符楊，王曉旭，米陽，張智泉

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

可再生分布式電源(DG)具有環(huán)境友好性、可擴(kuò)展性、靈活性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電網(wǎng)中的滲透率逐步提升[1-3]。而微電網(wǎng)作為管理和消納DG的有效模式,一直是國內(nèi)外專家的研究重點(diǎn)。目前已取得了一定的進(jìn)展，建設(shè)了相應(yīng)的示范性工程[4-6]。

而相比單一的交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)可提供DG的交流接口、直流接口，方便交直流負(fù)荷即插即用，能夠有效減少光伏、儲能等DG以及電力電子負(fù)荷、變頻類負(fù)荷的功率變換環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定的運(yùn)行[7-9]，是微電網(wǎng)技術(shù)未來的重要研究方向。

對微電網(wǎng)系統(tǒng)而言，有效且準(zhǔn)確的功率分配始終是微電網(wǎng)控制的基本要求[10-11]。由于微電網(wǎng)中包含大量的可再生電源以及波動范圍較大的負(fù)荷，需要配置儲能設(shè)備來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在單個微電網(wǎng)中，下垂控制可工作于無通信的環(huán)境下并具有較高的可靠性與靈活性，所以功率分配能夠通過傳統(tǒng)下垂控制來實(shí)現(xiàn)。但也存在一些不足，如電壓、頻率偏差較大，功率分配的精度較低[12-13]。

目前關(guān)于微網(wǎng)系統(tǒng)功率分配的研究，主要分為兩類：一類側(cè)重于單個子微網(wǎng)內(nèi)部功率分配精度的提高[14-15]，一類側(cè)重于微網(wǎng)間的功率協(xié)調(diào)[16-19]。文獻(xiàn)[14]通過引入電壓變化設(shè)計(jì)新型下垂控制，從而提高功率分配精度并維持電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[15]中加入線阻測量裝置，通過測量值改變下垂系數(shù)從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效的功率分配。文獻(xiàn)[16]提出了基于互聯(lián)變換器的雙下垂控制，實(shí)現(xiàn)了直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)間的功率流動。文獻(xiàn)[17]首次設(shè)計(jì)了基于標(biāo)幺化的雙向互聯(lián)變換器自治協(xié)調(diào)控制策略，使交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)的下垂曲線可共用同一坐標(biāo)系，最后利用PI控制器實(shí)現(xiàn)各子微網(wǎng)按容量比輸出有功功率。文獻(xiàn)[18]針對AC/DC/DS三端口的交直流混合微電網(wǎng)，提出了包含本地功率控制(LPS)、全局功率控制(GPS)以及儲能功率控制(SPS)的分層控制策略，并設(shè)置了合理的激活條件避免不必要的LPS、GPS，但交流頻率、直流母線電壓均偏離額定值。文獻(xiàn)[19]對可控的分布式電源按不同的工作模式設(shè)計(jì)了分段下垂控制，與此同時制定功率交換控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了無通信下子微網(wǎng)間功率的合理流動。但交流子微網(wǎng)、直流子微網(wǎng)，均在理想狀態(tài)下，沒有考慮不匹配線阻的影響。

通過以上分析，本文對孤島運(yùn)行下的交直流混合微電網(wǎng)提出了一種基于本地自適應(yīng)調(diào)節(jié)下的微網(wǎng)全局協(xié)調(diào)控制策略。首先考慮到線路參數(shù)的不確定性，對直流子微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)下垂控制，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)提高子微網(wǎng)內(nèi)部有功功率分配的精確性。對交流子微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源設(shè)計(jì)了基于同步信號改進(jìn)的本地下垂控制，通過調(diào)整參考電壓，實(shí)現(xiàn)子微網(wǎng)內(nèi)部有功功率、無功功率的精確分配。接著在本地調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮儲能設(shè)備對交直流混合微電網(wǎng)采用全局協(xié)調(diào)控制策略，通過二次控制消除頻率/電壓偏差，恢復(fù)其至額定值。提出新的歸一化值實(shí)現(xiàn)頻率電壓穩(wěn)定條件下的全局功率合理流動以及自主分配。針對全局功率協(xié)調(diào)策略提出了交換功率控制規(guī)則，避免不必要的功率交換，減少了互聯(lián)變換器上的損耗，延長了儲能壽命。

1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。相應(yīng)的分布式電源以及負(fù)荷分別連接在交流母線、直流母線上，而交直流母線則通過雙向互聯(lián)變換器(Bidirectional Interlinking Converter，BIC)相連。BIC由一個雙向的AC/DC逆變器和一個雙向的DC/DC逆變器構(gòu)成。為使系統(tǒng)的功率變換級數(shù)較低，可將儲能系統(tǒng)母線連接于BIC的直流側(cè)。DG分為可控型分布式電源(Controlled DG，CDG)和不可控型分布式電源(Uncontrolled DG，UDG)。輸出功率穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率、電壓的DG稱為CDG，如蓄電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等；輸出功率易受自然條件影響、具有間歇性的DG稱為UDG，如風(fēng)機(jī)、光伏等，通常采用MPPT控制[20-22]，在文中將其視作輸出功率為負(fù)值的負(fù)荷。

圖1 混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of a hybrid AC/DC micro-grid

2 本地下垂控制

根據(jù)直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，對各子微網(wǎng)內(nèi)的CDG分別設(shè)計(jì)本地下垂控制。

2.1 直流子微網(wǎng)內(nèi)模糊下垂控制

在直流子微網(wǎng)中，單個直流單元通過DC/DC換流器(DC/DC Converter，DDC)與直流母線相連，直流子微網(wǎng)的等效電路如圖2所示。其中Udci(i= 1,2,…,N)是DGi的輸出電壓，Ii是DGi的輸出電流，Rlinei為第i個DC/DC換流器到直流母線的線路電阻。

圖2 直流子微網(wǎng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of DC sub-microgrid

直流子微網(wǎng)內(nèi)的功率分配常采用P-U下垂或I-U下垂，為了更加直觀的反映輸出功率與電壓的關(guān)系，本文采用P-U下垂。傳統(tǒng)的P-U下垂表達(dá)式如下：

(1)

針對實(shí)際微網(wǎng)中潮流參數(shù)的不確定性，設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng)下垂系數(shù)的改進(jìn)下垂控制策略?；诓蓸佣ɡ恚侠碚{(diào)整離散模糊系統(tǒng)的采樣時間，使其充分接近微網(wǎng)連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行時間。同時利用模糊控制魯棒性較強(qiáng)，響應(yīng)速度較快這一特點(diǎn)，在極短時間內(nèi)動態(tài)地調(diào)整下垂系數(shù)從而調(diào)節(jié)各DG的輸出功率。

DG下垂系數(shù)與輸出功率正相關(guān)[16]。將DG發(fā)出的有功功率作為模糊控制器的輸入，制定模糊規(guī)則自適應(yīng)地調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)子微網(wǎng)內(nèi)部有功功率的精確分配：

(2)

模糊控制器主要包含模糊化、模糊推理機(jī)制以及清晰化。根據(jù)式(2)，將單個DG的實(shí)際輸出功率與期望的輸出功率值作差，所得的(Pdci)′作為模糊控制器的輸入，模糊控制器根據(jù)輸入量自適應(yīng)的調(diào)節(jié)下垂系數(shù)mi。輸入輸出變量的模糊子集如下：

(3)

其中，NB、NL、NS、Z、PS、PL、PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小，正中，正大。具體模糊規(guī)則制定如表1所示。

當(dāng)DG的輸出功率大于預(yù)期輸出功率時，需增大下垂系數(shù)mi以減小其輸出功率；當(dāng)DG的輸出功率小于預(yù)期輸出功率時，需減小下垂系數(shù)mi以增大其輸出功率，最終實(shí)現(xiàn)各DG根據(jù)自身額定容量進(jìn)行功率的精確分配。

圖3為模糊下垂控制下的雙DG功率分配圖。如圖3所示，原始狀態(tài)下，由于線路阻抗不匹配(假設(shè)Rline1>Rline2)，額定容量相同的兩臺DG存在輸出功率差值ΔP。運(yùn)用模糊下垂控制器動態(tài)地調(diào)節(jié)下垂系數(shù)mi，使得DG1的下垂系數(shù)減小，DG2的下垂系數(shù)增大，最終實(shí)現(xiàn)兩臺DG按額定容量輸出有功功率，Pdc1:Pdc2=1:1。

圖3 模糊下垂控制下的雙DG功率分配Fig.3 Power allocation of two DG units based on fuzzy droop control

2.2 基于同步信號的交流子微網(wǎng)改進(jìn)下垂控制

在交流子微網(wǎng)中，分布式電源(DG)通過電力電子接口、饋線與交流母線相連。等效電路如圖4所示。

圖4 交流子微網(wǎng)的等效結(jié)構(gòu)Fig.4 Equivalent structure of AC sub-microgrid

其中,Uac是交流母線電壓幅值，Uaci(i=1,2,…n)是DGi的輸出電壓，Paci為DGi輸出的有功功率，Qaci為DGi輸出的無功功率。所提策略主要針對高壓交流微電網(wǎng)，因此線路電阻可以忽略。因此Paci、Qaci分別為：

(4)

(5)

式中Xi是DGi的輸出電抗，δi是Uaci與Uac的相角差。由于相角差δi非常小，所以sinδi可近似為δi，cosδi可近似為1。

傳統(tǒng)的下垂控制如下：

(6)

(7)

針對該問題，提出了基于同步信號的改進(jìn)下垂控制，在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上增加無功補(bǔ)償，自適應(yīng)地修改下垂控制曲線的參考電壓，從而提高各DG無功均分的精度。

改進(jìn)下垂控制如下所示：

(8)

式中Uaci(t+1)代表DGi第t+1個采樣周期所對應(yīng)的輸出電壓，Qaci(t)代表在第t次同步信號到來時采樣并保存的無功穩(wěn)態(tài)值，用于第t+1次的無功偏差消除，KQ代表補(bǔ)償系數(shù)。

圖5是相鄰?fù)叫盘栂翫G的改進(jìn)下垂控制運(yùn)行過程。該控制策略只需知道上一同步信號對應(yīng)的無功功率，對通信帶寬要求很低。

圖5 相鄰?fù)叫盘栂翫G的控制圖Fig.5 Control block diagram of DG between the adjacent synchronizing signals

以額定容量一致，下垂系數(shù)相同的雙DG交流子微網(wǎng)為例(假設(shè)X1>X2)。在第1次采樣周期時，由式(8)可得：

(9)

Uac1(0)、Uac2(0)分別為DG1、DG2的原始輸出電壓。

(10)

又因?yàn)镼ac1(0)X2,根據(jù)式(10)得出:ΔQac2_1(1)-ΔQac2_1(0)<0，進(jìn)一步得到ΔQac2_1(1)<ΔQ2_1(0)，無功偏差逐漸減小，最后趨近于0。

圖6是改進(jìn)下垂控制的雙DG無功功率分配示意圖。原始狀態(tài)下，由于線路阻抗不匹配(假設(shè)X1>X2)，導(dǎo)致額定容量相同的兩臺DG輸出的無功功率不一致。采用基于同步信號改進(jìn)的下垂控制，運(yùn)用上一時刻同步信號對應(yīng)的無功功率，不斷調(diào)整下垂控制中的參考電壓值，使無功偏差不斷減小，最終實(shí)現(xiàn)無功均分。

圖6 改進(jìn)下垂控制下的雙DG無功功率分配Fig.6 Reactive power allocation of two DG units based on an improved droop control

3 交直流混合微電網(wǎng)全局協(xié)調(diào)控制

3.1 電壓、頻率恢復(fù)設(shè)計(jì)

2節(jié)所提出的本地下垂控制會引起電壓偏差、頻率偏差。針對該問題，本節(jié)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了二次控制策略，使電壓、頻率穩(wěn)定至額定值。通過測量直流母線電壓、交流頻率并通過低速通信網(wǎng)絡(luò)傳至二次控制層，通過PI控制器使電壓、頻率追蹤其額定值，即：

(11)

式中ΔVdcrate、frated分別為直流母線電壓額定值、頻率額定值。kpv、kiv、kpf、kif為PI控制器的控制參數(shù)。

PI控制器的輸出將被傳送本地下垂控制，并對其進(jìn)行修正，修正后的直流子微網(wǎng)本地下垂控制、交流子微網(wǎng)本地下垂控制如下：

(12)

由此可見，通過二次控制，在實(shí)現(xiàn)直流母線電壓、頻率穩(wěn)定于額定值的同時，實(shí)現(xiàn)了子微網(wǎng)內(nèi)有功功率、無功功率的精確分配。

3.2 交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)間功率協(xié)調(diào)

為了實(shí)現(xiàn)交直流網(wǎng)間的功率互濟(jì)，需要將頻率、直流母線電壓值進(jìn)行歸一化，在無量綱的情況下進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局的功率協(xié)調(diào)[17]。具體歸一化方法如下所示：

(13)

式中γ可表示頻率、直流母線電壓，(γ)′表示γ歸一化后的值，區(qū)間為[-1,1]，γmax和γmin分別表示γ的最大、最小值。

但借助(γ)′值表示子微網(wǎng)內(nèi)部的功率情況(輕載/重載)存在固有的局限性，當(dāng)使用二次控制使頻率、直流母線電壓恢復(fù)至額定值后，其歸一化后的值始終為零，這將導(dǎo)致(γ)′值無法表示子微網(wǎng)內(nèi)部及子微網(wǎng)之間的供需關(guān)系，嚴(yán)重影響網(wǎng)間的功率協(xié)調(diào)。

(14)

對式(14)進(jìn)行簡化，可以進(jìn)一步得到：

(15)

(16)

其中kp、ki為PI控制器的控制參數(shù)。通過PI控制器使得RU=Rf后，根據(jù)式(15)可以得到：

(17)

由式(17)可以推出，交流子微網(wǎng)、直流子微網(wǎng)可以根據(jù)微網(wǎng)容量按比例地進(jìn)行功率分配。而子微網(wǎng)內(nèi)的DG在本地自適應(yīng)下垂控制下進(jìn)行有功功率的精確分配，最終整個系統(tǒng)的功率分配滿足：

將BIC上的傳輸功率帶入式(15)可以得到：

(18)

因此，可以通過RU、Rf以及BIC上的傳輸功率值判斷直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)的負(fù)載水平。

3.3 基于全局功率協(xié)調(diào)的交換功率控制規(guī)則

通過3.2小節(jié)所提出的功率協(xié)調(diào)控制策略，可以在二次控制恢復(fù)交流頻率、直流母線電壓的條件下，仍實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中功率的自主分配。但該控制策略下任意功率波動都可能引起整個系統(tǒng)進(jìn)行功率流動，造成不必要的功率損耗，影響儲能壽命。

通過以上分析，制定基于全局功率協(xié)調(diào)的交換功率控制規(guī)則。首先設(shè)計(jì)Rg、Rs(0

模式一：子微網(wǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)功率平衡

當(dāng)0<|RU|∪|Rf|≤Rg時，直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)均可以在系統(tǒng)限額內(nèi)實(shí)現(xiàn)各自的功率平衡。功率交換不啟動。

模式二：交直流微網(wǎng)間進(jìn)行功率交換。

當(dāng)Rg<|RU|∪|Rf|≤Rs時，子微網(wǎng)功率波動較大，需要子微網(wǎng)間功率交換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡。

模式三：子微網(wǎng)與儲能系統(tǒng)間進(jìn)行功率交換。

當(dāng)Rs<|RU|∪|Rf|≤1時，直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)的輸出功率均接近限值，此時需要儲能參與調(diào)節(jié)，共同維持混合微電網(wǎng)的功率平衡。

為了防止輕微的負(fù)載波動觸發(fā)子微網(wǎng)間功率交換、微網(wǎng)與儲能間功率交換，區(qū)間[0,Rg]、[Rg,Rs]、[Rs,1]的范圍必須足夠大。因此本文在參考RU、Rf的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了BIC上的傳輸功率，從而確保全局功率交換的觸發(fā)精度。據(jù)此制定了交換功率控制規(guī)則，具體設(shè)計(jì)如下:

(1)啟動子微網(wǎng)間功率交換。

為了研究子微網(wǎng)間進(jìn)行功率交換的觸發(fā)條件，定義了RUbic、Rfbic這兩個量。在此基礎(chǔ)上，定義事件A、事件B判斷直流子微網(wǎng)、交流子微網(wǎng)的負(fù)荷水平。

A：|RU+RUbic|>Rg

(19)

B：|Rf+Rfbic|>Rg

(20)

其中，RUbic、Rfbic分別代表雙向互聯(lián)變換器的功率流經(jīng)過歸一化后的值。

(21)

(22)

當(dāng)子微網(wǎng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)功率平衡，并無子微網(wǎng)間功率交換時，雙向互聯(lián)變換器上的流動功率值為0，即RUbic、Rfbic為0，因此事件A、B同樣適用于由子微網(wǎng)內(nèi)部功率平衡到子微網(wǎng)間進(jìn)行功率互濟(jì)的切換判斷。

基于以上分析，子微網(wǎng)間功率交換的啟動以及交流子微網(wǎng)、直流子微網(wǎng)之間的互助功率如下：

(23)

式中 ∪表示邏輯或，kp、ki為PI控制器對應(yīng)的控制參數(shù)。

(2)儲能系統(tǒng)與子微網(wǎng)間交換功率控制。

定義事件C作為儲能系統(tǒng)與子微網(wǎng)間進(jìn)行功率交換的觸發(fā)條件：

C：|(RU+RUbic)+(Rf+Rfbic)|/2>Rs

(24)

根據(jù)前文可知，RU+RUbic可反映直流子微網(wǎng)的負(fù)載水平，Rf+Rfbic可反映交流子微網(wǎng)的負(fù)載水平。因此，事件C可作為子微網(wǎng)間功率互濟(jì)切換至儲能參與實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)功率平衡的切換條件儲能系統(tǒng)吸收或發(fā)出的功率如下：

(25)

(26)

SOC代表儲能的荷電狀態(tài)，SOCmin、SOCmax分別表示儲能荷電狀態(tài)的最小值、最大值。

當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載水平較低時，事件A、B、C均為假，此時僅需進(jìn)行子微網(wǎng)本地下垂控制即可實(shí)現(xiàn)供需平衡，微網(wǎng)間的功率互濟(jì)并未啟動。因此減少了雙向互聯(lián)變換器上的功率損耗。當(dāng)任何一個子微網(wǎng)過載時，事件A與事件B的并集變?yōu)?，此時子微網(wǎng)間的功率互濟(jì)會啟動，從而避免混合微電網(wǎng)中任何一個分布式電源過載。當(dāng)兩個子微網(wǎng)同時處于極端重載或輕載的情況下，事件C變?yōu)?，此時需要儲能的參與才能在不切負(fù)荷的情況下滿足混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的供需平衡。

4 仿真驗(yàn)證

本文按照圖1在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建混合微電網(wǎng)模型并進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所提控制策略的有效性。模型具體參數(shù)見表2。交直流混合微電網(wǎng)的負(fù)荷變化參見表3。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

表3 交直流混合微電網(wǎng)的負(fù)荷Tab.3 Load of hybrid AC/DC micro-grid

針對交直流混合微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了3個算例。算例一驗(yàn)證了模糊改進(jìn)的本地下垂控制的有效性。算例二驗(yàn)證了基于同步信號的本地下垂控制的有效性。算例三驗(yàn)證了全局協(xié)調(diào)控制下，交直流微網(wǎng)間、子微網(wǎng)與儲能間的功率互濟(jì)、頻率/電壓的恢復(fù)情況以及子微網(wǎng)內(nèi)部功率的精確分配。

4.1 直流子微網(wǎng)內(nèi)部功率協(xié)調(diào)驗(yàn)證

在本算例中，直流子微網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行。該微網(wǎng)由3個DG構(gòu)成，DG1、DG2、DG3的容量之比為1∶2∶2。直流子微網(wǎng)內(nèi)存在不匹配線阻，Rline1=0.1 Ω，Rline2=0.2 Ω，Rline3=0.3 Ω。若采用傳統(tǒng)的下垂控制策略，可得到3個DG的下垂系數(shù)分別為m1=0.04,m2=0.02,m3=0.02。

運(yùn)用文中所設(shè)計(jì)的模糊改進(jìn)下垂控制，直流子微網(wǎng)內(nèi)部功率情況分配如圖8所示。觀察圖8可以得到，模糊改進(jìn)下垂控制可以消除不匹配線阻的影響，使三個DG的輸出功率滿足1:2:2，實(shí)現(xiàn)直流子微網(wǎng)內(nèi)部精確的功率分配。

傳統(tǒng)下垂控制策略下的直流子微網(wǎng)內(nèi)部功率分配如圖7所示。觀察該圖可以發(fā)現(xiàn)由于線阻不匹配，直流子微網(wǎng)內(nèi)功率分配的精度較低，并不符合1:2:2。

圖7 傳統(tǒng)下垂控制下各DG輸出功率波形Fig.7 Output power waveform of DG in conventional droop control

4.2 交流子微網(wǎng)內(nèi)部功率協(xié)調(diào)驗(yàn)證

本算例中，交流子微網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行。該微網(wǎng)由3個DG構(gòu)成，各DG的容量滿足1:1:1。交流子微網(wǎng)內(nèi)部存在不匹配阻抗，X1=1 mH,X2=2 mH,X3=3 mH。無功負(fù)載Qload=3 000 W，補(bǔ)償系數(shù)KQ=1e-6。

圖8 模糊下垂控制下各DG輸出功率波形Fig.8 Output power waveform of DG in fuzzy droop control

由于頻率為全局變量，所以不匹配阻抗并不會影響交流子微網(wǎng)內(nèi)部的有功功率分配。分配情況如圖9所示。

圖9 各DG輸出的有功功率波形Fig.9 Active power waveform of DG output

但對交流子微網(wǎng)采用傳統(tǒng)的下垂控制時，DG1、DG2、DG3輸出的無功功率不同，如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.10 Reactive power of DG output in conventional droop control

運(yùn)用本文所設(shè)計(jì)的基于同步思想的改進(jìn)下垂控制，交流子微網(wǎng)內(nèi)無功功率的分配情況如圖11所示。觀察圖11可以得到，該控制策略可以消除各DG間不匹配阻抗的影響，從而實(shí)現(xiàn)無功功率均分。

圖11 改進(jìn)下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.11 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

4.3 交直流混合微電網(wǎng)全局協(xié)調(diào)控制驗(yàn)證

為了驗(yàn)證全局協(xié)調(diào)控制下帶儲能的交直流混合微電網(wǎng)可以進(jìn)行合理的功率互濟(jì)并證實(shí)功率交換控制策略的有效性，研究了各負(fù)載條件下的管理方案，仿真情況如圖12所示。

圖12 交直流混合微電網(wǎng)輸出的有功功率波形Fig.12 Active power waveform of output of AC/DC hybrid micro-grid

在t=0～2 s內(nèi)，交流負(fù)荷大致為2 890 W，直流負(fù)荷大致為2 400 W。此時，交流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為2 900 W, 直流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為2 430 W。

在t=2 s時，交流負(fù)荷不變，直流負(fù)荷增至4 570 W。交流子微網(wǎng)向直流子微網(wǎng)傳輸功率，承擔(dān)一部分直流負(fù)荷。此時，交流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為4 050 W, 直流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為3 410 W ,基本符合6:5。

在t=4 s時，直流負(fù)荷不變，交流負(fù)荷增至6 010 W。此時，儲能系統(tǒng)與子微網(wǎng)間進(jìn)行功率互濟(jì)控制啟動。儲能1輸出有功功率950 W，儲能2輸出有功功率1 470 W。儲能1輸出的有功功率少于儲能2，這是由于儲能1的SOC比儲能2的SOC小。

在t=6 s，直流負(fù)荷不變，交流負(fù)荷減至290 W。此時，交流子微網(wǎng)、直流子微網(wǎng)間仍進(jìn)行功率互濟(jì)。交流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為2 750 W, 直流子微網(wǎng)輸出的總的有功功率大致為2 330 W,基本符合6:5。

在t=8 s時，交流負(fù)荷不變，直流負(fù)荷減至1 150 W。此時，儲能系統(tǒng)與子微網(wǎng)間進(jìn)行功率互濟(jì)控制啟動。儲能1吸收有功功率1 700 W，儲能2吸收有功功率480 W，1700/480>3/2，這是因?yàn)閮δ?的SOC比儲能2的SOC小，因此在充電模式下儲能1吸收的功率更多。

如圖13、圖14以及圖15所示，各工況下，直流子微網(wǎng)內(nèi)部DG1、DG2、DG3的輸出功率之比始終為1:2:2，交流子微網(wǎng)內(nèi)3個DG的輸出功率之比始終滿足1:1:1且能實(shí)現(xiàn)無功均分。

圖13 直流子微網(wǎng)中各DG輸出的有功功率波形Fig.13 Active power waveform of DG output in DC sub-microgrid

圖15 改進(jìn)下垂控制下各DG輸出的無功功率波形Fig.15 Reactive power waveform of DG output based on an improved droop control

如圖16、圖17所示，由于二次控制的設(shè)計(jì)，頻率、直流母線電壓可以恢復(fù)至額定值。

圖16 直流子微網(wǎng)內(nèi)功率波動時的直流母線電壓波形Fig.16 DC bus voltage waveforms when DC sub-microgrid power fluctuates

圖17 交流子微網(wǎng)內(nèi)功率波動時的頻率波形Fig.17 Frequency waveforms when AC sub-microgrid power fluctuates

5 結(jié)束語

本文針對孤島運(yùn)行下的交直流混合微電網(wǎng)，提出了一種基于本地自適應(yīng)調(diào)節(jié)的全局協(xié)調(diào)控制策略。通過理論分析以及仿真驗(yàn)證得出如下結(jié)論：

(1)對直流子微網(wǎng)內(nèi)的DG運(yùn)用模糊下垂控制，可通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)消除線路阻抗的影響，提高子微網(wǎng)內(nèi)部有功功率分配的精確性；對交流子微網(wǎng)內(nèi)的DG采用基于同步理論的改進(jìn)下垂控制，可消除線路阻抗的影響，保證有功功率均分、無功功率的精確分配;

(2)對包含儲能設(shè)備的交直流混合微網(wǎng)運(yùn)用全局協(xié)調(diào)控制：對頻率/電壓進(jìn)行二次調(diào)整，使頻率/電壓恢復(fù)至額定值；實(shí)現(xiàn)交直流子微網(wǎng)間、子微網(wǎng)與儲能間功率的合理流動與自主分配;

(3)設(shè)計(jì)了功率交換控制規(guī)則，可以根據(jù)負(fù)載水平切換至相應(yīng)的工作模式，降低交換功率損耗，延長儲能壽命。