直流微電網研究綜述

葉 鵬,徐 帥,楊玉鵬,秦 偉

(1.沈陽工程學院,沈陽 110136;2.沈陽工業大學,電氣工程學院,沈陽 110870;3.國網遼陽供電公司運營監控中心,遼寧 遼陽 111000)

●學術研究●

直流微電網研究綜述

葉 鵬1,徐 帥2,楊玉鵬3,秦 偉2

(1.沈陽工程學院,沈陽 110136;2.沈陽工業大學,電氣工程學院,沈陽 110870;3.國網遼陽供電公司運營監控中心,遼寧 遼陽 111000)

作為一種新興的電網形式,直流微電網擁有重構靈活、電能質量高、線路損耗低等優勢,能使分布式電源和微電網的價值與效益得到充分的發揮。根據現有的直流微電網文獻資料,在認真調查研究基礎上,對其結網形式、監控保護和電壓控制技術、能量管理方式、采用的電力電子接口技術等問題進行了歸納和總結,對直流微電網發展趨勢進行了探討和展望。

直流微電網;供電模式;能量管理;電壓控制方法

微電網是由負荷與微電源(微電網中的分布式電源)組合構成的系統[1],內部主要由電力電子器件負責微電源的能量變換,并提供必要的控制;微電網相對大電網呈現為簡單的受控單元,不會對大電網造成不利影響,一旦大電網出現故障,微電網可轉為孤島運行繼續對自身內部的負荷保持電能供應,直到故障解除[2]。

微電網運行方式靈活,可實現分布式能源的接納和與電網的互相支撐[3]。對于微電網的組網方式,采用直流組網還是采用交流組網一直存在爭議[4]。隨著配電系統的發展,發現采用直流組網比交流組網更具優勢。直流微電網具備能量變換環節少、系統效率高和便于控制等諸多優點。因此,探究直流微電網,對新能源發電技術的應用與普及非常有利,對緩解世界能源危機和環境污染問題也具有重要的意義。

本文研究了直流微電網結網方式、監控保護和電壓控制技術、能量管理方式和所采用的電力電子接口等技術,分析目前研究中存在的難點與技術問題,對直流微電網的未來發展趨勢進行了展望。

1 直流微電網基本概念

直流微電網是以直流配電的方式,采用一條公共直流母線將全部微電源連接起來的獨立可控系統,如圖1所示。光伏電池、燃料電池、風力發電、燃氣輪機等微電源接在直流母線上,經過一個集中 DC/AC 換流設備與大電網連接。

在電力系統中,大多數的分布式微源和電力用戶終端負載是直流,所以連接到直流微電網可以減少能量轉換次數,降低損耗和故障率。與交流微電網相比,直流微電網(DC-Micro-Grid)有許多優點。

1) 直流微電網中的各類微源與直流母線的連接方式簡捷方便,無須關注交流電源輸出電壓的頻率、相位等問題。一般只需要一次AC/DC或DC/DC變流即可,直流母線也只需經過一個DC/AC逆變器就可和交流大電網相連, 大大降低了系統成本和損耗[5]。

圖1 直流微電網基本結構

2) 直流微電網控制問題只取決于直流母線電壓,潮流的控制主要取決于電流,因此容易實現微電源間的協調控制。

3) 如果大電網發生故障,直流微電網能迅速與大電網斷開。當孤島運行時,直流微電網的負荷能得到持續供電,而不會受到大電網故障的影響。

4) 經過負荷側的變流裝置可給負荷提供很高的供電可靠性和電能質量。即使某處負荷發生故障時,其他負荷也不會受影響。

5) 直流微電網可以作為一個整體補償發電功率和負荷功率的變化。

直流微電網具備良好的發展前景,但目前國內外對其研究只是剛剛展開,尚處于起步階段,研究方向主要包括直流微電網監控保護和電壓控制技術、結網形式、采用的電力電子接口技術、能量管理方式等方面。

2 直流微電網結網方式

直流微電網的結網形式中最重要的是直流母線結構和母線電壓的等級。

在直流母線構成形式方面,直流微電網母線的組成形式主要有四類:單母線結構[6]、雙層母線結構[7]、冗余式母線結構和雙母線結構[8]。單母線布局的直流微電網系統易于和現今使用的交流接線設備兼容,但一些情況下變流器的電壓應力較大,比如在給計算機等低壓設備供電時,每一個低壓電子設備都要配備相應體積的電源適配器;雙層式母線結構對單母線進行了分層,這樣雙層母線結構提高了對低壓設備供電安全性,降低了電源適配器的體積,但不容易與現有的轉接設備兼容;冗余式母線體系適合于對電能質量要求高的區域,如對商業建筑和船舶區域的配電等;雙母線形結構能根據負荷端對供電電壓需求的不同選擇由不同的母線進行供電,并實現交直流側共地[9]。

在直流母線電壓的等級上,直流母線電壓等級的確定應滿足現有交流設備對輸入電壓范圍的要求。日本于2009年提出380 V的直流母線電壓標準,并進行了相關的檢驗,這個標準日前已經被美國電力研究院驗證后采用。380 V的直流標準現被普遍稱為 DC380 V,它的提出是基于數據中心直流配電,現已逐步得到了業界的認同。但DC380 V的標準能否符合中國一般用戶的用電要求,還有待于產學研各界進一步的驗證。

文獻[10]提出一種雙母線結構的直流微電網,如圖2所示。

圖2 雙母線型直流微電網

在圖2中,電網電壓為6.6 kV,經過變壓器降為交流230 V,再經過雙向AC/DC換流器變換成直流340 V,然后經過電源平衡器變成直流±170 V。燃氣輪機經過換流器接入230 V的交流側,超級電容器和蓄電池經過雙向DC/DC接在直流母線上,用于抑制功率的波動,光伏電池經過DC/DC變換器接在直流母線上。在負載側,直流電經過電力電子裝置轉換成直流電或交流電。該結構可為多種不同電壓等級負載供應電能,如果某處負載發生故障不會影響其余負載;如果大電網側發生故障,可以與大電網斷開獨立運行。

文獻[11]展現了一種交流、直流微電網組合成混合微電網。兩個微電網分別具有獨立的電源、儲能裝置和負載,兩者間通過一個或多個變流器連接,用于微電網間的能量雙向交換。構成的混合微電網經過一個智能開關與大電網相連,主線路在正常情況下,微電網與大電網能夠達到能量的最優利用,微電網都采用下垂控制;如果主線路出現故障,智能開關關斷,微電網與大電網斷開,但交直流微電網之間依然可以進行能量交流。這個交直流混合微電網如圖3所示。

圖3 交直流混合微電網

文獻[12]提出以太陽能電池作為分布式電源,儲能裝置采用蓄電池的直流微電網結構, 結構如圖4所示。

圖4 基于光伏發電的直流微電網

這個直流微電網經雙向AC/DC換流器連接在大電網上。同時為達到優化能量利用、維持功率平衡和直流母線電壓的穩定,設計了一種能量管理策略,把直流母線電壓作為控制信息載體,確定直流微電網的4種工作模式:并網逆變運行、并網整流運行、孤島運行時蓄電池放電、孤島運行時光伏電池恒壓輸出。

3 直流微電網監控保護和電壓控制

3.1 直流微電網監控和保護

直流微電網有3類常用的控制方法:

1) 依托電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制方法[13]。該方法依據微電網控制要求,靈活采用與傳統發電機相似的下垂特性曲線進行控制,將系統不平衡功率動態分配給各機組,簡單、可靠，易于實現,但沒有顧及系統電壓和頻率的恢復問題,與傳統發電機中的二次調整問題相似,因此當微電網遭受嚴重擾動時,無法保證系統的頻率質量。

2) 基于功率管理系統的控制[14]。該方法采用不同控制模塊達到了微電網對各種控制的要求,特別是維持功率平衡時,功率管理系統采取多種控制方法,從而在保持控制靈活性的前提下提高了控制性能。

3) 基于多代理技術的微電網控制方法[15]。該方法將傳統電力系統中的多代理技術應用在微電網控制系統中。代理的自發行為、反應能力和自治性等特點,恰好適應微電網分散控制的需求,提供了一個可以嵌入多種控制性能但又不用管理者頻繁出現的系統。

總結國內外研究現狀,認為微電網控制系統將來的研究目標是: 1)在孤島和并網兩種運行模式下,檢驗已有的電壓控制方法在微電網中的適用性; 2)不同種類的微電源(如采用變流器和不采用變流器可控和間歇)的運行和控制;3)優化、智能的控制方法。

配網中含多個分布式電源及儲能裝置的直流微電網的接入,大大改變了配電系統故障特征[16]。 而且直流微電網在并網和孤島兩種運行模式下,短路電流大小不同,懸殊很大。因此,怎樣在孤島和并網下都能對微電網內部的故障做出反應以及在并網情況下及時感知大電網故障,同時做到保護的快速性、選擇性、靈敏性與可靠性[17],是微電網保護的核心和關鍵。

文獻[18]構建了基于多代理技術的控制系統。構建了一個典型直流微電網系統和采用逆系統方法的定交流電壓控制策略,在PSCAD/EMTDC中搭建了孤立風力發電系統模型，如圖5所示。

圖5 孤立風力發電系統模型

該模型的仿真試驗結果顯示,在風速波動致使全網主要發電元件風機功率波動的情況下,直流系統電壓仍能保持恒定,即便在孤島運行時,對用戶也能保證可靠供電。

文獻[19]提出基于直流母線信號DBS(DC Bus Signaling)的控制策略。該控制策略通過直流母線信號和直流微電網的下垂控制,達到直流微電網的控制最優化,能夠最大程度地提高新能源的利用率,并且達到了同一個電壓等級下多個微電源的功率分配及電壓控制。經過研究各個微源變換器的特性,做到了并網換流器及儲能單元的恒功率平滑切換控制與下垂控制。

3.2 直流微電網母線電壓控制方法

在直流微網中,因為不存在無功功率的流動,反映系統功率平衡的唯一指標是電壓,所以直流微電網控制的核心問題是控制直流母線電壓穩定。目前比較常用的直流母線電壓控制方法主要有下垂控制、電壓分層控制、協調控制等。

文獻[20]通過建立帶恒功率負荷變換器的小信號模型,推導了占空比與電容電壓的傳遞函數,給出了開環系統穩定運行的條件。同時通過把 PI 控制器和高通濾波器相結合,提出了一種新型控制策略,通過繪制控制器各參數變化的根軌跡圖,得出了滿足系統穩定運行的各參數的取值范圍,以及控制直流微電網母線電壓。仿真結果表明孤島和并網運行下采用這種控制策略均可以保證系統穩定運行,而且有良好的跟蹤精度和動態響應。

文獻[21]以風電直流微電網為研究對象,提出基于直流電壓變化量的電壓分層協調控制策略。這個控制策略通過檢測直流電壓的變化量來協調各換流器的工作模式,從而保證在各種工況下都能保持微網功率平衡。各變流器獨立工作,不存在相互通訊,控制系統結構得到簡化,并使直流微電網能夠“即插即用”。經過對包括直驅永磁風電機組、儲能蓄電池的微電網的仿真分析,驗證了該直流微電網控制策略的有效性。

文獻[22]設計了光伏發電組件多模式接入直流微電網及控制辦法,包括MPPT控制模式、恒電壓模式和恒定功率模式。即通過變步長擾動觀察法達到MPPT控制,采用 PI 環節控制達到恒壓或恒功率控制,能量管理器管理光伏發電組件,使其在三種工作模式間切換。當不能達到恒壓或恒功率模式時,返回到MPPT模式同時告知能量管理器,能量管理器通過對直流微電網的其余部分進行調度來穩定直流母線電壓。因此光伏發電系統對這個直流微電網的能量管理器而言相當于一個受限可控源,對直流微電網的穩定運行非常有利。

文獻[23]提出了直流電壓協調控制策略。這個控制策略基于直流電壓的變化量和蓄電池的荷電狀態SOC來協調各換流器的工作狀態,以此達到了不同運行工況下直流微電網內的有功功率平衡,實現了保持直流母線電壓穩定的目標,仿真結果證實了這種控制策略的有效性。

文獻[24]通過研究以光伏組件、儲能裝置、網側換流器和直流負荷組成的直流微電網,結合微電網孤島和并網2種運行模式,提出了系統4種工作方式,并對這個微電網的運行控制策略進行研究。設計了鋰電池組件自適應調節下垂系數的這種控制方法,優化各種情況下電池的輸出功率,提高了系統和電池運行效率;光伏變換器通過變步長電導增量法進行MPPT控制;通過基于前饋解耦的電壓電流環控制網側換流器。此系統結合光伏發電和儲能控制方法,可以實現在2種運行模式和4種工作方式間平滑切換,直流母線電壓能夠維持恒定,做到了系統穩定工作和能量利用最優化。

文獻[25]構建了一個電壓下垂綜合控制策略,采用構建包含微源和負荷的直流微電網的小信號模型測定直流母線電壓,然后調節穩定電網電壓,并實現兩個微源間的負荷平衡。經過對該控制方法的模擬實驗仿真,結果證實該方法正確、可行。

文獻[26]以多種微電源和本地負載組成的直流微電網系統為研究對象,通過阻抗比例判據來判斷直流微電網電壓的穩定情況。這個控制策略通過把電源子系統的總輸出阻抗與負載子系統的總輸入阻抗的比值作為等效的回路增益,然后通過Nyquist穩定性判據對系統的穩定性進行分析。

從當前來看,直流微電網的控制研究大多處于理論仿真階段,在實用化方面還不夠成熟,有待深入研究。

4 直流微電網能量管理

微電網的能量管理是指通過調節微電源及儲能出力、投切負荷、改變網架結構等手段,滿足不同時間尺度上系統的能量平衡。由于直流微電網不存在頻率問題,因此能量管理策略上更加靈活。

能量管理策略若要達到最優化,就要充分利用可再生能源,降低儲能裝置的充放電頻率,并保證系統可靠運行。

在并網條件下,如果直流微電網內部功率不足,可經過并網換流器從配電網補充能量;若配電網用電緊張,直流微電網也可參與電力系統的調峰。在微電網并網時,直流微電網內部微源和負荷功率不需要供求平衡,所以這種情況下可以重點關注其他問題,例如最優化管理微電網內部能量。當控制器決定要轉為孤島運行時,并網換流器逐漸減少系統間的功率交換。在孤島模式下,一定要達到微電網內部功率供求平衡,因此對能量管理的自由有所限制。總控制器需要保證在直流微電網內部有功平衡的基礎上不影響微電網的供電質量,這可以通過適當的加、減電源或負荷,或通過修正電源和儲能系統的工作點(如MPPT模式和下垂控制模式的轉換) 來實現。

文獻[27]采用一種應用于獨立光伏系統的混合儲能系統,其系統結構如圖6所示。該系統元件包括光伏組件、蓄電池、超級電容器、充電控制器、并聯控制器和負載等,系統中蓄電池與負載直接相連。超級電容在系統中作用是對光伏陣列輸出電能起到濾波作用,當負載功率發生波動時,對蓄電池的充電起到優化作用。充電控制器能夠及時滿足所需的峰值功率,控制蓄電池的輸出電流峰值,使蓄電池放電的過程得到優化;并聯控制器的變流功能會大大降低蓄電池充放電循環的次數。

圖6 混合儲能獨立光伏系統結構圖

文獻[28]構建了一個燃料電池發電系統,容量為5 kW,其系統結構如圖7所示。

圖7 燃料電池發電系統框圖

針對燃料電池動態性能上的不足,設計了一種能量管理控制策略,基于電流的間接控制。若負荷功率出現波動,電流內環立即動作,把負載電流的變化部分作為雙向 DC/DC 變換器的輸出跟蹤對象,因此燃料電池就有充足的時間來調整,這就彌補了燃料電池在動態性能上的不足,對延長燃料電池的工作壽命非常有利。

直流微電網的能量管理研究在國際上尚處于初步階段,采用更先進、更智能的能量管理策略將是未來研究的重點。

5 直流微電網電力電子接口

電力電子技術在分布式電源電能轉換、傳遞和存儲中發揮著關鍵作用。按照利用的一次能源不同,分布式電源可分為兩種類型:一類是直流源型,比如燃料電池、太陽能電池和蓄電池等;另一類是需經過整流的交流源型,如微型燃氣輪機、風力發電機等。無論哪種類型電源都得轉換成標準的工頻交流電才能供給負荷或并網。因此,需要將AC/DC,DC/DC和DC/AC三種電力電子換流技術應用到能量的轉換過程中。

文獻[29]構建的直流微電網的并網接口是一個電流反饋型換流器,它實際上是由兩個換流器組合而成,分別是三開關式電流源整流器(3SW-CSR)和三相電流源型逆變器(CSI)。當并網接口處于逆變工作狀態時,三相CSI作為直流母線電流通路;當并網接口處于整流工作狀態時, 3SW-CSR作為反向的直流母線電流通路。這個換流器能實現能量雙向流動,直流側電流有很大可控范圍,并且電流波紋被限制得很低, 諧波干擾在交流側電流中很少。換流器處在整流或逆變工作模式時,能按照期望的功率因數進行超前或滯后調整,靈活性很強。這個并網接口如圖8所示。

圖8 三相電流反饋型換流器

文獻[30]中構建了一種兩級拓撲式直流微電網的并網接口并研究了其控制策略,該接口由一個雙向DC/DC換流器和一個單相全橋換流器串聯而成,并能減小直流母線的電容值,系統的電流保護和動態解耦不受影響。該結構可以達到控制功率的雙向流動,不僅可用于直流微電網并網接口,而且可用在其他儲能裝置的充放電控制器中。該接口實現的是單相并網,其拓撲結構如圖9所示。

圖9 單相兩極式雙向換流器

對于直流微電網來說,電力電子技術具有決定性作用,因此要進一步開發適用于直流微電網的電力電子接口。

6 結 語

本文對直流微電網結網方式、監控保護和電壓控制技術、能量管理方法、采用的電力電子接口等技術的研究現狀進行了總結和綜述。從分析的情況看,直流微電網的研究還處在起步階段,若要充分發揮其優勢和作用,還要從以下幾方面進行更深層次的研究:

1) 完善已有的控制技術,研究新的建模方法和更簡捷、更智能的控制策略。

2) 增強通信通道的建設,采用先進的通信技術,搭建建模仿真和一體化試驗平臺。

3) 開發分布式電源協調控制模塊和可再生能源預測模塊。

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(責任編輯 郭金光)

Overview on DC microgrid research

YE Peng1, XU Shuai2, YANG Yupeng3, QIN Wei2

(1. Shenyang Institute of Engineering,110136, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 3. State Grid Liaoyang Power Supply Company Operation Center, Liaoyang 111000, China)

As a newly-emerged power grid, DC microgrid is advantageous in low line loss, high power quality and flexible in reconstruction, which enables better exertion of value of distributed generations and microgrid. Based on conscientious research, according to the existing documents, the paper summarized and concluded DC microgrid in terms of grid netting, monitoring protection and voltage control method, energy management, power electronic interface technology and discussed and forecasted the development trend of DC microgrid.

DC micro-grid; power supply mode; energy management; voltage control method

2015-03-31。

葉 鵬(1974—),男,教授,研究方向為電力系統運行、配電自動化等領域。

TM711

A

2095-6843(2015)06-0471-06