基于分段下垂的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法研究

黃燦英，晏慧敏，楊墉金，寧 珍

（1.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330200；2.江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，江西 樟樹 331200）

0 引 言

直流微電網(wǎng)由分布式發(fā)電系統(tǒng)和儲能裝置組成，輸出直流電，且不存在頻率、相位、無功等復(fù)雜參量[1]。通過提高直流微電網(wǎng)的有效控制水平，對保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和安全供電具有重要意義[2-4]。傳統(tǒng)的下垂控制方法已經(jīng)不能同時滿足分布式電源的輸出電流調(diào)節(jié)和直流母線電壓的控制需求，對于微電網(wǎng)的控制并不穩(wěn)定，極易造成能源損耗[5]。為此，本文提出了基于分段下垂的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法。

1 分段下垂控制方法設(shè)計

1.1 建立直流微電網(wǎng)下垂控制的數(shù)學(xué)模型

直流微電網(wǎng)的控制重點是電網(wǎng)中的直流母線電壓，確保電壓值不超過適度范圍，以維持可靠的電力輸出狀態(tài)[6,7]。在直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中，需要考慮變換器的輸出功率。假設(shè)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在某一變換器a，其輸出的電壓為U，則可以求出相應(yīng)的功率P為

式中：Ia為變換器a的輸出電流參數(shù)。為了減少電流參數(shù)的偏差值，應(yīng)控制母線電壓在穩(wěn)定范圍內(nèi)。在直流微電網(wǎng)中，假設(shè)母線電壓為Um，各結(jié)構(gòu)元件處于并聯(lián)狀態(tài)，則可以認(rèn)為Um=U[8-10]。直流微電網(wǎng)電壓下垂控制可以表示為

式中：u為母線電壓的期望參數(shù)；cm為微電網(wǎng)中并聯(lián)變換器輸出的等效阻抗參數(shù)；Im為變換器輸出的電流參數(shù)。經(jīng)過計算可以求出母線電壓的參考值Umn，多數(shù)情況下Umn變化范圍控制在10%以內(nèi)為宜。通過以上方法能夠計算出直流微電網(wǎng)中的電壓、電流等參量，進(jìn)而實現(xiàn)對分布式電源的下垂控制。

1.2 擾動觀察法控制光伏電源能量輸出

在光伏電源能量輸出特性的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其計算公式可以表示為

式中：Iqph為光伏電源中的光生電流參數(shù)，一般情況下與光照強度成正比；Iq0為電源的反向飽和電流參數(shù)值；w為電源中電子的負(fù)荷參數(shù)；Ue為電源負(fù)載端的電壓參數(shù)；Rcs為結(jié)構(gòu)中與電源串聯(lián)電阻的參數(shù)；IA為電源PN結(jié)理想狀態(tài)下的平均電流參數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為電源中的絕對溫度參數(shù)。

為了實現(xiàn)控制光伏電源的最大功率，使用擾動觀察法進(jìn)行跟蹤。具體流程為：在微電網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)中添加一個變換電路進(jìn)行擾動，用來改變電源的輸出電壓參數(shù)值；測量母線電路中電源輸出端的電壓參數(shù)和電流參數(shù)，基于這2個參數(shù)計算光伏電源的輸出功率；判斷當(dāng)前輸出功率與前一時段輸出功率的大小，若前一時段的參數(shù)小，則可以推測出前一時段光伏電源所輸出的電壓參數(shù)同樣也小于當(dāng)前時段；通過判斷推測光伏電源運行時的最大功率點位置，進(jìn)而對變換電路進(jìn)行控制，以調(diào)整光伏電源輸出電壓值的大小。通過上述方法能夠最大限度地利用光能，并控制電源電壓處在適度范圍內(nèi)，保持最大的能量輸出。

1.3 分段下垂控制母線電壓的穩(wěn)態(tài)偏差

建立微電網(wǎng)下垂控制的數(shù)學(xué)模型，其中的要點就在于對母線電壓的穩(wěn)態(tài)控制，進(jìn)而對變換器的電流進(jìn)行合理分配。基于粒子群算法對直流微電網(wǎng)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)母線電壓的穩(wěn)態(tài)偏差。

將下垂曲線進(jìn)行分段，每一段的負(fù)載都會相應(yīng)增加，使得曲線斜率變化。在運行過程中添加下垂段，功率參數(shù)f相應(yīng)的計算公式為

式中：b表示分段的有功下垂系數(shù)；p表示有功功率。

同時，直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中母線電壓U為

式中：Q表示無功功率參數(shù)。

以直流微電網(wǎng)中的母線電壓偏差值為例，假設(shè)其差值子項為R，計算公式為

式中：n為該結(jié)構(gòu)中變換器的數(shù)量；t為當(dāng)前分段的下垂系數(shù)；ΔU為結(jié)構(gòu)中母線補償電壓。

在建立好誤差項的函數(shù)關(guān)系式后，對該直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的微源、儲能元件的變流器進(jìn)行控制，通過粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）實時控制模塊搜尋上述目標(biāo)函數(shù)的最小值，保證母線電壓嚴(yán)格等于放電給定電壓。

1.4 補償母線電壓交流側(cè)阻優(yōu)化電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

為了保證直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的母線電壓處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，需要使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中有功功率p的二倍頻振蕩分量為0，即需要滿足g=0。考慮到直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中變換器的輸出功率，對母線電壓交流側(cè)阻進(jìn)行補償，其計算公式為

式中：pg為輸入阻抗上的功率；pd為母線交流側(cè)瞬時輸出的有功功率。為了保證母線直流電壓的穩(wěn)定，需要消除pg參數(shù)的存在。通過調(diào)節(jié)上述變量關(guān)系，能夠保證直流微電網(wǎng)母線電壓處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，降低電壓的波動差異，優(yōu)化微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

2 實驗論證分析

為了驗證本文設(shè)計方法的先進(jìn)性，將其與傳統(tǒng)下垂控制方法進(jìn)行對比。構(gòu)建雙閉環(huán)的微電網(wǎng)控制框架，在其中加入電壓、電流調(diào)節(jié)控制器，調(diào)整該微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的輸出信號，在此基礎(chǔ)上記錄2種方法下母線電壓的變化情況。

記錄相同運行時間下2種控制方法在微直流電網(wǎng)中的母線電壓參數(shù)值，具體實驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，本文設(shè)計的控制方法能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)中的母線電壓進(jìn)行平穩(wěn)控制，將差值控制在極小范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，記錄2種控制方法下的電力的損耗變化情況，具體結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，本文設(shè)計方法在微電網(wǎng)控制過程中的損耗極少，具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

為了突破傳統(tǒng)垂直控制方法在控制直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行方面的局限性，提出基于分段下垂的協(xié)調(diào)控制方法，并通過補償母線電壓來優(yōu)化對微電網(wǎng)的分段下垂協(xié)調(diào)控制。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法在實際控制過程中母線電壓波動較小，而且電力損耗也較小，具有明顯的優(yōu)勢。