交直流混合微電網孤島情景下的能量管理

王智方 張欽惠 鐘建偉 李正剛 程明亮

摘 要：DC/AC雙向變換器對于交直流混合微電網系統的穩定性和功率分配有著重要的作用。文中針對交直流混合微電網孤島情景，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網之間的功率流動，以此提高孤島情景下的穩定性和可控性，并在SimuLink中搭建混合微電網微網孤島情景下的仿真模型。負荷變動的仿真結果驗證了提案控制策略的可行性。

關鍵詞：混合微電網;孤島情景;U-I雙下垂控制;功率分配;變換器;母線

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

分布式新能源越來越普及，大量的分布式新能源接入配電網，而新能源具有間歇性和不確定性的特點[1]，對電網運行帶來不利影響[2]。微電網被認為是解決這個問題的有效方法[3]。微電網包括交流的和直流的微網[4]，當前主流是交流[5]。但是直流負荷日益增加，僅交流供電會提高成本、產生嚴重的諧波問題[6]。利用交直流混合供電，可以降低成本，有效利用分布式電源[7]。

在混合微電網中，DC/AC雙向變換器控制交直流母線之間的電力流動，對系統的穩定運行和可控發揮著重要的作

用[8]。下垂控制因為控制簡單、能夠自我運行，所以被廣泛應用在微網的控制中[9]。由于混合微電網中的DC/AC雙向變換器需要同時連接交流母線以及直流母線，因此不能應用傳統的控制方法，需要采用新的控制方法[10]。

本文針對交直流混合微電網孤島情景下的狀況，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網之間的功率流動，并提高孤島情景下的穩定性和可控性。根據下垂特性，使用DC/AC雙向變換器兩側的交流母線的頻率以及直流母線的電壓來控制交流、直流微電網的功率流動的方向和大小。

1 微電網的結構

1.1 交直流混合微電網結構

文中研究了交直流混合微電網孤網情景，其結構示意圖如圖1所示。通過結構圖可以看出，新能源發電通過變換器分別與交流部分和直流部分連接。DC/AC雙向變換器作為母線之間的紐帶，不僅實現了能量的雙向流動，還承擔了微網之間功率的平衡以及母線電壓的穩定。在混合微電網孤網情景下，變換器不僅參與調節直流母線的電壓，還參與交流母線頻率的調節。

令?f為交流母線電壓頻率實際值與設定值的差值，?U為直流母線電壓實際值與設定值的差值。這兩個參數分別反映了交直流微電網各自的頻率與電壓的變化，與對應的下垂系數的乘積表示當交流母線電壓值達到設定值時、直流母線電壓值達到設定值時對應微網功率可輸出值或者需輸入值。當直流負載增加、交流負載不變或減小，直流微電網功率缺失，交流微電網功率有盈余，變換器切換到整流模式，由下垂特性可知交流微電網輸出功率增加，電壓頻率下降，交流微電網增加的輸出功率通過變換器流向直流微電網，由下垂特性可知直流母線電壓升高;反之，當直流負載減小或不變、交流負載增加，交流微電網功率缺失，直流微電網功率有盈余，變換器切換到逆變模式，由下垂特性可知直流微電網輸出功率增加，電壓下降，直流微電網增加的輸出功率通過變換器流向交流微電網，由下垂特性可知交流母線電壓頻率升高。

二者的平衡關系為：

式中：?f為交流母線電壓頻率實際值與設定值的差值;?U為直流母線電壓實際值與設定值的差值;?PDC為直流微電網吸收或者增發的功率值;?PAC為交流微電網吸收或者增發發功率值;mACsys為交流微電網系統有功垂系數;mDCsys直流微電網系統有功下垂系數。

1.2 直流微電網控制

直流微電網中，太陽能等直流可再生電源通過Boost-Buck雙向變換器接入微電網，儲能模塊則通過控制雙向DC/DC變換器充放電來獲得功率平衡的效果，進而獲得穩定的直流母線電壓。在直流微網中，由于不存在無功功率和電壓頻率的因素，所以直流母線的穩定可以用直流母線電壓來衡量，其P-U下垂特性可表示為：

式中：Udcref為直流母線電壓的設定值;UdcN為直流母線電壓的額定值;PN為可再生能源輸出的額定有功功率值;P為可再生能源的實際輸出有功功率;n為下垂系數。

1.3 交流微電網控制

理想的交直流混合微電網中可再生新能源種類比較少，但實際中交流子網中也含類似鋰電池系統等儲能式電源。交流微電網可以分為三個主要部分：光電和風電為主的可再生新能源部分、儲能部分和交流負載部分。為了充分利用可再生能源，光伏發電和風力發電的工作模式多為MPPT模式。當微網無通信線路，為使儲能模塊可以根據其容量分配輸出功率，將儲能模塊作為支撐的系統中多采用下垂控制。在低壓微電網中，由于線路具有呈阻性的等效阻抗特點，所以多采用P-V，Q-f下垂控制方式。

2 混合微電網控制策略

交直流混合微電網變換器的控制主要分為兩種：一種是由下垂特性決定功率如何流動以及具體的數值，例如雙下垂控制;另一種是基于標幺化的思想，在同一個坐標中看交流微網的下垂曲線和直流微網的下垂曲線，并以此來決定變換器如何動作，例如基于單位化混合下垂控制。

用以連接混合微電網的變換器，當微網系統中的負荷發生變化后，利用直流母線電壓值和交流母線電壓頻率值的變化來調整系統的運行模式，使微網達到新的平衡。其功率參考值為：

式中：P0為額定功率;Pref為參考功率值;Udc0為額定的直流母線電壓值;Udc為實際的直流母線電壓值;f0為額定的交流母線頻率值;f為實際的交流母線頻率值。

圖2和圖3為變換器前級控制策略圖和后級控制。

圖2、圖3中：Un為直流母線電壓參考值;Ibus為直流母線電流實際值;Ubus為直流母線電壓實際值;IL為電感電流;D為占空比。Iabc為三相電流;sin_cos，vd，vq由三相電壓分解得到;Id_ref，Iq_ref分別為d軸電流和q軸電流參考值;Udc_VSR為直流母線電壓實際值。

當IGBT處于通電狀態時，電源通過IGBT向電感L供電，以儲能。同時，電容C輸出電壓維持在基本恒定的狀態，并供電，此后IGBT關斷，L釋放能量。輸入/輸出電壓的關系如下：

式中：Uin，Uo是雙向控制器的輸入、輸出電壓;α為IGBT的導通比;負號代表輸出/輸入電壓是相反的極性。

由雙向控制器工作原理可得IGBT的狀態方程。導通為：

關斷為：

式中：IL為電感電流;L為電感;C為電容;α為IGBT的導通比;R為電阻。

3 仿真分析

3.1 仿真參數設定

為證明所采用控制策略的有效性，在SimuLink里建模進行仿真。設定直流微網電壓設置為800 V，交流微網電壓設定為300 V，P0取20，mDCsys取2×10-3，mACsys取1×10-4。在1 s時交流負載突然增大，2 s時交流負載突然減小。

3.2 仿真結果分析

1 s時直流母線輸出功率為21 800 W，直流母線電壓為

794.5 V，交流負載突然增大，輸出功率在1.001 s突變為

23 300 W，電壓突變為793.7 V。在1.05 s時，功率逐漸平穩在24 300 W，電壓逐漸穩定在794 V。2 s時負載突然變小。功率在2.01 s突變為23 500 W，電壓突變為795 V。在2.05 s時，功率逐漸穩定在21 800 W，電壓逐漸穩定在794.5 V。

圖5為交流母線三相電壓和電流示意圖。第1 s時三相電壓為315 V，電流為23 A，交流負載突然增大，電壓在1.001 s

時突變為301 V，電流突變為39 A。在第1.1 s時，電壓逐漸穩定在314 V，電流逐漸穩定在25 A。2 s時負載突然變小。在2.01 s，電壓在突變為326 V，電流突變為22.8 A。在2.1 s時，電壓逐漸穩定在314 V，電流逐漸穩定在23 A。

圖6為交流母線輸出有功功率和電壓頻率示意圖。在1 s

時交流母線輸出有功功率為10 000 W，電壓頻率為49.985 Hz，

交流負載突然增大，在1.001 s功率突變為28 200 W，頻率突變為49.955 Hz。在1.05 s，功率逐漸穩定在29 200 W，頻率逐漸穩定在49.954 Hz。2 s時負載突然變小。在2.01 s，功率突變為11 500 W，頻率突變為49.982 Hz。在2.05 s，功率逐漸穩定在10 000 W，頻率逐漸穩定在49.985 Hz。

圖7為交流負載有功功率示意圖。第1 s時交流負載有功功率為20 000 W，負載突然增加。在1.001 s，功率突變為35 460 W。在1.05 s，功率逐漸穩定在40 000 W。2 s時負載突然變小。在2.01 s，功率突變為22 500 W。在2.05 s，功率逐漸穩定在20 000 W。

4 結 語

本文針對交直流混合微電網孤島情景，采用DC/AC雙向變換器的U-I雙下垂控制方法，平衡交直流微電網之間的功率流動，并以此提高孤島情景下的穩定性和可控性。根據下垂特性，使用DC/AC雙向變換器兩側的交流母線的頻率以及直流母線的電壓來控制交流、直流微電網的功率流動的方向和大小。最后，在SimuLink中搭建混合微電網微網孤島運行下的仿真模型。根據負荷變動的仿真結果，驗證了提案控制策略的可行性。

參考文獻

[1] MOROZUMI S.Microgrid demonstration projects in Japan [C]// IEEE Power Conversion? Conference.Nagoya：IEEE，2007：635-642.

[2] PIAGI P，LASSETER R H.Autonomous control of microgrids [C]// 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting.Montreal：IEEE，2006：1-8.

[3]劉振國，胡亞平，陳炯聰，等.基于雙層優化的微電網系統規劃設計方法[J].電力系統保護與控制，2015，43（8）：124-133.

[4]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動

化，2007，31（19）：100-107.

[5]吳衛民，何遠彬，耿攀，等.直流微網研究中的關鍵技術[J].電工技術學報，2012，27（1）： 98-113.

[6]張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7] YUKITA K，SHIMIZU Y，GOTO Y，et al. Study of AC/DC power supply system with DGs using parallel processing method [C]// The 2010 International Power Electronics Conference. Sapporo：IEEE，2010：722-725.

[8] LIU X，WANG P，LOH P C. A hybrid AC/DC microgrid and its coordination control [J]. IEEE? transactions on smart grid，2011，

2（2）：278-286.

[9] ABUHILALEH M，LI L，BEGUM M，et al. Power management and control strategy for hybrid AC/DC microgrids in autonomous operation mode [C] // 20th International Conference on Electrical Machines and Systems （ICEMS）. Sydney：IEEE，2017：

1-7.

[10]高澤，楊建華，季宇，等.交直流混合微電網接口變換器雙向下垂控制[J].南方電網技術，2015，9（5）：82-87.