-海岛光储直流微电网自治控制策略

第39卷第4期电网技术Vol.39No.42015年4月PowerSystemTechnologyApr.2015文章编号：1000-3673（2015）04-0886-06中图分类号：TM711文献标志码：A学科代码：470·4054海岛光储直流微电网自治控制策略毕大强1，范柱烽2，解东光2，任先文2（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市海淀区100084；2．东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012）AutonomousControlStrategyofIslandDCMicrogridWithPhotovoltaicandStorageSystemBIDaqiang1,FANZhufeng2,XIEDongguang2,RENXianwen2(1.StateKeyLabofControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipments(Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity),HaidianDistrict,Beijing100084,China;2.SchoolofElectricalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,JilinProvince,China)ABSTRACT:AnautonomouscontrolisproposedforDCislandmicrogridwithphotovoltaicgenerationandstoragesystembasedontheDCbusvoltagecontrol.TheoperationofsystemiscategorizedintoseveraldifferentmodesbymonitoringtheamplitudeofDCbusvoltage.TheDCbusvoltageamplitudeisemployedasaninformationcarriertodeterminetheoperationmodeswitching.Hence,eachcontrolleroperatesindependentlywithoutcommunicatingeachother.EachpowerelectronicconvertercoordinatesitscontrolmethodtomaintaintheconstantofDCbusvoltageunderdifferentmodes.Acontrolstrategyfordesalinationplantinthesystemisproposed,whichwillbeswitchedonwhenthepowerisexcessandswitchedoffwhenthepowerisshortage.Experimentalresultsshowthatthiscontrolstrategyrealizesthesmoothtransitionbetweenthedifferentmodes,whichverifiesthepracticalfeasibilityandeffectivenessoftheproposedcontrolstrategy.KEYWORDS:DCmicro-grid;photovoltaic/battery;DCbusvoltage;autonomouscontrol摘要：针对海岛光储直流微电网系统，设计了一种基于电压幅值的控制策略。以直流母线电压幅值为判定基准，将控制策略设置成不同模式。利用直流母线电压变化量作为系统模式的切换基准，无需控制器间进行通信连接，提高了系统的自治性、可靠性与经济性。在不同模式中合理调节变流器的工作方式，维持直流母线电压恒定，实现能量最优利用和系统稳定工作。针对海岛淡水短缺问题，设计了可控海水淡化负荷的投切控制，在改善海岛内的淡水供应的同时，辅助系统功率调节。实验结果实现了工作模式的平滑切换，验证了提出方法的有效性和正确性。基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2012AA051201)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863Program)(2012AA051201).关键词：直流微电网；光储；直流母线电压；自治控制DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.0020引言我国有着漫长的海岸线，拥有面积大于500m2的海岛6961个[1]。长期以来海岛的发展受到电力能源供应的严重制约。由于大多数海岛远离大陆，若采用长距离海底电缆与大电网相连，由大电网向海岛供电的方式，不仅经济成本高，而且供电可靠性低，一旦海缆出现故障或被损坏，很难保证海岛居民的持续供电。因此，目前这些远离大陆的海岛大多数是以柴油发电组成的独立供电系统[2]。但随着近年来海岛经济的不断发展，对电力需求不断加大，传统上依靠柴油发电为主的供电模式从经济方面和生态环境方面都不再适用于现今的海岛电网建设。由于大多数海岛及周围拥有丰富可再生能源如太阳能，通过构建高效清洁的海岛能源体系，特别是大力发展海岛微电网，不仅能够解决海岛化石燃料短缺、运输困难等问题，对保护海洋环境、促进节能减排也具有重要的意义[3]。围绕着小型独立微网系统中多分布式电源的协调控制和能量管理技术，国内外学术界和工程界开展了大量研究，并建设了多个具有代表性的示范工程。目前针对微网控制的研究多采用主从控制方式且由于微网变流器较为分散，主从控制器之间多依靠通信进行联系[4-7]，一旦通信失败，将导致微网不能正常运行。电压是判定系统功率是否平衡的重要指标且为主从控制器能够检测到的共同指标，通过检测电压是否恒定可以判定系统功率是否平衡从而据此第39卷第4期电网技术887相应改变控制策略。利用直流母线电压变化量作为主从控制器控制策略的切换基准可以不需要主从控制器间进行通信连接，提高了系统的可靠性与经济性。文献[8]提出以直流电压变化量为判定基准的电压分层协调控制策略，各变流器独立工作，无需相互通信，可简化控制系统结构，使直流微网具备“即插即用”功能。但文献侧重点为以风储为微源的微网控制且只对控制策略进行仿真分析，并没有进行实验验证，缺乏控制策略可靠性的验证。文献[9]提出一种以直流总线电压作为控制信号的直流独立电网系统能量管理策略。但是，该方法忽略了储能电池满电荷状态以及负荷重载状态下直流母线过低可能导致系统崩溃。文献[10]针对负荷重载工况下通过卸荷维持系统功率平衡，但依然没有考虑储能电池处于满电荷状态下的情形。文献[11]提出一种改进的基于直流总线电压信息的能量变换与管理方法，使得系统在极端条件下，如孤岛运行蓄电池满电荷状态仍能达到功率平衡。但没有考虑系统负荷重载工况下直流母线电压过低的工况以及在系统运行过程中可能导致的工作方式频繁切换的问题，同时微网内只设置直流负荷也不适用于当前供电方式。针对上述问题，本文基于直流母线电压幅值设计了针对海岛光储微网的控制策略，以直流母线电压幅值为判定基准，将控制策略设置成不同模式，在不同模式中合理调节变流器及负荷的工作方式，维持直流母线恒定，实现能量最优利用和系统稳定工作。1海岛微网系统结构本文建立了适用于海岛供电的自治型光储直流微网系统如图1所示。系统由光伏系统、储能系统、变流器、交流负荷Load1、直流负荷Load2、可控负荷Load3、可控负荷切并网开关KM组成。光伏电池出端电压较低且存在较大的波动性，选择升压Boost型DC/DC变换器，实现升压、稳压及最大功率跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)功能[12]。储能电池根据并网变流器的直流电压范围和储能系统的设计容量通过一定的串并联连接后，经变流器并网[5]。光伏系统与储能系统在直流母线上汇流后，通过光储协调控制维持直流母线电压恒定。能量消耗单元包括直流负荷、交流负荷和可控负荷。可控负荷可用来模拟海岛微网内的海水淡化负荷，通过对可控海水淡化负荷的投切控制，改善海岛内的淡水供应并辅助系统功率调节。直流负荷Boost光伏电池DC/ACload1load3(可控)双向DC/DC直流母线PpvPbatPload3Pload1load2KMPload2电池Ppv—光伏输出功率；Pbat—储能输出功率，储能放电时功率为正；Pload1—交流负荷功率；Pload2—直流负荷功率；Pload3—可控负荷功率。图1光储微网系统结构Fig.1Structureofphotovoltaic/batterymicro-gridsystem可以直接或经单向DC/DC变换器与直流母线相连。交流负荷则经过DC/AC变换器与直流母线相连并通过对DC/AC变换器进行恒压恒频(V/f)控制维持交流负荷电压频率的恒定。2系统运行控制系统运行控制主要包括光伏系统运行及控制、储能系统运行及控制和海水淡化系统运行及控制。系统正常运行时，光伏电池进行最大功率跟踪控制，储能电池维持直流母线电压恒定。当负载轻载，储能电池达到充电功率上限后，海水淡化负荷投入；若直流母线电压继续向上跃升，光伏电池转为恒压控制。当负载重载，储能电池达到放电功率上限后，则进行卸荷控制，切除海水淡化负荷。2.1光伏系统运行及控制光伏系统控制原理如图2所示。由于光伏电池输出电压较低，本文采用单向DC/DC变换器升压后与直流母线连接。光伏系统变流器主要存在MPPT控制和恒压控制2种方式。1）MPPT控制。当光伏系统启动后，以微小的电压波动不断扰动阵列的输出电压，在电压变化的同时，检测功率变化的方向，从而确定寻优方向，决定下一步电压参考值的大小[13]，使变流器工作在单向DC-DC变换器IpvL1iLQ1IpvUpvMPPT直流母线Upv+PIPWMPV+UdcMPPT控制恒压控制dcUpvUUpv—光伏电池输出电压；Ipv—光伏电池输出电流；pvU—光伏电池最大功率跟踪参考电压；Udc—直流母线电压；dcU—直流母线参考电压。图2光伏系统控制原理Fig.2Controllerforphotovoltaicsystem888毕大强等：海岛光储直流微电网自治控制策略Vol.39No.4MPPT模式，最大化利用光伏能量。其控制流程如图3[14]所示。Uref=Uref-C测量U(k)、I(k)P(k)-P(k-1)0?P(k)-P(k-1)=0?U(k)-U(k-1)0?Uref=Uref+CUref=Uref-CUref=Uref+C是否是否否是是否U(k)-U(k-1)0?开始返回U(k)—光伏阵列实时输出电压；U(k-1)—光伏阵列前一时刻输出电压；I(k)—光伏阵列输出电流；P(k)—光伏阵列实时输出功率；P(k-1)光伏阵列前一时刻输出功率；Uref—光伏阵列电压参考设定值；C—步长设定值。图3扰动观测法控制流程Fig.3Controlflowchartofthedisturbanceobservationmethod2）恒压控制。当光伏系统输出功率大于需求功率导致直流母线出现冗余能量引起直流母线过电压时，光伏系统工作于恒压控制方式。将直流母线电压给定值与实际值的差值作为PI调节器的输入，通过控制单向DC-DC的占空比维持直流母线电压的稳定，减少光伏电池发出的能量。2.2储能系统运行及控制储能系统结构如图4所示。储能系统通过多个电池模块串联以得到较高的电压等级，经过双向DC/DC变换器实现升压、稳压功能。储能系统变流器主要存在稳压控制和限流控制2种方式。L2Q4Q5Ubat+-双向DC/DC变换器ibat+PWMIbatPI直流母线UdcPI+--+限流控制稳压控制IbatbatIbatIdcU-Ibat—储能电池电流；batI—储能电池参考电流；Ubat—储能电池电压。图4储能系统控制原理Fig.4Principl