂, 稳定性问题也比较复杂[1,2]。由于大多数可再生能源 (如光伏、燃料电池) 和储能装置都是直流的, 现代化的电子负载如计算机、数据中心、通信设备等都是利用直流供电, 大多数电机驱动也需要直流供电 (变频电机用直流供电可以省掉整流电路) , 而且由于没有集肤效应, 直流电缆比交流电缆的传输容量更大, 因此从效率、体积和成本上而言, 直流微电网结构都要优于交流微电网结构。但是, 直流微电网也存在自身的稳定性问题, 尤其是当直流微电网中存在大功率的恒功率负荷 (CPL) 时, 可能会引起直流母线的不稳定[3,4,5,6,7,8,9]。

现有的一些文献对直流微电网母线电压不稳定机理做了分析, 并提出了一些提高稳定性的措施[10,11,12,13,14,15,16], 其中文献[11]中提出在源侧变换器与恒功率负荷之间增加无源阻尼装置来提高系统的稳定性, 但这种方法会增大系统的体积和损耗;因此文献[9]中提出把直流微电网看成一个整体, 通过与交流大电网的接口变换器的控制器增加有源阻尼信号来改变变换器的等效阻抗, 这种方法不需要改变原有系统结构, 通过选取合适的控制器参数就可以极大改善系统的稳定性, 但是没有考虑当直流微电网孤岛运行时, 并网变换器不参加运行, 系统的稳定控制问题;文献[12]针对于带恒功率负荷的DC/DC变换器, 通过在输出电压的控制环中引入电感电流反馈来实现有源阻尼, 可以有效抑制恒功率负荷引起的不稳定问题, 但只研究了单源单负荷的级联系统。本文兼顾直流微电网并网和孤岛稳定运行需求, 以储能装置接入变换器为控制对象来研究提高直流微电网母线电压稳定性的措施。

1 带恒功率负荷的Buck变换器的控制策略

1.1 带恒功率负荷的级联系统

典型的直流微电网结构如图1所示, 其中包含了大量的电力电子变换装置。当负荷侧变换器与负荷一起工作于恒功率工况时, 与源侧变换器级联就会引起不稳定问题。在图1所示的典型直流微电网中, 通常含有多个分布式电源和多个恒功率负荷 (一个典型的直流微电网大概含有75%~80%的恒功率负荷, 20%~25%的阻性负荷[10], 阻性负荷可以提供正阻尼) 。

图1中直流微电网直流母线电压的稳定是微电网正常运行的关键。直流微电网的电压稳定可以定义为:当系统受到干扰时, 将直流母线电压保持在一定范围内 (电压波动不超过额定值的±5%) 的能力[17]。分布式能源通常需要经过变换器接入直流微电网, 而负载通常也需要变换器来实施控制, 以最常用的直流分布式能源经过Buck变换器接入直流母线为例, 负荷包括阻性负荷和恒功率负荷, 作为一个简化的直流系统来研究系统的稳定性, 如图2所示。图中, RL为等效线路电阻, L为滤波电感, C为稳压电容, R1代表阻性负荷, E为分布式能源的电压, iL为电感电流, uC为电容电压, 工作于恒功率工况下的负荷及负荷侧变换器一起以电流源iCPL来表征, iCPL=PL/uC, PL为恒功率负荷的功率。

图2所示电路的状态空间平均模型为:

其中, d (t) 为开关管的占空比函数;ε为一个比较小的正数。由于恒功率负荷的存在, 这是一个典型的非线性系统。d (t) =D时, 由式 (2) 计算出系统的平衡点 (IL, Udc) :

求解上式方程组可得:

即为式 (1) 非线性系统的平衡点。

如果进行开环控制, 即, 设其平衡点为 (IL, Udc) , 令, 系统在平衡点的小信号模型为:

对上式在平衡点进行线性化, 得:

结合图2和式 (4) 可以看出, 恒功率负荷可以看作阻值为-U2dc/PL的负电阻。令R=R1∥ (-U2dc/PL) , 根据式 (4) 可画出系统模型方框图如图3所示。

可以得到电容电压与占空比的传递函数为:

根据李雅普诺夫稳定理论可知, 非线性系统在平衡点稳定的条件是所有特征根的实部为负。等价为a1>0, a2>0, 整理为:

恒功率负荷的大小满足上面的不等式, 系统在平衡点是稳定的, 因为RL为线路电阻, 比较小, L和C通常为一个数量级, 一般满足式 (6) 中第一个不等式, 第二个不等式也会成立。由第一个不等式可以看出:系统带恒功率负荷保持稳定的能力与RL、L、C以及阻性负荷的大小R1有关系。L的选取通常取决于电流、开关频率的大小, C的选取通常取决于输出直流电压的大小及电压波动的要求。增大RL、减小R1都可以提高系统带恒功率负荷的能力。

如果不计RL的影响, 则系统平衡点稳定的充要条件为PL<U2dc/R1, 即恒功率负荷要小于恒电阻负荷。也即如果系统只有恒功率负荷, 开环运行必定是不稳定的。提高系统稳定性可以通过串联线路阻抗、增大电容C、安装储能装置等硬件措施实现;也可以采用控制手段来实现, 比如有源阻尼法 (虚拟电阻) 、边界控制器、反馈精确线性化控制等。

1.2 采用PI控制器的稳定性分析

如果采用传统的PI控制器, 控制策略为:

其中, kp、ki分别为比例、积分系数;Udcref为直流侧参考电压。

则有:

闭环控制框图如图4所示。

闭环传递函数为:

利用劳思判据可得到系统的稳定条件为:

与开环控制稳定的条件PL<U2dc/R1相比, 采用传统PI控制后, 系统稳定的条件不仅受制于恒电阻负荷, 而且还与PI参数有关, 由于CEki/ (1+kpE) >0, 因此采用PI控制, 系统的稳定条件更加苛刻, 所以采用传统的PI控制不能提高式 (1) 所描述系统的稳定性。

假设E=400 V, R1=∞, L=39.5 m H, C=501μF, PL=2 000 W, Udc=200 V, kp=0.1, ki=0.01。建立图2的MATLAB/Simulink仿真模型, 仿真波形如图5所示, 电感电流和电容电压发生振荡, 而不是稳定在平衡点 (200, 5) 上。

PI控制器参数kp和ki变化的根轨迹如图6所示, 闭环系统有1个负实根、2个正实部复根。随着kp的增大, 2个复根实部变小但不会为负;随着ki的增大, 2个复根的实部由零变大。所以从根轨迹的变化趋势上也可以看出, 采用PI控制器系统在平衡点是不会稳定的。

1.3 采用PID控制器系统的稳定性分析

采用PID控制器, 传递函数为:

其中, kd为高通滤波器的增益。

对应于图4所示系统的闭环传递函数为:

不计及RL的影响, 系统在平衡点稳定的条件是:

即使没有电阻负荷, 即R1=∞, 只有恒功率负荷, 也可以通过选取合适的kd值, 使系统工作于稳定状态, 值得注意的是, 虽然ki会降低系统带恒功率负荷的能力, 但积分环节的存在有助于消除系统静态跟踪误差。

其他仿真参数与1.2节相同, 增加微分环节kd=0.1, 仿真波形如图7所示。电感电流和电容电压都稳定在平衡点上。

kp=0.1、ki=0.01、kd变化时的闭环系统根轨迹如图8所示。随着kd的增大, 一对复根的实部由正变负, 负实根也越来越小;但kd大于一定的值后, 复根的实部会越来越大, 系统的稳定性降低。

2 采用新型控制器系统的稳定性分析

PID控制器中的微分环节虽然可以提高带恒功率负荷的级联系统的稳定性, 但会放大噪声, 而电力电子变换器中会产生很多高次谐波, 所以很少采用微分环节, 对微分环节进行改进, 采用高通滤波器来代替, 控制器的传递函数为:

其中, ωc为高通滤波器的截止频率。

这里可以采用低通滤波器来实现高通滤波器, 控制器的传递函数写为:

系统的闭环传递函数为:

kp=0.1、ki=0.01、kd=0.1、ωc变化时的根轨迹如图9所示。系统有1对离原点比较近的复根和1对离原点比较远的复根 (随着ωc的增大变成2个负实根) , 当ωc大于一定的值时, 原点附近的复根的实部会变正, 系统不稳定。

ωc=1 000 rad/s、kd变化时的根轨迹如图10所示, 图 (b) 为图 (a) 原点附近的放大图, 离原点比较远的2个根随着kd的变化停留在左平面;原点附近的2个根随着kd的增大由右半平面到达左半平面, 但当增大到一定值时, 又会从左半平面返回到右半平面。

3 直流微电网的母线电压稳定控制策略

以图11所示的两分布式能源、两恒功率负荷组成的直流微电网为例, 需要有变换器工作于恒压控制来稳定直流母线电压。假定源侧变换器1采用本文提出的新型控制器, 工作于电压控制模式, 用来稳定直流母线电压;源侧变换器2工作于恒功率或恒电流输出。

对于源侧变换器1, 有:

其中, 直流母线电流可以看作是对源侧变换器1的干扰信号, 对应的系统框图如图12所示。

iσ与母线电压稳态误差e=Udcref-uC1的传递函数为:

其为Ⅱ型系统, 因此对于形如冲激、阶跃以及斜坡的iσ (t) 信号的稳态误差都是零, 即恒功率负荷和源侧变换器2输出电流的变化不会影响直流母线电压的跟踪控制精度。

源侧变换器2采用电流控制模式, 维持输出电流为恒定, 直流母线电压不变时, 也等效为恒功率控制, 控制框图如图13所示。

直流母线电流iσ与源侧变换器2输出电流的跟踪误差e2 (s) 的传递函数为:

其为Ⅰ型系统, 对于形如冲激和阶跃的iσ (t) 信号的稳态误差为零。即源侧变换器1和CPL1引起的iσ的变化不会影响源侧变换器2输出电流 (功率) 的跟踪控制精度。

4 仿真分析

利用仿真软件MATLAB/Simulink建立图13所示的仿真模型, 仿真参数如下:E1=400 V, E2=400 V, CPL1功率PL1=3 000 W, CPL2功率PL2=2 500 W, Rline=0.1Ω, L1=3 m H, L2=3 m H, C1=1 000μF, C2=1 000μF。

源侧变换器1采用本文提出的新型控制器来控制直流母线电压为200 V, 其中kp=0.01, ki=0.1, kd=0.1, ωc=4 000 rad/s, 开关频率fs=25 k Hz。

源侧变换器2采用PI控制输出电流为10 A, 其中kp=0.01, ki=0.3, fs=25 k Hz。

图14为源侧变换器1采用PI控制器时的仿真波形。由仿真波形可以看出, 带恒功率负荷时, 源侧变换器1采用PI控制器控制输出电压, 系统发生振荡现象。

图15为源侧变换器1新型控制器控制电容电压为200 V、源侧变换器2采用PI控制器控制输出电流为10 A时的仿真波形, 由于CPL2功率为2500 W, 而源侧变换器2的输出电流为10 A, 源侧变换器1除了给CPL1供电, 还需通过直流母线给CPL2供电, 由仿真波形图可以看出, 源侧变换器1的电容电压uC1稳定在200 V, 源侧变换器2电感电流iL2平均值稳定在10 A, 考虑线路电阻Rline的影响, uC2略小于uC1。

图16为CPL1功率在0.15 s时由1 000 W变为3 000 W的电感电流和电容电压波形, 由于CPL1突加负载, 电容电压会有3 V的暂时的跌落, 但在0.01 s内恢复设定值200 V, 表明本文提出的新型控制器有很好的动态特性。

图17为CPL2功率在0.15 s时由1 500 W变为3 000 W的电感电流以及电容电压波形, 源侧变换器2保持10 A (2 000 W) 输出不变, CPL2在0.15 s突加负载由1500W变为3000W, 为了保持功率平衡, 需要源侧变换器1增加输出功率, 因此耦合电流由+2.5 A突变到-5 A, 正负代表直流母线电流iσ的方向不同, 直流母线电压有约0.01 s的2 V的跌落, 因此对于突变的iσ, 源侧变换器1的恒电压控制和源侧变换器2的恒电流控制都能保持良好的跟踪效果。

图11中的分布式能源2以交流大电网 (三相交流电压源) 来代替, 源侧变换器2以三相全桥可控整流电路 (并网变流器) 来代替, 对并网/孤岛切换运行进行仿真分析, 源侧变换器1采用本文的新型控制策略, 源侧变换器2采用恒功率控制策略, 额定功率为2 000 W, CPL1功率为2 000 W, CPL2功率为3 000 W, 在0.1 s时实现并网运行, 在1 s时实现孤岛运行, 仿真波形如图18—20所示, 其中图18为并网变流器A相电压和电流波形, 在0.1 s前, 并网变流器没有工作, 电流为零, 0.1 s时实现并网运行, 电流幅值稳定在20 A, 电流波形畸变率为3.2%, 1 s时实现孤岛运行, 电流为零。

图19为源侧变换器1输出电流、并网变流器输出电流以及母线电流。在0.1 s前, 并网变流器输出电流为0, 由源侧变换器1 (斩波器) 承担2个恒功率负荷的供电, 输出电流为25 A, 因此有15 A的电流流过直流母线给CPL2 (3 000 W) 供电;0.1 s时实现并网, 经过约0.12 s的暂态过程, 变流器输出电流平均值稳定在10 A, 源侧变换器1的输出电流平均值为15 A, 流过直流母线的电流平均值为5 A;1 s后孤岛运行, 并网变流器输出电流为0, 源侧变换器1的输出电流变为25 A, 流过直流母线的电流为15 A。

图20是直流母线电压的仿真波形, 在0.1 s并网时有一个约1.5 V的尖峰, 在1 s孤岛运行时, 有一下向下的约5 V尖峰, 但很快稳定在200 V的设定值上。

图18—20表明, 系统在并网运行和孤岛运行切换时, 均能保持稳定并有良好的动态特性。

5 结论

直流微电网中含有大量的恒功率负荷, 与源侧变换器级联容易引起直流母线电压振荡, 给直流微电网的安全稳定运行带来隐患, 本文通过建立带恒功率负荷变换器的小信号模型, 推导了占空比与电容电压的传递函数, 给出了开环系统稳定运行的条件。通过理论分析得出, 对于实现直压控制的闭环系统采用传统的PI控制器不能稳定运行;PID控制器可以实现系统的稳定运行, 但会放大噪声, 基于此, 本文通过把PI控制器和高通滤波器相结合提出了一种新型控制策略, 通过绘制控制器各参数变化的根轨迹图得出了满足系统稳定运行的各参数的取值范围, 为直流微电网母线电压控制提供理论依据。以两源两负荷的直流微电网为例, 建立了MATLAB/Simulink仿真模型, 仿真结果表明孤岛和并网运行下采用本文提出的新型控制策略均可以保证系统稳定运行, 而且有良好的跟踪精度和动态响应。

独立直流微电网 篇7

目前,交流微电网仍然是微电网的主要形式,尽管交流微电网的研究已经取得了很多成果,但是还需要进一步解决分布式电源(distributed generation,DG)并联接入时带来的谐振、谐波等方面的影响。相比于交流微电网,直流微电网系统无需考虑各DG之间的同步问题,在环流抑制上更具优势,且直流微电网只有与主网连接处需要使用逆变器,系统成本和损耗大大降低。当下,智能电网的概念深入人心,其建设理念是以一种环境友好的、可持续的方式为数字社会提供可靠的、高质量的电能。智能电网最主要的特点就是可以连接各种不同的交流和直流发电系统、储能系统以及各种不同的交直流负荷,以达到最优的运行效率。在此背景下,单纯的交流微电网或直流微电网就表现出了局限性。为了降低单纯的交流/直流微电网在应用中因多重AC/DC或DC/AC变换带来的功率损耗、谐波电流及控制难度,提高系统的可靠性和经济性,也为了各式各样的可再生能源和储能设备更好地接入微电网,研究交直流混合微电网具有重要意义。

1 宁波交直流混合微电网网络结构设计

1.1 交流微电网网络结构设计

宁波交直流混合微电网位于华安电力办公大楼,有光伏发电20k Wp。现有的交流负荷为三相负荷(空调)160k W、单相负荷(照明)70k W;直流负荷根据调研情况基本为小功率电器。基于此容量,按照表1,交流子微电网的电压等级选择AC 400V,不仅有成熟的示范工程经验可借鉴,也方便并网。交流微电网部分通过并网开关与大楼AC 400V公用电网联接,接地方式采用TN-C-S。

1.2 直流微电网网络结构设计

直流负荷的电压等级较多,分布较广;冗余式母线结构的可靠性高,但造价也很高,且项目中没有对电能质量要求很高的用电设备,故不选择此母线结构方式。在有多种电压等级的用电设备的情况下,将直流微电网母线结构设计为双层式母线结构。高压直流母线选择DC 400V,一方面跟国际接轨,借鉴相关成熟经验,另一方面随着智能电网的发展,DC 400V易于接纳更大功率的直流电器,且易于跟直流配电网并网运行。其他小型家电负荷及通信设备与48V直流母线连接。直流微电网部分通过分层母线结构的设计,完成对不同电压等级的直流负荷的直接供电,实现交直流混合微电网中对直流负荷直接供电的目标。直流微电网采用TN-C-S接地形式,与交流微电网通过一台AC/DC变流器连接。

1.3 交直流混合微电网网络结构设计

通过以上分析,设计交直流混合微电网拓扑结构见图1。其中,交流母线设计为400V单母线,将华安电力办公大楼已有的光伏电源接入,并与电网相连接,直接向办公大楼交流负荷供电;对于分层母线结构的直流微电网部分,母线电压设为高压400V及低压48V,该示范工程的高压220/110V直流负荷通过DC/DC变流器与高压直流母线相连接,同时接入10k Wp光伏电源,通过变流器接入400V直流母线,为直流侧负荷提供能量。为了便于整个网络的正常运行与调控,在直流微电网部分接入一定容量的储能电池,储能电池由48节12V100Ah的铅酸电池串联组成,可以实现电能的自由调控以及直流微电网的孤岛运行,由一台20k W的DC/DC变流器接入DC 400V母线。对于低压直流负荷,包括48V通信负荷及小于48V的其他直流负荷,直接或通过变流器接入低压直流母线,实现对展厅内的各类负荷供电。在交直流混合微电网中,交流系统和直流系统按各自的原则组成微电网,由四象限运行AC/DC变流器联接,变流器额定功率30k VA,支持PQ、VF、下垂3种运行模式。

2 交直流混合微电网运行方式与模式切换

2.1 交直流混合微电网运行方式

宁波交直流混合微电网工程依靠2个PCC处开关的分合状态和2台变流器工作模式组合,支持4种运行方式,见图2。

1)交、直流微电网并网运行。PCC-1和PCC-2处的开关均闭合;DC/DC变流器维持DC 400V母线电压恒定;光伏工作在MPPT模式,以最大限度利用可再生能源;AC/DC工作在PQ模式,通过调整其功率来调理储能电池的SOC,保证有足够的备用以支撑独立运行。连接DC 400V母线与DC 48V母线之间的DC/DC模块维持48V母线电压恒定。其他连接负荷的DC/DC模块的控制目标均为维持负荷侧直流电压恒定。

2)交流微电网并网运行,直流微电网离网运行。PCC-1处开关闭合,PCC-2处开关断开;AC/DC变流器停机,DC/DC变流器维持DC 400V直流母线电压恒定;其他DC/DC模块的运行方式与交、直流微电网并网运行方式下相同;光伏输出功率根据储能电池的SOC进行调整。

3)交、直流微电网并列离网运行。PCC-1处开关断开,PCC-2处开关闭合;DC/DC变流器控制DC 400V母线电压恒定,AC/DC控制AC 400V母线电压和频率稳定;其他DC/DC模块的运行方式与交、直流微电网并网运行方式下相同。当交直流混合微电网内的总负荷超过储能和光伏的整体调节能力时,需要切除部分负荷,以保证系统稳定。

4)交流微电网停运,直流微电网离网运行。PCC-1和PCC-2处的开关均断开;交流微电网停止运行,直流微电网部分运行,与第2)种运行方式相同。

2.2 交直流混合微电网模式切换

微电网的模式切换包含微电网运行状态切换和主电源控制模式切换。在满足设备可操作性和电网稳定需求的前提下,采用自动策略集顺序控制,其中包括无缝切换技术、微电网与电网同步技术等。

图2所示共4种运行方式、8种切换策略集(对应图中数字①~⑧)。运行人员根据需要选择切换策略集,监控系统开始自动执行:在监控后台完成状态判别、策略号生成等控制策略后,下发给微电网中央控制器(MGCC)执行,通过控制2个并网点开关分合、2台变流器工作模式及输出功率等完成模式切换过程。8种切换策略集中,⑤、⑥2种切换策略集只是对PCC-1并网开关的分合操作;③、④、⑦、⑧4种切换策略集包括对并网开关的分合操作和AC/DC变流器的启停操作,这6种切换策略较为简单,本文不做赘述,主要介绍①、②2种切换策略。

1)交流离网、直流离网转交流并网、直流并网。交直流混合微电网交流离网、直流离网时,PCC-1处开关断开,PCC-2处开关闭合,AC/DC变流器控制交流侧电压、频率,工作在VF模式,DC/DC变流器控制DC400V母线电压稳定。运行人员下达模式切换指令后,MGCC首先将AC/DC变流器由VF模式转为下垂模式,调整变流器的输出电压幅值和频率,当MGCC检测到交流母线电压与电网电压符合并网条件时,发出指令合上PCC-1处开关,然后将AC/DC变流器转为PQ模式,变流器将按照运行人员预先下达的功率指令运行,至此整个模式切换过程完成,切换流程见图3。

2)交流并网、直流并网转交流离网、直流离网。这种模式切换的初始状态是PCC-1处开关和PCC-2处开关均闭合,AC/DC变流器工作在PQ模式,DC/DC变流器控制DC 400V直流母线电压稳定。运行人员下达模式切换指令后,MGCC首先将AC/DC变流器的输出功率逐渐减小为0,以减少模式切换对整个微电网造成的冲击;然后下达AC/DC变流器由PQ模式转为下垂模式的控制指令,变流器模式切换成功后,立即分断PCC-1开关,最后将变流器的运行模式切换为VF模式,整个切换流程见图4。

3 模式切换实例

宁波交直流混合微电网模式切换实例中,交流微电网负荷约1k W,直流微电网负荷约1k W,光伏输出功率约1.5k W。图5按顺序对应上节中8种模式切换过程,其中通道1为直流母线电压,通道2~4为交流母线电压,通道5~7为PCC-1并网点处电流。8种模式切换过程中,交、直流母线电压稳定,系统未出现振荡或故障停电;且交流离网、直流离网与交流并网、直流并网的相互切换过程实现了无缝切换,仅在与公用电网并网时并网点PCC-1处有10A左右的电流,见图5(a)。

4 结语

本文研究了宁波交直流混合微电网规划设计方案,重点讨论了交直流混合微电网电压等级的选择、母线结构的确定、接地方式的选取及网络拓扑的确定,形成了符合示范工程实际情况的网络结构方案。在此网络结构的基础上,设计了4种运行方式,给出了运行模式切换的8种切换策略,并在示范工程进行了验证。