孤岛直流微电网稳定控制策略研究

王慧圣,陶雅芸,全恒立

(国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095)

0 引言

构建新型电力系统是贯彻落实习总书记“3060”碳达峰碳中和目标的主要路径[1]。大力发展以光伏、风电为主要代表的可再生能源,提高可再生能源并网消纳率,是构建新型电力系统的主要方向[2-3]。然而,光伏、风电等可再生能源存在地理位置分散,输出功率具有随机性与间接性等问题[4],在并网时会造成电网电能质量下降,影响电网稳定运行。随着用户用电需求的改变,电力系统中储能、直流负荷等日益增加,采用传统交流方式传输电能则存在控制复杂、能量转换损耗较大等问题。直流微电网因其控制目标较单一、便于可再生能源接入以及满足用户直流用电需求等特点而受到越来越多的关注[5-9]。

直流微电网稳定运行的关键是母线电压的稳定与系统的功率平衡[10],针对微电网稳定运行的问题,大批专家学者进行了针对性的研究。文献[11]提出一种基于蓄电池与超级电容的混合储能控制策略,能够有效地稳定母线电压。文献[12]提出一种初级控制与次级控制结合的分散控制算法,有效保证了电压的稳定以及负载电流的精确分配。文献[13]提出一种虚拟直流电机的方法,抑制了电源和负荷变化引起的功率波动。文献[14]提出一种基于电压电流观测器的光伏与储能控制方法,维持了系统的能量平衡,保证了直流母线的稳定。文献[15]提出一种分层协调控制策略,可以解决源荷不确定性导致的系统功率不平衡问题,提高直流母线的稳定性。文献[16]针对系统功率不平衡导致的电压波动问题,提出了一种基于并网变换器与储能阈值的能量协调控制方法。

上述文献提出的方法都有效保证了直流微电网的稳定,但大多从能量平衡的角度进行分析,未考虑系统的动态响应时间。针对上述问题,本文设计了一种基于残差的扰动抑制策略,能够有效提高直流微电网在扰动情况下的动态响应时间,并在此基础上设计孤岛直流微电网上层能量管理策略。首先搭建孤岛直流微电网架构与底层控制结构,采用蓄电池来维持母线电压,采用光伏为系统电源,采用超级电容来吸收功率瞬时波动,保证系统平稳运行。然后基于全维状态观测器以及残差信息设计扰动补偿控制器,来维持直流母线电压的稳定。之后根据蓄电池的SOC 设计上层能量管理策略,保证系统的功率平衡。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对仿真结构与能量管理策略进行验证。

1 孤岛直流微电网架构

1.1 光伏系统结构与控制

孤岛直流微电网结构示意如图1所示。直流微电网系统中光伏系统结构拓扑如图2所示。图2中S 为开关管;LPV为电感值;rPV为电感内阻;CPV为电容值;ILPV为流过变换器的电感电流;UPV和IPV分别为光伏单元输出的电压和电流;UDC为直流母线电压。

图1 孤岛直流微电网结构示意

图2 光伏系统拓扑示意

光伏板通过Boost电路与直流母线连接,为保证光伏在并网工况下可以最大限度出力,在孤岛工况下可以限功率运行,光伏系统采用MPPT控制与恒功率控制,控制结构如图3所示,在不同工况下可以通过切换控制方式改变光伏系统的运行状态。图3中Uref为MPPT 输出电压参考值;Pref为功率环给定值;PPV为光伏单元输出功率值;Iref为电流环给定值;S为开关管的占空比。

图3 光伏系统控制结构

1.2 储能系统结构与控制

直流微电网系统中储能系统包括蓄电池系统与超级电容系统,蓄电池系统结构拓扑如图4所示。图4中Lbat为电感值;rbat为电感内阻;ILbat为流过变换器的电感电流;Cbat为电容值;S1、S2为开关管的占空比;U0为蓄电池出口电压。

图4 储能系统结构拓扑示意

蓄电池通过双向DC-DC变换器与直流母线连接,在孤岛工况下,储能系统主要功能为建立直流母线电压,保证系统稳定,因此储能系统采用恒压控制方式,控制结构如图5所示。图5中S1、S2分别为开关管的占空比。Urdc为恒压控制的给定值。

图5 储能系统控制结构

超级电容系统结构拓扑如图6所示。图6中Lsc为电感值;rsc为电感内阻;ILsc为流过变换器的电感电流;Csc为电容值。

图6 超级电容系统结构拓扑

超级电容通过双向DC-DC变换器与直流母线连接,在孤岛工况下,超级电容系统主要功能为吸收暂态功率波动,保证系统稳定,因此超级电容系统采用功率跟踪控制方式,控制结构如图7所示。图7中Pload为负荷功率值;Psc为超级电容单元的输出功率;Irsc为电流环给定值。

图7 超级电容系统控制结构

本文在上述孤岛直流微电网架构的基础上,设计一种协调控制架构,来保证孤岛直流微电网的电压稳定和功率平衡。

2 基于残差的扰动抑制控制策略

2.1 双向DC-DC变换器状态空间模型

以图4所示的储能系统拓扑图为基础。双向DC-DC变换器的状态空间表达式可用式(1)表示。

式中:Ag为状态矩阵;Bg为输入矩阵;Cg为输出矩阵;Eg为扰动矩阵;xg为系统状态变量;yg为系统的输出值;ug为系统的输入值;d为系统的扰动值。

选定电感电流与电容电压作为状态变量,因双向DC-DC变换器是一个非最小相位系统,因此需选取一个稳态工作点对其进行线性化,选取电感电流实际值与稳态值之差为状态变量,根据图4可得双向DC-DC变换器状态空间参数矩阵如式(2)所示,其输入矩阵、状态矩阵、输出矩阵以及扰动值为:xgi=[Udc-Udcw,ILbat-ILbatw]T;ugi=[S2-S2w];ygi=[Udc-Udcw];d=[Idc-Idcw];其中:Udcw、ILbatw、Idcw、S2w为稳态时对应的输出电压、电感电流、负载电流和开关管占空比。

2.2 基于残差的扰动抑制控制器求解

一个n维的线性定常系统的状态空间表达式为

式中:A为状态矩阵;B为输入矩阵;C为输出矩阵;E为扰动矩阵;x(s)为系统状态变量(s)为系统状态变量的导数;u(s)为系统输入量;d(s)为扰动输入量;y(s)为系统输出量。

以式(3)为基础,构建全维状态观测器,动态方程为

若系统中状态矩阵A的特征值中出现了不稳定的特征值,会使得系统状态变量与系统状态估计值之间的偏差逐渐增大,因此引入增益矩阵L来进行修正。

残差为实际系统输出量与估计值的差值,表达式为

式中:r(s)为残差。

系统受扰动影响的程度可以用残差来表示,当系统受到扰动影响时残差值不为0;如无扰动影响则无残差值。本文利用残差来设计扰动抑制控制策略。采用极点配置的方法来求解观测器增益矩阵L,联立式(3)—(5),可以得出残差表达式为

设计补偿控制器Q*(s),将残差r(s)输入至补偿控制器中进行扰动补偿,以图3、图4为基础设计了基于残差的扰动补偿结构,如图8 所示。图8中Kpv、K iv为电压环比例积分增益;Kpi为电流环比例增益;KPWM为PWM 等效增益;dw(s)为稳态时的扰动量;Ts为采样周期。

图8 基于残差的扰动抑制结构

当系统中出现扰动时,补偿控制器Q*(s)会根据残差信号迅速输出扰动补偿信号,经过电流内环进行扰动抑制补偿。根据图8可得其电流内环传递函数为

式中:k=Udc/U0。

采用极点配置的方法可计算出增益矩阵L是一个2×1的矩阵L=[l1,l2]T,以线性化之后双向DC-DC变换器状态空间模型为基础建立残差表达式并将其转化为传递函数形式,假设稳态时占空比S2w=0.5,残差表达式的传递函数为

联立式(7)-(8),对补偿控制器进行求解,如图9所示。

图9 补偿控制器求解

根据图9可得出双向DC-DC变换器补偿控制器的表达式为

式中:Gb=δs+1;δ为极小的补偿系数。

利用本文设计的补偿控制器可以在直流微电网系统中出现扰动时进行扰动抑制,从而保证直流微电网母线电压的稳定,在此基础上设计直流微电网能量管理策略,保证系统的功率平衡。

3 直流微电网能量管理策略

孤岛运行工况下,整个直流微电网系统依靠蓄电池来建立直流母线电压,因此孤岛工况下的能量管理策略首先要判断蓄电池的SOC,如图10所示,图中BSOC为蓄电池SOC的值。

图10 蓄电池SOC判断流程

在孤岛运行条件下,直流微电网能量管理策略主要包括三部分,分别为蓄电池BSOC≥80%、20%＜BSOC＜80%以及BSOC≤20%。

3.1 蓄电池B SOC≥80%时能量管理策略

当蓄电池BSOC≥80%时,能量管理策略如图11所示。图11中Pbat为蓄电池输出功率。

图11 蓄电池B SOC≥80%时能量管理流程

在此工况下,根据负荷功率与光伏发电功率、蓄电池功率的关系,分为3个模式:

1)PPV≥Pload时,此时光伏功率大于负荷用电功率,光伏恒功率运行,给定功率为负荷功率;

2)PPV≤Pload≤PPV+Pbat时,光伏MPPT 运行,蓄电池放电补足负荷缺额功率;

3)PPV+Pbat≤Pload时,此时蓄电池与光伏不足以支撑负荷用电,因此采取切负荷操作。

3.2 蓄电池20%＜B SOC＜80%时能量管理策略

蓄电池20%＜BSOC＜80%时,能量管理策略如图12所示。

图12 蓄电池20%＜B SOC＜80%时能量管理流程

在此工况下,根据负荷功率与光伏发电功率、蓄电池功率的关系,分为3个模式:

1)PPV＞Pload时,光伏MPPT 运行,蓄电池充电功率为Ppv-Pload;

2)Pload≤PPV+Pbat时,光伏MPPT 运行,蓄电池放电补足负荷缺额功率;

3)PPV+Pbat＜Pload时,此时蓄电池与光伏不足以支撑负荷用电,因此采取切负荷操作。

3.3 蓄电池B SOC≤20%时能量管理策略

蓄电池BSOC≤20%时,能量管理策略如图13所示。

图13 蓄电池B SOC≤20%时能量管理流程

在此工况下,根据负荷功率与光伏发电功率的关系,分为2个模式:

1)PPV＞Pload时,光伏MPPT 运行,蓄电池充电功率为PPV-Pload;

2)PPV≤Pload时,此时蓄电池与光伏不足以支撑负荷用电,因此采取切负荷操作。

4 仿真验证

采用PSCAD 进行仿真验证,根据图1搭建孤岛直流微电网,仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

直流母线电压UDC=750 V。设定蓄电池SOC为90%,负荷0.2 MW。设定在1 s时切入5 Ω 负荷,1.3 s时切出5Ω 负荷,在图5所示的传统双闭环PI控制与本文所提扰动抑制策略下的直流母线电压运行波形如图14所示。

图14 直流母线电压运行波行对比

由图14可知,在出现扰动后,相比于传统控制策略,本文提出的扰动抑制策略能够使直流母线电压经过0.05 s调节至稳态值,且波动的幅值相对较小。

负载投切时,会导致系统电压出现冲击,因此利用超级电容进行瞬时补偿。在系统电压出现冲击时,检测瞬时功率波动值并设定为超级电容的给定值,超级电容的补偿跟随效果如图15所示。

图15 超级电容功率补偿效果

由图15可知,超级电容能够快速跟踪系统的瞬时波动功率并进行补偿。假设在孤岛运行期间,光伏发电充足,蓄电池满容量,0.3 s时直流负荷从200 k W 升为400 k W,根据能量管理策略,光伏功率提升。光伏输出功率变化如图16所示。

图16 光伏输出功率变化

根据图16可知,光伏输出功率能够跟随负荷的变化而改变。假设在孤岛运行期间,光伏发电不足,蓄电池满容量,0.3 s时直流负荷从200 k W升为650 k W,此时光伏发出功率不足以满足负荷需求,蓄电池补足缺少功率,根据能量管理策略,光伏换为MPPT 运行。此时光伏输出功率为最大输出功率,蓄电池来补足缺少的功率。光伏和蓄电池的功率波形如图17、18所示。

图17 光伏功率波形

图18 蓄电池功率波形

假设在孤岛运行期间,光伏发电充足,蓄电池满容量不满,此时蓄电池充电,根据能量管理策略,光伏MPPT 运行,此时蓄电池充电,如图19、20所示。

图19 光伏发电充足时的光伏MPPT模式下运行输出功率

图20 光伏发电充足时的蓄电池充电功率

假设在孤岛运行期间,光伏发电不足,蓄电池满容量不满,设定第一级负荷400 k W,第二级负荷150 k W,此时负载消耗功率大于光伏额定功率,切除二级负荷,此时蓄电池充电,根据能量管理策略,光伏MPPT 运行且需切除负载。负荷单元、蓄电池与光伏功率如图21-23所示。

图21 光伏发电不足时的负荷单元运行功率

图22 光伏发电不足时的蓄电池充电功率

图23 光伏MPPT运行

5 结论

针对直流微电网的电压稳定与功率平衡问题,本文研究设计了一种基于残差的扰动抑制策略,并在此基础上根据蓄电池的SOC 设计孤岛直流微电网上层能量管理策略,通过PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型对仿真结构与能量管理策略进行实验验证,实验结果表明,本文设计的基于残差的扰动抑制策略能够有效保证直流微电网母线电压的稳定。而基于SOC 的上层能量管理策略能够有效维持直流微电网系统中各个单元的功率平衡。本文的研究成果对于未来离网直流制氢系统、楼宇光储直柔系统等的发展具有一定的推动意义。