功率自適應分配的孤島直流微網控制策略研究

陳督好, 陳眾

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院, 長沙 410114)

0 引 言

近年來, 為更好應對資源衰竭和環境污染等全球性問題, 發展和利用譬如太陽能、風能等分布式電源(Distributed Generation, DG)在國際上獲得較大呼聲, 微網作為一種整合了DG、儲能系統和本地負荷的小型發電系統, 通過電力電子變換裝置實現系統內各裝置互聯, 能夠提高能源的利用效率, 根據斷路器開合狀態劃分為并網和孤島兩種運行模式, 被認為是將DG接入電網最有效的途徑之一[1]。相比于傳統交流形式微網, 直流微網不用考慮頻率穩定、無功、相位控制等因素, 系統簡單、控制較為簡便；此外, 由于分布式電源、儲能、本地負載大部分為直流輸出特性, 適合以直流形式接入網絡, 避免中間額外變換過程, 成本得以降低, 效率進一步提高。因此, 直流微網具有很大的實際研究價值和經濟意義[2-3]。

直流微網按運行模式分為并網運行和孤島運行兩種, 孤島直流微網相對于并網狀態更能體現控制策略的優越性 文章研究的對象為孤島直流微電網, 孤島直流微網缺乏交流大電網作支撐, 各環節均通過電力電子變換器接入公共母線, 公共母線電壓的穩定和負荷功率的合理分配成為其穩定運行的兩大必要條件[4]。集中控制及分散控制為目前負荷功率分配的兩大主要方法。集中控制需要高速通信線和集中控制器為基礎, 雖能實現控制目標, 但其過度依賴通信, 且容易出現單點故障；相對而言, 分散控制僅僅通過本地控制能夠較好實現負荷分配, 與DG分布特性相符合, 對通信要求降低或者無需通信, 滿足其即插即用需求, 目前學者研究比較熱門的分散型控制方法是下垂控制方法[5-6]。

傳統下垂控制未考慮線路阻抗不一致對其造成的影響, 實際直流微網運行中, 線路阻抗不同對負荷功率分配的影響不容忽略, 且其會產生電壓降落, 從而公共母線進一步偏離電壓給定值[7-8]。為削弱線路阻抗造成的影響, 科研人員在傳統下垂控制的基礎之上進行了一系列的改進措施, 大致可分為弱通信和無通信改進下垂控制兩類方法。文獻[9]引入中間參量電壓變化率, 電流變化對電壓產生的影響得以降低, 與傳統下垂控制相比功率的分配精度得到相應提高, 但從其仿真和實驗結果看出仍然存在誤差。文獻[10]根據負荷動態變化調整下垂系數, 無需通信可在重載情況下能夠較好實現負荷功率分配, 但其在輕載情況下功率分配誤差較大。文獻[11]利用并網狀態時大電網對直流母線電壓的支撐獲取線路阻抗信息, 將其以阻性虛擬阻抗引入下垂環節中消除線路阻抗影響, 但其不滿足孤島直流微網現實需要。文獻[12-13]利用低速傳輸線, 額外加入二次控制, 即補充電壓電流相應控制, 雖能較好實現功率分配, 但母線電壓依然存在相應偏差量, 且單臺DG通信壓力相對偏大。文獻[14]采集母線電壓信息引入改進下垂控制, 雖能實現功率分配, 但其需要一直獲取母線電壓信息, 增大了通信線的信息傳輸壓力。文獻[15]設置相應通信拓撲, 信息在相鄰DG間傳輸, 利用一致性算法實現控制目標, 在控制效果和通信需求間折中。綜上, 無通訊分散控制不能同時較好地實現功率分配和公共母線的電壓穩定目標, 弱通信分散控制雖能實現相應目標效果, 但由于對通信網絡有需求, 當網絡擴增時仍存相應通信壓力, 系統的可靠性因此降低[17]。

為解決上述局限性問題, 文章提出了一種含負荷功率自適應分配能力的直流微網控制方法, 通過注入脈沖和檢測實現對線路阻抗的主動辨識, 并將其以負虛擬阻抗引入傳統下垂控制環節中用以抑制線路阻抗不一致產生的功率分配誤差；同時由于其彌補了線路造成的壓降, 較好地提升了公共母線的整體電壓水平。所提控制策略不僅能實現負荷功率的準確分配, 且母線電壓一直能夠維持在較高的電壓水平, 在無需通信網絡的情形下, 依靠本地信息可實現直流微網控制目標, 具有熱插拔功能。最后仿真和實驗結果較好地驗證了文章所提策略的可行性。

1 直流微網框架與P-V下垂控制

1.1 直流微網結構框架

圖1為直流微網結構示意圖, 其中主要包括源、網、荷、儲四部分, 源即為DG, 通過單向變換器經線路阻抗接至直流母線；網即為交流大電網, 經斷路器、變壓器和雙向變換器接入微網系統；荷為直流母線公共負荷；儲為儲能裝置, 包含蓄電池為例的高能量密度型儲能裝置和以超級電容為例的高功率密度型儲能設施, 經雙向變換器接入公共母線電壓環節, 用以平抑DG和負荷的功率波動。Ceq為直流母線系統等效電容, 當系統規模和容量增大時, 其數值不容忽略且隨之增大, 用以穩定母線電壓[16-17]。

圖1 直流微網簡要框架

1.2 傳統P-V下垂控制

直流微網功率分配通常使用下垂控制方法, 類比與交流系統下垂方法,P-V下垂控制如下：

udci=uref+mi(Prefi-Pdci)

(1)

式中udci(i=1,2,…,n)為端口電壓；Prefi為額定功率；Pdci為運行時輸出功率；urefi為DG輸出電壓給定值；mi為P-V下垂控制對應比例系數, 若達到實際輸出的功率按其輸出能力分配負荷功率的理想狀況, 下垂系數設為：

m1Pref1=m2Pref2=…=mnPrefn=M

(2)

如圖2所示的是由兩臺帶有P-V下垂DG構成的直流微網電路模型, 其中rL為本地負載等效阻抗, rlinei(i=1,2)為DG #i出線線路阻抗,uini(i=1,2)為變換器直流側等效電源,upcc為公共點電壓。

圖2 雙DG P-V下垂電路模型

根據圖2所示電路結構可得DG發出實際功率與線路阻抗、DG變換器出口電壓和公共母線電壓之間的聯系為：

(3)

聯立式(1)～式(3)可得DG發出功率為：

(4)

在直流微網中, 理想情形各DG按其容量比例提供負荷功率, 故其提供的功率應滿足：

(5)

當rline不容忽略, 定義兩組DG負荷功率分配偏差如下：

(6)

將式(4)帶入式(6)可得：

(7)

(8)

圖3闡述了P-V下垂中因線路阻抗差異造成的負荷功率分配差異及公共直流母線電壓偏差, 圖中ΔPdc為功率分配差異, Δudci為造成的電壓差異。

圖3 P-V下垂局限性

綜上, 當線路阻抗分布差異越突出, 傳統下垂控制, 功率分配的誤差會加劇, 同時公共直流母線電壓跌落情況也會加劇, 對系統的穩定和運行產生不利影響, 因此需對傳統P-V下垂控制進行優化處理。

2 孤島直流微網自適應功率分配控制策略

針對線路阻抗分布差異對P-V下垂的影響, 提出基于虛擬阻抗的負荷功率自適應分配控制方法, 在不要求任何通信的基礎下, 在實現功率按容量比例分配的同時, 能夠有效地提升公共母線電壓的水平。

圖4為自適應負荷功率分配控制方法框架圖。

圖4 控制策略框圖

其包含兩大要素：線路阻抗主動辨識和基于虛擬阻抗的負荷功率準確分配方法。線路阻抗主動辨識得到準確的阻抗參數；功率自適應分配方法將獲得的阻抗信息構成虛擬阻抗成分加入傳統控制當中, 達到功率自適應精確分配和提高公共母線電壓水平的目的。

2.1 阻抗主動辨識方法

為完成各DG的負荷功率自適應精確分配, 要求得到相應線路的阻抗信息, 阻抗主動辨識包括以下三個步驟：注入相應微小擾動脈沖、對輸出進行檢測和利用檢測結果計算阻抗信息, 下面將進行有效性分析。圖5為DC-DC變換器基本控制框圖[18], 其中虛線框表示的為內環控制。

圖5 DC-DC變換器控制結構

控制結構設計時常常考慮內環響應速度遠高于外環控制響應速度, 為簡化分析, 將電流內環控制傳遞函數增益等效為1, 得到：

(9)

式中kp與ki為所采用的PI控制器當中對應的比例、積分增益。

圖6是單獨一臺DG直流變換器簡易模型, 依靠此模型進行各變量傳遞函數的階躍響應分析。其中, Δu為注入的擾動脈沖電壓。

圖6 單DG變換器電路模型

由圖6結合電路相關理論知識, 可得：

(10)

(11)

聯立式(9)～式(11)可得：

(12)

(13)

式中：

(14)

用于響應分析的參數由表1所示, 根據上述所得傳遞函數帶入相應數值可得各所需變量階躍響應曲線圖見圖7。圖7中, 當加入擾動脈沖后, DG變換器端口電壓、電流相比upcc的上升速度要快的多, 甚至在0.2 ms內母線電壓的波動可以忽略不計[19]。

表1 階躍響應分析參數

圖7 注入擾動后的階躍響應

運用等效電容此特性, 注入擾動脈沖后, 前后均對變換器的輸出做相應檢測, 檢測時間間隔可適當根據實際情況選取, 由電路理論可得：

udc0-rlineidc0=upcc0

(15)

udc1-rlineidc1=upcc1

(16)

式中udci、idci和upcci(i=0,1)為前后兩次測量輸出電壓, 輸出電流及公共母線電壓測量值。

聯立式(15)和式(16)可得：

(17)

因此,根據實際情況選取適當檢測時間間隔, 公共母線電壓在此檢測間隔期間無波動, 根據電路理論可得：

(18)

式中rc為線路阻抗辨識值。

2.2 基于虛擬阻抗的功率自適應分配策略

根據第1節, 各DG變換器出口線路阻抗分布差異越突出, 功率分配的誤差會加劇, 同時公共直流母線電壓跌落情況也會加劇。為解決上述問題, 提出了負荷功率自適應分配的控制策略, 圖8為其原理示意圖。為簡化分析計算, 設置系統DG等額定功率和等下垂系數, 同時設計rline1

圖8 功率自適應分配策略原理圖

如圖8所示, 由式(1)表示的L10(L20)是改進前P-V曲線, 由式(3)表示的R10、R20是此時DG變換器輸出伏安關系曲線, 由式(3)變換得：

(19)

因阻抗分布差異,R10和R20無法完全重合, 功率分配差異ΔPdc由此產生, 阻抗差異越大, 功率分配誤差越明顯。此時若將L10、L20變換到L11、L21, 且將R10、R20平移變換到R11、R21,L11、L21與R11、R21同樣會產生交點, 此交點便為變換器工作穩態點, 當辨識值越精準,Pdc11與Pdc21越接近, 最終重合, 功率分配精度得到非常大的改善。

根據圖8表述, 將式(1)改為：

udci=uref+mi(Prefi-Pdci)+kiPdci

(20)

式中ki為虛擬阻抗, 用以達到負荷功率的準確分配目標。聯立式(20)與式(3)得：

(21)

故DG功率分配相對偏差為：

(22)

若達到理想狀況, 即功率分配偏差為零, 推導出虛擬阻抗ki為：

(23)

然而通過線路阻抗主動辨識已經測得相應DG出線線路阻抗, 故將其替換式(23)中的實際線路阻抗, 得到最終改進下垂控制表達式：

(24)

3 仿真及實驗驗證

3.1 仿真驗證

為驗證基于虛擬阻抗的功率自適應分配方法的可行性, 在Matlab/Simulink環境下建立了相應等額定功率的DG直流微網系統, 分別對功率分配的穩態和動態過程進行驗證。表2為系統相關參數, 實驗參數和仿真參數基本保持一致。圖9為仿真模型結構示意圖。

3.1.1 仿真算例1

利用2.1小節所提方法獲得#1和#2阻抗信息分別為1.205 Ω和2.411 Ω, 阻抗主動辨識與阻抗實際值僅有細微差距, 并且可以通過改進辨識方法將此誤差降低至更小, 此內容非文章主要內容, 不作詳細闡述。如圖10(a)所示, 6 s之前阻抗分布不一致產生負荷功率分配偏差過大, 6 s以后將獲取的線路阻抗信息引入虛擬阻抗自適應功率分配控制中, 在1 s內時間即可實現負荷功率的準確分配, 可以看到功率曲線基本重合。如圖10(b)所示, 當采用文章所提控制方法后, 由線路阻抗產生的電壓降落得到了虛擬阻抗正向電壓的彌補,upcc從起初未加控制的385 V上升至396 V, 提高了upcc的電壓水平, 易于系統穩定。

3.1.2 仿真算例2

當功率需求波動時, 所提控制策略對功率分配的控制效果, 功率需求波動情況見表3, 相應仿真結果如圖11所示。

表3 功率需求波動情況

在圖11(a)中, 當功率發生波動時, 負荷需求由4 kW直到變化為8 kW, 在功率需求發生波動時, 兩同容量的DG提供的功率曲線一直重合, 說明實現了負荷功率的精確分配, 從而提高了DG的能源利用效率, 減少了環流的產生。如圖11(b)所示, 虛擬阻抗的存在抬升了公共直流母線電壓, 使得母線電壓能夠維持穩定在較高的電壓水平, 電壓偏差較小。因此, 在負荷功率需求發生不斷波動時, 功率分配依舊不受其影響, 在無需通信網絡的情形下, 依靠本地信息可實現直流微網相應的控制目標。

圖11 功率波動情形仿真結果

3.2 實驗驗證

為驗證理論分析和仿真結果正確性, 半實物仿真平臺得以建立, 半實物系統主要包含上位機、DSP控制板、實時仿真器RT-LAB及示波器等, 實驗平臺實物圖及實驗結果波形分別由圖12、圖13所示。

圖12 基于RT-LAB的硬件在環實驗平臺

圖13 實驗波形

如圖13(a)所示, 同仿真分析, 在時間節點(a)與(b)注入脈沖擾動, 利用公共母線電容慣性特性獲取線路阻抗信息, 在時間節點(c)將獲取的阻抗信息引入基于虛擬阻抗功率自適應分配控制中, 引入控制后, 功率實現自適應準確分配, 同時公共直流母線電壓有了近10 V的抬升。圖13(b)為傳統控制中負荷功率發生波動的實驗結果圖, 當負荷功率需求增加時, 功率分配的誤差會加劇, 同時公共直流母線電壓跌落情況也會加劇, 對直流微網的穩定與運行產生不利后果。圖13(c)為文章所提控制策略在負荷功率需求波動情形下的實驗結果圖, 在負荷功率發生波動時可實現準確分配, 且母線電壓一直能夠維持在較高的電壓水平, 在無需通信網絡的情形下, 依靠本地信息可達到直流微網相應的目標效果。

4 結束語

為解決線路阻抗分布差異產生的負荷功率分配誤差過大問題, 提出負荷功率自適應分配的控制方法, 利用母線等效電容的慣性特性辨識出各DG出口線路阻抗數值大小, 并將此信息構成虛擬阻抗成分加入傳統控制當中, 達到功率自適應精確分配和提高公共母線電壓水平的目的, 因無通信網絡需求, 經濟可靠且具有熱插拔能力。最后, 基于文章提出的控制策略理論分析搭建了仿真及實驗, 該策略的有效性得到了驗證。