直流汇集系统直流母线电压稳定控制技术

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

1 引言

随着大量分布式新能源发电越来越多的接入电力系统，其对电力系统的稳定性、电能质量的影响受到广泛关注。分布式新能源发电中大部分电源如光伏、燃料电池等，发电出口均为直流电压。分布式发电集电直流汇集系统由分布式电源、负载和并网接口电路等部分通过各自的变流装置与直流母线相并联。根据变流器的并联特性可知，各并联模块对外表现为电压源特性时，由于配电线缆上存在阻抗压降，各节点电压存在差异，很有可能导致各并联电压源之间产生环流，为了控制母线电压的稳定和避免环流的产生，需要对并联在直流母线上的等效电压源变换电路进行均流控制。

2 电压源并联等效电路

图1为各并联电压源的等效示意图。V1和V2表示并联电压源幅值，Z1和Z2表示线路阻抗，i1和i2分别表示流过模块1与模块2的电流，Vdc表示模块连接处的母线电压。

图1 电压源并联等效示意图

3 直流母线电压稳定控制策略研究

储能单元并联稳压控制是指通过系统内储能单元稳定直流母线电压，该情况下分布式新能源在并网模式下仍工作在MPPT状态，离网模式下则根据储能、负荷状况而定。并网变流器在并网状态下采取PQ恒功率控制[1]，离网状态下不工作。根据储能单元的并联方式又可细分为主从控制法[2-4]和下垂控制法[5-8]。

图2 主储能单元恒压控制框图

图3 从储能单元恒流控制框图

下垂控制，各储能单元均做恒压控制，控制框图如图4所示。图中Udc_refi为第i个储能单元经下垂控制器校正后的输出电压的给定，Idci为第i个储能单元电流。采用下垂控制由于直流电压给定值需经下垂控制器校正，会使直流母线电压有一定偏差。当下垂控制系数较小时直流母线电压偏差较小但是调节速度较慢，动态性能较差，当下垂控制系数较大时调节速度快，系统动态性能好，但是直流母线电压偏差较大，特别是当功率流动较大时电压会更为明显。并且一旦下垂控制系数确定后各储能单元充放电功率比例即确定，无法再次进行调节，但是该控制方法不需要通信线的连接，简化了系统结构，易实现冗余控制，扩容简单方便，实用效果好。

图4 下垂控制储能单元恒压控制框图

综合考虑以上各直流母线控制策略的优缺点，本文采用变系数下垂控制控制策略以恒定母线电压。该控制策略控制框图与传统下垂控制相同，但是在传统下垂控制的基础之上根据母线电压偏差以及储能系统自身容量不断进行下垂控制曲线的调节，当母线电压偏差较小，即系统内功率流动较小时增大下垂系数提高系统动态性能，当母线电压偏差较大即系统内功率流动较大时减小下垂控制系数，以减小母线电压偏差。同时通过对各储能单元下垂控制系数的调节可进一步控制其充放电功率大小，以提高各储能单元的利用率，使整个系统能够长期安全稳定的运行。

4 变系数下垂控制策略

下垂控制是通过控制调节各个分布式电源自身的等效输出阻抗进行输出功率的调节。

假设DG1、DG2为直流汇集系统内两储能单元，输出电压与输出电流关系分别如式(1)，式(2)所示。

(1)

(2)

当k1=k2时，其下垂特性曲线如图5所示。假设DG1运行在功率点P1处时DG2投入使用，则DG1回路电流降低输出电压给定增大，DG2输出电流增大输出电压给定降低，当二者运行至P3点时系统保持稳定DG1、DG2输出电压给定相同，电流相同。

图5 下垂系数相同时特性曲线

当k1≠k2时，其下垂特性曲线如图6所示。假设DG1运行于P1点时DG2投入运行，DG1沿曲线M1运行，电流减小输出电压给定增大。DG2沿曲线M2运行，电流增大输出电压降低。当两台DG1、DG2输出电压给定相同后系统稳定，其各自电流大小与斜率成反比。

图6 下垂系数不同时特性曲线

由式(1)、式(2)以及图2、图3可知，稳态时并联的储能单元输出电压给定相同，可以得到：

k1Idc1=k2Idc2

(3)

即：

k1P1=k2P2

(4)

其中P1、P2分别为两种类型储能单元的输出功率。对于多系统并联来说则有：

k1P1=k2P2=Λ=knPn，n≥2

(5)

由式(5)可见，通过调节下垂控制系数可调节直流母线侧各个分布式储能的输出功率。

直流母线电压的高低是功率波动以及潮流流向的直接反应，因而可以根据母线电压的高低对接入其中的各储能单元的下垂系数进行调整以稳定直流母线电压。为了方便下垂控制将直流母线电压分为七个区域，具体如图7所示。图中Udc为直流母线电压，V1V5为过压故障区。

正常工作区：该阶段直流母线电压在正常范围内波动，此时分布式新能源发电量与可控负荷消耗电量基本平衡。各储能单元下垂控制系数为初始值；

母线电压偏低1区：该阶段直流母线电压偏低，此时分布式新能源发电量略小于负荷消耗量。需根据直流母线电压降低幅度以及各储能单元自身剩余容量减小下垂系数，提高直流母线电压。下垂系数调节方式具体如下：

图7 各个工作阶段

ki(t+1)=ki(t)+Δki

(6)

式中ki(t)、ki(t+1)分别为当前时刻以及下一时刻第i个储能单元的下垂系数，Δki为第i个储能单元下垂系数变化值，δL1为母线电压偏低1区的下垂系数变化量加权值，SOCi、Si分别为第i个储能单元的SOC以及初始时刻容量。

下垂系数约束条件如下：

(7)

式中ki_max、ki_min分别为下垂系数最大最小值。

母线电压偏低2区：该阶段直流母线电压偏低幅度较大，调节方法与母线电压偏低1区相似，继续减小储能单元下垂系数，具体调节方法与母线电压偏低1区类似，但是下垂系数变化量加权值为δL2，且满足δL2>δL1。

母线电压偏高1区：阶段直流母线电压偏高，此时分布式新能源发电量略高于负荷消耗量。需根据直流母线电压升高幅度以及各储能单元自身剩余容量调整下垂系数，降低直流母线电压。下垂系数调节如式(6)所示，但是下垂系数变化值有所变化，如式(8)所示。

(8)

其约束条件与(7)相同。

母线电压偏低2区：该阶段直流母线电压偏高幅度较大，调节方法与母线电压偏高1区相似，继续提高储能单元下垂系数，具体调节方法与母线电压偏高1区类似，但是下垂系数变化量加权值为δH2，且满足δH2>δH1。

欠压故障区、过压故障区：该阶段直流母线电压过低，向协调控制器发送欠压故障、过压故障信号。

5 仿真分析

基于下垂控制的共直流母线仿真中母线电压控制目标、储能单元1，储能单元2的下垂控制系数如表1所示。仿真波形如图8、图9所示，其中图8(a)为系统空载稳定运行0.02s后突加63kW负载的母线电压波形，图8(b)为储能单元1、储能单元2的电流波形(k1>k2)。从图中可以看出突加负载后直流母线电压约有6V波动，经25ms后稳定。储能单元1、储能单元2输出电流与下垂控制系数成反比，突加负载后储能单元1电流迅速提高以平抑负荷带来的母线电压波动，稳定时主要通过储能单元2输出功率，稳定直流母线电压，经25ms后二者电流稳定，电流大小分别为26A、52A。图9(a)为系统带负载稳定运行至0.02s后突然切除负载的母线电压波形，图9(b)为储能单元1、储能单元2的输出电流波形。从仿真图中可以看出突切负载后储能单元1、储能单元2的电流稳定时间约为20ms，稳定后系统之间环流较小，约为1A。

表1 仿真关键参数设置

6 结论

本文在对常用直流母线电压控制策略特性深入研究的基础上，提出了变系数下垂控制策略，该控制策略将下垂曲线斜率作为直流母线电压偏差值以及储能单元自身容量的函数，解决了传统下垂控制中储能单元充放电功率比例无法进行在线调节的问题，并且在功率流动较大时仍能够将直流母线偏差控制在一个较小的范围内。解决了传统下垂控制中储能单元充放电功率比例无法进行在线调节的问题。最后本文通过仿真分析证明了所提控制策略的有效性和可行性。

图8 突加负荷时参数变化情况

图9 突切负荷时参数变化情况