近年來(lái)，直流微電網(wǎng)的研究和發(fā)展獲得國(guó)內(nèi)外眾多知名高校、大型企業(yè)、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。
以高校為例，日本東京工業(yè)大學(xué)、大阪大學(xué)等在2004年提出了一種雙極結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2007年美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計(jì)劃，主要為未來(lái)住宅和樓宇提供電力。
自2008年以來(lái)，歐盟開(kāi)展一項(xiàng)名為UNIFLEX (Universal and Flexible Power Management)的研究項(xiàng)目，研究通過(guò)新型功率變換技術(shù)適應(yīng)未來(lái)有大量分布式電源接入的歐洲電網(wǎng)的功率流動(dòng)管理。
2011年美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以直流供電為基礎(chǔ)用于構(gòu)建未來(lái)自動(dòng)靈活的可再生能源傳輸和管理網(wǎng)絡(luò)。在中國(guó)，直流微電網(wǎng)的研究剛剛起步。
由深圳供電局承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目“基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”于2013年正式啟動(dòng)，目前研究重點(diǎn)集中在以直流微電網(wǎng)為核心的低壓直流配電網(wǎng)方面。
由浙江省電力公司承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目“高密度分布式能源接入交直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”于2015年正式啟動(dòng)，項(xiàng)目主要圍繞高密度分布式可再生能源接入，重點(diǎn)攻克交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)架配置優(yōu)化、穩(wěn)定控制等理論與技術(shù)難點(diǎn)。
完善的穩(wěn)定控制策略是直流微電網(wǎng)在復(fù)雜運(yùn)行條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，同時(shí)也是上層(即能量管理和優(yōu)化調(diào)度層)各種運(yùn)行優(yōu)化策略的唯一實(shí)施途徑。本文結(jié)合未來(lái)直流微電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、運(yùn)行模式切換及穩(wěn)定性問(wèn)題等直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面分析和總結(jié)。
1直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨的關(guān)鍵問(wèn)題
1.1直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為適用于未來(lái)智能家庭、商業(yè)樓宇，以及工業(yè)園區(qū)的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中分布式電源、儲(chǔ)能單元及負(fù)荷均通過(guò)相應(yīng)DC-DC或DC-AC變流器接入直流母線，部分直流負(fù)荷可直接接入相應(yīng)電壓等級(jí)直流母線，若直流微電網(wǎng)可與大電網(wǎng)互聯(lián)，則通常通過(guò)雙向DC-AC變流器接入交流電網(wǎng)。隨著直流微電網(wǎng)容量和規(guī)模的不斷增大，受地域因素、供用電主體及功能性差異等影響，一定區(qū)域內(nèi)將可能形成多個(gè)直流微電網(wǎng)。為了能進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電可靠性和可再生能源發(fā)電能效，多個(gè)鄰近微電網(wǎng)將可能形成多微電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)成直流微電網(wǎng)群。多個(gè)直流微電網(wǎng)以集群的形式互聯(lián)和運(yùn)行，各子微電網(wǎng)間通過(guò)群能量調(diào)度與群協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)相互支撐控制。
1.2直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨的關(guān)鍵問(wèn)題
針對(duì)圖1，未來(lái)復(fù)雜直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制將主要面臨如下挑戰(zhàn)：
1)母線電壓控制問(wèn)題。直流微電網(wǎng)內(nèi)大量分散式的可再生能源發(fā)電單元、負(fù)荷等具有明顯的隨機(jī)波動(dòng)性，這類波動(dòng)功率尤其是短時(shí)功率沖擊將可能對(duì)直流母線電壓造成沖擊，若不采取合適的控制措施極易導(dǎo)致整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。
2)多源協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。隨著直流微電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為保證系統(tǒng)的可靠性，直流微電網(wǎng)內(nèi)多個(gè)DC-AC雙向變流器、分布式儲(chǔ)能單元、可控型分布式電源，甚至風(fēng)、光等分布式隨機(jī)間歇性電源，均有可能作為主電源主動(dòng)參與直流母線電壓調(diào)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)多源高可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制將是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究的難點(diǎn)。
3)多運(yùn)行模式切換問(wèn)題。通常直流微電網(wǎng)有3種工作模式：①聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式：即交流電網(wǎng)正常情況下，由交直流雙向變流器控制直流母線電壓恒定;②聯(lián)網(wǎng)限流模式：當(dāng)交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)之間的交換功率超過(guò)交直流雙向變流器的最大功率，或交流電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致交流母線電壓跌落，從而使雙向變流器輸出功率受限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)限流模式;③獨(dú)立運(yùn)行模式：直流系統(tǒng)徹底斷開(kāi)與交流電網(wǎng)的連接，由直流系統(tǒng)內(nèi)分布式電源或儲(chǔ)能單元控制直流母線電壓。如何利用較少的信息和低帶寬通信，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)直流母線電壓控制模式的平滑切換，是研究的重點(diǎn)。
4)穩(wěn)定性問(wèn)題。用戶側(cè)大量分布式接入的可再生能源發(fā)電單元、電動(dòng)汽車等負(fù)荷，均通過(guò)DC-DC等變流器接入直流微電網(wǎng)，具有明顯的恒功率負(fù)荷特性，且構(gòu)成了多變流器接入環(huán)境，其隨機(jī)性波動(dòng)功率不僅會(huì)給直流母線電壓帶來(lái)沖擊，還極易誘發(fā)系統(tǒng)諧振，影響直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性。
以下將從上述4個(gè)方面對(duì)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
2直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究現(xiàn)狀
2.1母線電壓控制
依據(jù)直流母線電壓穩(wěn)定控制方式不同，直流微電網(wǎng)可分為主從控制模式和對(duì)等控制模式。在主從控制模式下，直流微電網(wǎng)內(nèi)通常只有一個(gè)單元來(lái)控制直流母線電壓，見(jiàn)圖2(a)。直流微電網(wǎng)主從控制模式中控制直流母線電壓的單元稱為主控制單元，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性完全依賴于該控制單元，該單元一旦出現(xiàn)故障，將有可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)崩潰，因此主從控制模式可靠性較差。
通常主從控制結(jié)構(gòu)更適用于簡(jiǎn)單直流微電網(wǎng)，為解決復(fù)雜直流微電網(wǎng)母線電壓控制中對(duì)單一主控制單元的依賴，可以采用基于下垂和對(duì)等控制方式的多主控制單元結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2(b)。這些參與直流母線電壓控制的單元均稱為主控制單元，在控制上具有對(duì)等的地位，通常選擇P - Udc下垂控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等控制策略。每個(gè)主控制單元均只依賴于自身的輸出功率和本地直流電壓等信息進(jìn)行控制，共同承擔(dān)直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源輸出功率波動(dòng)或負(fù)荷擾動(dòng)。與主從控制模式相比，在對(duì)等控制模式中采用下垂控制的交直流變流器接口或分布式電源可以自動(dòng)參與輸出功率的分配，易于即插即用。
以上從直流微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)控制層面分析了主從控制和對(duì)等控制2種直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略。不管采用何種控制策略，直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源輸出功率波動(dòng)或負(fù)荷的擾動(dòng)均由直流母線電壓控制單元來(lái)平衡。在系統(tǒng)遭遇大擾動(dòng)沖擊下，有可能導(dǎo)致直流母線電壓過(guò)壓或欠壓保護(hù)動(dòng)作，因此對(duì)直流母線電壓控制單元來(lái)說(shuō)，具備強(qiáng)魯棒性和抗擾能力的直流母線電壓控制策略對(duì)于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及直流負(fù)載供電質(zhì)量的保證十分關(guān)鍵。為提高抗擾能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，基于擾動(dòng)電流或功率前饋的直流母線電壓/電流雙環(huán)控制方法得到廣泛應(yīng)用。為消除基于公共直流母線的光/儲(chǔ)直流微電網(wǎng)內(nèi)暫態(tài)下直流母線電壓沖擊和波動(dòng)，文獻(xiàn)[14-15]提出基于穩(wěn)態(tài)功率平衡和動(dòng)態(tài)一階微分環(huán)節(jié)相結(jié)合的前饋補(bǔ)償方法。當(dāng)主電源變流器采用電流或功率擾動(dòng)前饋控制進(jìn)行直流母線電壓控制時(shí)，如果需要通過(guò)額外的電流傳感器實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)中的擾動(dòng)功率信息，則不利于直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源或負(fù)荷的擴(kuò)展和即插即用。如何快速跟蹤直流側(cè)各分布式電源的輸出功率突變等沖擊或擾動(dòng)信息，成為直流母線電壓控制的關(guān)鍵。為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[10-11]提出基于現(xiàn)今值狀態(tài)觀測(cè)器的測(cè)量方法來(lái)設(shè)計(jì)最小拍觀測(cè)器，對(duì)擾動(dòng)電流進(jìn)行虛擬測(cè)量。但上述觀測(cè)方法基于純微分操作，對(duì)高頻干擾信號(hào)敏感。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)出一種非線性干擾觀測(cè)器，能夠利用本地直流母線電壓及主電源變流器瞬時(shí)輸出功率信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線上功率擾動(dòng)的快速跟蹤，在此基礎(chǔ)上采用前饋控制能夠同時(shí)提高直流母線電壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
直流微電網(wǎng)母線電壓控制是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，在對(duì)等控制模式下，上述文獻(xiàn)所提出的抑制直流母線電壓沖擊的控制方法是否仍然有效，均未進(jìn)行深入研究和探討。
2.2直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制
圖2(b)所示直流微電網(wǎng)，盡管采用對(duì)等和下垂控制方式，仍將面臨如下主要問(wèn)題，下面以圖3所示簡(jiǎn)單直流微電網(wǎng)為例進(jìn)行分析和說(shuō)明。
圖3(a)所示為簡(jiǎn)單的兩機(jī)并聯(lián)帶負(fù)荷運(yùn)行示意圖，兩分布式電源均采用電壓—功率下垂控制方式;
圖3(b)所示為兩分布式電源的下垂控制特性曲線，設(shè)定下垂曲線①和②分別為變流器1和變流器2下垂控制特性曲線，即兩變流器理論上應(yīng)該按照這兩條曲線設(shè)定的方式共同承擔(dān)直流微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷消耗。如果在不考慮線路阻抗因素影響的情況下，兩變流器輸出的最終穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)，滿足P1a+P2b=Po，且直流母線電壓(兩變流器輸出電壓與負(fù)荷側(cè)直流母線電壓均相同)穩(wěn)定在U 1a=U 2b。如果考慮線路阻抗因素，則兩變流器的實(shí)際運(yùn)行特性曲線有可能分別變化為③和④，在負(fù)荷功率消耗不變的情況下，兩變流器輸出的最終穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)分別偏移至C點(diǎn)和D點(diǎn)。
綜上分析可知：
①由于下垂特性，直流系統(tǒng)內(nèi)母線電壓隨系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)變化而變化，會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷供電電能質(zhì)量造成一定的影響，如果考慮線路阻抗因素，直流母線電壓穩(wěn)態(tài)偏差更大;
②本應(yīng)按照理想的下垂設(shè)定曲線進(jìn)行功率分配，但實(shí)際中如果考慮線路阻抗因素影響，各單元輸出功率分配會(huì)受到影響，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致某些單元輸出重載或過(guò)載，威脅系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們引入適用于直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略。不失一般性，本文將用圖4～圖6所示的直流微電網(wǎng)示意圖來(lái)說(shuō)明和分析問(wèn)題，直流微電網(wǎng)中主控制單元(如交直流接口DC-AC雙向變流器、儲(chǔ)能單元或可控型分布式電源等)簡(jiǎn)化成多個(gè)分布式電源變流器，其余部分簡(jiǎn)化成本地負(fù)荷，直流微電網(wǎng)中包含多段直流母線，且通過(guò)線路阻抗相連。目前，對(duì)于直流微電網(wǎng)的多源協(xié)調(diào)控制策略的研究主要可以分為以下3類。
2.2.1 集中通信控制
在直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中包含一個(gè)微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)，檢測(cè)直流母線電壓以及參與直流母線電壓調(diào)節(jié)的各單元輸出功率，然后進(jìn)行相應(yīng)的電壓恢復(fù)和均流控制，通過(guò)集中的低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)與參與下垂控制的各分布式電源或交直流接口變流器的直流母線電壓控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，調(diào)整其下垂曲線設(shè)定點(diǎn)等控制參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制目的，見(jiàn)圖4。這種控制手段的最大缺陷就是如果直流微電網(wǎng)二次集中控制器出現(xiàn)故障，直流微電網(wǎng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制功能。
2.2.2 集中通信與分布式控制
為解決集中式二次控制所帶來(lái)的問(wèn)題，Josep等人提出圖5所示的集中通信與分布式控制的協(xié)調(diào)控制策略。該方法中，進(jìn)行二次協(xié)調(diào)的控制器嵌入至各單元的本地控制系統(tǒng)當(dāng)中，而不是由圖4所示的集中控制器來(lái)進(jìn)行控制。各分布式電源控制系統(tǒng)從低帶寬通信網(wǎng)絡(luò)接收到的信息不再類似由集中控制器下發(fā)的控制調(diào)整參考指令，而是直流微電網(wǎng)內(nèi)其余各分布式電源出口電壓、輸出功率等信息。雖然協(xié)調(diào)控制同樣依賴于全局通信，但協(xié)調(diào)控制算法在分布式電源或儲(chǔ)能單元的本地控制系統(tǒng)當(dāng)中執(zhí)行，因此相比于集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該方法的可靠性將得到提高。
上述研究中提出的協(xié)調(diào)控制策略，每個(gè)參與直流母線電壓控制的分布式電源的二次控制系統(tǒng)均需要接收到直流微電網(wǎng)內(nèi)其余各分布式電源的輸出電壓、電流信息，即需要全局通信。即在直流微電網(wǎng)第二層控制中，每個(gè)分布式電源變流器的二次控制器均需要從其他變流器控制系統(tǒng)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以便進(jìn)行相關(guān)二次控制算法，為一次直流母線電壓控制系統(tǒng)提供參考量。該方法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求較高，且隨著直流微電網(wǎng)規(guī)模增大，通信網(wǎng)絡(luò)的壓力也會(huì)增加，可能會(huì)影響二次協(xié)調(diào)控制性能。
2.2.3 分布式協(xié)同控制
分布式協(xié)同控制(distributed coordination control)，是指自主控制單元憑借自身或者鄰近單元信息，更新自身狀態(tài)，從而共同完成更為復(fù)雜的任務(wù)。受此啟發(fā)，文獻(xiàn)[23-25]進(jìn)行了基于分布式協(xié)同控制框架的直流微電網(wǎng)電壓恢復(fù)和均流控制策略研究，每個(gè)分布式電源均只與鄰近節(jié)點(diǎn)通信，其基本控制框架見(jiàn)圖6。上述文獻(xiàn)提出基于動(dòng)態(tài)一致性算法(distributed consensus algorithms)，其思想是每個(gè)節(jié)點(diǎn)均只與鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后基于這些信息進(jìn)行分布式協(xié)同控制，最后實(shí)現(xiàn)全局趨近控制目標(biāo)。
分布式協(xié)同控制已經(jīng)成為控制理論方面一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，且已應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如群集、聚集、蜂擁、編隊(duì)控制、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)的用塞控制、無(wú)人駕駛航空器的協(xié)同控制及姿態(tài)協(xié)調(diào)等。在未來(lái)復(fù)雜直流電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中，分布式協(xié)同控制策略不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值和學(xué)術(shù)意義，也具有一定的實(shí)際推廣和應(yīng)用前景。分布式協(xié)同控制在直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中的研究才剛剛起步，還有很多問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究和探討，從目前出版的文獻(xiàn)和報(bào)道來(lái)看，國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展相關(guān)方面的研究。因此，亟需深入研究能適用于未來(lái)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制需求的分布式協(xié)同控制理論體系。
2.3直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換
上述分析中指出直流微電網(wǎng)存在多種運(yùn)行模式：聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、限流運(yùn)行以及獨(dú)立運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式平滑切換，也是直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究的重點(diǎn)之一。
目前，直流微電網(wǎng)多運(yùn)行模式切換主要可采用集中式控制和分布式控制2種策略。其中，在集中式控制結(jié)構(gòu)中，直流微電網(wǎng)通過(guò)中央控制器，依靠高速通信實(shí)時(shí)收集底層各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)下發(fā)相應(yīng)控制指令或運(yùn)行模式切換控制指令。這種控制結(jié)構(gòu)對(duì)中央控制器和集中通信的要求較高，一旦二者中某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致直流微電網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因此該控制結(jié)構(gòu)會(huì)降低直流微電網(wǎng)的供電可靠性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性。
分布式控制結(jié)構(gòu)中通常無(wú)需依靠設(shè)備之間的通信，只需要利用本地的信息就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自我控制和自我管理。直流母線電壓作為反映直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，常被作為系統(tǒng)的公共信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)內(nèi)不同單元之間的輸出功率協(xié)調(diào)控制。上述文獻(xiàn)均提出以直流母線電壓為控制信號(hào)的直流微電網(wǎng)能量管理和協(xié)調(diào)策略，主要思想是通過(guò)檢測(cè)直流微電網(wǎng)母線電壓的變化量來(lái)決定系統(tǒng)中各接口變流器的工作模式(見(jiàn)圖7)，無(wú)需相互通信，使直流微電網(wǎng)具備“即插即用”功能。
上述文獻(xiàn)中提出的基于公共直流母線電壓變化信號(hào)的直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換控制方法，各單元控制系統(tǒng)需要在功率控制模式和電壓控制模式之間進(jìn)行切換，往往需要增加參考補(bǔ)償才能保證控制系統(tǒng)和運(yùn)行狀態(tài)平滑切換;而且由于預(yù)先設(shè)置好下垂控制曲線，無(wú)法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整多個(gè)功率平衡單元(尤其是儲(chǔ)能單元)之間的功率合理分配。
2.4直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題
直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)從不同方面對(duì)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性課題展開(kāi)了深入的研究。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題主要可以分為以下2類。
1)由變流器負(fù)載(即恒功率負(fù)荷)與弱阻尼LC濾波器之間級(jí)聯(lián)所引起的高頻振蕩。
直流微電網(wǎng)中，大量分布式接入的可再生能源發(fā)電單元、電動(dòng)汽車等負(fù)荷，為了提高其輸出功率或充放電功率控制靈活性及滿足不同直流電壓等級(jí)需求，一般通過(guò)變流器接入，具有明顯的恒功率負(fù)荷特性，且構(gòu)成了多變流器接入環(huán)境。為保證負(fù)載變換器穩(wěn)定工作，同時(shí)減少電磁干擾噪聲，通常在負(fù)載變換器的前級(jí)都會(huì)加入輸入濾波器，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。恒功率負(fù)荷表現(xiàn)出負(fù)阻抗特性，會(huì)減小系統(tǒng)阻尼，當(dāng)系統(tǒng)中恒功率負(fù)荷變化時(shí)，其與弱阻尼LC濾波器之間相互影響，容易引起諧振。文獻(xiàn)[37]研究指出直流微電網(wǎng)中多電力電子變流器環(huán)境以及恒功率負(fù)荷呈現(xiàn)的負(fù)阻抗特性易降低系統(tǒng)阻尼，誘發(fā)系統(tǒng)諧振，且諧振頻率會(huì)隨著負(fù)荷或分布式電源的接入容量、位置或數(shù)量的變化而發(fā)生變化，會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響，對(duì)系統(tǒng)的諧振抑制和阻尼控制等是一大挑戰(zhàn)。
2)由下垂控制參數(shù)選擇不當(dāng)引發(fā)的低頻振蕩。
上述研究討論的均是由恒功率負(fù)荷及弱阻尼LC濾波環(huán)節(jié)之間相互影響引起的高頻振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。為提高系統(tǒng)供電可靠性和滿足分布式電源、儲(chǔ)能或交直流系統(tǒng)接口變流器的即插即用要求，直流配電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)通常采用基于下垂控制方式的直流母線電壓控制策略。
文獻(xiàn)[38-39]對(duì)基于下垂控制方法的直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[38]忽略直流母線電壓控制及直流母線電容的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)恒功率負(fù)荷建模進(jìn)行化簡(jiǎn)，基于節(jié)點(diǎn)電壓方程建模方法，建立了用于分析下垂控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的直流微電網(wǎng)降階數(shù)學(xué)模型，分析了線路阻抗參數(shù)、下垂控制參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得出了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件，有利于對(duì)直流微電網(wǎng)下垂控制參數(shù)選擇進(jìn)行指導(dǎo)，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的簡(jiǎn)化建模方法能夠有效分析由下垂控制參數(shù)選擇不當(dāng)引發(fā)的低頻振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。
文獻(xiàn)[39]針對(duì)圖9所示的包含下垂控制直流電源、恒功率負(fù)荷、線性負(fù)荷、MPPT控制的分布式電源，以及基于公共直流母線的直流微電網(wǎng)，建立了忽略直流母線電壓環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的二階簡(jiǎn)化電路模型?；谠撃Ｐ?，詳細(xì)分析了在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，下垂控制參數(shù)、直流母線電容、線性負(fù)荷及恒功率負(fù)荷的充要關(guān)系，有利于指導(dǎo)直流微電網(wǎng)運(yùn)行。
在直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題研究中，大部分學(xué)者主要關(guān)注恒功率負(fù)荷引起的穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)于由多變流器環(huán)境導(dǎo)致的直流微電網(wǎng)失穩(wěn)機(jī)理和諧振抑制措施尚缺乏深入研究。
3直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究展望
3.1直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究展望
3.1.1 電壓平衡器的應(yīng)用
在未來(lái)直流微電網(wǎng)中，為進(jìn)一步提高直流供電系統(tǒng)利用率和供電靈活性，以適應(yīng)不同電壓等級(jí)分布式電源、儲(chǔ)能及負(fù)荷接入，可采用雙極性三線制供電結(jié)構(gòu)。根據(jù)中線的出線形式不同，雙極性三線制供電系統(tǒng)主要有圖10(a)、圖10(b)2種。圖10(a)中，直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)互聯(lián)端口采用2個(gè)相同容量的雙向DC-AC變流器[見(jiàn)圖a)]，或者直流系統(tǒng)中2個(gè)儲(chǔ)能單元通過(guò)DC-DC變流器[見(jiàn)圖b)]，二者共一極直流母線，直流系統(tǒng)內(nèi)部形成2個(gè)獨(dú)立供電回路，該結(jié)構(gòu)主要用于HVDC(高壓直流輸電)系統(tǒng)中，用于提高輸電系統(tǒng)可靠性;圖10(b)中，通過(guò)直流母線電壓平衡器或直流母線電容中點(diǎn)引出中線，該結(jié)構(gòu)常用于LVDC(低壓直流供電)系統(tǒng)中。
在圖10所示三線制直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，基于電壓平衡器的拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)更明顯：
①圖10(a)所示結(jié)構(gòu)本質(zhì)上為2個(gè)相互獨(dú)立的直流供電回路，從理論上說(shuō)可靠性最高，但需要2套變流器，成本更高;
②直接從電容中線引出直流中線，在正負(fù)極間分布式電源或負(fù)荷不平衡的情況下，則無(wú)法保證直流正負(fù)母線電壓平衡，而采用電壓平衡器后則能有效解決該問(wèn)題。
在未來(lái)含電壓平衡器的雙極三線制直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，直流母線電壓控制與電壓平衡器之間的協(xié)調(diào)控制和相互影響將是值得研究的方向之一。
3.1.2 隔離型雙向DC-DC變流器的應(yīng)用
對(duì)于圖1所示復(fù)雜直流微電網(wǎng)(或多直流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)群)，如何進(jìn)行互聯(lián)及相互支撐控制將是決定其是否能高效可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。按傳統(tǒng)思路，通常可以采用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)(如直流斷路器等)用于直流微電網(wǎng)之間的互聯(lián)，優(yōu)勢(shì)是成本低、聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)損耗小。為實(shí)現(xiàn)多直流微電網(wǎng)之間可靠互聯(lián)、電氣隔離及靈活支撐等功能，可采用隔離型雙向全橋DC-DC變流器(DAB)代替普通聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，作為多直流微電網(wǎng)之間的互聯(lián)裝置，見(jiàn)圖11(a)。一類典型隔離型雙向DC-DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11(b)，該隔離型雙向DC-DC變流器的優(yōu)點(diǎn)是：①高頻變壓器一方面通過(guò)電氣隔離使系統(tǒng)獲得更高的可靠性，另一方面取代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，降低了系統(tǒng)的尺寸和重量，提高了功率密度;②高頻隔離變壓器一/二次變比根據(jù)互聯(lián)直流微電網(wǎng)電壓等級(jí)可靈活選擇;③能量能夠雙向流動(dòng)，控制方式靈活。DAB的引入將徹底改變直流微電網(wǎng)群的供電方式，避免普通聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的安全隱患，可極大提高直流微電網(wǎng)群相互支撐控制的實(shí)時(shí)性與快速性。
在未來(lái)含隔離型雙向DC-DC變流器的復(fù)雜直流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)中，多直流微電網(wǎng)互聯(lián)及相互支撐控制將是值得研究的方向之一。
3.2天津大學(xué)智能直流配用電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
3.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)描述
為構(gòu)建未來(lái)更為安全、高效的智能直流微電網(wǎng)提供理論和技術(shù)支撐，天津大學(xué)已建成圖12所示智能直流配用電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可滿足驗(yàn)證直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)、交直流相互支撐、能量管理、電能質(zhì)量綜合治理技術(shù)、故障快速保護(hù)技術(shù)及其他各種高級(jí)應(yīng)用的需要。
圖12所示的智能直流配用電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要特點(diǎn)如下：
1)該系統(tǒng)為多端環(huán)狀結(jié)構(gòu)，直流配用電系統(tǒng)通過(guò)兩端雙向DC-AC變流器與交流電網(wǎng)互聯(lián)，交/直流系統(tǒng)之間允許存在能量雙向流動(dòng)以相互支撐;
2)每個(gè)交直流接口雙向DC-AC變流器經(jīng)電壓平衡器后接入雙極三線制直流配用電系統(tǒng)，直流母線電壓等級(jí)正負(fù)極間電壓為400V;
3)系統(tǒng)中共含有6段直流母線，母線2與母線3，母線5和母線6之間均通過(guò)隔離型雙向DC-DC變流器作為互聯(lián)裝置，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)狀直流微電網(wǎng)柔性互聯(lián)，其余母線均通過(guò)模擬線路相連;
4)每段直流母線均含有5個(gè)分布式電源或負(fù)荷接入點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇分布式電源或負(fù)荷等的接入位置，當(dāng)前直流微電網(wǎng)內(nèi)含有模擬光伏和模擬儲(chǔ)能，均由直流源模擬電源進(jìn)行模擬，模擬電源和負(fù)荷均通過(guò)相應(yīng)DC-DC變流器接入直流微電網(wǎng)內(nèi)。
圖13所示為智能直流微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成部分，包括相應(yīng)直流母線、線路、模擬電源及相應(yīng)分布式電源變流器等裝置。基于該平臺(tái)，可對(duì)直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、多運(yùn)行模式切換及直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題、電壓平衡及多直流微電網(wǎng)相互支撐控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，可對(duì)電壓平衡器、隔離型雙向DC-DC變流器、交直流雙向DC-AC變流器等直流微電網(wǎng)關(guān)鍵裝置進(jìn)行功能測(cè)試。
3.2.2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1)直流母線電壓控制。
直流微電網(wǎng)為直流負(fù)荷供電，模擬光伏出力保持在2.5kW左右，暫態(tài)情況為模擬電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)DC-DC電路從待機(jī)模式切換為35A放電控制，由雙向DC-AC變流器控制直流母線電壓，分別采用常規(guī)控制和基于非線性干擾觀測(cè)器的直流母線電壓控制，實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖14(a)、圖14(b)。
常規(guī)控制方式下，模擬儲(chǔ)能單元從待機(jī)切換至30A放電控制，使直流母線電壓沖擊至787V左右，極易造成直流微電網(wǎng)過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，且恢復(fù)至750V額定參考值的時(shí)間大約為0.2s。在采用基于非線性干擾觀測(cè)器的直流母線電壓控制后，直流母線電壓波動(dòng)最大值降低至755V，減少了32V，且調(diào)節(jié)時(shí)間縮短至30ms左右。
2)多源協(xié)調(diào)控制。
直流微電網(wǎng)內(nèi)2臺(tái)交直流雙向DC-AC均采用基于下垂控制方式的直流母線電壓控制策略，暫態(tài)情況為直流模擬電源通過(guò)DC-DC變流器從輸出800W突變至200W放電。圖15(a)所示為DC-DC輸出為800W時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形，從圖中可以看出2臺(tái)DC-AC變流器均流效果良好。圖15
(b)所示為DC-DC輸出800W突變至200W時(shí)的暫態(tài)波形，從圖中可以看出2臺(tái)DC-AC變流器在暫態(tài)過(guò)程中的均流效果和直流母線電壓控制效果良好。圖15所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明下垂控制策略在直流微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制中具有良好的應(yīng)用前景。
3)電壓平衡器應(yīng)用。
直流微電網(wǎng)內(nèi)正負(fù)極間接入不平衡負(fù)荷，若不投入電壓平衡器，直流母線正—零極和負(fù)—零極電壓將可能出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡，見(jiàn)圖16。
在t0時(shí)刻電壓平衡器投入工作，從圖中可以明顯看到，直流微電網(wǎng)正—零極和負(fù)—零極間的電壓能夠迅速實(shí)現(xiàn)平衡，有效提高三線制直流微電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。圖16所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓平衡器在雙極三線制直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制中具有良好的應(yīng)用前景。
4結(jié)語(yǔ)
本文全面分析了直流微電網(wǎng)母線電壓控制、多源協(xié)調(diào)控制、運(yùn)行模式切換及穩(wěn)定性問(wèn)題等直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀與不足;對(duì)電壓平衡器及隔離型雙向DC-DC變流器等電力電子裝置在未來(lái)直流微電網(wǎng)中應(yīng)用和控制進(jìn)行了展望;最后介紹了天津大學(xué)智能直流配用電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于該平臺(tái)對(duì)相關(guān)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文期望能夠?qū)ξ磥?lái)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提供思路和借鑒。
原標(biāo)題:【干貨】直流微電網(wǎng)穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)研究
