直流微电网研究综述

叶 鹏,徐 帅,杨玉鹏,秦 伟

(1.沈阳工程学院,沈阳 110136;2.沈阳工业大学,电气工程学院,沈阳 110870;3.国网辽阳供电公司运营监控中心,辽宁 辽阳 111000)

●学术研究●

直流微电网研究综述

叶 鹏1,徐 帅2,杨玉鹏3,秦 伟2

(1.沈阳工程学院,沈阳 110136;2.沈阳工业大学,电气工程学院,沈阳 110870;3.国网辽阳供电公司运营监控中心,辽宁 辽阳 111000)

作为一种新兴的电网形式,直流微电网拥有重构灵活、电能质量高、线路损耗低等优势,能使分布式电源和微电网的价值与效益得到充分的发挥。根据现有的直流微电网文献资料,在认真调查研究基础上,对其结网形式、监控保护和电压控制技术、能量管理方式、采用的电力电子接口技术等问题进行了归纳和总结,对直流微电网发展趋势进行了探讨和展望。

直流微电网;供电模式;能量管理;电压控制方法

微电网是由负荷与微电源(微电网中的分布式电源)组合构成的系统[1],内部主要由电力电子器件负责微电源的能量变换,并提供必要的控制;微电网相对大电网呈现为简单的受控单元,不会对大电网造成不利影响,一旦大电网出现故障,微电网可转为孤岛运行继续对自身内部的负荷保持电能供应,直到故障解除[2]。

微电网运行方式灵活,可实现分布式能源的接纳和与电网的互相支撑[3]。对于微电网的组网方式,采用直流组网还是采用交流组网一直存在争议[4]。随着配电系统的发展,发现采用直流组网比交流组网更具优势。直流微电网具备能量变换环节少、系统效率高和便于控制等诸多优点。因此,探究直流微电网,对新能源发电技术的应用与普及非常有利,对缓解世界能源危机和环境污染问题也具有重要的意义。

本文研究了直流微电网结网方式、监控保护和电压控制技术、能量管理方式和所采用的电力电子接口等技术,分析目前研究中存在的难点与技术问题,对直流微电网的未来发展趋势进行了展望。

1 直流微电网基本概念

直流微电网是以直流配电的方式,采用一条公共直流母线将全部微电源连接起来的独立可控系统,如图1所示。光伏电池、燃料电池、风力发电、燃气轮机等微电源接在直流母线上,经过一个集中 DC/AC 换流设备与大电网连接。

在电力系统中,大多数的分布式微源和电力用户终端负载是直流,所以连接到直流微电网可以减少能量转换次数,降低损耗和故障率。与交流微电网相比,直流微电网(DC-Micro-Grid)有许多优点。

1) 直流微电网中的各类微源与直流母线的连接方式简捷方便,无须关注交流电源输出电压的频率、相位等问题。一般只需要一次AC/DC或DC/DC变流即可,直流母线也只需经过一个DC/AC逆变器就可和交流大电网相连, 大大降低了系统成本和损耗[5]。

图1 直流微电网基本结构

2) 直流微电网控制问题只取决于直流母线电压,潮流的控制主要取决于电流,因此容易实现微电源间的协调控制。

3) 如果大电网发生故障,直流微电网能迅速与大电网断开。当孤岛运行时,直流微电网的负荷能得到持续供电,而不会受到大电网故障的影响。

4) 经过负荷侧的变流装置可给负荷提供很高的供电可靠性和电能质量。即使某处负荷发生故障时,其他负荷也不会受影响。

5) 直流微电网可以作为一个整体补偿发电功率和负荷功率的变化。

直流微电网具备良好的发展前景,但目前国内外对其研究只是刚刚展开,尚处于起步阶段,研究方向主要包括直流微电网监控保护和电压控制技术、结网形式、采用的电力电子接口技术、能量管理方式等方面。

2 直流微电网结网方式

直流微电网的结网形式中最重要的是直流母线结构和母线电压的等级。

在直流母线构成形式方面,直流微电网母线的组成形式主要有四类:单母线结构[6]、双层母线结构[7]、冗余式母线结构和双母线结构[8]。单母线布局的直流微电网系统易于和现今使用的交流接线设备兼容,但一些情况下变流器的电压应力较大,比如在给计算机等低压设备供电时,每一个低压电子设备都要配备相应体积的电源适配器;双层式母线结构对单母线进行了分层,这样双层母线结构提高了对低压设备供电安全性,降低了电源适配器的体积,但不容易与现有的转接设备兼容;冗余式母线体系适合于对电能质量要求高的区域,如对商业建筑和船舶区域的配电等;双母线形结构能根据负荷端对供电电压需求的不同选择由不同的母线进行供电,并实现交直流侧共地[9]。

在直流母线电压的等级上,直流母线电压等级的确定应满足现有交流设备对输入电压范围的要求。日本于2009年提出380 V的直流母线电压标准,并进行了相关的检验,这个标准日前已经被美国电力研究院验证后采用。380 V的直流标准现被普遍称为 DC380 V,它的提出是基于数据中心直流配电,现已逐步得到了业界的认同。但DC380 V的标准能否符合中国一般用户的用电要求,还有待于产学研各界进一步的验证。

文献[10]提出一种双母线结构的直流微电网,如图2所示。

图2 双母线型直流微电网

在图2中,电网电压为6.6 kV,经过变压器降为交流230 V,再经过双向AC/DC换流器变换成直流340 V,然后经过电源平衡器变成直流±170 V。燃气轮机经过换流器接入230 V的交流侧,超级电容器和蓄电池经过双向DC/DC接在直流母线上,用于抑制功率的波动,光伏电池经过DC/DC变换器接在直流母线上。在负载侧,直流电经过电力电子装置转换成直流电或交流电。该结构可为多种不同电压等级负载供应电能,如果某处负载发生故障不会影响其余负载;如果大电网侧发生故障,可以与大电网断开独立运行。

文献[11]展现了一种交流、直流微电网组合成混合微电网。两个微电网分别具有独立的电源、储能装置和负载,两者间通过一个或多个变流器连接,用于微电网间的能量双向交换。构成的混合微电网经过一个智能开关与大电网相连,主线路在正常情况下,微电网与大电网能够达到能量的最优利用,微电网都采用下垂控制;如果主线路出现故障,智能开关关断,微电网与大电网断开,但交直流微电网之间依然可以进行能量交流。这个交直流混合微电网如图3所示。

图3 交直流混合微电网

文献[12]提出以太阳能电池作为分布式电源,储能装置采用蓄电池的直流微电网结构, 结构如图4所示。

图4 基于光伏发电的直流微电网

这个直流微电网经双向AC/DC换流器连接在大电网上。同时为达到优化能量利用、维持功率平衡和直流母线电压的稳定,设计了一种能量管理策略,把直流母线电压作为控制信息载体,确定直流微电网的4种工作模式:并网逆变运行、并网整流运行、孤岛运行时蓄电池放电、孤岛运行时光伏电池恒压输出。

3 直流微电网监控保护和电压控制

3.1 直流微电网监控和保护

直流微电网有3类常用的控制方法:

1) 依托电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制方法[13]。该方法依据微电网控制要求,灵活采用与传统发电机相似的下垂特性曲线进行控制,将系统不平衡功率动态分配给各机组,简单、可靠，易于实现,但没有顾及系统电压和频率的恢复问题,与传统发电机中的二次调整问题相似,因此当微电网遭受严重扰动时,无法保证系统的频率质量。

2) 基于功率管理系统的控制[14]。该方法采用不同控制模块达到了微电网对各种控制的要求,特别是维持功率平衡时,功率管理系统采取多种控制方法,从而在保持控制灵活性的前提下提高了控制性能。

3) 基于多代理技术的微电网控制方法[15]。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用在微电网控制系统中。代理的自发行为、反应能力和自治性等特点,恰好适应微电网分散控制的需求,提供了一个可以嵌入多种控制性能但又不用管理者频繁出现的系统。

总结国内外研究现状,认为微电网控制系统将来的研究目标是: 1)在孤岛和并网两种运行模式下,检验已有的电压控制方法在微电网中的适用性; 2)不同种类的微电源(如采用变流器和不采用变流器可控和间歇)的运行和控制;3)优化、智能的控制方法。

配网中含多个分布式电源及储能装置的直流微电网的接入,大大改变了配电系统故障特征[16]。 而且直流微电网在并网和孤岛两种运行模式下,短路电流大小不同,悬殊很大。因此,怎样在孤岛和并网下都能对微电网内部的故障做出反应以及在并网情况下及时感知大电网故障,同时做到保护的快速性、选择性、灵敏性与可靠性[17],是微电网保护的核心和关键。

文献[18]构建了基于多代理技术的控制系统。构建了一个典型直流微电网系统和采用逆系统方法的定交流电压控制策略,在PSCAD/EMTDC中搭建了孤立风力发电系统模型，如图5所示。

图5 孤立风力发电系统模型

该模型的仿真试验结果显示,在风速波动致使全网主要发电元件风机功率波动的情况下,直流系统电压仍能保持恒定,即便在孤岛运行时,对用户也能保证可靠供电。

文献[19]提出基于直流母线信号DBS(DC Bus Signaling)的控制策略。该控制策略通过直流母线信号和直流微电网的下垂控制,达到直流微电网的控制最优化,能够最大程度地提高新能源的利用率,并且达到了同一个电压等级下多个微电源的功率分配及电压控制。经过研究各个微源变换器的特性,做到了并网换流器及储能单元的恒功率平滑切换控制与下垂控制。

3.2 直流微电网母线电压控制方法

在直流微网中,因为不存在无功功率的流动,反映系统功率平衡的唯一指标是电压,所以直流微电网控制的核心问题是控制直流母线电压稳定。目前比较常用的直流母线电压控制方法主要有下垂控制、电压分层控制、协调控制等。

文献[20]通过建立带恒功率负荷变换器的小信号模型,推导了占空比与电容电压的传递函数,给出了开环系统稳定运行的条件。同时通过把 PI 控制器和高通滤波器相结合,提出了一种新型控制策略,通过绘制控制器各参数变化的根轨迹图,得出了满足系统稳定运行的各参数的取值范围,以及控制直流微电网母线电压。仿真结果表明孤岛和并网运行下采用这种控制策略均可以保证系统稳定运行,而且有良好的跟踪精度和动态响应。

文献[21]以风电直流微电网为研究对象,提出基于直流电压变化量的电压分层协调控制策略。这个控制策略通过检测直流电压的变化量来协调各换流器的工作模式,从而保证在各种工况下都能保持微网功率平衡。各变流器独立工作,不存在相互通讯,控制系统结构得到简化,并使直流微电网能够“即插即用”。经过对包括直驱永磁风电机组、储能蓄电池的微电网的仿真分析,验证了该直流微电网控制策略的有效性。

文献[22]设计了光伏发电组件多模式接入直流微电网及控制办法,包括MPPT控制模式、恒电压模式和恒定功率模式。即通过变步长扰动观察法达到MPPT控制,采用 PI 环节控制达到恒压或恒功率控制,能量管理器管理光伏发电组件,使其在三种工作模式间切换。当不能达到恒压或恒功率模式时,返回到MPPT模式同时告知能量管理器,能量管理器通过对直流微电网的其余部分进行调度来稳定直流母线电压。因此光伏发电系统对这个直流微电网的能量管理器而言相当于一个受限可控源,对直流微电网的稳定运行非常有利。

文献[23]提出了直流电压协调控制策略。这个控制策略基于直流电压的变化量和蓄电池的荷电状态SOC来协调各换流器的工作状态,以此达到了不同运行工况下直流微电网内的有功功率平衡,实现了保持直流母线电压稳定的目标,仿真结果证实了这种控制策略的有效性。

文献[24]通过研究以光伏组件、储能装置、网侧换流器和直流负荷组成的直流微电网,结合微电网孤岛和并网2种运行模式,提出了系统4种工作方式,并对这个微电网的运行控制策略进行研究。设计了锂电池组件自适应调节下垂系数的这种控制方法,优化各种情况下电池的输出功率,提高了系统和电池运行效率;光伏变换器通过变步长电导增量法进行MPPT控制;通过基于前馈解耦的电压电流环控制网侧换流器。此系统结合光伏发电和储能控制方法,可以实现在2种运行模式和4种工作方式间平滑切换,直流母线电压能够维持恒定,做到了系统稳定工作和能量利用最优化。

文献[25]构建了一个电压下垂综合控制策略,采用构建包含微源和负荷的直流微电网的小信号模型测定直流母线电压,然后调节稳定电网电压,并实现两个微源间的负荷平衡。经过对该控制方法的模拟实验仿真,结果证实该方法正确、可行。

文献[26]以多种微电源和本地负载组成的直流微电网系统为研究对象,通过阻抗比例判据来判断直流微电网电压的稳定情况。这个控制策略通过把电源子系统的总输出阻抗与负载子系统的总输入阻抗的比值作为等效的回路增益,然后通过Nyquist稳定性判据对系统的稳定性进行分析。

从当前来看,直流微电网的控制研究大多处于理论仿真阶段,在实用化方面还不够成熟,有待深入研究。

4 直流微电网能量管理

微电网的能量管理是指通过调节微电源及储能出力、投切负荷、改变网架结构等手段,满足不同时间尺度上系统的能量平衡。由于直流微电网不存在频率问题,因此能量管理策略上更加灵活。

能量管理策略若要达到最优化,就要充分利用可再生能源,降低储能装置的充放电频率,并保证系统可靠运行。

在并网条件下,如果直流微电网内部功率不足,可经过并网换流器从配电网补充能量;若配电网用电紧张,直流微电网也可参与电力系统的调峰。在微电网并网时,直流微电网内部微源和负荷功率不需要供求平衡,所以这种情况下可以重点关注其他问题,例如最优化管理微电网内部能量。当控制器决定要转为孤岛运行时,并网换流器逐渐减少系统间的功率交换。在孤岛模式下,一定要达到微电网内部功率供求平衡,因此对能量管理的自由有所限制。总控制器需要保证在直流微电网内部有功平衡的基础上不影响微电网的供电质量,这可以通过适当的加、减电源或负荷,或通过修正电源和储能系统的工作点(如MPPT模式和下垂控制模式的转换) 来实现。

文献[27]采用一种应用于独立光伏系统的混合储能系统,其系统结构如图6所示。该系统元件包括光伏组件、蓄电池、超级电容器、充电控制器、并联控制器和负载等,系统中蓄电池与负载直接相连。超级电容在系统中作用是对光伏阵列输出电能起到滤波作用,当负载功率发生波动时,对蓄电池的充电起到优化作用。充电控制器能够及时满足所需的峰值功率,控制蓄电池的输出电流峰值,使蓄电池放电的过程得到优化;并联控制器的变流功能会大大降低蓄电池充放电循环的次数。

图6 混合储能独立光伏系统结构图

文献[28]构建了一个燃料电池发电系统,容量为5 kW,其系统结构如图7所示。

图7 燃料电池发电系统框图

针对燃料电池动态性能上的不足,设计了一种能量管理控制策略,基于电流的间接控制。若负荷功率出现波动,电流内环立即动作,把负载电流的变化部分作为双向 DC/DC 变换器的输出跟踪对象,因此燃料电池就有充足的时间来调整,这就弥补了燃料电池在动态性能上的不足,对延长燃料电池的工作寿命非常有利。

直流微电网的能量管理研究在国际上尚处于初步阶段,采用更先进、更智能的能量管理策略将是未来研究的重点。

5 直流微电网电力电子接口

电力电子技术在分布式电源电能转换、传递和存储中发挥着关键作用。按照利用的一次能源不同,分布式电源可分为两种类型:一类是直流源型,比如燃料电池、太阳能电池和蓄电池等;另一类是需经过整流的交流源型,如微型燃气轮机、风力发电机等。无论哪种类型电源都得转换成标准的工频交流电才能供给负荷或并网。因此,需要将AC/DC,DC/DC和DC/AC三种电力电子换流技术应用到能量的转换过程中。

文献[29]构建的直流微电网的并网接口是一个电流反馈型换流器,它实际上是由两个换流器组合而成,分别是三开关式电流源整流器(3SW-CSR)和三相电流源型逆变器(CSI)。当并网接口处于逆变工作状态时,三相CSI作为直流母线电流通路;当并网接口处于整流工作状态时, 3SW-CSR作为反向的直流母线电流通路。这个换流器能实现能量双向流动,直流侧电流有很大可控范围,并且电流波纹被限制得很低, 谐波干扰在交流侧电流中很少。换流器处在整流或逆变工作模式时,能按照期望的功率因数进行超前或滞后调整,灵活性很强。这个并网接口如图8所示。

图8 三相电流反馈型换流器

文献[30]中构建了一种两级拓扑式直流微电网的并网接口并研究了其控制策略,该接口由一个双向DC/DC换流器和一个单相全桥换流器串联而成,并能减小直流母线的电容值,系统的电流保护和动态解耦不受影响。该结构可以达到控制功率的双向流动,不仅可用于直流微电网并网接口,而且可用在其他储能装置的充放电控制器中。该接口实现的是单相并网,其拓扑结构如图9所示。

图9 单相两极式双向换流器

对于直流微电网来说,电力电子技术具有决定性作用,因此要进一步开发适用于直流微电网的电力电子接口。

6 结 语

本文对直流微电网结网方式、监控保护和电压控制技术、能量管理方法、采用的电力电子接口等技术的研究现状进行了总结和综述。从分析的情况看,直流微电网的研究还处在起步阶段,若要充分发挥其优势和作用,还要从以下几方面进行更深层次的研究:

1) 完善已有的控制技术,研究新的建模方法和更简捷、更智能的控制策略。

2) 增强通信通道的建设,采用先进的通信技术,搭建建模仿真和一体化试验平台。

3) 开发分布式电源协调控制模块和可再生能源预测模块。

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(责任编辑 郭金光)

Overview on DC microgrid research

YE Peng1, XU Shuai2, YANG Yupeng3, QIN Wei2

(1. Shenyang Institute of Engineering,110136, China; 2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 3. State Grid Liaoyang Power Supply Company Operation Center, Liaoyang 111000, China)

As a newly-emerged power grid, DC microgrid is advantageous in low line loss, high power quality and flexible in reconstruction, which enables better exertion of value of distributed generations and microgrid. Based on conscientious research, according to the existing documents, the paper summarized and concluded DC microgrid in terms of grid netting, monitoring protection and voltage control method, energy management, power electronic interface technology and discussed and forecasted the development trend of DC microgrid.

DC micro-grid; power supply mode; energy management; voltage control method

2015-03-31。

叶 鹏(1974—),男,教授,研究方向为电力系统运行、配电自动化等领域。

TM711

A

2095-6843(2015)06-0471-06