光伏直流微网母线电压稳定控制-李圣清

电气传动2015年第45卷第3期光伏直流微网母线电压稳定控制李圣清，徐天俊，张彬，杨峻（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008）摘要：为了实现光伏直流微网母线电压的稳定控制，提出了一种分层协调控制方法，该方法通过设定合理的电压阈值，对直流母线电压变化量的控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。通过在并网过程中采用预同步控制和脱网过程中的电压电流双环控制以减小暂态电流冲击。利用Matlab/Simulink进行了仿真和实验验证，结果证明了该方法的有效性和可行性。关键词：直流微网；光伏发电；分层协调控制；母线电压；切换控制策略中图分类号：TM351文献标识码：ABusVoltageStableSontrolinthePhotovoltaicDCMicro⁃gridLISheng⁃qing，XUTian⁃jun，ZHANGBin，YANGJun（CollegeofElectricalandInformationEngineering，HunanUniversityofTechnology，Zhuzhou412008，Hunan，China）Abstract:InordertorealizebusvoltagestablecontrolinthephotovoltaicDCmicro⁃grid，proposedalayeredcoordinationcontrolmethodofDCbusvoltage.ThemethodwasbasedonthecontrolofDCbusvoltagevariationtocoordinatephotovoltaicbatteryenergystorageinterface，netsideinterfaceandtheinterfaceworkbysettingresonablethresholdvoltage，ensuredthatunderdifferentconditionscankeepthenetworkinactivepowerbalance.Duringtheon⁃gridandoff⁃gridprocess，switchingbetweenlayersforasmoothdesigntoreducethetransientcurrentimpaction.UsedMatlab/Simulinksimulationandexperimentalverification，theresultsverifytheeffectivenessandfeasibilityofthemethod.Keywords:DCmicro⁃grid；photovoltaicgeneration；hierarchicalcoordinatedcontrol；busvoltage；switchingcontrolstrategy基金项目：国家自然科学基金项目（51077046）；湖南省自然科学基金项目（2015JJ5009）；湖南省重点建设学科项目（201176）作者简介：李圣清（1961-），男，博士，教授，硕士生导师，Email：[e-mail]1引言微网是指将微型电源、负荷和储能装置结合在一起的电网形式，它作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行［1-4］。直流微网是以直流配电的形式，利用一条公共的直流母线将所有微电源连接起来的可控系统。相对于传统交流系统，直流微网因为具有高效节能、成本较低、控制简单及可靠性高等优点，得到了学术界和工业界的普遍关注。目前，已有相关文献针对微电网的稳定运行提出了相应的控制方法。文献［5］根据多微网之间的串联和并联组网结构，设计了串并联不同结构的多微网系统两级分层控制方案，针对多微网系统的联络线功率控制，并网和孤岛模式切换，提出串并联结构的多微网中央控制器间的协调配合策略。文献［6］以风电直流微网为例，在分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上，提出电压分层协调控制策略。该控制策略通过检测直流电压的变化量来协调各电力电子变流器的工作方式，从而确保ELECTRICDRIVE2015Vol.45No.348电气传动2015年第45卷第3期在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡。文献［7］建立了风电场中级联STATCOM的数学模型，分析其在4象限下的控制特性，提出有功功率均等分配来控制其各模块直流侧电压的平衡方法，通过控制其交流侧吸收的有功功率来控制其直流侧电压的大小。利用分层协调控制实现级联STATCOM的有功、无功调节，上层通过解耦实现总体控制，下层通过模块控制器实现有功功率均等分配控制。本文以光伏直流微网为例，针对直流微网电压稳定性问题，提出一种直流母线电压分层协调控制法，该方法通过对直流母线电压变化量的检测控制来协调蓄电池储能接口、网侧接口及光伏接口的工作方式，确保在不同工况下都能保持微网内的有功功率平衡，同时降低了成本，提高了可靠性。2光伏直流微网的结构光伏直流微网的典型结构图如图1所示，主要由PV发电、储能、负载及并网变流器4部分组成。其中，PV发电单元把太阳能直接转化为电能，并实现最大功率点跟踪，储能单元由蓄电池［8-10］组成，可实现能量双向流动。光伏接口单元后接负载，其连接方式与负载类型有关。网侧接口单元接入交流主网，通过电压型PWM变流器接入交流主网。3光伏直流微网的电压分层协调控制3.1分层协调控制方法按照直流微网的运行模式［8-10］，可将微网的工作状态分为孤岛运行及蓄电池接口放电状态、并网运行及网侧接口逆变状态、孤岛运行及光伏接口单元输出恒压状态。根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将母线直流电压分成3层，从而得到母线直流电压3层协调控制方法。该分层协调控制方法中的变换器既相互独立又互相协调配合，既节约了成本，又减少了干扰。通常情况下，取直流总线电压的标称值Udc为250V，变换器工作切换时电压模态变化量ΔUdc为4%Udc。如果ΔUdc取值过小，系统会因为采样误差和外部扰动而频繁切换导致误操作，影响微网的正常运行；如果ΔUdc过大，会使母线电压变化范围过大，动态响应不够灵敏，降低系统可靠性。为了便于分析，用Udci（i=1，2，3）表示不同层级下的直流母线电压参考值，为避免层间切换频繁，在切换点Udci处采用电压滞环控制方式，滞环电压即死区电压，范围为-1.5~1.5V。Ppv表示光伏发电输出功率，PLoad表示负载功率（包括蓄电池充电所需功率）。母线直流电压分层协调控制示意图如图2所示。3.2第1层控制该层控制下系统处于孤岛运行模式，Udc1=0.96Udc=240V，因为PpvPLoad，所以不足的电量需由蓄电池放电补充，此时蓄电池的放电电压未达到过电压，光伏发电单元的Boost变换器工作在MPPT状态，蓄电池Buck/Boost变换器工作在Boost状态，控制双向侧高压侧和反向电感电流，维持直流母线电压稳定。一般情况下，蓄电池储能单元剩余容量范围为40%~95%，当其下降到40%时，为了保护蓄电池，Buck/Boost双向变换器将停止工作，前级的Boost变换器仍然工作在MPPT状态，为了使直流母线电压保持稳定，需切掉一定的负载。进行完减载操作后，电网将恢复正常，由于光伏发电单元输出功率仍然小于负载功率，且Udc1低于网侧图1光伏直流微电网的典型结构Fig.1TypicalstructureofphotovoltaicDCmicrogrid图2母线直流电压分层协调控制方法Fig.2BusvoltageDChierarchicalcoordinatedcontrolmethod李圣清，等：光伏直流微网母线电压稳定控制49电气传动2015年第45卷第3期接口变换器整流直流电压给定值250V。孤岛模式下，母线电压控制常采用下垂控制法，采集母线输出电流控制电压为U*dc1=250-k1´Idc1（1）式中：U*dc1为直流母线参考电压，为240~250V；k1为第1控制层内下垂系数，k1=0.03/Idc-max，Idc-max为直流侧母线最大电流。由孤岛切换到并网运行时的冲击电流大小主要由微网与公共配电网之间电压偏差和相角偏差综合决定。因此采用预同步控制，可以减小并网合闸时的冲击，实现稳定和平滑切换，通过调节逆变器输出电压和相角跟踪外部电压和相角，可将电压和频率调到与网侧接口单元基本一致。控制框图如图3所示。图3中，Ugabc为网侧三相电压；Uiabc为逆变器三相电压；Ui为逆变器输出电压额定值；fi为额定频率；U′i和f′i分别为经过预同步控制调整后的电压和频率；ΔU0，Δf0分别为电压幅值误差和频率误差。电压幅值误差为DU0=(kp1+ki1s)(|Ug|-|Ui|)（2）式中：kp1，ki1为比例积分系数；|Ug|，|Ui|分别为电网和逆变器输出电压幅值。频率误差为Df0=(kp2+ki2s)(θg-θi)（3）式中：θg，θi分别为电网和逆变器输出电压相位；s为经拉普拉斯变换后复变量。3.3第2层控制当母线电压持续上升到Udc2=Udc=250V时，系统将切换到并网运行，网侧接口处于逆变状态，进入第2层控制。前级Boost变换器工作在MPPT模式，与母线电压保持在同一电位Udc2=250V状态，蓄电池处于放电状态。采用干扰观察法（perturbationandobservation，P&O）原理的MPPT算法连续追踪最大功率点电压，导致直流母线电压不断变化，影响后级DC/AC实现逆变和并网功能。为了保证逆变器的可靠运行，仍然需要对扰动的母线电压进行控制。由于前级DC/DC变换器在MPPT模式下无法维持输出电压恒定，因此，直流母线电压的稳定状态控制从光伏接口控制器自然过渡到网侧接口控制器。随着母线电压升高使得PpvPLoad，说明光伏阵列多余的输出功率未能及时馈送到电网，若要降低母线电压，只要增大输出电流即可。图4中，将A/D采样得到的太阳能电池阵列的输出电压Upv和电流Ipv与前一次电压和电流的采样值进行比较，根据MPPT控制算法调节DC/AC逆变器输出电流的幅值指令Iref，再将Iref与电网电压同步的单位正弦信号sinθ相乘得到逆变器输出指令Irefsinθ，然后将Irefsinθ与并网逆变器实际输出电流Iout的误差值经过内环电流控制器作用后，输出信号与固定频率的三角波比较后得到PWM控制信号，再经过驱动电路放大后去控制DC/AC逆变器的开关管。当系统由并网切换到孤岛运行状态时，层间切换的稳定性和平滑性由逆变器侧电压电流双环控制器进行调节。电压外环控制器主要用于维持电压稳定，通过采样滤波电感电流和滤波电容电压来控制逆变器输入电压，同时产生电流内环参考信号，内环控制器主要进行精细的调节，调节电流使输出电压跟踪参考电压值。使得逆变器动态响应加快，输出电流的谐波含量减小，实现稳定和平滑切换。3.4第3层控制若直流母线电压继续上升，直到Udc3=1.04Udc=260V，则系统进入第3层控制，微网与电网分离，进入孤岛运行模式。此时PpvPLoad。多余的能量聚集在直流母线上，导致直流母线电压升高，所以此时Boost变换器工作在恒压模式，蓄电池经过一段过渡时间后充电，将多余的能量储存起来，同时抑制不断上升的母线电压。极端情况下，若蓄电池充完电后还有剩余能量，则可对图3预同步控制框图Fig.3Pre⁃synchronizingcontrolblockdiagram图4网侧接口变换器控制框图Fig.4Controldiagramofnetworksideinterfaceconverter李圣清，等：光伏直流微网母线电压稳定控制50电气传动2015年第45卷第3期系统进行加载操作，因负载变化而引起直流母线电压变化时，仍然采用下垂法来保持母线电压稳定，但需要增加一个虚拟的输出阻抗环，实现负载功率的分配。直流母线参考电压为U*dc3=260-k3Idc3（4）其中k3=DU´Udc-minPp