混合母线微电网的功率平衡控制策略

李志勇，凌鸣泉，李敏

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：为提高微电网在模式切换等暂态条件下的动态响应性能，提出一种基于交直流混合母线拓扑的微电网功率平衡控制策略。将直流母线和交流母线分别作为瞬态和稳态的两级功率平衡点，使分布式电源组群与储能装置经直流母线相结合进行联合供电。在暂态条件下，通过稳定直流母线电压迅速地匹配供需双方的功率，相应地调整逆变控制策略来稳定系统电压、频率及调节电能质量。仿真结果表明：在微电网运行模式切换和受扰动时，该方法均能使微电网实时满足负载的功率需求；电压幅值和频率稳定在额定值，相对误差小于1%；电能质量符合国家标准，总畸变率(THD)小于2%；电压和功率参数响应时间仅为0.02 s左右。

关键词：混合母线；微电网；逆变；储能；功率平衡

中图分类号：TM712          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)06-2331-08

Power balance control strategy of hybrid-bus microgrid

LI Zhiyong, LING Mingquan, LI Min

(School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to improve the dynamic performance of the micro-grid in transient conditions such as mode switching, a new topology of hybrid-bus micro-grid and its corresponding power balance control strategy were proposed. The bus of the DC side and the AC side were regarded respectively as two level power balance points so that the distributed power group combines with energy storage devices to supply the power via the DC bus. In transient conditions, by stabilizing the DC voltage, the power of supply-side and demand-side was matched quickly. Accordingly, the control strategy of inverter was adjusted to stabilize voltage, and frequency of the system and to adjust power quality. The results of simulation show that the control strategy ensures that the micro-grid meets the power demand of loads quickly when the mode is switched or disturbed. The amplitude and frequency of voltage are maintained at rated values so that the error is less than 1%. The power quality achieves the national standard. The total harmonic distortion (THD) is less than 2% and the response time of parameters of voltage and power is only about 0.02 s.

Key words: hybrid-bus; micro-grid; inverter; energy storage; power balance

微电网是利用可再生能源实现大规模接入分布式电源的有效途径之一^[1]。在微电网模式切换等暂态情况下，必须迅速调节分布式电源和储能装置的输出功率，以满足微电网电压和频率等电气参数稳定和系统运行模式平滑过渡，以此为目的而改进微电网拓扑及其控制策略已成为国内外学者的研究热点^[2]。微电网的传统结构是将所有分布式电源和储能装置直连到交流母线，Lyer等^[3-8]研究了在交流母线上多电源联合运行的功率平衡控制策略，通过调节有功、无功实现对电压和频率的下垂控制。Mohamed等^[9-10]通过增加功率环的方法改善下垂控制性能。Du等^[11-12]研究了大型集中逆变的控制策略。池海涛等^[13-15]研究了直流母线上的功率平衡控制方法，采用双向DC-DC实现储能与直流母线之间的能量双向流动。本文作者针对具有混合母线结构的工业或社区微电网，以直流母线作为功率平衡控制的核心，当分布式发电系统在额定电压和频率下无法匹配微电网的负荷功率时，在直流母线上通过储能装置输出或吸收功率以补偿功率缺额，在交流母线上调整逆变控制策略以满足电压和频率的稳定性要求，提高微电网的抗扰动能力并实现运行状态的平滑切换。所提控制策略简化了传统的微电网控制策略中复杂的计算，避免了功率分配的误差及时滞，采用节约逆变电力电子器件的拓扑结构，广泛适用于大规模工业微电网。

1  混合母线微电网

混合母线微电网是将分布式电源和储能装置经直流母线连接起来，构成一个集中可控的逆变电源，再与其他微电源通过交流母线实现并网连接。图1所示为传统微电网和混合母线微电网的拓扑结构对比。

图1  2种微电网的拓扑结构对比

Fig. 1  Comparison of two kinds of microgrid topological structure

在传统微电网拓扑结构下，微电源通过检测交流母线上电压频率等电气参数实现并网发电，其控制模型如图2(a)所示。假设微电网交流母线上需提供的逆变输出功率为P_inv，受逆变器两侧交直流功率守恒的约束，分布式电源输出功率P_DG=P_inv，导致P_DG不能维持对可再生能源(如光伏等)的最大功率跟踪(MPPT)。另外，受光伏电源等功率输出特性的限制，P_inv不能满足微电网功率平衡动态性能的要求，不可避免地将产生波动误差和时滞。

混合母线微电网的控制模型如图2(b)所示。直流母线电压U_dc由分布式电源、储能和逆变之间的功率差额P_DG+P_DS-P_inv所决定。考虑到对分布式可再生能源发电P_DG的最大化利用，直流母线电压的稳定控制主要通过调整逆变输出功率P_inv或储能装置充放电功率P_DS实现。也就是说，保持直流母线电压稳定是实现供需功率平衡的关键。

图2  2种微电网控制模型

Fig. 2  Control model of microgrids

2  功率平衡控制策略

混合母线微电网的功率平衡控制策略包括直流母线稳压和集中逆变2部分。考虑到微电网模式切换等暂态过程对实时性要求很高，本文的研究对象为能够迅速检测并反馈模式切换信号的微电网系统，而相关的切换检测技术不是本文的研究重点。

2.1  直流母线稳压控制

直流母线支撑电容的充放电功率等于分布式电源、储能和逆变之间的功率差额，即直流母线支撑电容电压与上述功率单元之间存在非线性关系：

        (1)

式中：C_dc表示直流母线电容。当式(1)两边存在瞬时功率缺额时，在一定时间段dt内，直流母线电容电压的变化值满足

  (2)

即在功率不平衡的暂态过程中，直流电压变化量dU_dc的平方正比于此时段内的平均功率缺额dP(t)：

       (3)

由式(2)和(3)可知：

          (4)

由此可见：以保持直流侧电压U_dc(t)的渐进稳定为控制目标，选择储能功率P_DS或逆变功率P_inv之一作为控制对象，都可使瞬时功率缺额dP(t)随着dU_dc(t)趋于稳定而逐步减小。也就是说，仅需PI环节等控制直流电压，便可实现直流母线上的供需功率平衡，控制算法简单且易于实现。

超级电容具有瞬间功率响应速度快的特点，同时能承受上千万次的充放电周期，常被作为微电网储能装置的首选。图3所示为超级电容双向DC/DC电路对直流母线进行充放电的实施实例。

图3  超级电容双向DC/DC电路及其控制策略

Fig. 3  Super capacitor bi-directional DC/DC circuit and its control strategy

图3中，超级电容双向DC/DC采用对母线电压和超级电容电流的双闭环控制结构。设超级电容电压为u_sc，电容为C_sc，其变化率为β，瞬时功率补偿所需时间为T，则

      (5)

式(5)表明：超级电容容量由电压变化率和功率补偿所需时间来决定。

2.2  集中逆变控制

逆变器在允许的直流母线电压范围内向交流侧提供所需电能，同时控制电压和频率满足微电网正常运行的要求。

并网时，逆变器通过稳定直流侧电压实现功率平衡控制，它采用对直流母线电压和逆变电流的双闭环解耦控制算法，如图4所示。

图4  双闭环解耦控制器框图

Fig. 4  Diagram of double-loop and decoupling controller

图4中，逆变器并网侧的三相交流电压和电流转换到同步旋转坐标的d和q轴上，对逆变输出电流进行交叉解耦，生成逆变控制调制信号v_od^*和v_oq^*：

     (6a)

     (6b)

式(6a)和(6b)右侧依次表示PI调节、交叉耦合分量以及电网电压前馈量。

离网时，逆变器采用恒压恒频(V/f)控制支撑微电网电压和频率，微电网所需功率缺额由储能装置补偿。常规V/f控制未考虑微电网电压波动对逆变功率输出的影响，即电压指令值v_gd^*和v_gq^*仅由电压和频率设定值所决定，当微电网出现扰动时会导致逆变输出功率出现震荡，跟随性变差。本文采用一种带前馈功率环节的改进V/f控制方法，如图5所示。

图5中，逆变输出功率p和q由交流母线电压和逆变输出电流交叉耦合计算得到：

              (7)

将p和q经高通滤波器检出其中的震荡分量，作为频率和电压设定值的校正分量ω_f和V_f，进而得到前馈修正后的频率和电压参考值ω_s′和V_s′，其计算关系如下：

图5  带前馈功率环节的改进V/f控制结构框图

Fig. 5  Structure diagram of common V/f controller and its improved power loop

         (8)

下面与常规的微电网交流母线下垂控制方法进行对比分析。设负荷调节效应系数的标幺值为

                 (9)

式中：频差标幺值；负载功率缺额标幺值；f_N和P_{N _L}分别为额定频率和额定负荷功率。

当直流母线侧存在储能输出功率P_DS时，相应的负荷调节效应系数标幺值为

        (10)

与上述的负载特性要求相适应，储能装置须补偿或吸收功率缺额的出力

           (11)

显然，若从交流侧下垂特性出发来计算对直流母线上储能装置的出力，不仅需要庞大计算量，而且负载不确定性导致ΔP_L难以估算。由上述比较可知，采用V/f控制与直流稳压控制相结合的混合母线控制方法，远远优于仅从交流母线下垂特性出发的功率补偿方法。

2.3  功率平衡控制器设计

首先对功率控制器的电流内环进行建模分析和设计。由于DC/DC电流内环与逆变电流内环结构相似，故只需对解耦控制器的内环进行建模如图6所示。

图6  电流环结构框图

Fig. 6  Structure diagram of current loop

图6中，k_pi和k_ii是PI控制比例积分系数；T_i和T_PWM分别为电流反馈时间常数和逆变开关时间常数；L和R分别为LC滤波电感及其等效阻值；取τ=k_pi/k_ii，k_LC=L/R，可得电流开环传递函数为

    (12)

式(12)的开环传递函数不存在不稳定极点，故零极点对消不影响其稳定性。为使调节器零点对消其大时间常数极点，取τ=k_LC；此外，因T_PWM<i，原传递函数经降阶处理，得闭环传递函数为：

     (13)

取T_i=1×10^-3 s；兼顾稳态性能和动态性能，选择控制性能指标。

阻尼比

经上述设计，计算出PI调节器参数为k_pi=2.5，k_ii=25。对应的传递函数Bode图如图7所示，其幅值裕度和相角裕度分别为32.3 dB和154°。

分析功率平衡控制器的直流侧电压外环，由图3和图4可知：在并网和离网状态下分别由逆变电压外环和DC/DC电压外环实现。以DC/DC电路的直流侧电压控制外环为设计例，实际负荷模型通常由阻抗负载、恒流负载和恒功率负载组成，可表示为

            (14)

离网时，微电网负荷功率P_load与逆变输出功率P_inv相等，即负载功率可视为影响直流母线电压的扰动分量，由此可得电压外环的数学模型，如图8所示。

降阶得出电压外环闭环传递函数为

      (15)

其中：K_D=U_SC/U_dc。取阻尼比ξ=0.707； 自然频率ω_n=100 rad/s。经上述设计，计算得k_pv=1.13，k_iv=80。在Bode图中的相角裕量γ=127°，稳定性良好。

图7  内环控制器的Bode图

Fig. 7  Bode diagrams of inner loop controller

图8  电压环结构框图

Fig. 8  Structure diagram of voltage loop

图9  外环控制器的性能bode图

Fig. 9  Bode diagrams of outer loop controller

3  仿真分析

本文构造混合母线微电网的Matlab模型，对微电网并网到孤岛的无缝切换暂态过程及其扰动态稳定性进行仿真实验。目标微电网由光伏电源、超级电容及电力电子接口电路组成，其规模可随直流母线上连接分布式电源数量而改变。图10和表1所示分别为控制电路及系统参数。

由表1可知：每块光伏电板功率约为200 W，取光伏阵列为10×10组合，光伏总输出功率为20 kW左右。超级电容组由50只1 800 F/2.7 V超级电容串联组成。设目标微电网直流母线电压指令值为720 V，电网电压为220 V(50 Hz时)。

投入25 kW负载进行实验，0.3 s时微电网与大电网断开，检测到PCC开关信号立即将超级电容投入运作，同时将逆变器电流解耦控制策略转化为改进V/f控制策略。但光伏功率不足支撑25 kW负载所需功率，此时，DC/DC电路释放超级电容功率支撑直流电压，即补偿交流侧的功率缺额。工作波形如图11和图12所示。

由图11和12可知：在微电网模式切换的暂态过程中，电压电流波形无明显的闪变及波动，直流侧电压亦能迅速稳定在指令值。超级电容增加输出功率，逆变系统输出功率增大，实时满足了负载功率需求，时间响应仅为1个工频周期。V/f控制逆变输出电压幅值和频率如图13所示。

表1  小型混合微电网各子系统参数

Table 1  Subsystem parameter of small-scale hybrid microgrid

图10  系统主控制框图

Fig. 10  Main control block diagram of system

图11  负载为25 kW时各参数的暂态波形

Fig. 11  Transient waveforms of each parameter when load is 25 kW

图12  负载为25 kW时各模块输出功率波形

Fig. 12  Output power waveform of each module when load is 25 kW

图13  改进V/f控制性能

Fig. 13  Improved V/f controller performance

由图13可知：在暂态变化过程中，电压幅值V_m的冲击变化很小，响应时间仅为0.01 s，保证了系统响应迅速；频率波动不超过±0.3 Hz，并在0.16 s内趋于稳定，符合微电网正常工作的要求。离网后逆变输出电压和电流的畸变率如图14所示。

图14中，电压、电流总畸变率在2%以下，高次谐波含量最高不超过0.7%，符合电能质量的国家标准。

对目标微电网进行孤岛扰动实验。设0.7 s时微电网负载由25 kW突变至15 kW，微电网各参数与波形图变化如图15所示。微电网受到扰动后并未带来冲击，直流电压仅仅出现1个微小波动，微电网同样仅需要0.02 s左右即可达到功率平衡状态。

图14  离网后逆变输出电压和电流的畸变率

Fig. 14  THD of inverter output voltage and current after disconnecting from grid

图15  负载突变时暂态波形

Fig. 15  Transient waveform when sudden change happens in load

4  结论

(1) 在模式切换和负荷突变等暂态过程中，逆变系统采用改进V/f控制支撑微电网的电压和频率保持在额定范围内，最大波动误差不超过1%，逆变输出电压及电流的总畸变率小于2%。

(2) 超级电容在模式切换等暂态过程中实时稳定直流母线电压，快速抵消可再生能源输出与负载消耗之间的瞬时功率缺额，实时满足负载的功率需求，响应时间仅需0.02 s左右。

(3) 交流母线和直流母线之间仅设置1个集中逆变装置，较传统微电网减少了逆变装置数量；且直流侧母线作为整个微电网能量缓冲器，控制策略更简单，易实现。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-06-29；修回日期：2012-11-15

基金项目：中央高校前沿研究计划前瞻重大专项项目(201021200066)

通信作者：李志勇(1972-)，男，河南兰考人，博士，副教授，从事新能源及微电网电能质量研究；电话：13873127689；E-mail：lizy@csu.edu.cn