冀婉玉，董 瑋，張軍軍

（中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192）

截止到2019年，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)已達(dá)204.3 GW，其中分布式光伏62.63 GW，同比增長(zhǎng)24.2%，逐漸成為電網(wǎng)中重要的能源組成。采用傳統(tǒng)方式讓光伏并網(wǎng)為負(fù)荷供能，需要AC/DC變換器進(jìn)行中間過程的電能變換，增加了電能損耗，對(duì)提高能源的利用率非常不利[1]。因而，在儲(chǔ)能越來(lái)越多被使用、直流負(fù)荷比例日益增高以及供電質(zhì)量要求日益嚴(yán)格的趨勢(shì)下，以直流方式對(duì)直流電源、儲(chǔ)能裝置及負(fù)荷進(jìn)行組織的直流微電網(wǎng)將成為重要的供電模式[2]。

與風(fēng)電等新能源發(fā)電類似，光伏發(fā)電輸出具有很強(qiáng)的隨機(jī)性與波動(dòng)性，導(dǎo)致參與并網(wǎng)的光伏不確定性高[3]。光伏的高滲透率接入給電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來(lái)一系列不利影響，對(duì)無(wú)功電壓的影響明顯[4]，而光伏發(fā)電以直流方式接入電網(wǎng)依賴于穩(wěn)定的直流母線電壓。為了保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和光伏發(fā)電的正常接入，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行快速有效的控制就很有必要。此外，當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障、接地故障時(shí)，會(huì)間接影響直流母線電壓，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不利，一定程度上也會(huì)影響光伏的并網(wǎng)，使系統(tǒng)的發(fā)電量減少和穩(wěn)定性降低。而直流故障會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生直接影響，進(jìn)行直流故障下的故障穿越控制策略研究對(duì)保證光伏的正常并網(wǎng)具有重要意義。

目前一些學(xué)者在含有光伏發(fā)電的系統(tǒng)的故障穿越方面開展了研究。文獻(xiàn)[5]中研究三相光伏發(fā)電系統(tǒng)具有低電壓穿越功能的多模式運(yùn)行，并在文獻(xiàn)[6]中討論了電網(wǎng)故障下系統(tǒng)的自保護(hù)問題；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于概率小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功控制器，來(lái)為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供故障穿越功能；文獻(xiàn)[8]提出了基于空間矢量傅里葉變換的單級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)在不平衡電網(wǎng)故障下的故障穿越控制技術(shù)；文獻(xiàn)[9]提出了一種新的基于差分電流的多光伏直流微電網(wǎng)快速故障檢測(cè)與定位方案；文獻(xiàn)[10]在光伏直流微電網(wǎng)中詳細(xì)分析了光伏電源的電纜故障特性，并考慮了極地故障和極間故障。綜上，含有光伏發(fā)電的系統(tǒng)的故障穿越研究主要集中在大電網(wǎng)故障時(shí)對(duì)三相并網(wǎng)逆變器控制策略的改進(jìn)，而對(duì)于含有光伏的直流微電網(wǎng)，研究關(guān)注于故障檢測(cè)與相應(yīng)的繼電保護(hù)。整體來(lái)說，在直流側(cè)故障時(shí)，通過控制策略設(shè)計(jì)來(lái)讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)故障穿越的研究還較少。

高密度的光伏發(fā)電并網(wǎng)，會(huì)加劇微電網(wǎng)內(nèi)局部潮流的變化幅度以及電壓的波動(dòng)范圍，研究高滲透率系統(tǒng)的故障穿越以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行就非常必要。本文針對(duì)高滲透率光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)中直流故障問題，充分發(fā)揮儲(chǔ)能單元的功率調(diào)節(jié)與電壓支撐作用，引入非線性擾動(dòng)觀測(cè)對(duì)儲(chǔ)能單元的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。此方法可以使系統(tǒng)快速檢測(cè)到直流故障造成的直流母線電壓擾動(dòng)，增強(qiáng)儲(chǔ)能單元對(duì)直流母線電壓的控制作用，使直流母線電壓保持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的故障穿越。

1 直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

考慮實(shí)際應(yīng)用的一般性，選用放射狀拓?fù)涞闹绷魑㈦娋W(wǎng)進(jìn)行建模和研究，有高滲透率光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。直流微電網(wǎng)中主要包含光伏單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)荷等。本文對(duì)電壓等級(jí)為750 V的直流微電網(wǎng)進(jìn)行研究。為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各單元進(jìn)行建模。

1.1 電力電子變壓器的建模

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，常用的是三級(jí)電力電子變壓器拓?fù)洹１疚难芯繉?duì)象為基于電力電子變壓器接入的直流微網(wǎng)，所以只給出電力電子變壓器前2級(jí)的拓?fù)?，如圖2所示。其中，第1級(jí)為級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)，通過多模塊分壓來(lái)進(jìn)行較高地電壓輸入并實(shí)現(xiàn)整流；第2級(jí)為雙向有源橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換和電氣隔離。對(duì)電力電子變壓器的控制可使直流母線輸出穩(wěn)定的直流750 V電壓，具體控制策略參見文獻(xiàn)[11]，不再贅述。

1.2 光伏單元的建模

太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能為直流形式，通過電壓等級(jí)變換后可直接接入直流微網(wǎng)。整個(gè)光伏單元的建模包含光伏電源建模以及光伏接口變換器的控制實(shí)現(xiàn)。常用的光伏電池模型是單級(jí)二極管模型，可得光伏電池的電流方程表達(dá)式為

式中：I0為反向飽和電流；q為電子電荷；A為極管因子；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為光伏電池板的表面溫度；Iph為光生電流；Rs為串聯(lián)等效電阻；Rsh為并聯(lián)等效電阻；U為光伏電池的端口電壓。

光伏單元通過Boost電路接入直流微網(wǎng)，常以最大功率運(yùn)行，控制可通過變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)[12]。

1.3 儲(chǔ)能單元的建模

采用電池的通用等效電路模型進(jìn)行儲(chǔ)能單元的建模，包含1個(gè)受控電壓源和1個(gè)電阻，其電壓、電流關(guān)系[13]可表示為

式中：E為受控電壓源電壓；R為受控源的串聯(lián)電阻；Ubatt為電池電壓；i為電池電流；Q為電池容量；E0為電池電動(dòng)勢(shì)；Qch為電池充電電量。其他參數(shù)的含義詳見文獻(xiàn)[8]。儲(chǔ)能單元通過雙向DC/DC變換器接入直流微電網(wǎng)，采用下垂控制策略。

2 故障穿越控制策略設(shè)計(jì)

直流微電網(wǎng)除了穩(wěn)定運(yùn)行以外，還應(yīng)具備故障穿越的能力。故障穿越是指系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，直流微電網(wǎng)可以保持聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間而不進(jìn)入孤島運(yùn)行，這樣可避免系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換，從而提高微電網(wǎng)的并網(wǎng)性能。直流母線電壓穩(wěn)定是衡量直流微電網(wǎng)功率平衡的重要指標(biāo)，有助于實(shí)現(xiàn)其故障穿越，因而對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)故障穿越的關(guān)鍵。

當(dāng)直流微電網(wǎng)中某一支路發(fā)生短路故障時(shí)，短路處相當(dāng)于加了一個(gè)功耗非常大的設(shè)備，即相當(dāng)于在此處并聯(lián)了一個(gè)非常小的電阻。直流電流很大，直流輸出功率視為恒定，直流母線電壓會(huì)發(fā)生跌落。如果僅靠電力電子變壓器進(jìn)行直流母線電壓控制，電壓調(diào)節(jié)所需時(shí)間較長(zhǎng)，不利于直流母線電壓的恢復(fù)。而本文提出基于電池儲(chǔ)能的故障穿越方案，通過采用改進(jìn)下垂控制，使儲(chǔ)能單元能夠很快地追蹤到系統(tǒng)內(nèi)的電壓擾動(dòng)，快速對(duì)擾動(dòng)做出響應(yīng)，從而抑制直流母線電壓波動(dòng)，縮短電壓恢復(fù)時(shí)間，使直流母線電壓恢復(fù)到安全運(yùn)行范圍，從而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的故障穿越。

對(duì)儲(chǔ)能單元下垂控制策略的改進(jìn)是通過引入基于非線性擾動(dòng)觀測(cè)器NDO（nonlinear disturbance observer）的前饋?lái)?xiàng)，控制框圖如圖3所示。其中，ib和ub分別是電池的電流和電壓，ibat是電池單元的輸出電流，r是下垂系數(shù)，Udcref和udc分別是直流母線電壓參考值和實(shí)際值。x是系統(tǒng)狀態(tài)變量，下面將對(duì)NDO和前饋函數(shù)Gfd（s）進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

具有儲(chǔ)能單元的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)可以描述為

選取x=[x1x2]T=[udcib]T為系統(tǒng)狀態(tài)變量，式（4）可以寫成非線性系統(tǒng)形式的狀態(tài)方程，即

式中：w（t）為系統(tǒng)的擾動(dòng)量，w（t）=io；y 為系統(tǒng)輸出；

對(duì)于式（5）所描述的非線性系統(tǒng)，其非線性擾動(dòng)觀測(cè)器[14]可以設(shè)計(jì)為

受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝機(jī)容量等因素的限制，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的等效負(fù)載擾動(dòng)電流io是1個(gè)有上限的量，并且最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值。由此可知式（5）所描述的非線性系統(tǒng)中w（t）滿足

在式（7）的條件下，根據(jù)式（5）和式（6），可以得到誤差方程為

此外，由 l1＜0，l2=0，g2（x）=[-1/C 0]T，根據(jù)式（8）可以得到擾動(dòng)觀測(cè)器的觀測(cè)值與實(shí)際值之間的關(guān)系為

式中，Tob=T=-C/l1。

因?yàn)榉蔷€性擾動(dòng)觀測(cè)器所得到的電流觀測(cè)值會(huì)滯后于直流微電網(wǎng)中實(shí)際電流的變化，擾動(dòng)電流很大時(shí)，這種滯后可能導(dǎo)致直流母線電壓上產(chǎn)生沖擊，所以需設(shè)計(jì)前饋控制函數(shù)以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

采用儲(chǔ)能改進(jìn)下垂控制后，直流母線電壓響應(yīng)可以表示為

由于在暫態(tài)過程中，非線性擾動(dòng)觀測(cè)器得到的電流觀測(cè)值變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GL（s）的轉(zhuǎn)折頻率，因此可對(duì) GL（s）進(jìn)行降階處理，即

將式（14）代入式（13），則 Gfd（s）可以表示為

式中，Tfd=-C/l1+L/（Udckpi）。

易知二次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)系數(shù)，所以忽略其中的二次項(xiàng)，最終得到Gfd（s）的化簡(jiǎn)形式為一次函數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于電池儲(chǔ)能改進(jìn)下垂控制的故障穿越方案的有效性，利用 Matlab/Simulink軟件搭建了有高滲透率光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)的仿真模型，分別對(duì)沒有加入和加入了儲(chǔ)能單元控制電壓的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 直流微電網(wǎng)主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters of DC microgrid

3.1 無(wú)儲(chǔ)能的直流故障仿真

設(shè)置在1.5 s時(shí)直流微電網(wǎng)內(nèi)近負(fù)載端的直流端口處支路發(fā)生短路故障，0.01 s后故障切除，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4（a）可知，在1.5 s直流微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生短路故障后，直流母線電壓跌落至630 V左右，1.51 s故障消除后，直流母線電壓在電力電子變壓器的控制下開始恢復(fù)，但是由于電力電子變壓器本身電壓控制的響應(yīng)速度較慢，直流母線電壓恢復(fù)到額定值所需時(shí)間大約為0.53 s左右，這樣1個(gè)暫態(tài)過程對(duì)光伏的持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行提出挑戰(zhàn)。

由圖4（b）可知，受直流母線電壓變化的影響，直流負(fù)荷電流的波動(dòng)過程也較長(zhǎng)，這對(duì)于有電能質(zhì)量要求的負(fù)荷運(yùn)行也是不利的。因而有必要進(jìn)一步加入儲(chǔ)能控制，對(duì)這一暫態(tài)過程進(jìn)行改善，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.2 有儲(chǔ)能的故障穿越仿真

設(shè)置在1.5 s時(shí)近負(fù)載端的直流端口處支路發(fā)生短路故障，0.01 s后故障切除，改進(jìn)儲(chǔ)能控制作用下的仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可知，在1.5 s直流微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生短路故障后，直流母線電壓跌落至670 V左右,相比無(wú)儲(chǔ)能控制時(shí)電壓跌落減少了約40 V，1.51 s故障消除后，直流母線電壓在電力電子變壓器和儲(chǔ)能單元的共同控制下開始恢復(fù)，直流母線電壓恢復(fù)到額定值附近所需時(shí)間大約為0.34 s，相比無(wú)儲(chǔ)能控制時(shí)縮短了0.19 s。

由圖5（b）可知，加入儲(chǔ)能單元控制直流母線電壓后，直流負(fù)荷電流的暫態(tài)調(diào)整過程明顯縮短，由原來(lái)的0.58 s左右縮短到0.38 s以內(nèi)；由圖5（c）可知，儲(chǔ)能單元可以快速對(duì)直流母線電壓的變化做出響應(yīng)，在故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)增大輸出電流，為直流微電網(wǎng)提供功率支撐。

綜上可知，采用儲(chǔ)能單元改進(jìn)控制，不僅可以有效抑制故障時(shí)的電壓跌落，還能加快對(duì)直流母線電壓的暫態(tài)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文確定了高滲透率光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立了其數(shù)學(xué)模型。針對(duì)直流微電網(wǎng)的直流支路短路故障，提出了以儲(chǔ)能單元快速支撐直流母線電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)故障穿越的方案。通過引入基于非線性擾動(dòng)觀測(cè)器的前饋?lái)?xiàng)，對(duì)儲(chǔ)能單元的下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了儲(chǔ)能單元對(duì)直流母線電壓的控制，縮短了電壓調(diào)節(jié)時(shí)間。這種基于儲(chǔ)能單元改進(jìn)下垂的故障穿越控制，能有效減小故障時(shí)的直流母線電壓跌落，縮短直流母線電壓恢復(fù)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的故障穿越，有利于高滲透率光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。