交直流混合微电网孤岛情景下的能量管理

王智方 张钦惠 钟建伟 李正刚 程明亮

摘 要：DC/AC双向变换器对于交直流混合微电网系统的稳定性和功率分配有着重要的作用。文中针对交直流混合微电网孤岛情景，采用DC/AC双向变换器的U-I双下垂控制方法，平衡交直流微电网之间的功率流动，以此提高孤岛情景下的稳定性和可控性，并在SimuLink中搭建混合微电网微网孤岛情景下的仿真模型。负荷变动的仿真结果验证了提案控制策略的可行性。

关键词：混合微电网;孤岛情景;U-I双下垂控制;功率分配;变换器;母线

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

分布式新能源越来越普及，大量的分布式新能源接入配电网，而新能源具有间歇性和不确定性的特点[1]，对电网运行带来不利影响[2]。微电网被认为是解决这个问题的有效方法[3]。微电网包括交流的和直流的微网[4]，当前主流是交流[5]。但是直流负荷日益增加，仅交流供电会提高成本、产生严重的谐波问题[6]。利用交直流混合供电，可以降低成本，有效利用分布式电源[7]。

在混合微电网中，DC/AC双向变换器控制交直流母线之间的电力流动，对系统的稳定运行和可控发挥着重要的作

用[8]。下垂控制因为控制简单、能够自我运行，所以被广泛应用在微网的控制中[9]。由于混合微电网中的DC/AC双向变换器需要同时连接交流母线以及直流母线，因此不能应用传统的控制方法，需要采用新的控制方法[10]。

本文针对交直流混合微电网孤岛情景下的状况，采用DC/AC双向变换器的U-I双下垂控制方法，平衡交直流微电网之间的功率流动，并提高孤岛情景下的稳定性和可控性。根据下垂特性，使用DC/AC双向变换器两侧的交流母线的频率以及直流母线的电压来控制交流、直流微电网的功率流动的方向和大小。

1 微电网的结构

1.1 交直流混合微电网结构

文中研究了交直流混合微电网孤网情景，其结构示意图如图1所示。通过结构图可以看出，新能源发电通过变换器分别与交流部分和直流部分连接。DC/AC双向变换器作为母线之间的纽带，不仅实现了能量的双向流动，还承担了微网之间功率的平衡以及母線电压的稳定。在混合微电网孤网情景下，变换器不仅参与调节直流母线的电压，还参与交流母线频率的调节。

令?f为交流母线电压频率实际值与设定值的差值，?U为直流母线电压实际值与设定值的差值。这两个参数分别反映了交直流微电网各自的频率与电压的变化，与对应的下垂系数的乘积表示当交流母线电压值达到设定值时、直流母线电压值达到设定值时对应微网功率可输出值或者需输入值。当直流负载增加、交流负载不变或减小，直流微电网功率缺失，交流微电网功率有盈余，变换器切换到整流模式，由下垂特性可知交流微电网输出功率增加，电压频率下降，交流微电网增加的输出功率通过变换器流向直流微电网，由下垂特性可知直流母线电压升高;反之，当直流负载减小或不变、交流负载增加，交流微电网功率缺失，直流微电网功率有盈余，变换器切换到逆变模式，由下垂特性可知直流微电网输出功率增加，电压下降，直流微电网增加的输出功率通过变换器流向交流微电网，由下垂特性可知交流母线电压频率升高。

二者的平衡关系为：

式中：?f为交流母线电压频率实际值与设定值的差值;?U为直流母线电压实际值与设定值的差值;?PDC为直流微电网吸收或者增发的功率值;?PAC为交流微电网吸收或者增发发功率值;mACsys为交流微电网系统有功垂系数;mDCsys直流微电网系统有功下垂系数。

1.2 直流微电网控制

直流微电网中，太阳能等直流可再生电源通过Boost-Buck双向变换器接入微电网，储能模块则通过控制双向DC/DC变换器充放电来获得功率平衡的效果，进而获得稳定的直流母线电压。在直流微网中，由于不存在无功功率和电压频率的因素，所以直流母线的稳定可以用直流母线电压来衡量，其P-U下垂特性可表示为：

式中：Udcref为直流母线电压的设定值;UdcN为直流母线电压的额定值;PN为可再生能源输出的额定有功功率值;P为可再生能源的实际输出有功功率;n为下垂系数。

1.3 交流微电网控制

理想的交直流混合微电网中可再生新能源种类比较少，但实际中交流子网中也含类似锂电池系统等储能式电源。交流微电网可以分为三个主要部分：光电和风电为主的可再生新能源部分、储能部分和交流负载部分。为了充分利用可再生能源，光伏发电和风力发电的工作模式多为MPPT模式。当微网无通信线路，为使储能模块可以根据其容量分配输出功率，将储能模块作为支撑的系统中多采用下垂控制。在低压微电网中，由于线路具有呈阻性的等效阻抗特点，所以多采用P-V，Q-f下垂控制方式。

2 混合微电网控制策略

交直流混合微电网变换器的控制主要分为两种：一种是由下垂特性决定功率如何流动以及具体的数值，例如双下垂控制;另一种是基于标幺化的思想，在同一个坐标中看交流微网的下垂曲线和直流微网的下垂曲线，并以此来决定变换器如何动作，例如基于单位化混合下垂控制。

用以连接混合微电网的变换器，当微网系统中的负荷发生变化后，利用直流母线电压值和交流母线电压频率值的变化来调整系统的运行模式，使微网达到新的平衡。其功率参考值为：

式中：P0为额定功率;Pref为参考功率值;Udc0为额定的直流母线电压值;Udc为实际的直流母线电压值;f0为额定的交流母线频率值;f为实际的交流母线频率值。

图2和图3为变换器前级控制策略图和后级控制。

图2、图3中：Un为直流母线电压参考值;Ibus为直流母线电流实际值;Ubus为直流母线电压实际值;IL为电感电流;D为占空比。Iabc为三相电流;sin_cos，vd，vq由三相电压分解得到;Id_ref，Iq_ref分别为d轴电流和q轴电流参考值;Udc_VSR为直流母线电压实际值。

当IGBT处于通电状态时，电源通过IGBT向电感L供电，以储能。同时，电容C输出电压维持在基本恒定的状态，并供电，此后IGBT关断，L释放能量。输入/输出电压的关系如下：

式中：Uin，Uo是双向控制器的输入、输出电压;α为IGBT的导通比;负号代表输出/输入电压是相反的极性。

由双向控制器工作原理可得IGBT的状态方程。导通为：

关断为：

式中：IL为电感电流;L为电感;C为电容;α为IGBT的导通比;R为电阻。

3 仿真分析

3.1 仿真参数设定

为证明所采用控制策略的有效性，在SimuLink里建模进行仿真。设定直流微网电压设置为800 V，交流微网电压设定为300 V，P0取20，mDCsys取2×10-3，mACsys取1×10-4。在1 s时交流负载突然增大，2 s时交流负载突然减小。

3.2 仿真结果分析

1 s时直流母线输出功率为21 800 W，直流母线电压为

794.5 V，交流负载突然增大，输出功率在1.001 s突变为

23 300 W，电压突变为793.7 V。在1.05 s时，功率逐渐平稳在24 300 W，电压逐渐稳定在794 V。2 s时负载突然变小。功率在2.01 s突变为23 500 W，电压突变为795 V。在2.05 s时，功率逐渐稳定在21 800 W，电压逐渐稳定在794.5 V。

图5为交流母线三相电压和电流示意图。第1 s时三相电压为315 V，电流为23 A，交流负载突然增大，电压在1.001 s

时突变为301 V，电流突变为39 A。在第1.1 s时，电压逐渐稳定在314 V，电流逐渐稳定在25 A。2 s时负载突然变小。在2.01 s，电压在突变为326 V，电流突变为22.8 A。在2.1 s时，电压逐渐稳定在314 V，电流逐渐稳定在23 A。

图6为交流母线输出有功功率和电压频率示意图。在1 s

时交流母线输出有功功率为10 000 W，电压频率为49.985 Hz，

交流负载突然增大，在1.001 s功率突变为28 200 W，频率突变为49.955 Hz。在1.05 s，功率逐渐稳定在29 200 W，频率逐渐稳定在49.954 Hz。2 s時负载突然变小。在2.01 s，功率突变为11 500 W，频率突变为49.982 Hz。在2.05 s，功率逐渐稳定在10 000 W，频率逐渐稳定在49.985 Hz。

图7为交流负载有功功率示意图。第1 s时交流负载有功功率为20 000 W，负载突然增加。在1.001 s，功率突变为35 460 W。在1.05 s，功率逐渐稳定在40 000 W。2 s时负载突然变小。在2.01 s，功率突变为22 500 W。在2.05 s，功率逐渐稳定在20 000 W。

4 结 语

本文针对交直流混合微电网孤岛情景，采用DC/AC双向变换器的U-I双下垂控制方法，平衡交直流微电网之间的功率流动，并以此提高孤岛情景下的稳定性和可控性。根据下垂特性，使用DC/AC双向变换器两侧的交流母线的频率以及直流母线的电压来控制交流、直流微电网的功率流动的方向和大小。最后，在SimuLink中搭建混合微电网微网孤岛运行下的仿真模型。根据负荷变动的仿真结果，验证了提案控制策略的可行性。

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