薛慧杰，朱天璋，田啟川

（北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京100044）

隨著直流電源和負荷比例的不斷提高，直流微電網(wǎng)在效率、成本和可靠性方面的優(yōu)勢越發(fā)明顯[1,2]。通過取消交流環(huán)節(jié)，直流微電網(wǎng)可以減少電能轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而提高效率，降低成本，提高可靠性[3-4]。根據(jù)與大電網(wǎng)的關(guān)系，直流微電網(wǎng)具有獨立和并網(wǎng)兩種運行模式。在不同的運行模式下，微電網(wǎng)的母線電壓有不同的控制方式。較方便的控制方式是：在并網(wǎng)運行時，由微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的雙向AC/DC接口變換器或儲能雙向DC/DC變換器控制母線電壓；在獨立運行時，由微電網(wǎng)的儲能雙向DC/DC變換器控制母線電壓。當微電網(wǎng)在獨立和并網(wǎng)兩種模式之間切換時，所有直流負荷應(yīng)保持正常工作狀態(tài)，即母線電壓在模式切換過程要保持在正常范圍，實現(xiàn)并網(wǎng)與獨立模式的無縫切換。

各國學(xué)者對微電網(wǎng)的獨立與并網(wǎng)模式的無縫切換做了很多研究。文獻[5]提出了一種引入可控負荷進行孤島檢測實現(xiàn)模式切換的策略，可以有效實現(xiàn)無縫切換，但存在延時較長的缺點；文獻[6]提出了基于一種自適應(yīng)母線電壓的無縫切換策略，但對直流微電網(wǎng)的電能質(zhì)量有不利影響；文獻[7]提出了基于變換器通訊的無縫切換技術(shù)，但由于需要附加的通訊鏈路，所以增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了可靠性?？傊?，目前對直流微電網(wǎng)的無縫模式切換研究得還不夠，現(xiàn)有切換策略效果并不理想。為了解決這一問題，本文提出了一種基于電網(wǎng)電壓檢測和儲能雙向變換器控制環(huán)路調(diào)度的無縫切換策略，搭建了仿真平臺，實現(xiàn)了所提出的策略，通過仿真實驗驗證了所提出的無縫切換策略。

1 直流微電網(wǎng)拓撲

本文所研究的直流微電網(wǎng)主要應(yīng)用于商業(yè)建筑，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

該系統(tǒng)主要包括雙向AC/DC變換器、儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及直流負荷，系統(tǒng)采用多電壓母線結(jié)構(gòu)，有利于適應(yīng)不同電壓等級的負荷[9]。其中，+375 V和-375 V電壓可分別給建筑內(nèi)不同樓層的普通負荷供電；+375 V和-375 V母線串聯(lián)后可給需要+750 V的中央空調(diào)等大功率建筑設(shè)備供電；儲能蓄電池通過儲能雙向DC/DC變換器與±375 V直流母線相連。系統(tǒng)還包括48 V母線，由375 V母線通過375/48 V DC/DC變換器生成，為需要較低電壓的負荷，如計算機、電子設(shè)備以及LED照明設(shè)備等供電。

圖1中，2個雙向AC/DC變換器分別是微電網(wǎng)的±375 V母線與大電網(wǎng)的接口。當大電網(wǎng)正常時，微電網(wǎng)工作于并網(wǎng)模式，如果微電網(wǎng)從大電網(wǎng)輸入電能，雙向AC/DC變換器控制直流微電網(wǎng)的母線電壓；如果微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出電能，儲能雙向DC/DC變換器控制直流微電網(wǎng)的母線電壓，雙向AC/DC控制注入大電網(wǎng)的電流。當大電網(wǎng)異常時，微電網(wǎng)工作于獨立模式，雙向AC/DC變換器停止工作，微電網(wǎng)母線電壓由儲能雙向DC/DC變換器控制。當在2種模式之間進行切換時，母線電壓需保持在正常范圍之內(nèi)，以保證供電連續(xù)性。

2 無縫切換控制策略

為了實現(xiàn)微電網(wǎng)的工作模式無縫切換，首先需要確定大電網(wǎng)的狀態(tài)。對于常規(guī)配電網(wǎng)，只需檢測大電網(wǎng)電壓、頻率等物理量即可確定其狀態(tài)。對于有分布式微電源的配電網(wǎng)，由于存在負荷和發(fā)電功率平衡導(dǎo)致的檢測盲區(qū)，簡單的電壓、頻率檢測并不能完全確定大電網(wǎng)的工作狀態(tài)。因此，需要對大電網(wǎng)注入擾動進行主動檢測或引入與大電網(wǎng)的通信進行遠程檢測來減小或消除檢測盲區(qū)。

本文研究的直流微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時的母線電壓由雙向AC/DC變換器或儲能雙向DC/DC變換器控制。如果微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出電能，直流微電網(wǎng)母線電壓由儲能雙向DC/DC變換器控制。此時，可以采用上述主動檢測法來檢測大電網(wǎng)的狀態(tài)。如果檢測到故障，只需停止雙向AC/DC變換器即可轉(zhuǎn)入獨立狀態(tài)，所以其獨立與并網(wǎng)模式切換類似于常規(guī)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的抗孤島保護措施。

如果微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收電能，此時的母線電壓由雙向AC/DC變換器控制。此時，由于不存在微電網(wǎng)外部負荷和微電網(wǎng)發(fā)電功率平衡問題，所以只需被動檢測大電網(wǎng)電壓即可確定其狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，本文提出了一種基于交流電壓檢測和儲能雙向DC/DC變換器多控制環(huán)路調(diào)度的獨立和并網(wǎng)模式無縫切換策略，其原理如圖2所示。圖中，使用電網(wǎng)同步環(huán)節(jié)SRF-PLL（synchronous reference frame-phase locked loop）實時檢測大電網(wǎng)狀態(tài)，運行模式?jīng)Q策模塊根據(jù)大電網(wǎng)狀態(tài)確定微電網(wǎng)的運行模式。

當SRF-PLL檢測到交流電壓正常時，雙向AC/DC變換器啟動，微電網(wǎng)工作于并網(wǎng)模式。

微電網(wǎng)從大電網(wǎng)輸入電能時，雙向AC/DC變換器控制母線電壓。當SRF-PLL檢測到交流電壓發(fā)生大幅跌落或中斷時，運行決策模塊控制雙向AC/DC變換器停止運行，啟動儲能雙向DC/DC變換器的母線電壓控制環(huán)路，控制直流母線電壓。設(shè)SRFPLL的故障檢測時間為ts,通信延時為tc，儲能雙向DC/DC變換器的響應(yīng)時間為tr,則從大電網(wǎng)故障到微電網(wǎng)完成模式切換的總延時td=ts+tc+tr。

設(shè)大電網(wǎng)在0時刻中斷，雙向AC/DC變換器的輸出功率由P0降為0，從0時刻到ts+tc時刻，即儲能雙向DC/DC變換器開始啟動前，微電網(wǎng)的不平衡功率由網(wǎng)內(nèi)各個變換器的母線電容放電維持，從而造成直流母線電壓Ub的下降。儲能雙向DC/DC變換器啟動后，各變換器的母線電容放電功率Δp逐漸減小，直到儲能雙向DC/DC變換器承擔(dān)全部負荷，母線電壓到達新的平衡。上述過程母線電壓的變化ΔUb滿足如下關(guān)系，即

為簡化分析，假設(shè)儲能雙向DC/DC變換器啟動過程其輸出電流由0單調(diào)線性增加至穩(wěn)態(tài)值，則式（1）可簡化為

式中：Cb為網(wǎng)內(nèi)各變換器的直流母線總電容；ΔUb為直流母線電壓變化量。 設(shè)ΔUb≤10% Ub，把Ub=375 V 代入式（2），可得

式（3）的 3 個時間中，ts、tr可以通過控制環(huán)路的設(shè)計控制在毫秒級以內(nèi)。由于只需傳送一個開關(guān)量，在現(xiàn)有的技術(shù)下，通信延時tc相對于其他兩項可以忽略。對大多數(shù)的變換器設(shè)計，式（3）的要求是易于滿足的。

3 控制策略的實現(xiàn)

3.1 SRF-PLL設(shè)計

3.1.1 SRF-PLL工作原理

為了快速檢測交流電壓，可以在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中構(gòu)建SRF-PLL。當PLL鎖定后，可同時檢測交流電網(wǎng)的電壓、相位和頻率。其基本原理如圖3所示。

設(shè)三相交流電壓為

對式（4）進行Clarke變換和Park變換，可得

在上述 Park變換中，如果 θ=θ1，則 uq=0。 如果按照圖3的反饋控制調(diào)整Park變換矩陣Tdq中的θ1，使得 uq=0,則控制得到的 θ1=θ。 此時，由式（5）可得

因此，通過SRF-PLL環(huán)節(jié)的輸出量ud可以實時檢測大電網(wǎng)電壓幅值，判斷大電網(wǎng)的狀態(tài)，從而為微電網(wǎng)模式切換提供所需的信息。

3.1.2 SRF-PLL控制參數(shù)選擇

為了使SRF-PLL具有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性，需要合理選擇圖3中控制環(huán)路的PI參數(shù)。在SRFPLL 的靜態(tài)工作點附近，θ-θ1≈0，由式（5）可得

該系統(tǒng)的環(huán)路傳遞函數(shù)為

其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

因此，圖4的閉環(huán)傳遞函數(shù)是一個帶零點的典型二階系統(tǒng)，其動態(tài)性能主要取決于阻尼系數(shù)ζ和自然諧振角頻率 ωn。 由式（9）可知 KiK0=ω2n，KpK0=2ζωn。為了確定PI參數(shù)，按二階最佳系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，阻尼系數(shù)ζ取0.707，ωn的選取需兼顧SRF-PLL快速性和對電網(wǎng)負序成分和諧波的抑制[11]，本文選取 ωn=1 000 rad/s,可得到 Kp=3.7，Ki=2 624。

3.2 儲能雙向DC/DC變換器控制策略設(shè)計

3.2.1 儲能雙向DC/DC變換器拓撲與工作模式

本文所采用的儲能雙向變換器的主電路如圖5所示。當能量從微電網(wǎng)側(cè)流向儲能側(cè)時，此時變換器相當于Buck變換器；反之，當能量從儲能側(cè)流向微電網(wǎng)側(cè)時，此時變換器相當于Boost變換器。

儲能雙向DC/DC變換器可以根據(jù)微電網(wǎng)能量平衡的需要調(diào)整能量的流向，從而平衡由于負荷或光伏出力變化引起的波動其運行模式如表1所示。當微電網(wǎng)工作于獨立模式或作為微電源并網(wǎng)運行時，儲能變換器控制母線電壓，工作于表1中的模式1；當微電網(wǎng)作為負荷工作于并網(wǎng)模式時，儲能雙向變換器成為微電網(wǎng)的一個可調(diào)度負荷，既可以發(fā)出功率，也可以吸收功率，此時它工作于表1中的模式2；當需要對儲能系統(tǒng)充電時，根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)，可以對儲能系統(tǒng)進行恒壓或恒流充電，變換器的受控對象是儲能側(cè)的電壓或電流，分別對應(yīng)表1中的模式3和模式4。

表1 儲能雙向DC/DC變換器運行模式Tab.1 Operation modes of energy-storage bidirectional DC/DC converter

3.2.2 儲能雙向DC/DC變換器控制環(huán)路補償

如前所述，儲能雙向DC/DC變換器有4種不同的工作模式，需要4個不同的調(diào)節(jié)器分別實現(xiàn)其控制環(huán)路頻率特性補償。限于篇幅，本文以模式1的環(huán)路補償環(huán)節(jié)設(shè)計為例加以論述，其余模式下的設(shè)計方法與此類似，不再贅述。

雙向變換器在模式1的控制對象為微電網(wǎng)側(cè)電壓，變換器功率級的傳遞函數(shù)[10-11]可表示為

式中：K為直流增益；ωz為輸出濾波電容Cf的等效串聯(lián)電阻Resr對應(yīng)的零點；ωzrhp為功率電路的右半平面零點；ωp為功率電路的極點；ωn和Qp分別為峰值電流模式控制產(chǎn)生的次諧波振蕩的角頻率和品質(zhì)因數(shù)。

儲能雙向DC/DC變換器的主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)式（10）和表2的參數(shù)，可以得出滿載時從補償環(huán)節(jié)輸出EA到輸出電壓U的傳遞函數(shù)為

表2 儲能雙向DC/DC變換器主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of energy-storage bidirectional DC/DC converter

補償后，系統(tǒng)在負荷從20%到100%變化時的環(huán)路頻率特性如圖6所示。滿載時環(huán)路的0 dB穿越頻率為1 250 rad/s，增益裕量是9.81 dB，相位裕量是56.6°，因此可以兼顧系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。

4 仿真模型搭建

4.1 SFR-PLL仿真模型

SRF-PLL的仿真模型如圖7所示，該模型依據(jù)圖3實現(xiàn)，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為Kp=3.7，Ki=2 624。

4.2 儲能雙向DC/DC仿真模型

儲能雙向DC/DC仿真模型如圖8所示。微電網(wǎng)側(cè)電壓為375 V，儲能側(cè)標稱電壓為220 V。其中Enable是DC/DC變換器的起?？刂贫耍琒ideSel、BusSel和BatSel是DC/DC變換器的運行模式控制位。其取值與雙向變換器的4種工作模式的對應(yīng)情況如表3所示。

表3 儲能雙向變換器運行模式控制位Tab.3 Control bits for operation modes of energystorage bidirectional converter

5 仿真分析

直流微電網(wǎng)+375 V部分的仿真平臺如圖9所示，該平臺與圖1的微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲相對應(yīng)，包含圖1中各組成部分。-375 V部分的仿真平臺類似。

仿真的微源和負荷狀態(tài)為：±375 V母線負荷對稱，各帶9.4 kW負荷，750 V母線帶14 kW負荷，48 V母線帶0.5 kW負荷，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在MPPT模式，輸出功率為9.8 kW。初始時刻，微電網(wǎng)工作于并網(wǎng)模式，AC/DC變換器控制±375 V母線。0.1 s時交流電壓供電中斷，AC/DC變換器退出運行，儲能雙向DC/DC變換器控制母線電壓，0.35 s時交流電壓恢復(fù)，AC/DC變換器再次控制母線電壓。根據(jù)交流供電中斷前儲能雙向DC/DC變換器的運行狀態(tài)分別進行了3種情形下微電網(wǎng)并網(wǎng)與獨立運行模式切換仿真。

儲能雙向DC/DC變換器初始時刻處于停機狀態(tài)的情形記為模式0。模式0的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。由圖可見，在初始時刻，AC/DC變換器輸出電流為20 A，DC/DC變換器的輸出電流為0 A；交流供電中斷后，AC/DC變換器輸出電流下降到0 A，DC/DC變換器的輸出電流增加到20 A，調(diào)節(jié)過程約為100 ms，電壓最大值為376 V，最小值為373 V，波動范圍小于1%；交流電壓恢復(fù)后，2個變換器分別恢復(fù)到初始狀態(tài)，切換過程約為10 ms，母線電壓波動范圍約為0.2 V。

圖12和圖13是儲能雙向DC/DC變換器初始時刻工作于表1中模式2的仿真結(jié)果。此時DC/DC變換器以電流源的形式輸出3.75 kW的功率，當交流電壓中斷時，DC/DC變換器控制微電網(wǎng)母線電壓，輸出電流由10 A增加到20 A，由于DC/DC變換器的控制環(huán)路發(fā)生了變化，電壓控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器輸出初始值為0，占空比從0開始逐漸增加，所以造成了切換初期的電流下降。微電網(wǎng)的模式切換調(diào)節(jié)時間、電壓波動范圍和模式0的情況基本一致。

圖14和圖15是儲能雙向DC/DC變換器初始時刻工作于表1模式4的仿真結(jié)果。此時DC/DC變換器向蓄電池充電，充電功率為2.25 kW。由圖14可見，當交流電壓中斷后，DC/DC變換器控制微電網(wǎng)母線電壓并改變電能流向。圖15是蓄電池側(cè)的電壓、電流波形，可以看出蓄電池電壓隨充放電電流的變化而改變。微電網(wǎng)的模式切換調(diào)節(jié)時間、電壓波動范圍和上述兩種情況基本一致。

6 結(jié)語

本文針對直流微電網(wǎng)獨立與并網(wǎng)模式的無縫切換問題，提出了基于交流電壓檢測和儲能雙向DC/DC變換器多控制環(huán)路調(diào)度的切換策略。該策略根據(jù)檢測的交流電壓對DC/DC變換器的控制環(huán)路和補償調(diào)節(jié)器進行調(diào)度，在交流電壓正常時，雙向AC/DC變換器控制微電網(wǎng)母線電壓，儲能雙向DC/DC變換器可以工作于除控制微電網(wǎng)母線電壓之外的其他模式。當交流電壓異常時，雙向AC/DC變換器停止運行，儲能雙向DC/DC變換器的母線電壓控制調(diào)節(jié)器啟動，控制微電網(wǎng)母線電壓，從而實現(xiàn)兩種模式的無縫切換。在建立SRF-PLL和儲能雙向變換器的s域模型并設(shè)計其環(huán)路補償調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink中搭建了整個直流微電網(wǎng)的仿真平臺，實現(xiàn)了所提出的控制策略。多種情形下微電網(wǎng)獨立與并網(wǎng)模式切換的仿真研究結(jié)果表明，在儲能雙向DC/DC變換器不同電能流向的初始條件下，所提控制策略都可實現(xiàn)微電網(wǎng)獨立與并網(wǎng)模式的無縫切換，切換過程具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，從而證明了所提策略的有效性。