直流微网低电压穿越控制策略研究

孟明，贺海博，王志鹏，李圆智

（1.华北电力大学电力工程系，河北保定071003；2.国网石家庄供电公司，石家庄050000）

0 引 言

近年来，随着直流分布式电源的发展以及越来越多的用电设备趋于使用直流电能，直流微网迎来了广阔的发展空间［1-4］。直流微网运行方式可分为并网运行和孤岛运行。与孤岛运行相比，并网运行由于有大电网的支撑，更容易实现系统稳定安全运行［5-6］。此外，随着我国智能电网发展的需要，微网的研究发展也将不断深入，必将推动微网与配电网实现更高层次的互动，未来微网将承载信息和能源双重功能［7］，如果其不具备低电压穿越能力，会给自身和电网的安全稳定运行带来很大隐患。基于上述原因，直流微网低电压穿越能力研究具有很大实际意义。

直流微网的低电压穿越又称故障穿越，指当网侧故障引起并网点电压跌落时，要求直流微网能够在一定电网电压降落范围和一定时间内保持不间断并网运行，并尽可能地向电网注入无功功率，为电网电压提供支撑的能力。在低电压穿越控制策略的设计上，主要考虑三个方面：直流母线电压的稳定、对电网电压的支撑和并网变流器输出限流问题［8-9］。

目前，学者围绕光伏并网和风电并网系统低电压穿越能力已经开展了大量研究工作［10-12］。文献［10］提出光伏并网系统基于电网电压和负载电流变化前馈的低电压穿越优化控制策略，能够有效加快电流环对扰动的动态响应，抵消电网产生的影响。文献［11］提出对光伏逆变器进行电压定向矢量控制，实现有功和无功功率解藕，投入直流卸荷电路稳定直流侧电压，并根据电压的跌落深度补偿一定的无功功率以支撑电压恢复。文献［12］提出一种采用机侧变流器控制直流电压稳定，网侧变流器实现最大功率跟踪和有功无功协调的新型控制策略。

现有文献主要是针对大中型光伏电站和风电场低电压穿越能力的研究，对直流微网低电压穿越能力研究则很少提及，本文基于光伏直流微网系统提出一种综合利用光储荷协调控制和有功无功协调控制的LVRT控制方案。通过光储荷协调控制实现在网侧低电压期间维持直流母线电压恒定的目标，避免因母线电压大范围波动对系统稳定运行造成的影响；有功无功协调限流控制可避免网侧输出过流，同时提供动态无功功率支撑网侧电压恢复。

1 系统结构

本文研究的直流微网系统结构如图1所示。图中，PPV表示光伏发电系统发电功率，PBat表示储能电池充放电功率；Pload表示负载消耗功率；Pgrid表示直流微网与电网的交换功率。

图1 直流微网结构图Fig.1 Structure diagram of DCmicro-grid

光伏发电系统通过单向DC/DC变换器将其发电功率馈入直流母线，为了充分利用光伏能量，其通常运行于MPPT模式；储能电池通过双向DC/DC变换器与直流母线连接，在电网电压正常时，储能电池根据预设的SOC临界值范围采用充放电优先控制原则，以便在电网电压跌落期间充分发挥其协调配合作用；直流微网通过网侧变换器经变压器与电网相连，负载包括恒功率负载和本地负载。

2 LVRT控制策略

网侧变流器根据电网电压跌落深度实现有功无功的协调控制，以保证直流微网在适当的电网电压跌落期间，仍能够保持并网运行，并发出一定的无功功率，支撑电网电压恢复，实现低电压安全穿越，确保系统稳定运行。LVRT有功无功协调控制结构图如图2所示，图中开关采用滞环比较器。

图2 LVRT有功无功协调控制结构图Fig.2 Coordinated control structure diagram for active and reactive power of LVRT

根据电网电压幅值UT（pu）的不同，将该LVRT控制策略分析如下：

（1）UT≥0.9，认为电网电压处于正常状态。此时系统处于正常的直流微网并网运行状态，变流器采取有功优先控制原则，即采用电压电流双闭环控制，优先满足有功电流，实现有功的最大化利用，同时控制直流母线电压的稳定。（2）0.2＜UT＜0.9，电网电压处于跌落状态，由于并网变流器对输出电流值的限幅作用，若执行有功优先控制原则不变，则网侧变流器仅处于功率限幅状态，无法对系统提供无功支撑，因此需要切换为无功优先控制。

由于与微网相关的低电压穿越动态无功支撑能力标准尚未确定，参照国家标准GB/T 19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》和 GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，设定电网电压跌落时，直流微网注入电力系统的动态无功电流应满足：

正常情况下直流微网以单位功率因数并网运行，即：

且限定电网电压跌落时网侧输出电流不超过额定电流的1.1倍，若id以IN作为限制，则允许输出的最大无功电流为：

为了避免变流器较长时间运行于最大限幅状态，此处取0.45IN，由式（1）得到对应的UT为0.6，注意到式（1）中iq随着UT递增而递减，因此细分为如下状态：

（1）0.6≤UT＜0.9，为了提高系统低电压穿越能力，则固定无功输出电流为：

相应的有功输出电流为：

（2）0.2＜UT＜0.6时，根据低电压穿越动态无功支撑要求，此时设定无功电流参考值为：

相应有功电流参考值为：

根据上述分析，低电压穿越期间，采用无功优先控制确定动态无功支撑电流参考值如式（8）所示：相应的有功电流参考值如式（9）所示：

（3）UT≤0.2，认为电网发生严重故障，此时直流微网脱网进入孤岛运行。

由以上分析，电网电压跌落期间，采用无功优先控制原则，根据电压跌落深度动态调节系统无功支撑电流，改善电压跌落情况。LVRT有功无功协调控制的整体控制流程图如图3所示。根据电网情况，选择有功无功的优先控制权，从而保障系统在网侧电压跌落期间，能够获得动态无功支撑，实现低电压安全穿越。

图3 LVRT有功无功协调控制流程图Fig.3 Flow chart of coordinated control for active and reactive power of LVRT

3 直流母线电压控制

直流微网中母线电压的稳定是直流微网可靠运行的一个重要保障。系统能量不平衡和功率波动会造成母线电压波动［3，13］，影响系统的正常运行。光伏电站和风电场在低电压穿越期间，为了抑制直流电压波动，传统的控制方案通常是在直流侧安装卸荷电路［11，14］来消纳直流电容多余的能量，这种方法由于采用额外的硬件电路，既增加了投入又造成了能量浪费，系统控制复杂、经济性差。直流微网由于本身储能系统的设置能够缓冲和平抑系统能量波动，母线电压的控制更具灵活性和可靠性。本文充分考虑直流微网各部分协调参与系统的整体控制，在电网电压跌落期间利用光伏、储能电池以及负荷的协调控制来维持直流母线电压恒定并使系统能量得到最优利用。设定母线电压标称值Vdc_n=500 V，允许电压偏差为±2%。

需要说明的是在电网电压跌落期间，系统内光伏出力、负荷存在波动以及网侧有功功率变化会引起系统能量不平衡，因此储能电池在电压跌落期间应具有输出和吸收功率的能力（即正常并网运行期间不能达到过放和满充状态）。设定正常并网运行时储能电池SOC临界值范围为60%～70%（SOC上下限值分别为90%和40%），储能电池据此进行充放电优先控制（即系统能量剩余时对储能电池优先充电，能量不足时优先放电）以充分发挥储能电池在电压跌落期间的协调配合作用。

为了更好模拟系统实际工作状况，对电网电压正常和故障时系统运行情况，具体分析研究如下：

（2）状态1：电网电压正常

直流微网处于正常并网运行状态，光伏系统运行于MPPT模式，充分利用光伏能量。储能电池根据自身SOC情况进行充放电控制，网侧接口变换器采用有功优先控制，即采用电压电流双闭环控制方式来控制直流母线电压维持在Vdc_n，同时平衡系统能量。

（2）状态2：电网电压跌落

此状态下，记 ΔP=PPV-Pload-Pgrid，根据 Pload变化情况，比较 ΔP和 PB_m（1，2）（PB_m1为储能电池最大充电功率，PB_m2为储能电池最大放电功率）关系，细分为3个子状态：

（a）状态 2-1：Pload不变，ΔP＜PB-m（1，2）。光伏系统保持MPPT模式不变，由于网侧变换器采用无功优先控制，输出电流被限幅，直流侧可能产生能量堆积导致母线电压升高，储能电池采用稳压控制，吸收系统多余能量，维持母线电压稳定在Vdc_n；

（b）状态2-2：Pload减小，若此时 ΔP＜PB-m1，则光伏系统继续MPPT运行，储能电池运行于稳压充电模式控制母线电压稳定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m1，由于储能电池稳压控制模式电压环输出饱和，处于功率限幅状态，无法控制母线电压，导致系统功率过剩，直流母线电压升高，当电压升高到1.02Vdc_n时，光伏系统切换为恒压控制，控制直流母线电压稳定在1.02Vdc_n；

（c）状态 2-3：Pload增加，若此时 ΔP＜PB-m2，光伏系统继续MPPT运行，储能电池运行于稳压放电模式控制母线电压稳定在Vdc_n；若ΔP＞PB-m2，系统功率缺额超过储能电池最大出力，储能电池稳压控制处于功率限幅状态，无法控制母线电压，导致母线电压降低，当电压降低到0.98Vdc_n时，切除不重要负荷，直到使得ΔP＜PB-m2，储能电池稳压控制电压外环输出退饱和，恢复稳压放电控制，维持母线电压稳定于0.98Vdc_n。

图4和图5分别给出光储荷协调控制中光伏系统和储能电池的控制结构图，为了避免控制模式之间的频繁切换，图中开关均采用滞环比较器。

图4 光伏系统控制结构图Fig.4 Control structure diagram of photovoltaic system

图5 储能电池控制结构图Fig.5 Control structure diagram of storage battery

4 仿真结果及分析

基于Matlab/Simulink搭建了如图1所示系统的仿真模型，对系统网侧电压正常和不同程度跌落工况下系统运行情况进行仿真测试，以验证所提LVRT控制策略可行性和有效性。系统仿真参数如表1所示。

表1 系统主要参数设置Tab.1 Main parameters of DCmicro-grid system

4.1 仿真算例1

网侧电压跌落60%，即UT=0.4，设定储能电池初始SOC为65%，负荷全部接入系统。系统稳定后的仿真结果如图6所示。

在0 s～0.3 s，网侧电压正常，系统运行于正常并网状态。网侧变换器采用有功优先控制，控制直流母线电压维持在500 V，如图6（e），同时平衡系统有功能量。此时id约为0.3 pu，如图6（b），对应并网有功功率约为6 kW，如图6（d）。由于储能电池SOC在临界范围，因此处于待机状态，如图6（f）。

在0.3 s时，网侧电压发生跌落，如图6（a），要求对电网提供无功支持，网侧变换器切换为无功优先控制，iq给定不为0，根据所提LVRT方法，id相应变化，如如图6（b），对应有功、无功功率如图6（d）。由状态2-1知储能电池此时切换为稳压放电运行模式，维持直流母线电压为500 V。

在0.45 s时，切除L3，网侧变换器控制方式不变，此时切换为状态2-2，储能电池由放电变为充电吸收多余能量，同时继续维持直流母线电压为500 V。

在0.6 s时，网侧电压恢复正常，网侧变换器恢复有功优先控制，重新控制母线电压，由于切除L3，此时并网有功能量增加，储能电池处于待机状态。

图6（c）给出了系统在采取LVRT控制策略前后的并网点电压比较，可以看出在采用本文所提控制方法后，并网点电压有所提升，满足低电压穿越期间支撑电压恢复要求。注意到提升幅度并不是很大，这是由于仿真系统容量设置较小的原因。

图6（g）表明光伏系统在网侧电压跌落期间仍运行于MPPT模式，充分利用了光伏能量，验证了本文控制方法的有效性。

4.2 仿真算例2

网侧电压跌落30%，即UT=0.7，设定初始状态光照强度由算例1的1 kW/m2增强为1.4 kW/m2，负荷L1和L2接入系统。系统稳定后的仿真结果如图7所示。

在0 s～0.3s，网侧电压正常，系统正常并网运行。网侧变换器采用有功优先控制，控制直流母线电压维持在500 V，如图7（f）。由于光伏系统输出能量增加，此时id约为0.82 pu，如图7（b），对应并网有功功率约为16.4kW，如图7（d）。储能电池处于待机状态，如图7（g）。

在0.3 s时，网侧电压发生跌落，如图7（a），网侧变换器切换为无功优先控制，根据所提LVRT方法，此时iq给定为0.45 pu，为了防止过电流产生id被限制在1 pu，如图7（b），对应有功、无功功率如图7（d）和7（e）。

同时切除L2，此时由于负荷较轻，使得储能电池达到吸收功率上限，处于功率限幅状态，如图7（g），无法完全吸收冗余能量，导致直流母线电压升高，当电压升高到510 V时（约0.32 s时），光伏系统切换为恒压控制模式，控制直流母线电压稳定在510 V。

在0.45 s时，L2和L3重新接入系统，网侧变换器控制方式不变，由于负荷加重，系统功率缺额由直流母线冗余能量提供，导致母线电压下降，当母线电压下降到500 V时（约0.46 s时），光伏系统切换为MPPT控制，此时由状态2-3知储能电池运行于稳压放电模式，重新维持直流母线电压为500 V。

图6 网侧电压跌落60%系统运行情况Fig.6 System operation when grid-side voltage drops 60%

在0.6 s时，网侧电压恢复正常，网侧变换器恢复有功优先控制，重新控制母线电压，由于负荷加重，此时并网有功能量有所减少，如图7（d），储能电池切换为待机状态，如图7（g）。

图7 网侧电压跌落30%系统运行情况Fig.7 System operation when grid-side voltage drops 30%

图7（c）表明在采取LVRT控制策略后，并网点电压有所提升，验证了本文控制方法的有效性。

图7（h）所示为光伏系统输出能量变化情况，可以看出只有在系统能量过剩时光伏系统运行于恒压模式，光伏出力有所减少，其余情况均运行于MPPT模式，使光伏能量得到了最优利用。

5 结束语

基于光伏直流微网，针对其低电压穿越能力要求，提出一种网侧变流器有功无功协调控制策略，该方法根据网侧电压幅值，选择有功无功的优先控制权，并给出控制系统的详细实现方案。详细分析故障期间光伏出力、负荷随机波动性大造成系统能量波动，影响母线电压稳定，提出一种光储荷协调控制策略。在系统不同运行工况时，通过光伏系统、储能电池和负荷的协调配合控制来稳定直流母线电压，并平衡系统能量。算例仿真结果表明：

（1）低电压穿越期间，能够避免网侧变流器输出过流，并动态提供无功功率支撑网侧电压恢复，实现低电压的安全穿越，保障系统可靠运行；

（2）无论网侧电压正常或是跌落，直流母线电压均能很好的维持稳定，并能充分利用光伏能量，实现系统能量的最优利用。