孤島直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制策略研究

王慧圣,陶雅蕓,全恒立

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100095)

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是貫徹落實習(xí)總書記“3060”碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的主要路徑[1]。大力發(fā)展以光伏、風(fēng)電為主要代表的可再生能源,提高可再生能源并網(wǎng)消納率,是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的主要方向[2-3]。然而,光伏、風(fēng)電等可再生能源存在地理位置分散,輸出功率具有隨機(jī)性與間接性等問題[4],在并網(wǎng)時會造成電網(wǎng)電能質(zhì)量下降,影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行。隨著用戶用電需求的改變,電力系統(tǒng)中儲能、直流負(fù)荷等日益增加,采用傳統(tǒng)交流方式傳輸電能則存在控制復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換損耗較大等問題。直流微電網(wǎng)因其控制目標(biāo)較單一、便于可再生能源接入以及滿足用戶直流用電需求等特點而受到越來越多的關(guān)注[5-9]。

直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵是母線電壓的穩(wěn)定與系統(tǒng)的功率平衡[10],針對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的問題,大批專家學(xué)者進(jìn)行了針對性的研究。文獻(xiàn)[11]提出一種基于蓄電池與超級電容的混合儲能控制策略,能夠有效地穩(wěn)定母線電壓。文獻(xiàn)[12]提出一種初級控制與次級控制結(jié)合的分散控制算法,有效保證了電壓的穩(wěn)定以及負(fù)載電流的精確分配。文獻(xiàn)[13]提出一種虛擬直流電機(jī)的方法,抑制了電源和負(fù)荷變化引起的功率波動。文獻(xiàn)[14]提出一種基于電壓電流觀測器的光伏與儲能控制方法,維持了系統(tǒng)的能量平衡,保證了直流母線的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[15]提出一種分層協(xié)調(diào)控制策略,可以解決源荷不確定性導(dǎo)致的系統(tǒng)功率不平衡問題,提高直流母線的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[16]針對系統(tǒng)功率不平衡導(dǎo)致的電壓波動問題,提出了一種基于并網(wǎng)變換器與儲能閾值的能量協(xié)調(diào)控制方法。

上述文獻(xiàn)提出的方法都有效保證了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定,但大多從能量平衡的角度進(jìn)行分析,未考慮系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間。針對上述問題,本文設(shè)計了一種基于殘差的擾動抑制策略,能夠有效提高直流微電網(wǎng)在擾動情況下的動態(tài)響應(yīng)時間,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計孤島直流微電網(wǎng)上層能量管理策略。首先搭建孤島直流微電網(wǎng)架構(gòu)與底層控制結(jié)構(gòu),采用蓄電池來維持母線電壓,采用光伏為系統(tǒng)電源,采用超級電容來吸收功率瞬時波動,保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行。然后基于全維狀態(tài)觀測器以及殘差信息設(shè)計擾動補償控制器,來維持直流母線電壓的穩(wěn)定。之后根據(jù)蓄電池的SOC 設(shè)計上層能量管理策略,保證系統(tǒng)的功率平衡。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型對仿真結(jié)構(gòu)與能量管理策略進(jìn)行驗證。

1 孤島直流微電網(wǎng)架構(gòu)

1.1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制

孤島直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D2所示。圖2中S 為開關(guān)管;LPV為電感值;rPV為電感內(nèi)阻;CPV為電容值;ILPV為流過變換器的電感電流;UPV和IPV分別為光伏單元輸出的電壓和電流;UDC為直流母線電壓。

圖1 孤島直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 光伏系統(tǒng)拓?fù)涫疽?/p>

光伏板通過Boost電路與直流母線連接,為保證光伏在并網(wǎng)工況下可以最大限度出力,在孤島工況下可以限功率運行,光伏系統(tǒng)采用MPPT控制與恒功率控制,控制結(jié)構(gòu)如圖3所示,在不同工況下可以通過切換控制方式改變光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖3中Uref為MPPT 輸出電壓參考值;Pref為功率環(huán)給定值;PPV為光伏單元輸出功率值;Iref為電流環(huán)給定值;S為開關(guān)管的占空比。

圖3 光伏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1.2 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)包括蓄電池系統(tǒng)與超級電容系統(tǒng),蓄電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D4所示。圖4中Lbat為電感值;rbat為電感內(nèi)阻;ILbat為流過變換器的電感電流;Cbat為電容值;S1、S2為開關(guān)管的占空比;U0為蓄電池出口電壓。

圖4 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)涫疽?/p>

蓄電池通過雙向DC-DC變換器與直流母線連接,在孤島工況下,儲能系統(tǒng)主要功能為建立直流母線電壓,保證系統(tǒng)穩(wěn)定,因此儲能系統(tǒng)采用恒壓控制方式,控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中S1、S2分別為開關(guān)管的占空比。Urdc為恒壓控制的給定值。

圖5 儲能系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

超級電容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D6所示。圖6中Lsc為電感值;rsc為電感內(nèi)阻;ILsc為流過變換器的電感電流;Csc為電容值。

圖6 超級電容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

超級電容通過雙向DC-DC變換器與直流母線連接,在孤島工況下,超級電容系統(tǒng)主要功能為吸收暫態(tài)功率波動,保證系統(tǒng)穩(wěn)定,因此超級電容系統(tǒng)采用功率跟蹤控制方式,控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中Pload為負(fù)荷功率值;Psc為超級電容單元的輸出功率;Irsc為電流環(huán)給定值。

圖7 超級電容系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

本文在上述孤島直流微電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種協(xié)調(diào)控制架構(gòu),來保證孤島直流微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定和功率平衡。

2 基于殘差的擾動抑制控制策略

2.1 雙向DC-DC變換器狀態(tài)空間模型

以圖4所示的儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D為基礎(chǔ)。雙向DC-DC變換器的狀態(tài)空間表達(dá)式可用式(1)表示。

式中:Ag為狀態(tài)矩陣;Bg為輸入矩陣;Cg為輸出矩陣;Eg為擾動矩陣;xg為系統(tǒng)狀態(tài)變量;yg為系統(tǒng)的輸出值;ug為系統(tǒng)的輸入值;d為系統(tǒng)的擾動值。

選定電感電流與電容電壓作為狀態(tài)變量,因雙向DC-DC變換器是一個非最小相位系統(tǒng),因此需選取一個穩(wěn)態(tài)工作點對其進(jìn)行線性化,選取電感電流實際值與穩(wěn)態(tài)值之差為狀態(tài)變量,根據(jù)圖4可得雙向DC-DC變換器狀態(tài)空間參數(shù)矩陣如式(2)所示,其輸入矩陣、狀態(tài)矩陣、輸出矩陣以及擾動值為:xgi=[Udc-Udcw,ILbat-ILbatw]T;ugi=[S2-S2w];ygi=[Udc-Udcw];d=[Idc-Idcw];其中:Udcw、ILbatw、Idcw、S2w為穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)的輸出電壓、電感電流、負(fù)載電流和開關(guān)管占空比。

2.2 基于殘差的擾動抑制控制器求解

一個n維的線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為

式中:A為狀態(tài)矩陣;B為輸入矩陣;C為輸出矩陣;E為擾動矩陣;x(s)為系統(tǒng)狀態(tài)變量(s)為系統(tǒng)狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù);u(s)為系統(tǒng)輸入量;d(s)為擾動輸入量;y(s)為系統(tǒng)輸出量。

以式(3)為基礎(chǔ),構(gòu)建全維狀態(tài)觀測器,動態(tài)方程為

若系統(tǒng)中狀態(tài)矩陣A的特征值中出現(xiàn)了不穩(wěn)定的特征值,會使得系統(tǒng)狀態(tài)變量與系統(tǒng)狀態(tài)估計值之間的偏差逐漸增大,因此引入增益矩陣L來進(jìn)行修正。

殘差為實際系統(tǒng)輸出量與估計值的差值,表達(dá)式為

式中:r(s)為殘差。

系統(tǒng)受擾動影響的程度可以用殘差來表示,當(dāng)系統(tǒng)受到擾動影響時殘差值不為0;如無擾動影響則無殘差值。本文利用殘差來設(shè)計擾動抑制控制策略。采用極點配置的方法來求解觀測器增益矩陣L,聯(lián)立式(3)—(5),可以得出殘差表達(dá)式為

設(shè)計補償控制器Q*(s),將殘差r(s)輸入至補償控制器中進(jìn)行擾動補償,以圖3、圖4為基礎(chǔ)設(shè)計了基于殘差的擾動補償結(jié)構(gòu),如圖8 所示。圖8中Kpv、K iv為電壓環(huán)比例積分增益;Kpi為電流環(huán)比例增益;KPWM為PWM 等效增益;dw(s)為穩(wěn)態(tài)時的擾動量;Ts為采樣周期。

圖8 基于殘差的擾動抑制結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動時,補償控制器Q*(s)會根據(jù)殘差信號迅速輸出擾動補償信號,經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行擾動抑制補償。根據(jù)圖8可得其電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為

式中:k=Udc/U0。

采用極點配置的方法可計算出增益矩陣L是一個2×1的矩陣L=[l1,l2]T,以線性化之后雙向DC-DC變換器狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)建立殘差表達(dá)式并將其轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)形式,假設(shè)穩(wěn)態(tài)時占空比S2w=0.5,殘差表達(dá)式的傳遞函數(shù)為

聯(lián)立式(7)-(8),對補償控制器進(jìn)行求解,如圖9所示。

圖9 補償控制器求解

根據(jù)圖9可得出雙向DC-DC變換器補償控制器的表達(dá)式為

式中:Gb=δs+1;δ為極小的補償系數(shù)。

利用本文設(shè)計的補償控制器可以在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動時進(jìn)行擾動抑制,從而保證直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定,在此基礎(chǔ)上設(shè)計直流微電網(wǎng)能量管理策略,保證系統(tǒng)的功率平衡。

3 直流微電網(wǎng)能量管理策略

孤島運行工況下,整個直流微電網(wǎng)系統(tǒng)依靠蓄電池來建立直流母線電壓,因此孤島工況下的能量管理策略首先要判斷蓄電池的SOC,如圖10所示,圖中BSOC為蓄電池SOC的值。

圖10 蓄電池SOC判斷流程

在孤島運行條件下,直流微電網(wǎng)能量管理策略主要包括三部分,分別為蓄電池BSOC≥80%、20%＜BSOC＜80%以及BSOC≤20%。

3.1 蓄電池B SOC≥80%時能量管理策略

當(dāng)蓄電池BSOC≥80%時,能量管理策略如圖11所示。圖11中Pbat為蓄電池輸出功率。

圖11 蓄電池B SOC≥80%時能量管理流程

在此工況下,根據(jù)負(fù)荷功率與光伏發(fā)電功率、蓄電池功率的關(guān)系,分為3個模式:

1)PPV≥Pload時,此時光伏功率大于負(fù)荷用電功率,光伏恒功率運行,給定功率為負(fù)荷功率;

2)PPV≤Pload≤PPV+Pbat時,光伏MPPT 運行,蓄電池放電補足負(fù)荷缺額功率;

3)PPV+Pbat≤Pload時,此時蓄電池與光伏不足以支撐負(fù)荷用電,因此采取切負(fù)荷操作。

3.2 蓄電池20%＜B SOC＜80%時能量管理策略

蓄電池20%＜BSOC＜80%時,能量管理策略如圖12所示。

圖12 蓄電池20%＜B SOC＜80%時能量管理流程

在此工況下,根據(jù)負(fù)荷功率與光伏發(fā)電功率、蓄電池功率的關(guān)系,分為3個模式:

1)PPV＞Pload時,光伏MPPT 運行,蓄電池充電功率為Ppv-Pload;

2)Pload≤PPV+Pbat時,光伏MPPT 運行,蓄電池放電補足負(fù)荷缺額功率;

3)PPV+Pbat＜Pload時,此時蓄電池與光伏不足以支撐負(fù)荷用電,因此采取切負(fù)荷操作。

3.3 蓄電池B SOC≤20%時能量管理策略

蓄電池BSOC≤20%時,能量管理策略如圖13所示。

圖13 蓄電池B SOC≤20%時能量管理流程

在此工況下,根據(jù)負(fù)荷功率與光伏發(fā)電功率的關(guān)系,分為2個模式:

1)PPV＞Pload時,光伏MPPT 運行,蓄電池充電功率為PPV-Pload;

2)PPV≤Pload時,此時蓄電池與光伏不足以支撐負(fù)荷用電,因此采取切負(fù)荷操作。

4 仿真驗證

采用PSCAD 進(jìn)行仿真驗證,根據(jù)圖1搭建孤島直流微電網(wǎng),仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

直流母線電壓UDC=750 V。設(shè)定蓄電池SOC為90%,負(fù)荷0.2 MW。設(shè)定在1 s時切入5 Ω 負(fù)荷,1.3 s時切出5Ω 負(fù)荷,在圖5所示的傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制與本文所提擾動抑制策略下的直流母線電壓運行波形如圖14所示。

圖14 直流母線電壓運行波行對比

由圖14可知,在出現(xiàn)擾動后,相比于傳統(tǒng)控制策略,本文提出的擾動抑制策略能夠使直流母線電壓經(jīng)過0.05 s調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)值,且波動的幅值相對較小。

負(fù)載投切時,會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)沖擊,因此利用超級電容進(jìn)行瞬時補償。在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)沖擊時,檢測瞬時功率波動值并設(shè)定為超級電容的給定值,超級電容的補償跟隨效果如圖15所示。

圖15 超級電容功率補償效果

由圖15可知,超級電容能夠快速跟蹤系統(tǒng)的瞬時波動功率并進(jìn)行補償。假設(shè)在孤島運行期間,光伏發(fā)電充足,蓄電池滿容量,0.3 s時直流負(fù)荷從200 k W 升為400 k W,根據(jù)能量管理策略,光伏功率提升。光伏輸出功率變化如圖16所示。

圖16 光伏輸出功率變化

根據(jù)圖16可知,光伏輸出功率能夠跟隨負(fù)荷的變化而改變。假設(shè)在孤島運行期間,光伏發(fā)電不足,蓄電池滿容量,0.3 s時直流負(fù)荷從200 k W升為650 k W,此時光伏發(fā)出功率不足以滿足負(fù)荷需求,蓄電池補足缺少功率,根據(jù)能量管理策略,光伏換為MPPT 運行。此時光伏輸出功率為最大輸出功率,蓄電池來補足缺少的功率。光伏和蓄電池的功率波形如圖17、18所示。

圖17 光伏功率波形

圖18 蓄電池功率波形

假設(shè)在孤島運行期間,光伏發(fā)電充足,蓄電池滿容量不滿,此時蓄電池充電,根據(jù)能量管理策略,光伏MPPT 運行,此時蓄電池充電,如圖19、20所示。

圖19 光伏發(fā)電充足時的光伏MPPT模式下運行輸出功率

圖20 光伏發(fā)電充足時的蓄電池充電功率

假設(shè)在孤島運行期間,光伏發(fā)電不足,蓄電池滿容量不滿,設(shè)定第一級負(fù)荷400 k W,第二級負(fù)荷150 k W,此時負(fù)載消耗功率大于光伏額定功率,切除二級負(fù)荷,此時蓄電池充電,根據(jù)能量管理策略,光伏MPPT 運行且需切除負(fù)載。負(fù)荷單元、蓄電池與光伏功率如圖21-23所示。

圖21 光伏發(fā)電不足時的負(fù)荷單元運行功率

圖22 光伏發(fā)電不足時的蓄電池充電功率

圖23 光伏MPPT運行

5 結(jié)論

針對直流微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定與功率平衡問題,本文研究設(shè)計了一種基于殘差的擾動抑制策略,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)蓄電池的SOC 設(shè)計孤島直流微電網(wǎng)上層能量管理策略,通過PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型對仿真結(jié)構(gòu)與能量管理策略進(jìn)行實驗驗證,實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的基于殘差的擾動抑制策略能夠有效保證直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定。而基于SOC 的上層能量管理策略能夠有效維持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個單元的功率平衡。本文的研究成果對于未來離網(wǎng)直流制氫系統(tǒng)、樓宇光儲直柔系統(tǒng)等的發(fā)展具有一定的推動意義。