小容量离网型局域网多源协调控制策略研究

严 雄, 王 勃，谭琳琳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

远离大电网覆盖的岛屿、边塞、山区、或既有供电系统薄弱地区，由于一次能源运费高昂、环境友好性差，主网延伸投资运维成本高、经济效益低等原因，其生产生活用能一直是困扰各级政府，制约民生经济发展的重大问题。如何因地制宜的利用当地优越的自然资源条件，经济、安全、高效地使用清洁能源，是国家和政府能源工作指导的方向，也是新能源工作者不倦追求的目标。离网型局域网可以有效解决上述问题，在实际应用过程中，与多电力电子器件系统稳定性、可靠性有关的多源协调控制策略是目前此类项目关注的重点，基于发电系统总容量、供电电压等级、储能逆变单元单机最大容量及源-网-荷-储组网架构四大要素，通常将新能源装机容量小于1 MW、储能逆变单元采用单机且功率不大于0.5 MW、采用400 V电压直接供电、部分新能源发电单元与储能系统在直流侧汇集的离网型局域网归为小容量局域网，本文将对小容量离网型局域网多源协调控制策略进行研究，旨在提出一套适用于直流母线组网方案的小容量离网型局域网的多源协调控制策略，为离网型局域网工程的系统控制方式设计提供借鉴。

1 离网型局域网构成及特点

离网型局域网是以风、光等新能型源融合储能、配电网的方式，为岛屿、边塞、山区等弱电网地区提供电力服务的独立电力系统。局域网系统中储能载体一般受项目建设周期、场地面积、技术成熟度、运维难易、安全性与经济性等诸多因数制约，目前以电化学储能方式中的磷酸铁锂电池为主。离网型局域网靠电化学储能保证系统正常工作电压和频率，由于运行方式多变，且没有大电网作支撑，该系统会缺乏一定的转动惯量，频率与电压易失去稳定性。

2 离网型局域网系统接线型式

根据储能系统接入新能源发电系统时的出口电压类型，一般将离网型局域网系统接线型式分为直流母线及交流母线两种方案，典型接线如图1、2所示。

图1 直流母线典型接线方案

容量较小的局域网一般采用直流母线方案，交流侧输出电压等级为400 V，光伏发电和储能电池均通过相应的电力电子功率变换器接入直流母线，直流部分采用统一的DC/AC变流器(系统变流器)接入交流母线，联合风力发电、柴油发电机一起为负载供电。交流母线方案中风力发电、光伏发电和储能电池均通过对应的逆变升压设备接入交流10 kV或35 kV母线。直流母线方案中的储能DC/DC变流器及交流母线方案中的储能逆变设备(PCS)均为双向元件。储能在上述两种方案中的作用为：在系统中为其它发电设备提供参考电压、维持系统的稳定，平滑风光发电设备出力，削峰填谷、存储电量。

图2 交流母线典型接线方案

交、直流母线方案各有优缺点，直流母线方案系统转化效率更高、能量损耗更小、成本相对低，控制对象仅为电压幅值，控制环节简单易实现，但直流系统保护方案需进一步研究；交流母线方案中PCS容量相对较大，可通过控制策略及依靠先进的通信手段，使PCS群分别在一次、二次调频过程中具有良好的“协调一致”性，从而实现多机并联，PCS群具备“宽范围负载”适应性，抗冲击性及稳定性能更好，交流系统保护技术和设备也相对成熟。

3 直流母线汇流方案控制策略

离网型局域网为交流负载供电时，控制核心为交流侧母线电压与频率，解决方案是利用系统DC/AC变流器将交流负载与直流母线完全解耦，系统频率由DC/AC变流器设定，交流电压靠直流母线电压及DC/AC变流器的稳定控制实现。

3.1 直流侧母线电压控制

3.1.1工作模式

光伏及储能系统接入直流母线，光伏DC/DC变流器采用MPPT寻优+限压控制模式，在母线电压正常范围内，光伏DC/DC变流器寻找光伏组件最大功率点，并输出到直流母线。储能DC/DC变流器按设置的电压控制点及控制策略，自动平衡光伏DC/DC变流器和DC/AC系统变流器的功率，稳定直流母线电压。光伏DC/DC变流器与储能DC/DC变流器之间不需要通信连接。

3.1.2控制策略

(1) 储能DC/DC变流器

小容量离网型系统供电电压通常为400 V，供电范围较小，传输线路参数中感抗与电阻接近或远小于电阻，整个离网型系统主要呈现阻性，相较于常规电力系统P与f耦合性较强的特性，小容量离网型系统P与V的耦合性则更强[1-2]。因此，在小容量离网型局域网中，储能DC/DC变流器一般采用P/V下垂控制策略[3]，以实现无互联通信情况下多单元并联运行时的功率主动分配。储能DC/DC变流器拓扑结构及P/V控制框图分别如图3所示。

图3 储能DC/DC变流器拓扑结构

定义Pdc为变流器实际出力，k为下垂曲线斜率，Udc-set为直流母线额定电压值，Udc-reg为DC/DC变流器电压调节目标，Ufeed为变流器出口电压，α为占空比，储能DC/DC变流器的控制分为电压下垂控制与PI控制两个环节，如图4所示。

图4 储能DC/DC逆变器 P/V下垂控制框

直流母线电压P/V下垂计算公式为Udc-reg=Udc-set-k×Pdc，下垂曲线斜率k一般按变流器单位功率变化引起的直流额定电压波动进行选取，需根据实际情况进行更改。

(2) 光伏DC/DC变流器

光伏DC/DC变流器采用MPPT+限压控制模式，在母线电压设定值范围内，通过比较当前时刻光伏功率Pk与前一控制周期的光伏功率Pk-1大小，对功率元件占空比进行自动调节，使光伏出力稳定在最大功率点处，实现光伏的最大效率利用，光伏DC/DC变流器及控制框图分别如图5、6所示。

图5 光伏DC/DC变流器拓扑结构

图6 光伏DC/DC变流器控制框

当储能电池SOC接近某一上限定值时，且光伏出力大于负载容量时，光伏DC/DC变流器退出MPPT控制模式，限功率运行。对于小容量局域网系统，光伏限功率策略一般与MPPT策略结合后固化在光伏DC/DC变流器中。

3.2 交流侧电压及频率控制

3.2.1V/f控制拓扑结构

离网型局域网运行时，系统DC/AC变流器通常采用V/f控制方式，为局域网提供稳定的电压与频率，DC/AC变流器控制拓扑结构图如下图7所示[4-6]。其中uf(a,b,c)为负荷侧电压，u(a,b,c)为变流器桥臂输出电压，if(a,b,c)为变流器桥臂输出电流，ii(a,b,c)为三相电容电流，if(a,b,c)为负荷侧电流，Cdc为直流侧电容，L、C为滤波电感与电容，id(q).ref与ud(q).ref分别为dq轴参考电流与参考电压，fset与Uset分别为电压的目标频率与幅值。

3.2.2控制数学模型

由自控控制原理可知，PI控制器可以实现直流量的无静差调节。由图7可列出逆变器三相电路在三相静止坐标系(3s)下的状态方程，经等幅值Clarke与Park变换后，得出两相旋转坐标系(2r)下的方程如公式(1)所示，进一步变换后如公式(2)所示。

从公式(2)可知，dq轴之间存在交叉耦合量，引入逆变器dq轴电流环的输出、输入参量可对其进行解耦。当采用PI控制时，电流环输出、输入控制方程如公式(3)所示[4,7]。

式中：Kip、Kii为电流内环PI调节器的比例和积分系数；Kup、Kui为电压外环 调节器的比例和积分系数。

3.2.3双环控制结构框图

V/f控制方式一般采用电压外环和电流内环的双闭环控制[6,8]，电流内环的控制目标为变流器桥臂输出电压u(a,b,c)，控制所需的电流参考值由电压外环决定，而电压外环的输入值则包括电压参考值与实际电压值。从整体控制架构来讲，V/f控制方式就是用负荷侧实际电压uf(a,b,c)去控制变流器桥臂输出电压u(a,b,c)，而使u(a,b,c)达到电压目标电压值。结合公式(3)可得到V/f电压电流双环控制器结构框图，如图8所示。

图7 DC/AC逆变器V/f控制拓扑结构

图8 双环控制器结构框

从图7可知，V/f电流电压双环控制的目标幅值与频率均可设定；电压控制外环负责为整个离网型电力系统提供稳定可靠的电压，实现对电压和频率的恒定控制；电流控制内环采用逆变器桥臂的输出电流及电压外环输出控制，从而可以抵御负荷扰动带来的影响，提高系统动态性能，且具有较好的跟踪性。

4 工程应用

新疆某新型能源局域网项目位于新疆南部喀什地区，该供电系统是由400kWp光伏发电系统、250kW/1MWh储能系统、4×20kW风力发电系统、2×100kW柴油发电机及交流负载构成，交流负载最大功率为200kW。光伏与储能系统在直流侧汇流，交流侧电压等级为400V，电气主接线如图9所示。储能125kWDC/DC变流器和250kWDC/AC系统变流器均为双向元件，储能变流器高压侧满载工作电压范围为570～850V，系统变流器交流侧额定电压为380V，变压器主要作用是隔离与滤波。

图9 某新型能源局域网项目电气主接线

柴油发电机为风光储系统退出工作时的紧急备用电源。风机功率较小，平常处于自由发电状态。局域网运行过程中，当光伏、风机出力之和较大时，二者通过直流母线给负载供电，同时给电池充电；当光伏、风机出力下降，无法满足负载的功率要求时，DC/DC变流器释放电池能量，补充光伏、风机出力与负载的能量差；在夜晚或者光照极弱状态下，风机出力与负载的功率差由储能系统通过DC/DC变流器提供。

实际运行过程中，储能DC/DC变流器、光伏DC/DC变流器、DC/AC系统变流器采用3.1节、3.2节所述的控制策略。当负载为156.4kW，系统稳定运行时的电压、电流波形如图10所示。三相电压波形成正弦交变状态,频率为50Hz,相电压最大值227V,电能质量满足规范要求。

图10 系统电压和电流波形

系统对负荷突变的响应能力及抗冲击性能也非常突出，图11为负载由132kW突变至254kW时，系统三相电压、电流、有功、无功的波形变化。从图11中可以看出，DC/AC系统变流器有功及无功输出功率在3.5个周波内趋于稳定，达到254kW的需求值，且超过DC/AC变流器的额定输出功率；负荷变化前后，三相电压幅值均满足电能质量要求，变化幅度分别仅为0.67%、0.77%、1.3%。说明在控制策略合适与负载变化一定的前提下，电力电子器件构成的离网型局域网其响应速度与稳定性不弱于常规电力系统，甚至更好。

图11 负荷突变情况下的电力参数波形

5 结 论

(1) 离网型局域网系统呈电阻性特性，系统功率与电压耦合性更强。

(2) 利用直流侧母线汇流方案时，交流侧采用V/f控制策略，负载容量的变化，会导致直流母线电压相应波动，只需要采用P/V控制策略稳定直流母线电压即可；相较于交流母线汇流方案，可不用考虑无功、频率等因数，控制策略相对简单，有利于负载容量小、运维技术缺乏的离网型局域网系统的组网。

(3) 离网型局域网系统内电力电子设备多，过电流倍数较低，系统自身无惯性、易失稳，为提高局域网的抗冲击性能，建议系统DC/AC变流器的容量应基于考虑电机启动电流、变压器励磁涌流后的系统稳定性分析结果确定，可采取适当加大变流器容量，改变电机启动方式、限制变压器励磁涌流的方式提高系统稳定性。