直流微網低電壓穿越控制策略研究

孟明，賀海博，王志鵬，李圓智

（1.華北電力大學電力工程系，河北保定071003；2.國網石家莊供電公司，石家莊050000）

0 引 言

近年來，隨著直流分布式電源的發展以及越來越多的用電設備趨于使用直流電能，直流微網迎來了廣闊的發展空間［1-4］。直流微網運行方式可分為并網運行和孤島運行。與孤島運行相比，并網運行由于有大電網的支撐，更容易實現系統穩定安全運行［5-6］。此外，隨著我國智能電網發展的需要，微網的研究發展也將不斷深入，必將推動微網與配電網實現更高層次的互動，未來微網將承載信息和能源雙重功能［7］，如果其不具備低電壓穿越能力，會給自身和電網的安全穩定運行帶來很大隱患。基于上述原因，直流微網低電壓穿越能力研究具有很大實際意義。

直流微網的低電壓穿越又稱故障穿越，指當網側故障引起并網點電壓跌落時，要求直流微網能夠在一定電網電壓降落范圍和一定時間內保持不間斷并網運行，并盡可能地向電網注入無功功率，為電網電壓提供支撐的能力。在低電壓穿越控制策略的設計上，主要考慮三個方面：直流母線電壓的穩定、對電網電壓的支撐和并網變流器輸出限流問題［8-9］。

目前，學者圍繞光伏并網和風電并網系統低電壓穿越能力已經開展了大量研究工作［10-12］。文獻［10］提出光伏并網系統基于電網電壓和負載電流變化前饋的低電壓穿越優化控制策略，能夠有效加快電流環對擾動的動態響應，抵消電網產生的影響。文獻［11］提出對光伏逆變器進行電壓定向矢量控制，實現有功和無功功率解藕，投入直流卸荷電路穩定直流側電壓，并根據電壓的跌落深度補償一定的無功功率以支撐電壓恢復。文獻［12］提出一種采用機側變流器控制直流電壓穩定，網側變流器實現最大功率跟蹤和有功無功協調的新型控制策略。

現有文獻主要是針對大中型光伏電站和風電場低電壓穿越能力的研究，對直流微網低電壓穿越能力研究則很少提及，本文基于光伏直流微網系統提出一種綜合利用光儲荷協調控制和有功無功協調控制的LVRT控制方案。通過光儲荷協調控制實現在網側低電壓期間維持直流母線電壓恒定的目標，避免因母線電壓大范圍波動對系統穩定運行造成的影響；有功無功協調限流控制可避免網側輸出過流，同時提供動態無功功率支撐網側電壓恢復。

1 系統結構

本文研究的直流微網系統結構如圖1所示。圖中，PPV表示光伏發電系統發電功率，PBat表示儲能電池充放電功率；Pload表示負載消耗功率；Pgrid表示直流微網與電網的交換功率。

圖1 直流微網結構圖Fig.1 Structure diagram of DCmicro-grid

光伏發電系統通過單向DC/DC變換器將其發電功率饋入直流母線，為了充分利用光伏能量，其通常運行于MPPT模式；儲能電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線連接，在電網電壓正常時，儲能電池根據預設的SOC臨界值范圍采用充放電優先控制原則，以便在電網電壓跌落期間充分發揮其協調配合作用；直流微網通過網側變換器經變壓器與電網相連，負載包括恒功率負載和本地負載。

2 LVRT控制策略

網側變流器根據電網電壓跌落深度實現有功無功的協調控制，以保證直流微網在適當的電網電壓跌落期間，仍能夠保持并網運行，并發出一定的無功功率，支撐電網電壓恢復，實現低電壓安全穿越，確保系統穩定運行。LVRT有功無功協調控制結構圖如圖2所示，圖中開關采用滯環比較器。

圖2 LVRT有功無功協調控制結構圖Fig.2 Coordinated control structure diagram for active and reactive power of LVRT

根據電網電壓幅值UT（pu）的不同，將該LVRT控制策略分析如下：

（1）UT≥0.9，認為電網電壓處于正常狀態。此時系統處于正常的直流微網并網運行狀態，變流器采取有功優先控制原則，即采用電壓電流雙閉環控制，優先滿足有功電流，實現有功的最大化利用，同時控制直流母線電壓的穩定。（2）0.2＜UT＜0.9，電網電壓處于跌落狀態，由于并網變流器對輸出電流值的限幅作用，若執行有功優先控制原則不變，則網側變流器僅處于功率限幅狀態，無法對系統提供無功支撐，因此需要切換為無功優先控制。

由于與微網相關的低電壓穿越動態無功支撐能力標準尚未確定，參照國家標準GB/T 19964-2012《光伏發電站接入電力系統技術規定》和 GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》，設定電網電壓跌落時，直流微網注入電力系統的動態無功電流應滿足：

正常情況下直流微網以單位功率因數并網運行，即：

且限定電網電壓跌落時網側輸出電流不超過額定電流的1.1倍，若id以IN作為限制，則允許輸出的最大無功電流為：

為了避免變流器較長時間運行于最大限幅狀態，此處取0.45IN，由式（1）得到對應的UT為0.6，注意到式（1）中iq隨著UT遞增而遞減，因此細分為如下狀態：

（1）0.6≤UT＜0.9，為了提高系統低電壓穿越能力，則固定無功輸出電流為：

相應的有功輸出電流為：

（2）0.2＜UT＜0.6時，根據低電壓穿越動態無功支撐要求，此時設定無功電流參考值為：

相應有功電流參考值為：

根據上述分析，低電壓穿越期間，采用無功優先控制確定動態無功支撐電流參考值如式（8）所示：相應的有功電流參考值如式（9）所示：

（3）UT≤0.2，認為電網發生嚴重故障，此時直流微網脫網進入孤島運行。

由以上分析，電網電壓跌落期間，采用無功優先控制原則，根據電壓跌落深度動態調節系統無功支撐電流，改善電壓跌落情況。LVRT有功無功協調控制的整體控制流程圖如圖3所示。根據電網情況，選擇有功無功的優先控制權，從而保障系統在網側電壓跌落期間，能夠獲得動態無功支撐，實現低電壓安全穿越。

圖3 LVRT有功無功協調控制流程圖Fig.3 Flow chart of coordinated control for active and reactive power of LVRT

3 直流母線電壓控制

直流微網中母線電壓的穩定是直流微網可靠運行的一個重要保障。系統能量不平衡和功率波動會造成母線電壓波動［3，13］，影響系統的正常運行。光伏電站和風電場在低電壓穿越期間，為了抑制直流電壓波動，傳統的控制方案通常是在直流側安裝卸荷電路［11，14］來消納直流電容多余的能量，這種方法由于采用額外的硬件電路，既增加了投入又造成了能量浪費，系統控制復雜、經濟性差。直流微網由于本身儲能系統的設置能夠緩沖和平抑系統能量波動，母線電壓的控制更具靈活性和可靠性。本文充分考慮直流微網各部分協調參與系統的整體控制，在電網電壓跌落期間利用光伏、儲能電池以及負荷的協調控制來維持直流母線電壓恒定并使系統能量得到最優利用。設定母線電壓標稱值Vdc_n=500 V，允許電壓偏差為±2%。

需要說明的是在電網電壓跌落期間，系統內光伏出力、負荷存在波動以及網側有功功率變化會引起系統能量不平衡，因此儲能電池在電壓跌落期間應具有輸出和吸收功率的能力（即正常并網運行期間不能達到過放和滿充狀態）。設定正常并網運行時儲能電池SOC臨界值范圍為60%～70%（SOC上下限值分別為90%和40%），儲能電池據此進行充放電優先控制（即系統能量剩余時對儲能電池優先充電，能量不足時優先放電）以充分發揮儲能電池在電壓跌落期間的協調配合作用。

為了更好模擬系統實際工作狀況，對電網電壓正常和故障時系統運行情況，具體分析研究如下：

（2）狀態1：電網電壓正常

直流微網處于正常并網運行狀態，光伏系統運行于MPPT模式，充分利用光伏能量。儲能電池根據自身SOC情況進行充放電控制，網側接口變換器采用有功優先控制，即采用電壓電流雙閉環控制方式來控制直流母線電壓維持在Vdc_n，同時平衡系統能量。

（2）狀態2：電網電壓跌落

此狀態下，記 ΔP=PPV-Pload-Pgrid，根據 Pload變化情況，比較 ΔP和 PB_m（1，2）（PB_m1為儲能電池最大充電功率，PB_m2為儲能電池最大放電功率）關系，細分為3個子狀態：

（a）狀態 2-1：Pload不變，ΔP＜PB-m（1，2）。光伏系統保持MPPT模式不變，由于網側變換器采用無功優先控制，輸出電流被限幅，直流側可能產生能量堆積導致母線電壓升高，儲能電池采用穩壓控制，吸收系統多余能量，維持母線電壓穩定在Vdc_n；

（b）狀態2-2：Pload減小，若此時 ΔP＜PB-m1，則光伏系統繼續MPPT運行，儲能電池運行于穩壓充電模式控制母線電壓穩定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m1，由于儲能電池穩壓控制模式電壓環輸出飽和，處于功率限幅狀態，無法控制母線電壓，導致系統功率過剩，直流母線電壓升高，當電壓升高到1.02Vdc_n時，光伏系統切換為恒壓控制，控制直流母線電壓穩定在1.02Vdc_n；

（c）狀態 2-3：Pload增加，若此時 ΔP＜PB-m2，光伏系統繼續MPPT運行，儲能電池運行于穩壓放電模式控制母線電壓穩定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m2，系統功率缺額超過儲能電池最大出力，儲能電池穩壓控制處于功率限幅狀態，無法控制母線電壓，導致母線電壓降低，當電壓降低到0.98Vdc_n時，切除不重要負荷，直到使得ΔP＜PB-m2，儲能電池穩壓控制電壓外環輸出退飽和，恢復穩壓放電控制，維持母線電壓穩定于0.98Vdc_n。

圖4和圖5分別給出光儲荷協調控制中光伏系統和儲能電池的控制結構圖，為了避免控制模式之間的頻繁切換，圖中開關均采用滯環比較器。

圖4 光伏系統控制結構圖Fig.4 Control structure diagram of photovoltaic system

圖5 儲能電池控制結構圖Fig.5 Control structure diagram of storage battery

4 仿真結果及分析

基于Matlab/Simulink搭建了如圖1所示系統的仿真模型，對系統網側電壓正常和不同程度跌落工況下系統運行情況進行仿真測試，以驗證所提LVRT控制策略可行性和有效性。系統仿真參數如表1所示。

表1 系統主要參數設置Tab.1 Main parameters of DCmicro-grid system

4.1 仿真算例1

網側電壓跌落60%，即UT=0.4，設定儲能電池初始SOC為65%，負荷全部接入系統。系統穩定后的仿真結果如圖6所示。

在0 s～0.3 s，網側電壓正常，系統運行于正常并網狀態。網側變換器采用有功優先控制，控制直流母線電壓維持在500 V，如圖6（e），同時平衡系統有功能量。此時id約為0.3 pu，如圖6（b），對應并網有功功率約為6 kW，如圖6（d）。由于儲能電池SOC在臨界范圍，因此處于待機狀態，如圖6（f）。

在0.3 s時，網側電壓發生跌落，如圖6（a），要求對電網提供無功支持，網側變換器切換為無功優先控制，iq給定不為0，根據所提LVRT方法，id相應變化，如如圖6（b），對應有功、無功功率如圖6（d）。由狀態2-1知儲能電池此時切換為穩壓放電運行模式，維持直流母線電壓為500 V。

在0.45 s時，切除L3，網側變換器控制方式不變，此時切換為狀態2-2，儲能電池由放電變為充電吸收多余能量，同時繼續維持直流母線電壓為500 V。

在0.6 s時，網側電壓恢復正常，網側變換器恢復有功優先控制，重新控制母線電壓，由于切除L3，此時并網有功能量增加，儲能電池處于待機狀態。

圖6（c）給出了系統在采取LVRT控制策略前后的并網點電壓比較，可以看出在采用本文所提控制方法后，并網點電壓有所提升，滿足低電壓穿越期間支撐電壓恢復要求。注意到提升幅度并不是很大，這是由于仿真系統容量設置較小的原因。

圖6（g）表明光伏系統在網側電壓跌落期間仍運行于MPPT模式，充分利用了光伏能量，驗證了本文控制方法的有效性。

4.2 仿真算例2

網側電壓跌落30%，即UT=0.7，設定初始狀態光照強度由算例1的1 kW/m2增強為1.4 kW/m2，負荷L1和L2接入系統。系統穩定后的仿真結果如圖7所示。

在0 s～0.3s，網側電壓正常，系統正常并網運行。網側變換器采用有功優先控制，控制直流母線電壓維持在500 V，如圖7（f）。由于光伏系統輸出能量增加，此時id約為0.82 pu，如圖7（b），對應并網有功功率約為16.4kW，如圖7（d）。儲能電池處于待機狀態，如圖7（g）。

在0.3 s時，網側電壓發生跌落，如圖7（a），網側變換器切換為無功優先控制，根據所提LVRT方法，此時iq給定為0.45 pu，為了防止過電流產生id被限制在1 pu，如圖7（b），對應有功、無功功率如圖7（d）和7（e）。

同時切除L2，此時由于負荷較輕，使得儲能電池達到吸收功率上限，處于功率限幅狀態，如圖7（g），無法完全吸收冗余能量，導致直流母線電壓升高，當電壓升高到510 V時（約0.32 s時），光伏系統切換為恒壓控制模式，控制直流母線電壓穩定在510 V。

在0.45 s時，L2和L3重新接入系統，網側變換器控制方式不變，由于負荷加重，系統功率缺額由直流母線冗余能量提供，導致母線電壓下降，當母線電壓下降到500 V時（約0.46 s時），光伏系統切換為MPPT控制，此時由狀態2-3知儲能電池運行于穩壓放電模式，重新維持直流母線電壓為500 V。

圖6 網側電壓跌落60%系統運行情況Fig.6 System operation when grid-side voltage drops 60%

在0.6 s時，網側電壓恢復正常，網側變換器恢復有功優先控制，重新控制母線電壓，由于負荷加重，此時并網有功能量有所減少，如圖7（d），儲能電池切換為待機狀態，如圖7（g）。

圖7 網側電壓跌落30%系統運行情況Fig.7 System operation when grid-side voltage drops 30%

圖7（c）表明在采取LVRT控制策略后，并網點電壓有所提升，驗證了本文控制方法的有效性。

圖7（h）所示為光伏系統輸出能量變化情況，可以看出只有在系統能量過剩時光伏系統運行于恒壓模式，光伏出力有所減少，其余情況均運行于MPPT模式，使光伏能量得到了最優利用。

5 結束語

基于光伏直流微網，針對其低電壓穿越能力要求，提出一種網側變流器有功無功協調控制策略，該方法根據網側電壓幅值，選擇有功無功的優先控制權，并給出控制系統的詳細實現方案。詳細分析故障期間光伏出力、負荷隨機波動性大造成系統能量波動，影響母線電壓穩定，提出一種光儲荷協調控制策略。在系統不同運行工況時，通過光伏系統、儲能電池和負荷的協調配合控制來穩定直流母線電壓，并平衡系統能量。算例仿真結果表明：

（1）低電壓穿越期間，能夠避免網側變流器輸出過流，并動態提供無功功率支撐網側電壓恢復，實現低電壓的安全穿越，保障系統可靠運行；

（2）無論網側電壓正常或是跌落，直流母線電壓均能很好的維持穩定，并能充分利用光伏能量，實現系統能量的最優利用。