交直流混合微電網儲能DC/DC及接口換流器協調控制

王皓界, 韓民曉, 孔啟祥

(1.華北電力大學, 北京市 102206；2.北京北變微電網技術有限公司, 北京市 100193)

交直流混合微電網儲能DC/DC及接口換流器協調控制

王皓界1, 韓民曉1, 孔啟祥2

(1.華北電力大學, 北京市 102206；2.北京北變微電網技術有限公司, 北京市 100193)

針對交直流混合微電網，提出一種接口換流器與直流側電網儲能DC/DC換流器的協調控制策略。不管系統工作在何種狀態，儲能DC/DC換流器始終進行電壓控制以實現直流側電壓的零偏差，而接口換流器通過檢測交直流混合微電網狀態調節自身工作方式，實現微電網系統在并網及孤網模式下的穩定運行和2種模式穩定、快速的切換。通過計算機軟件仿真及物理實驗的驗證，可以證明這種控制策略可以實現交直流混合微電網直流側電壓在孤網狀態下的零偏差，并且運行與模式切換的穩定性良好。

交直流混合微電網; 儲能電池; DC/DC換流器；接口換流器; 協調控制

0 引 言

伴隨著環境污染和石化能源的枯竭，風電、光伏等可再生能源逐漸得到人們的重視，敏感負荷的增多對儲能接入也提出了更高要求。實踐和研究表明，微電網是利用分布式發電供能的最有效方式，其中直流形式的微電網優勢更為顯著，但是從目前看直流電網不可能完全取代交流電網，因此在很長一段時間內微電網會以交直流混合的形式存在[1-5]。

目前交直流混合配電網還處于理論研究階段，其網架拓撲和控制策略一直是國內外研究的重點。文獻[6]提出了3種交直流混合微電網的拓撲方案并進行了比較，總結交直流混合微電網拓撲的設計原則；文獻[7]針對交直流微電網接口換流器提出了一種雙下垂控制策略，將交流側的有功功率-頻率下垂控制和直流側的有功功率-電壓下垂控制相結合，實現交直流微電網的協調運行；文獻[8]認為在并網狀態下交直流混合微電網應優先利用儲能平衡系統功率，以減少系統和主網的功率交換；與文獻[8]類似，文獻[9]認為不管是并網還是孤網，直流微電網儲能電池應該始終進行定電壓控制，同時接口換流器進行協調控制以平抑系統功率波動。

針對交直流混合微電網中的直流微電網電壓控制，文獻[10-13]所提出的控制策略都對交直流混合微電網中的直流側儲能DC/DC換流器采取了下垂控制，這種方法可以實現系統穩定運行與儲能電池并網、孤網模式的切換，但必然導致直流側微電網在孤網狀態下的電壓偏差；其中文獻[10-12]交流側也配置儲能電池，并采取了“有功功率-頻率”和“無功功率-電壓”下垂控制，文獻[13]認為接口換流器在孤網狀態下也應采取交流側“有功功率-頻率”和“無功功率-電壓”下垂控制，但這種方式也會導致交流電網的電壓幅值和頻率出現偏差。

為了實現交直流混合微電網在孤網、并網狀態下的穩定運行與快速切換，本文提出一種直流側儲能電池DC/DC換流器與接口換流器協調控制策略，通過接口換流器的控制實現儲能電池并網狀態下的充電及孤網狀態下的穩壓，從而提高直流微電網的電壓質量和系統對孤網、并網切換的響應速度。

1 交直流混合微電網控制關鍵

1.1 交直流混合微電網架構

關于交直流混合微電網架構的方案較多，考慮主網為交流時，微電網系統通過交流微電網并網更為合適，而儲能電池更易接入直流微電網，再結合各種分布式電源的特性，本文采用的交直流混合微電網架構如圖1所示。在并網狀態下，光伏、風電等分布式電源工作在最大功率追蹤狀態，儲能電池進行定功率充電至荷電狀態(state of charge，SOC)最大值，交流主網維持交直流混合微電網的功率平衡；在孤網狀態下，儲能電池將支撐起直流微電網功率，并通過接口換流器維持交流微電網電壓平衡。接口換流器為雙向DC/AC換流器，儲能換流器為雙向DC/DC換流器，其典型拓撲如圖2所示。

圖1 典型交直流混合微電網架構Fig.1 Typical architecture of AC/DC hybrid microgrid

在孤網條件下，交直流混合微電網功率平衡可能超出儲能電池的調節范圍。在這種情況下，如果系統中功率過剩，則需要降低分布式電源的功率輸出；當系統中功率不足時，則需要切除部分等級較低的負載，最終通過各個單元的協調控制實現整個微電網系統的穩定運行。本文重點研究交直流混合微電網中接口換流器和儲能電池在各個模式下的協調控制策略，關于其他單元的協調控制部分本文不做贅述。

圖2 儲能及接口換流器典型拓撲Fig.2 Typical topology of energy storage converter and interface converter

1.2 接口換流器及儲能協調控制原則

交直流混合微電網通過交流微電網與交流主網相連，在并網狀態下，交流主網將維持交流微電網功率平衡，并通過接口換流器維持直流微電網功率平衡，最終實現交直流混合微電網的穩定運行；當系統由并網狀態轉變為孤網狀態時，直流微電網的儲能電池將支撐起直流電壓，并通過接口換流器維持交流微電網側的電壓幅值和頻率穩定。可以看出，系統的孤網或并網狀態將決定接口換流器的控制策略，并且儲能電池DC/DC換流器與接口換流器的協調控制是實現交直流混合微電網系統穩定運行的關鍵。

在并網狀態下，可以通過接口換流器的直流側定電壓控制維持直流微電網電壓穩定，并對儲能電池DC/DC換流器進行下垂控制，通過設置合適的下垂曲線門檻電壓來實現儲能電池換流器對孤網與并網的自適應檢測，使其在并網狀態下定功率充電或待機、孤網狀態下維持交直流混合微電網系統的穩定，但是在孤網狀態下這種控制策略會引起直流微電網的電壓偏差問題。

為了在不改變儲能電池控制策略的基礎上解決直流微電網的電壓偏差問題，可以使儲能電池DC/DC換流器始終對直流微電網進行定電壓比例積分(proportional-integral，PI)控制，其原則如下：并網狀態下接口換流器根據直流母線電壓及儲能電池SOC來調節其輸出的有功功率，在保證直流電壓穩定的同時實現儲能電池定功率充電或待機運行；在孤網狀態下儲能電池繼續進行定電壓控制，接口換流器對交流微電網電壓幅值及頻率進行控制，進而實現交直流混合微電網在各模式下的穩定運行與切換。

2 協調控制策略

2.1 儲能電池DC/DC換流器控制策略

為了使直流微電網電壓恒定且儲能控制策略始終不變，無論在并網狀態還是孤網狀態下，儲能電池DC/DC換流器應始終工作在定電壓控制模式下以支撐直流微電網電壓。為了保證換流器內部不產生過流，定電壓控制應采用雙閉環PI控制策略，其中外環為電壓PI控制，內環為電流PI控制，其控制框圖如圖3所示，圖中Uref為直流母線參考電壓，Udc為直流母線實際電壓，Iref為外環PI控制器輸出的參考電流，Iout為儲能電池放電電流值(當Iout為負時，儲能電池工作在充電狀態)，Uo為內環輸出的參考波。

圖3 儲能電池控制框圖Fig.3 Energy storage battery control diagram

2.2 接口換流器并網控制策略

對于接口換流器，當系統運行在并網條件下時應進行P-Q控制，其控制框圖如圖4所示，圖中Pref為接口換流器向交流側輸出的參考有功功率，Qref為參考無功功率，Iout為儲能電池放電電流值，其中Pref與Iout的關系符合下垂曲線特性，有

Pref=k1(Iout-IchN)

(1)

式中：IchN為下垂曲線電流參考值；k1為下垂曲線斜率。設ΔIch為下垂曲線最大偏差電流，Poutm為接口換流器向交流側輸出的最大有功功率，Pinm為接口換流器向直流側輸出的最大有功功率，則IchN-ΔIch、IchN+ΔIch分別為其對應的充電電流，如圖5所示。由此可知斜率k1為

(2)

由上述內容可以看出當充電電流減小時，接口換流器向直流側方向輸出的有功功率將增大，反之則向交流側方向增大使儲能電池電流偏差維持在±ΔIch之間。

2.3 充電電流參考值調節

在并網狀態下，當SOC值過高時儲能電池必須停止充電以防止電池過壓，因此充電電流參考值IchN需要根據SOC值的變化而變化，如圖6所示，當SOC

圖4 P-Q控制Fig.4 P-Q control

圖5 下垂曲線部分Fig.5 Droop curve

值較低時，有

IchN=Ichmax

(3)

當SOC值大于s1時，有

IchN=k2(s-s1)

(4)

式中：s為儲能電池剩余電量百分比；k2為s與IchN的關系曲線斜率。當SOC值進一步大于s2時，IchN由負變正，即下垂曲線電流參考值下的電流值為放電電流。為了保證當SOC值達到允許的最大值s3時停止對儲能電池的充電，因此

(5)

且結合圖5、6可知

|Ichmin|=ΔIch

(6)

2.4 接口換流器孤網控制策略

當交直流混合微電網由并網變為孤網時，由于儲能電池依然保持定直流母線電壓控制不變，因此直流母線電壓恒定，接口換流器的控制策略將由P-Q控制變為U-f控制以維持交流微電網穩定，其中U-f控制為雙閉環控制，包括電壓外環和電流內環，如圖7所示。圖中ed、eq是由交流微電網三相電壓ea、eb、ec通過坐標變換得到的，Udref和Uqref為其參考值，id、iq是由交流微電網三相電流ia、ib、ic通過坐標變換得到的，ua、ub、uc為內環輸出的參考波。

2.5 協調控制運行方案

由上可知接口換流器需要通過檢測混合微電網狀態調整自身控制策略，并需要接收儲能電池充電電流及SOC信息；不管系統是否工作在孤網模式，儲能電池DC/DC換流器始終進行定電壓控制，無須改變控制策略。接口換流器及儲能DC/DC換流器協調控制流程圖如圖8所示。

圖6 下垂曲線電流參考值調節Fig.6 Current reference regulation of droop curve

圖7 U-f控制Fig.7 U-f control

圖8 協調控制流程圖Fig.8 Coordinated control flow chart

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真結果

并網運行時的仿真結果如圖9所示，令直流側負載功率為56.25kW，其中SOC波形如圖9(a)所示，下垂曲線電流參考值IchN的波形如圖9(b)所示，電壓波形如圖9(c)所示，接口換流器電流如圖9(d)所示，電池充放電電流如圖9(e)所示。由仿真結果可知在2.3 s之前SOC<0.7，此時下垂曲線參考值IchN恒為-100 A，電池充電電流不變；在2.3 s時刻，SOC

圖9 并網運行仿真結果Fig.9 Simulation results of grid-connected operation

增至0.7，此時IchN的大小隨著SOC的增大而減小，受其影響，電池充放電電流及接口換流器電流也隨之減小且關系符合圖5所示下垂曲線。在3 s時，切除11.25 kW負載，可以看出直流電壓穩定，接口換流器輸出功率降低以維持直流微網功率平衡，電池充電電流只產生下垂控制引起的微小變化；在4 s時重新投入11.25 kW負載，直流電壓依然穩定，接口換流器增加輸出功率以維持直流側平衡。當SOC增至約74.5%時，通過并網換流器下垂曲線以及其參考值IchN的調節，使得SOC到達此狀態下的臨界值不再增長，如圖10(a)所示；儲能電池的充電電流變為0，如圖10(b)所示。

圖10 SOC到達臨界值Fig.10 SOC reaching critical value

電網由并網轉為孤網時的直流側仿真結果如圖11所示，其中直流側及交流側負載各為15 kW，直流側母線電壓如圖11(a)所示，接口換流器電流如圖11(b)所示，電池由充電轉為放電，如圖11(c)所示。在2 s時，系統由并網轉為孤網，接口換流器改變控制策略，對交流側微網進行U-f控制；在3 s時，交流側投入15 kW負載；在4 s時，交流側切除15 kW負載。相應的交流側電壓波形如圖12所示，其中12(a)為交流側三相電壓波形，12(b)為2 s時并網轉孤網瞬間三相電壓波形，12(c)為3 s時交流側投入15 kW負載瞬間三相電壓波形，12(d)為4 s時交流側切除15 kW負載瞬間三相電壓波形，12(e)為接口換流器向交流微電網輸出的有功功率。由仿真結果可以看出，這種協調控制策略可以平穩實現直流微電網和交流微電網并網向轉孤網的轉換及孤網狀態下的穩定運行。

圖11 直流側并網轉孤網仿真結果Fig.11 DC-side simulation results when connected gridchanging into isolated grid

3.2 物理實驗驗證

為了進一步驗證這種協調控制策略的可行性，搭建了基于TI公司高性能信號處理器TMS320F28335的實驗平臺如圖13所示。當系統并網運行時，儲能電池進行定電流充電，接口換流器向直流側輸出功率；當系統由并網轉為孤網時，儲能電池由充電狀態變為放電狀態以維持電壓平衡，此時接口換流器向交流側輸出功率，如圖14(a)所示，其中電流正向為流向交流側，反向為流向直流側。孤網狀態下接口換流器交流側突加8 kW負載，電流及直流母線電壓變化如圖14(b)所示；突減8 kW時如圖14(c)所示。可以看出實驗結果與圖11所示仿真結果相同。

4 結 論

針對交直流混合微電網，本文提出了一種交儲能電池DC/DC換流器與接口換流器的協調控制策略，并進行了軟件仿真和物理實驗的驗證，得出以下結論：

(1)交直流混合微電網中的儲能電池接在直流側并始終進行定電壓控制，簡化了儲能電池的控制策略；

圖14 物理實驗波形圖Fig.14 Physical experiment waveform

(2)并網狀態下接口換流器根據儲能電池的充放電電流與SOC進行功率控制以實現儲能電池的合理充放電；

(3)當系統由并網轉為孤網時，接口換流器改變控制策略，使儲能電池通過接口換流器的U-f控制維持交流微電網穩定運行，且直流側電壓在穩態時沒有偏差。

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(編輯 劉文瑩)

Coordinated Control of Energy Storage DC/DC and Interface Converter in AC/DC Hybrid Microgrid

WANG Haojie1, HAN Minxiao1, KONG Qixiang2

(1.North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Beijing Beibian MicroGrid Technology Company Limited, Beijing 100193, China)

This paper proposes coordinated control strategy for energy storage DC/DC converter and interface converter in AC/DC hybrid microgrid. In every state of the system, energy storage DC/DC converter always performs voltage control to realize zero deviation at DC side.Interface converter can regulate their work modes by detecting the state of AC/DC hybrid microgrid to realize the stable operation of microgrid system under grid-connected mode and isolated mode, and the stable and fast switching between these two operation modes. Through the verification of computer software simulation and physics experiment, it can be proved that the proposed control strategy can realize the zero deviation of DC-side voltage of AC/DC hybrid microgrid under the isolated mode,as well as the good stability in operation and mode switching.

AC/DC hybrid microgrid; energy storage battery; DC/DC converter; interface converter; coordinated control

國家國際科技合作專項 (2014DFG72620)

TM 732

A

1000-7229(2016)05-0050-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-01-29

王皓界(1989)，男，博士研究生，主要研究方向為直流微電網；

韓民曉(1963)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子在電力系統中的應用；

孔啟祥(1973)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力電子變換器。

Project supported by International S & T Cooperation Progaram of China(ISTCP)(2014DFG72620)