简述微电网三种控制方法「电网结构单链式」

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随着太阳能、风能等DG在电网中所占比重越来越大,微电网作为接纳DG的一种有效手段,逐步引起了社会的广泛关注[1-3]。微电网主要由DG、储能系统、负载、变流器等构成,可以并网运行也可以孤岛运行,DG通过微电网集成后再供电可以显著提高供电可靠性和电能质量,还可以为用户创造一定的经济效益[4-6]。此外,随着“太阳能屋顶计划”的逐步实施,微电网中出现了大量的单相微源和单相负载,使得微电网成为一个单相-三相混合的复杂供电系统,再加上分布式电源输出功率的间歇性和负荷的多变性,电压波动和三相功率不平衡问题日趋严重[7],因此,单相-三相混合微电网的能量协调控制是一个亟待解决的关键技术。

针对能量协调控制问题,大量文献提出了分散控制策略,其中下垂控制是最典型的一种,文献[8-12]采用下垂控制实现了对微电网多逆变器并联的功率均分控制,无需依赖互联线,提高了微电网控制的可靠性。但由于DG分布比较广泛,其接入母线的距离不一致,导致各分布式电源的线路阻抗不相等,易导致线路阻抗相对小的逆变器分配更多的功率,甚至超出其额定容量,影响微电网安全稳定运行。为此,文献[13-15]提出了一种改进型的下垂控制策略,通过引入虚拟阻抗,抵消线路阻抗的差异,从而实现微电网中各逆变器的功率均分。

值得注意的是,上述控制方法都是针对同一微电网中DG的能量协调控制,能实现同一微电网中不同DG之间的功率均分,但并不能实现对混合微电网中各相之间的能量进行协调控制,无法解决混合微电网中的三相功率不平衡和电压波动问题。

现有的三相功率不平衡和电压波动抑制方法主要是通过安装电能质量补偿装置[16-17],抑制效果明显,但投资运行成本高。为此,文献[18-19]提出了微电网多功能逆变器的概念,在微电网中,各种DG和储能设备是通过电力电子逆变器接入微电网,而逆变器具有灵活性和可控性的特点,通过选择合适的控制策略即可实现逆变器在输出有功功率和无功功率的同时,开展额外的电能质量治理工作,有效的降低了投资运行成本。但是,上述方法都是针对三相微电网的控制,并不能直接用于混合微电网中相互连接的单相微电网之间的能量协调控制。

对此,本文提出一种单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法,该结构主要包括PSU、ESU以及单、三相微电网。其中,PSU是由三组单相桥式变换器星型连接而成,针对PSU提出了基于下垂控制的能量协调控制方法,在三相功率不平衡时,PSU可协调混合微电网各相进行功率交换,从而抑制三相功率不平衡;在混合微电网某相电压出现波动时,PSU可快速提供有功和无功支撑,从而抑制混合微电网的电压波动。考虑到DG输出的间歇性和负荷的多变性,通过ESU稳定PSU直流侧的母线电压,实现对混合微电网能量波动的缓冲。

1、单相-三相混合微电网结构

本文所提单相-三相混合微电网结构如图1所示,主要由PSU、ESU以及单、三相微电网组成,通过断路器和变压器连接到大电网,可并网运行也可孤岛运行,其中PSU是由三组单相变换器星型连接而成,ESU是由多个双向直流变换器并联而成。

图1单相-三相混合微电网结构

从图1可以看出,A、C相都有DG和负载,而B相只有负载,没有DG,在并网运行时,混合微电网接入大电网运行,能保证三相功率平衡;若断路器突然断开,进入孤岛运行模式,由于B相并没有DG,可能出现功率缺额,B相母线电压可能发生波动,而此时A、C相可能由于光照风能充足,出力过剩,存在多余的能量,电压频率幅值升高,出现三相功率不平衡现象,为了维持A、C相正常运行,A、C相就得降低DG的出力,出现弃风、弃光现象,既浪费了能量,又降低了DG的利用率。

本文所提单相-三相混合微电网结构可以很好地解决上述问题,PSU中每两组单相变换器可以组成一个背靠背的变换器,使得能量可以在各相微电网之间双向流动,从而可以协调混合微电网各相进行功率交换,提高DG的利用率,减少能量的浪费,抑制三相功率不平衡;在某相电压出现波动时,PSU可快速提供有功和无功支撑,对其输出电压进行调整,抑制电压波动。利用ESU可缓解由于DG输出功率间歇性和负荷多变性带来的能量波动,维持直流侧母线电压的稳定。通过对PSU和ESU采用合适的能量协调控制方法,可保证混合微电网在孤岛运行状态下实现三相功率平衡控制,抑制电压波动,相互协调,相互支撑,提高供电电能质量。

2、基于下垂控制的PSU能量协调控制方法

如图1所示,PSU是由3组H桥变换器构成的,其中每两组H桥可以组成一个背靠背的变换器,可很好地实现能量双向流动,H桥变换器的拓扑图如图2所示,图中：LI、Ls为滤波电感;C为滤波电容;Cd为公共直流母线电容;us为混合微电网各相母线电压;iL、iS分别为逆变器侧和网侧的电感电流。

图2 H桥变换器的拓扑图

在对PSU的能量协调控制方法分析之前,先分析混合微电网对PSU的能量交换需求：

1）能够实现对混合微电网中各相能量的协调控制,从而实现对三相功率不平衡的抑制。

2）混合微电网运行于额定工作状态附近时,无需通过PSU进行能量交换,以免不必要的浪费,此时PSU处于停机状态。

3）混合微电网中任意一相出现功率波动时,PSU对其进行有功和无功的调整,但是不能影响其他相的正常运行。

4）PSU应该具备一定的无功补偿能力,在母线电压跌落时,可以支撑单相-三相混合微电网的母线电压,抑制电压波动。

为了实现需求1）—3）,必须知道混合微电网各相对有功功率的需求情况,本文利用混合微电网各相母线电压频率f来判断。为了方便计算,将频率标准化后作为判断依据,计算公式如下：

式中：fmax、fmin分别为混合微电网所允许的最大、最小工作频率;f°为频率f标准化后的值,由式(1)可得,f°取值范围为-1~1,若f°>0,说明此时DG出力过剩,需要通过PSU转移部分有功功率至ESU侧,若f°<0,说明此时DG出力不足,需要通过PSU提供额外的有功功率。

为此,本文提出基于下垂控制的能量协调控制方法对PSU的有功功率交换进行控制,考虑到尽量减少PSU工作于额定工作状态附近时频繁的能量交换而造成不必要的损失,对有功功率交换设定一个启动阈值,其下垂控制方程表达式如下：

式中：P为PSU输出至ESU侧的有功功率,若P>0,表明混合微电网通过PSU输出有功功率至ESU侧,若P<0,表明混合微电网通过PSU从ESU侧吸收有功功率;kp为有功功率交换系数,由微电网的容量决定;f°th为有功功率交换启动阈值,由实际工程应用需求决定。根据f°th可以把单相-三相混合微电网的工作状态分为两种：

1）状态1：当f°满足0≤|f°|<f°th时,表明此时该相微电网工作在混合微电网所允许的频率偏移范围内,PSU停止功率交换,以免混合微电网在频繁的功率交换过程中造成额外的能量损失。

2）状态2：当f´满足|f°|>f°th时,表明此时该相微电网的工作频率偏移量已经超出了文中设定的有功功率交换启动阈值f°th,PSU启动功率交换,对混合微电网的有功功率进行协调控制,从而抑制三相功率不平衡。

按照式(2)对PSU的有功功率交换进行控制,可实现对混合微电网的能量协调控制,但是也容易出现PSU的输出抖动问题,当微电网工作频率满足条件|f°|>f°th时,PSU启动有功功率交换,随后因为进行了有功交换导致|f°|变小,这样就可能会重新触发0≤|f°|<f°th这个条件,PSU就会停止有功交换,一旦PSU停止有功交换,|f°|又开始变大,如此反复,易导致混合微电网的电压频率在启动阈值f°th附近抖动,进而造成PSU的输出发生抖动。

为此,本文在式(2)的基础上加入滞环比较环节,得到下垂控制曲线如图3所示,图中f′′th=f′th−εf″th=f′th−ε,通过改变εε可以调节滞环比较的门限宽度,通常取一个比较小的值。加入滞环比较环节后,由于比较门限的存在,可有效避免PSU的输出发生抖动。

图3加入滞环比较后的下垂控制曲线

按照图3可有效地对PSU有功功率交换进行控制,并达到很好的控制效果,但前提是直流侧母线电压保持恒定,这就要求ESU中储能电池的额定容量无限大,保证ESU可以完全吸收PSU输出至ESU的有功功率或提供PSU所需的有功功率,但实际上储能电池的额定容量通常是有限的,储能电池不一定能完全吸收或释放PSU所需交换的能量,从而引起直流侧母线电压波动,进而影响对混合微电网电压波动和三相功率不平衡的抑制效果,因此必须根据ESU的工作状态来协调PSU的有功功率输出。

从图1可知,单相微电网中的不平衡功率可以由ESU和三相微电网共同消纳,而不平衡功率有正有负,当不平衡功率为正时,即DG出力过剩,若储能电池的剩余容量(stateofge,SOC)充足,不平衡功率可完全由储能电池吸收,但是若储能电池SOC不足,为了避免直流侧母线电压抬升,必须降低PSU输出至ESU侧的有功功率,而剩下的不平衡功率由三相微电网消纳;当不平衡功率为负时,即DG出力不足,若储能电池储能充足,不平衡功率可完全由储能电池提供,但是若储能电池储能不足,为了避免直流侧母线电压跌落,必须降低PSU从ESU侧吸收的有功功率,剩下的不平衡功率由三相微电网提供。

为此,本文提出了引入功率传输系数λ来协调限制PSU的实际输出有功功率P°,将图3得到的有功功率P乘以功率传输系数λ作为后续控制的有功指令值,即：

根据ESU中储能电池的总剩余容量,将其分为3个区间,分别如下：

1）区间1：0≤SOCsum≤SOClow。

2）区间2：SOClow<SOCsum<SOCup。

3）区间3：SOCup≤SOCsum≤1。

其中,SOClow为总剩余容量的下限阈值,SOCup为总剩余容量的上限阈值,SOCsum为系统总剩余容量,计算公式如下：

式中：n为储能电池的组数;SOCi为第i组储能电池的剩余容量。

在区间1内,表明此时储能电池SOCsum不足,若PSU输出有功功率P为正,则必须降低PSU的功率传输系数λ,以免直流侧母线电压抬升,剩下的不平衡功率通过三相微电网消纳;若PSU输出有功功率P为负,由于此时储能电池储能充足,PSU的功率传输系数λ取值为1,可得计算公式如下：

在区间2内,表明此时储能电池处于良好的工作状态,不管PSU是吸收有功功率还是输出有功功率,ESU都能够很好的对其进行消纳,因此,PSU的功率传输系数λ取值为1。

在区间3内,表明此时储能电池SOCsum充足,若PSU输出有功功率P为正,则PSU的功率传输系数λ取值为1,若PSU输出有功功率P为负,由于此时储能电池储能不足,必须降低PSU的功率传输系数λ,以免直流侧母线电压跌落,剩下的不平衡功率由三相微电网提供,可得计算公式如下：

此外,从需求(4)可知PSU还应该具备一定的无功补偿能力,在母线电压跌落时,可以支撑混合微电网的母线电压,抑制电压波动,本文提出基于下垂控制的方法计算混合微电网所需补偿的无功功率,具体计算公式如式(8)所示：

式中：kq为无功功率交换系数;USN为混合微电网额定工作电压幅值;US为混合微电网各相实际工作电压幅值。当Q>0时,表明混合微电网无功过剩,需要通过PSU输出部分无功功率至ESU侧;当Q<0时,表明混合微电网无功不足,需要通过PSU补偿部分无功功率。

综上所述,可得基于下垂控制的PSU能量协调控制结构图如图4所示,主要包括能量协调控制和准谐振PR电流控制两部分。其中us为混合微电网各相的相电压,PLL为单相锁相环,相电压经过PLL后可得到相电压的相角θ和幅值US。通过能量协调控制可以获得电流内环的指令电流i*s,再利用准谐振PR电流控制对指令电流进行跟踪控制。

图4基于下垂控制的PSU能量协调控制结构图

将指令电流i*s与实际测得的电流is相减得到电流误差信号,再将电流误差信号送入准谐振PR控制器进行控制。准谐振PR控制器在很多文献[20-21]都有应用,它在保持高增益的同时,又可减少频率偏移对控制效果造成的影响,其传递函数为

式中：kpr和kr分别为准谐振PR控制器的比例系数和谐振增益;ωc为截止频率,当s=jω0时,谐振增益达到最大值,通过合理设置kpr和kr可以使得控制系统在基频处增益很大,从而可以最大限度的消除稳态误差。

3、ESU的能量协调控制方法

在PSU工作时,易导致直流侧母线电压波动,尤其是在各单相微电网都出力不足或过剩时,直流侧母线电压会有很大的偏离,进而影响PSU的控制效果,为此,本文利用ESU来稳定PSU直流侧的母线电压,为PSU的稳定工作提供保障,在PSU直流侧母线电压升高时,ESU工作于充电状态,吸收多余的能量,使得直流侧母线电压回落;在PSU直流侧母线电压下降时,ESU工作于放电状态,弥补不足的能量,使得直流侧母线电压回升。

此外,考虑到不同储能电池在同一时刻的SOC并不一样,如果都采用同样的充放电电流,易导致部分电池过度充电或者过度放电,这样不仅浪费电池容量,还会严重影响电池寿命,因此,必须采用合适的控制策略协调各ESU的控制。为此,本文提出利用储能电池的SOC和直流侧母线电压偏差uerror来协调ESU的控制,利用两者调节电流限幅器的限幅幅值,从而实现对不同SOC的储能电池的充放电速度的协调控制。具体控制结构图如图5所示,采用电压电流双闭环控制,外环是电压控制环,采用PI控制,用以改善系统输出电压的波形,使其具有较高的输出精度;内环是电感电流调节环,采用比例P控制,可以提高控制系统的动态性能。

图5 ESU的能量协调控制结构图

图5中Imax为电流限幅器的限幅幅值,具体计算公式如下：

式中：IN为储能电池所能承受的额定充放电电流;τ为幂系数。式(10)中SOC的具体计算方法如式(11)所示：

式中：SOCt=0为储能电池初始剩余容量;ibat为储能电池充放电电流;SN为储能电池的额定容量。

4、仿真和实验

4.1 仿真验证

基于Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型对本文所提单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法进行验证。利用三台单相H桥逆变器组成PSU,利用两台双向直流变换器连接两组储能电池Bat1和Bat2构成ESU,单相微电网中,A相由两组电源和两组负荷组成,B相由一组电源和一组负荷组成,C相由两组电源和一组负荷组成。电源都是通过逆变器连接到微电网中。两台双向直流变换器额定容量均为6kW,H桥逆变器额定容量均为4kW,各相逆变器的额定容量为3kW,载波频率均为10kHz,直流母线电压为400V,仿真模型其他仿真参数取值如表1所示。

表1系统仿真参数

为验证本文所提能量协调控制方法的有效性,在0.2s时,A相突然减少一组负荷,B相将唯一一组电源切断,保持其他不变,仿真结果如图6所示,图中：PA、QA、PB、QB、PC、QC分别为混合微电网A、B、C三相通过PSU输出至ESU侧的有功功率和无功功率;PDGa1、QDGa1和PDGa2、QDGa2分别为A相中两逆变器DGa1和DGa2输出的有功功率和无功功率;PDGb1、QDGb1分别为B相中逆变器DGb1输出的有功功率和无功功率;PDGc1、QDGc1和PDGc2、QDGc2分别为C相中两逆变器DGc1和DGc2输出的有功功率和无功功率;PLA、QLA、PLB、QLB、PLC、QLC分别为A、B、C三相负荷吸收的有功功率和无功功率。图7给出了有无PSU和ESU参与调节的三相微电网接入点处的三相电流iA、iB、iC的仿真波形对比图,图8给出了混合微电网A、B、C三相母线电压变化图,图9给出了ESU的控制效果图,图中：Udc为公共直流侧母线电压;iL,Bat1、iL,Bat2分别为流过两组双向直流变换器滤波电感的电流。

图6混合微电网及其PSU各相的有功无功功率变化图

图6混合微电网及其PSU各相的有功无功功率变化图

从图6(a)可以看出,在0.2s之前,两逆变器DGa1和DGa2出力充足,此时PSU将A相过剩的能量输出到ESU侧,继而通过ESU将其存储起来,在0.2s时,A相负荷突然减少,能量过剩,导致A相电压频率幅值升高,PSU增加输出至ESU侧的有功功率;从图6(b)可以看出,B相切断电源后,B相无法满足负荷对功率的需求,出现功率缺额,此时,PSU快速反应,从ESU侧输入能量至B相,支撑B相的继续运行;从图6、9可知,在A相增加输出至ESU侧的有功功率后,ESU的充电电流不但没有增加,反而减少了,这是因为在B相切断唯一一组电源后,需要PSU提供较大的有功功率以支撑B相的功率平衡。以上仿真结果表明,本文所提控制方法能够有效实现混合微电网的能量协调控制并抑制三相功率不平衡。

此外,从图7(a)和(b)的对比分析可得,不采用PSU和ESU协调控制时,接入三相微电网的三相电流iA、iB、iC存在严重的不平衡现象,而引入PSU和ESU的协调控制后,接入三相微电网的三相电流不平衡现象得到了明显的改善,证明了本文所提控制方法能够改善混合微电网的三相功率不平衡。

图7有无PSU和ESU参与调节的三相电流iA、iB、iC对比图

从图8可知,B相切断电源后,B相电压出现跌落,此时,PSU快速反应,对其提供有功和无功支撑,从而阻止了B相电压因为电源的缺失而大幅下跌,表明了本文所提能量协调控制方法能够抑制混合微电网的电压波动。

从图9可知,通过ESU的稳压控制,PSU公共直流侧母线电压基本上保持为直线,表明了ESU的稳压性能优越,可以有效的抑制混合微电网能量的波动。此外,由于储能电池Bat1的SOC大于储能电池Bat2的SOC,所以充电电流iL,Bat1要大于iL,Bat2,可以看出仿真结果和分析结果一致,验证了ESU能量协调控制方法的有效性。

图8 A、B、C三相母线电压变化图

图9 ESU的控制效果图

4.2 实验验证

为验证仿真结果,根据上面的仿真模型及其系统参数,搭建了样机实验平台。在样机稳定运行后,将A相突然减少一组负荷,B相将唯一一组电源切断,保持其他运行条件不变。利用Fluke434观测PSU各相的有功无功功率变化情况,如图10所示,利用DPO3032示波器观测混合微电网各相母线电压波形变化情况和两组ESU的充放电电流及其稳压情况,分别如图11和12所示。

图10 PSU各相的有功无功变化图

图11混合微电网三相电压波形图

从图10可知,在运行条件改变之前,混合微电网中各相的DG出力充足,PSU将各相过剩能量输出至ESU侧,再利用ESU将其存储起来。从图10的线1可以看出,在A相突然减少一组负荷后,出现能量过剩,导致A相电压频率幅值升高,PSU开始工作,将A相过剩的能量输出至ESU侧;从图10的线2可以看出,B相切断电源后,由于B相无法满足负荷对功率的需求,导致B相电压跌落,此时PSU快速做出反应,对其提供有功和无功支撑,以维持B相继续正常运行;从图10(a)和图12可知,在A相增加输出至ESU侧的有功功率后,ESU充电电流不但没有增加,反而减少了,这是因为B相切断唯一一组电源后,需要PSU提供较大的有功功率以支撑B相的功率平衡,表明本文所提控制方法能够有效实现混合微电网的能量协调控制并抑制混合微电网的三相功率不平衡。

图12 ESU的控制实验波形图

从图11可以看出,在A相突然减少一组负荷后,A相电压频率幅值升高,通过协调控制,PSU增加输出至ESU的有功功率和无功功率,随后母线电压恢复正常。在B相切断电源后,B相电压下跌,此时PSU快速反应,对其提供有功和无功支撑,使得B相电压恢复正常。证明了本文所提能量协调控制方法对抑制混合微电网电压波动效果显著。

从图12可知,通过ESU的稳压控制,PSU公共直流侧母线电压基本上保持为直线,表明了ESU对公共直流侧母线电压的稳压效果显著,可有效的抑制混合微电网能量的波动。此外,从图12中还可以看出,充电电流iL,Bat1要大于iL,Bat2,这是因为储能电池Bat1的SOC大于储能电池Bat2的SOC,实验结果和分析结果一致,验证了ESU能量协调控制方法的有效性。

5、结论

针对传统单相-三相混合微电网孤岛运行时易出现电压波动和三相功率不平衡问题,本文提出了一种单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法,得到如下结论：

1）提出的单相-三相混合微电网结构实现了对混合微电网的能量协调控制,提高了混合微电网的供电电能质量。

2）提出的基于下垂控制的PSU能量协调控制方法可协调混合微电网各相进行功率交换,并且对其提供有功和无功支撑,实现了对混合微电网三相功率不平衡和电压波动的有效抑制。

3）提出的ESU能量协调控制方法可对混合微电网的能量波动进行缓冲,确保了PSU直流侧母线电压的稳定。

4）仿真与实验结果验证了所提单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法的有效性,可推广应用到单相-三相混合微电网系统中。《中国电机工程学报》