直流微电网控制与仿真 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.34M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 直流微电网控制与仿真杜生辉，刘皓明，丁帅** （河海大学能源与电气学院，南京 211100）摘要：微电网是解决分布式电源并网的有效途径，但多数分布式电源发出的电能需要通过整流逆变后接入到微电网中，从而增加了微电网中电力电子元件的使用，也减小了能量的转换效率，因此，本文介绍了更适合直流微电源和高频交流微电源接入的直流微电网。基于直流微电网，本文分析了交流微电源、直流微电源、储能装置与直流微电网的接口，设计了以上接口的控制器，并在 Matlab/Simulink 中建立典型直流微电网的仿真模型，进行了仿真分析。关键词：电力系统；直流微电网；电压源换流器；直流变流器；微电网控制中图分类号：TM7 Control and Simulation Technology of DC Microgrid DU Shenghui, LIU Haoming, DING Shuai (College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098) Abstract: The Microgrid can solve Grid-connection of distribution generation, but most of electricity is connected to Microgrid by inverter or rectifier-inverter leads to a lot of power electronic devices using in the grid and increases energy loss, so a DC Microgrid has been proposed in this paper. It’s more suitable for DC micro power and high-frequency micro power. The interfaces of AC micro power, DC micro power and energy storage device are analyzed in this paper, the control system were designed. In addition, A typical simulation model of DC microgrid has been bulit in Matlab/Simulink. Key words: Power system; DC Micro-grid; VSC; DC/DC; Microgrid Control 5 10 15 20 25 0 引言分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等特点，极好地适应了分散电力需求，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，与大电网互为备用，进一步提高了供电的可靠性，能够避免能源短缺、环境污染、生态恶化，是解决能源和环境问题的重要手段。但是，分布式电源具有接入成本高、控制困难、不可控的特点，系统故障时必须退出运行，从而限制了分布式电源的并网，降低了分布电源的利用效率。为了充分利用分布式发电所带来的经济效益，减小对电网的冲击，在本世纪初，学者们提出了微电网[1]。微电网是一种规模较小的分散独立系统，它采用了现代电力技术，将燃气轮机、风力发电、光伏发电、燃料电池等分布式电源，以及储能设备和负荷连接在一起的电力网络，可以与大电网并网运行，也可以脱离大电网独立运行。微电网主要解决了分布式电源的并网问题，充分发挥了分布式电源的各项优势[2]-[4]。在交流微电网中，光伏发电、燃料电池及储能装置等直流电源需要通过逆变器与微电网进行连接，高频交流电源则需要通过整流逆变后才能实现连接。而采用直流形式作为电能传输方式的直流微电网，则会减少交直变换元件的使用，能够提高电能的转换效率，有利于减小微电网的构建成本，提高电能转换的效率[5]-[8]。 30 35 本文基于直流微电网，对直流微电源、交流微电源，储能装置与直流微电源的接口，以及直流微电网与大电网之间的连接接口进行分析和控制，在 Matlab/simulink 中建立了典型 40 作者简介：杜生辉（1985 年-），男，硕士研究生，主要研究方向：微电网控制技术通信联系人：刘皓明（1977 年-），男，副教授，微电网运行与控制. E-mail: liuhaom@hhu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 微电网的仿真模型。 1 直流微电网直流微电网是采用直流的形式进行电能传输，通过电力电子器件实现微电源、储能装置、 45 负荷连接和控制的电力网络，核心思想是将多个不同类型的微电源通过低压直流电缆相互连接，在电网故障时，脱离电网独立运行，从而提高微电源的利用效率。图 1 是一个典型的直流微电网的结构示意图。 50 图 1 直流微电网的结构 Fig 1 the structure of DC micro grid 表 1 列出了常见微电源、储能装置与交流电网和直流电网之间的接口。风力发电和微汽轮机输出为 AC，其他微电源和储能装置多输出为 DC。由于逆变器的结构较直流变流器复杂，因此，相对于交流微电网，直流微电网能够减少了电力电子元件的使用，更适合高频交流微电源、直流微电源和储能装置构成的电力网络。 55 技术类型风力发电光伏发电燃料电池微汽轮机蓄电池超级电容器超导储能风能太阳能化石燃料化石燃料电网和 DG 电网和 DG 电网和 DG 表 1 微电网中常见的分布式电源分类 Tab 1 common distribution generation in micro grid 与交流电网接口一次能源输出 AC DC DC AC DC DC DC 直接连接/整流-逆变器逆变器逆变器整流-逆变器逆变器逆变器逆变器与直流电网接口整流器直流变流器直流变流器整流器直流变流器直流变流器直流变流器 2 电压源换流器 VSC 的分析与控制电压型换流器 VSC 由全控型电力电子元件（IGBT、GTO）构成，能够实现交流与直流 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 之间的转换。因此，电压源换流器可以作为交流微电源与直流微电网连接的接口，还可以作为直流微电网与大电网之间的并网接口。 2.1 VSC 的结构电压源换流器可由 IGBT 构成的换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等元件组成。换流电抗器是换流器与交流系统能量交换的纽带，实现交流电流的滤波；直流电容能够缓冲换流器桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波，起到直流电压支撑作用，是保证系统正常运行的关键；交流滤波器起到滤除交流侧谐波的作用。 I sS~ cS~ 图 2 电压源换流器的结构 Fig 2 the structure of VSC 电压源换流器既可完成有功功率的快速、灵活控制，还能动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的电压，能够实现功率双向流动。 2.2 功率控制图 2 中，假设系统三相对称运行，则交流侧不存在没有零序分量，同时令交流侧 a 相相，则交流侧的功率为[9]：电压初始相位角为 0°，dq0 坐标下的交流电压 u = ， sd s 60 65 70 75 0=squ u 3 2 P s = Q s = 3 2 3 2 ( iu sd d + iu sq q ) = iu sd d （1） ( iu sq d − iu sd q ) −= 3 2 iu sd q （2）由公式（1）、（2）可知，d 轴电流表示电流的有功分量，q 轴电流表示电流的无功分量，均为直流变量，因此，通过控制 id 和 iq 可以达到控制稳态有功和无功功率的目的。 80 由基尔霍夫电压定律（KVL）可建立交流侧的三相 VSC 电压回路方程为： di abc dt = 1 L u c abc − R L i adc − 1 L u s abc （3）对公式（3）进行 Park 变换，可得 dq0 坐标坐标下的电压回路方程： di d dt = 1 L u cd − R L i d − 1 L u sd i ω+ q di q dt = 1 L u cq − R L i q i ω− d （4）由公式（4）可得，VSC 的信号波： 85 u cd = Ri d + L di d dt + u sd Li ω− q u cq = Ri q + L di q dt Li ω+ d （5）定义以下中间变量： - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn u d = Ri d + diL d dt u q = Ri q + L di q dt （6）由公式（5）和公式（6）可得，VSC 的信号波： u Li ω− + u u sd = u d cd q = u q Li ω+ d cq 90 95 根据以上推导，功率控制器采用双环控制结构的方式，结构如图 3 所示。外环控制根据公式（1，2）计算得到实际传输的功率值 P 和无功功率 Q，与参考值 Pref 和 Qref 比较后，经过 PI 环节产生 dq 坐标下的电流参考信号 idref、iqref，dq 轴的电流参考信号 iref 与交流侧的电流信号 id 和 iq 进行比较，经过 PI 环节后产生中间信号 ud、uq，由公式（6）可知，信号 ud 和 uq 可以经过相同的 PI 环节得到。采用前馈补偿技术和交叉耦合补偿，信号 ud 和 uq 进行叠加，产生换流桥交流侧的控制信号 ucd 和 ucq。图 3 功率控制器的结构原理图 Fig 3 schematic structure of power controller 2.3 直流电压控制 100 直流电压控制的原理图如图 4 所示，直流电压 Ud 和直流侧的电压参考信号 Udref 进行比较，经过 PI 环节后，产生 d 轴的电流参考信号 idref，参考无功功率 Qref 和实际输出的无功功率 Q 进行比较，得到 q 轴的电流参考信号 iqref，内环控制不改变。 105 110 图 4 直流电压控制器原理图 Fig 4 schematic structure of DC voltage controller 3 直流变流器的分析与控制直流微电源可以与直流微电网直接连接，但微电源的输出电压一般较低，通常需要经过 DC-DC 变流器升压后产生稳定的电压后与直流网络连接。储能装置与直流微电网连接时，要求能量能够双向流动，故不能使用直流微电源采用的单向直流变流器，而需要使用能量可双向流动的双向直流变流器。 3.1 Boost 变流器的分析与控制直流微电源的输出电压较低，为了达到与直流微电网连接电压的要求，得到稳定的电压，因采用升压式直流变流器。Boost 变流器是实现输出电压高于输入电压的直流变流器，结构 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 和驱动电路简单，由开关管 Q、二极管 D、升压电感 Lf、和电容器 C 构成，如图 5 所示。 115 Boost 变流器连续工作模式下 Boost 的输出电压与输入电压之间关系[10]： / = 1/(1 VV in o D − 式中：Dy 为一个开关周期内 Q 导通的占空比。 Boost 变流器常采用脉宽调制的（PWM）方式进行控制。脉宽调制是开关频率保持不变，通过即改变导通脉冲的占空比实现控制。直流微电源为实现并联连接在直流母线上，应保持输出端的电压稳定，因此，Boost 变换器采用输出电压控制，即控制输出电压 Vo 为常值。 ) y 图 5 Boost 直流变流器的拓扑结构图 Fig 5 topology of boost DC converter Boost 变流器的控制原理图如图 6 所示，控制系统采集输出侧的电压 Vo，与设定的电压值 Vref 相比较得到偏差值△V，偏差值经过 PI 环节后，与三角载波信号进行比较，得到开关元件 Q 的控制量，从而实现对占空比的控制。 120 125 130 135 140 图 6 Boost 变流器的控制原理图 Fig 6 structure of boost DC converter controller 3.2 Buck-Boost 双向直流变流器的分析与控制在直流微电网中，储能装置通过双向直流变流器并联在直流母线上，起到减小系统功率波动、稳定系统电压的作用。图 7 是 Buck-Boost 双向直流变流器的结构图，该变流器能够实现能量的双向流动，具有器件数量少、无变压器损耗、效率高、可靠性高、控制电路简单等特点，既可以作为降压变流器，又可以作为升压变流器。图 7 Buck-Boost 双向直流变换器的拓扑结构 Fig 7 topology of Buck-Boost DC converter Buck-Boost 双向直流变换器的 Q1 和 Q2 采用 PWM 控制方式，工作在互补模式。在一个开关周期内，电感电流的变化量为 0，因此，可得[11]： yDVV 2 / =1 上式表明，在一侧电压不变时，可以通过调节占空比，调节另一侧的输出电压。在 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Buck-Boost 双向直流变流器中，若 i Lf max > i Lf min ，则能量从 V1 侧流向 V2 侧，为升压方式； 145 若 i Lf < i ，则能量从 V2 侧流向 V1 侧，为降压方式。 Lf min max 放电时，Buck-Boost 双向直流变流器工作在升压方式，低压侧的电压 V2 经过升压后的输出电压应达到直流母线电压 V1。图 8 给出了 Buck-Boost 双向直流变换器放电时的控制原理图，直流母线电压 V1 与直流母线电压的参考值 V1ref 的偏差值，经过 PI 环节后，补偿理想占空比 D1y。 △ PI 150 图 8 放电工作方式控制器 Fig 8 the discharge controller 155 图 9 充电工作方式控制器 Fig 9 the charge controller 充电时，Buck-Boost 双向直流变流器工作在降压方式，高压侧的电压 V1 经过降压后保持 V2 稳定。图 9 给出了 Buck-Boost 双向直流变换器充电时的控制原理图，D1y 是变流器理想的占空比，通过增加低压侧电压的反馈增强系统的性能。 4 仿真分析按照图 1 在 Matlab/Simulink 中建立直流微电网的模型，为了简化直流微电网系统，在直流母线上仅接入直流负荷。直流微电网与大电网并网运行时，公共连接点采用 VSC 的直流电压控制，燃料电池采用 Boost 电压控制，风力发电和光伏发电输出功率不可控，因此，风机采用 VSC 的功率控制，光伏发电经过升压控制后与直流微电网的连接，储能装置在并网运行时只进行充电，独立运行时补偿系统中功率的缺额。系统的仿真参数：直流母线额定运行电压 Udc=650V ，风力发电机输出功率 Pwind=200kW，光伏发电的输出功率 PPV=45kW，燃料电池的输出功率为 PFuel=50kW。大电网通过电压源换流器 VSC 给直流母线充电，实现直流母线上的电压稳定，在 0.2s 系统的直流母线上投入负荷为 1.4Ω 的电阻，0.3s 接入 200kW 的风机，在 0.8s 和 1s 分别接入 45kW 光伏发电和 50kW 燃料电池，直流微电网系统的仿真波形如图 10 所示。 160 165 170 800 750 700 650 600 550 V Udc/ 500 0 0.2 0.4 0.6 t/s 0.8 1 1.2 （a）直流电压 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ( C) C P ar v k Q/ w, k P/ P/kw,Q/kvar(wind power) 800 600 400 200 0 -200 0 0.2 0.4 0.6 t/s 0.8 1 1.2 （b）注入直流微电网系统的有功功率（蓝色）和无功功率 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0 0.2 0.4 0.6 t/s 0.8 1 1.2 （c）风机交流侧的有功功率（蓝色）和无功功率图 10 微电源的接入对直流微电网影响仿真 Fig 10 the simulation of micro power access to DC microgrid 由图 10 可知，微电网中的直流电压在电压控制的作用下，微电网系统的电压能够保持在额定值，对系统发生的变化迅速的做出响应。0~0.2s，在电压控制的作用下直流微电网系统能够保持额定值；0.2~0.3s，由于系统接入的负荷大，使得系统的电压值出现较大的偏移，但电压控制迅速做出调整，使得电压快速回升，负荷消耗的功率由大电网提供；0.3~0.8s，风机的与直流微电网连接时，由于风机的功率较大且不稳定，接入后对系统造成了较大的影响，直流电压出现了较大的波动，在电压控制器和风机功率控制的作用下，系统的波动逐渐减小，最后稳定在新的状态，大电网侧减少了对直流微电网的功率；0.8s 和 1s 时投入的光伏电池和燃料电池使得直流微电网系统功率增加，过剩的功率导致了系统电压上升，但在电压控制作用下，电压能够快速的恢复，同时大电网侧减少了对微电网的输出功率。通过以上仿真分析可知，直流微电网系统内部出现较大的功率变化时，电压未出现大幅的波动，微电网控制系统能够保持直流微电网的稳定运行，实现系统内的功率平衡。 5 结论本文通过对电压源换流器、直流变流器的分析，设计了电压源换流器和变流器的控制系统。在 Matlab/Simulink 中建立了典型直流微电网的模型，通过仿真验证了直流微电网控制系统的稳定性和可靠性。 [参考文献] (References) [1] 鲁宗相，王彩霞，等．微电网研究综述[J]．电力系统自动化，2007，31(19)：100-106． [2] 黄伟，孙昶辉，吴子平，张建华．含分布式发电系统的微电网技术研究综述[J]．电网技术，2009，33(9)： 14-18． [3] 盛鹍，孔力，齐智平，裴玮，等．新型电网-微电网（Micro-grid）研究综述[J]．继电器，2007，35(12)： 75-81． [4] 赵宏伟，吴涛涛．基于分布式电源的微电网技术[J]．电力系统及其自动化学报，2008，20(1)：121-127． [5] Youichi Ito，Yang Zhongqing，Hirofmi Akagi．DC Micro-grid Based Distribution Power Generation System[C]．Power Electronics and Motion Control Conference，2004． [6] H. Kakigano Y. Miura TIse and R. Uchida．DC Voltage Control of the DC Micro-grid for Super High Quality Distribution[J]．2007． [7] Masaki Saiaho ， Toshifumi Ise ， and Kiichiro Tsuji ． DC Loop Type Qulity Control Centerfor FRIENDS-System configuration and Circuits of Power Factor Correction[C]．Transmission and Distribution - 7 - 175 180 185 190 195 200 205

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