混合微網(wǎng)含儲(chǔ)能系統(tǒng)互聯(lián)接口變換器的雙閾值窗控制策略

岳懷瑜，劉莎莎，吳啟亮

(1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司超高壓分公司，北京 102488；2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山 063000；3. 國(guó)網(wǎng)湖北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著大量分布式微源的入網(wǎng)，微電網(wǎng)逐漸走上歷史舞臺(tái)。交直流混合微電網(wǎng)匯集了交流和直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，極具應(yīng)用前景[1-2]。相比傳統(tǒng)的單一用電形式的微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)存在獨(dú)有的設(shè)備互聯(lián)接口變換器[3-4]。傳統(tǒng)的互聯(lián)接口變換器多是單級(jí)式DC/AC 變換器，在此基礎(chǔ)上延伸出了多種互聯(lián)接口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在交直流混合微電網(wǎng)孤島工作模式下，考慮經(jīng)濟(jì)性及可靠性，對(duì)互聯(lián)接口變換器的控制可以采用無(wú)互聯(lián)通信的控制策略，常見(jiàn)的有下垂控制以及改進(jìn)下垂控制[5-6]。文獻(xiàn)[7]直接將分布式微源的下垂控制應(yīng)用于互聯(lián)接口變換器，具有局限性。文獻(xiàn)[8-9]提出了互聯(lián)接口變換器的歸一化控制策略，通過(guò)單位化變換，將下垂特性曲線歸一化到[-1,1]。文獻(xiàn)[10]考慮互聯(lián)接口變換器工作模式反復(fù)切換問(wèn)題，對(duì)變換器工作區(qū)設(shè)置了閾值。文獻(xiàn)[11]對(duì)可調(diào)度的分布式微源下垂特性進(jìn)行了分段。文獻(xiàn)[12]對(duì)互聯(lián)接口變換器的運(yùn)行模式進(jìn)行了分段。上述方法均基于歸一化下垂控制，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[13]提出一種分散式功率歸一化控制策略，該策略受電壓水平影響較大。文獻(xiàn)[14]結(jié)合直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制對(duì)控制策略做出改進(jìn)，變換器可以通過(guò)儲(chǔ)能單元的下垂特性修正直流母線電壓。文獻(xiàn)[15-16]提出了互聯(lián)接口變換器的雙向下垂特性，其中文獻(xiàn)[16]通過(guò)自適應(yīng)下垂系數(shù)確定變換器整流、逆變運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)，對(duì)直流電壓、交流頻率偏差較大一側(cè)優(yōu)先功率支撐。文獻(xiàn)[17]采用一種帶有功率判斷模塊的改進(jìn)下垂控制策略。文獻(xiàn)[18]對(duì)歸一化下垂控制做出改進(jìn)，引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。文獻(xiàn)[19]建立結(jié)合虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的互聯(lián)接口變換器控制策略，可實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[20]提出一種以虛擬魯棒狀態(tài)反饋控制器為基礎(chǔ)的雙向功率變換器控制方法。

互聯(lián)接口變換器的功率控制是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)研究方向，而歸一化下垂控制因自身原理的局限性，無(wú)法控制交直流側(cè)功率特征量準(zhǔn)確穩(wěn)定在額定值，可能會(huì)出現(xiàn)變換器在整流和逆變間反復(fù)切換的情況。因此有學(xué)者對(duì)互聯(lián)接口變換器的開(kāi)啟條件作出了修改，設(shè)定了互聯(lián)接口變換器的開(kāi)啟閾值，向上和向下越過(guò)閾值時(shí)的工作模式相反，在閾值之內(nèi)時(shí)互聯(lián)接口變換器不工作。但是該方法普遍存在問(wèn)題，如果單純針對(duì)功率特征量交流頻率f和直流電壓Udc設(shè)定閾值，同時(shí)在該閾值既作為開(kāi)啟閾值也作為關(guān)斷閾值的情況下，當(dāng)特征量恢復(fù)到閾值范圍之內(nèi)時(shí)，直接關(guān)斷互聯(lián)接口變換器而不對(duì)實(shí)時(shí)傳輸功率的份額進(jìn)行檢測(cè)，可能造成子網(wǎng)之間一個(gè)大的功率流被切斷，反映功率情況的特征量重新越過(guò)開(kāi)啟閾值，從而造成反復(fù)開(kāi)斷問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器雙閾值窗控制策略。設(shè)定了啟動(dòng)子網(wǎng)間功率流動(dòng)的閾值和判斷是否啟用儲(chǔ)能系統(tǒng)作為補(bǔ)充功率支撐的閾值，相應(yīng)地針對(duì)啟動(dòng)閾值設(shè)定了不同的關(guān)斷閾值。設(shè)定關(guān)斷閾值可與交直流子網(wǎng)內(nèi)部的下垂調(diào)節(jié)相互配合，僅流經(jīng)兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器的功率對(duì)交直流子網(wǎng)f或Udc的調(diào)節(jié)作用小到一定范圍時(shí)，關(guān)斷互聯(lián)接口變換器，停止功率交換。同時(shí)引入了基于荷電率（SOC）的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制，拓寬了輕載及重載條件下功率可調(diào)范圍。在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建了混合微電網(wǎng)的仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提方法的有效性。

1 含儲(chǔ)能系統(tǒng)兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器

1.1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及下垂控制策略

1.1.1 互聯(lián)接口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

互聯(lián)接口變換器的主要任務(wù)是作為交直流側(cè)功率流動(dòng)的橋梁，在一側(cè)功率缺額或者過(guò)剩時(shí)，另一側(cè)通過(guò)互聯(lián)接口變換器傳輸功率進(jìn)行功率補(bǔ)償或消納。含儲(chǔ)能的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器是在傳統(tǒng)雙向DC/AC 互聯(lián)接口變換器的基礎(chǔ)上，在DC 側(cè)串入雙向DC/DC 變換器，同時(shí)在公共直流母線上加入儲(chǔ)能系統(tǒng)DS。含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure diagram of two-stage interlinking converter with energy storage system

1.1.2 歸一化下垂控制策略

下垂控制廣泛應(yīng)用于源-網(wǎng)變流器的控制，同時(shí)也可適用于網(wǎng)-網(wǎng)變流器的控制。在混合微電網(wǎng)中對(duì)互聯(lián)接口變換器作下垂控制時(shí)，可分別將交、直流子網(wǎng)看作滿足交直流側(cè)綜合下垂曲線的分布式電源?；ヂ?lián)接口變換器交直流側(cè)綜合下垂曲線如圖2 所示。

圖2 互聯(lián)接口變換器交直流側(cè)綜合下垂特性曲線Fig. 2 Comprehensive droop curve of the interlinking converter AC and DC sides

經(jīng)過(guò)歸一化處理得到單位化的交直流側(cè)功率水平特征量fpu和Udc_pu，控制目標(biāo)為通過(guò)互聯(lián)接口變換器的功率流動(dòng)使2 個(gè)特征量相等，且直流母線實(shí)際電壓和交流母線實(shí)際頻率均在允許范圍之內(nèi)。

設(shè)流過(guò)雙向DC/DC 變換器IC1的功率為PIC1，流過(guò)雙向DC/AC 變換器IC2的功率為PIC2，指定功率逆變?yōu)檎?，即此時(shí)PIC1，PIC2＞0。

當(dāng)fpu≠Udc_pu時(shí)，經(jīng)PI 控制交直流側(cè)交換功率以維持交直流子網(wǎng)間功率平衡，即

通過(guò)功率流動(dòng)重新穩(wěn)定后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)如圖3所示。

圖3 互聯(lián)接口變換器功率流動(dòng)后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)Fig. 3 Steady-state operating point after power flow of interlinking converter

1.2 基于荷電率的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

互聯(lián)接口變換器可傳輸?shù)墓β视邢?，其調(diào)節(jié)范圍也有限。當(dāng)處于極端條件時(shí)，只依靠互聯(lián)接口變換器傳輸功率不能有效維持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此引入儲(chǔ)能系統(tǒng)并加以控制。

控制目標(biāo)為達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，在該點(diǎn)所有儲(chǔ)能單元均基于其自身容量按比例吸收/釋放功率，如圖4 所示。

圖4 儲(chǔ)能裝置下垂特性曲線Fig. 4 Droop characteristic curve of energy storage device

在實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能裝置充放電的性能與SOC 有關(guān)。針對(duì)SOC 對(duì)儲(chǔ)能裝置的影響，將下垂系數(shù)Ez修正為

修正后的基于SOC 的儲(chǔ)能單元下垂控制示意如圖5 所示。在以?xún)?chǔ)能單元放電時(shí)Pds_z為正的情況下，當(dāng)系統(tǒng)總功率參考值 λ為正時(shí)，需要儲(chǔ)能單元吸收部分電能；當(dāng)系統(tǒng)總功率參考值 λ為負(fù)時(shí)，需要儲(chǔ)能單元釋放部分電能。

圖5 基于SOC 的儲(chǔ)能單元下垂控制示意Fig. 5 Droop control of energy storage unit based on SOC

2 含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器雙閾值窗控制策略

2.1 開(kāi)啟條件

設(shè)計(jì)含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩極式互聯(lián)接口變換器雙閾值窗控制策略，首先是啟動(dòng)閾值的設(shè)定。用kpu表示歸一化后的交流子網(wǎng)功率特征量fpu或歸一化后的直流子網(wǎng)功率特征量Udc_pu，設(shè)定啟動(dòng)兩級(jí)互聯(lián)接口變換器的閾值為|kIC|，檢測(cè)儲(chǔ)能裝置是否需要啟動(dòng)的閾值為|kds|。混合微電網(wǎng)的工作區(qū)域被閾值切分成3 段，分別為代表交直流微網(wǎng)自治運(yùn)行的MG 自治段（式（8）），啟動(dòng)互聯(lián)接口變換器進(jìn)行功率交換的IC 啟動(dòng)段（式（9））以及評(píng)估系統(tǒng)總功率情況來(lái)決定儲(chǔ)能系統(tǒng)是否接入的DS 評(píng)估段（式（10））。

在MG 自治段中，各子網(wǎng)可以通過(guò)內(nèi)部分布式下垂控制達(dá)到功率平衡，反映到特征量上為fpu和Udc_pu的絕對(duì)值均小于|kIC|，無(wú)須開(kāi)啟互聯(lián)接口變換器功率流動(dòng)。當(dāng)交流側(cè)或直流側(cè)特征量至少有一個(gè)超過(guò)閾值|kIC|時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入IC 啟動(dòng)段，對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)功率平衡打破，需要啟動(dòng)功率傳輸以平衡2 個(gè)子網(wǎng)間功率。如果交直流子網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載變化較大，相應(yīng)的特征量fpu和Udc_pu變化也較大，實(shí)時(shí)特征量的大小超過(guò)|kds|，則進(jìn)入DS 評(píng)估段，需要對(duì)系統(tǒng)總的功率情況進(jìn)行評(píng)估。如果通過(guò)另一側(cè)子網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)可以對(duì)該側(cè)進(jìn)行支撐，則交直流子網(wǎng)間進(jìn)行功率流動(dòng)；如果另一側(cè)也同樣重載或輕載，不能再額外提供或消納功率，則需要啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。評(píng)估系統(tǒng)總的功率水平須引入系統(tǒng)總功率水平特征量，即

式中：Δfpu為交流子網(wǎng)負(fù)荷變化所造成的頻率變化標(biāo)幺值；ΔUdc_pu為直流子網(wǎng)負(fù)荷變化造成的電壓變化標(biāo)幺值，2 個(gè)值均實(shí)時(shí)在線更新。

當(dāng)特征量fpu或Udc_pu的值超過(guò)|kIC|，互聯(lián)接口變換器進(jìn)行功率交換，當(dāng)系統(tǒng)總功率水平特征量μ超過(guò)|kds|時(shí)啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)。得到本文所采用的含儲(chǔ)能裝置的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器不同工作模式間轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)條件，但該條件不能直接作為不同工作模式之間轉(zhuǎn)換的關(guān)斷條件。列出開(kāi)啟條件如下。

條件A：

式中：(Udc-ΔUdc_pu)和(f+Δfpu)為2 個(gè)子網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率水平特征量，分別代表直流母線電壓和交流母線頻率。

2.2 返回條件

當(dāng)特征量的值經(jīng)過(guò)功率調(diào)節(jié)后降低到小于等于|kIC|或經(jīng)儲(chǔ)能裝置的功率調(diào)節(jié)由大于|kds|降低到小于等于|kds|時(shí)，不能直接關(guān)斷互聯(lián)接口變換器，需要判斷特征量的值是因?yàn)樽泳W(wǎng)內(nèi)部調(diào)節(jié)作用而回到限定范圍，還是因?yàn)橥獠抗β手味氐较薅ǚ秶?。如果直接關(guān)斷，則可能造成互聯(lián)接口變換器工作模式反復(fù)切換。假設(shè)直流側(cè)輕載、交流側(cè)重載，子網(wǎng)內(nèi)部下垂調(diào)節(jié)已無(wú)法將特征量fpu和Udc_pu控制在穩(wěn)定范圍之內(nèi)，啟動(dòng)互聯(lián)接口變換器并維持恒定的功率傳輸。如果當(dāng)在fpu=Udc_pu并重新回到|kIC|范圍之內(nèi)時(shí)直接關(guān)閉互聯(lián)接口變換器，功率流動(dòng)停止會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)功率特征量重新跳出|kIC|范圍，使互聯(lián)接口變換器再次啟動(dòng)，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。因此需要對(duì)互聯(lián)接口變換器的返回閾值條件進(jìn)行修改。

本文以逆變?yōu)檎?，PIC1和PIC2為流過(guò)DC/DC 變換器和DC/AC 變換器的功率。負(fù)荷變化使功率特征量滿足條件A∪B=1 時(shí)，系統(tǒng)交直流子網(wǎng)間功率流動(dòng)，PIC1=PIC2且同號(hào)；當(dāng)功率特征量滿足條件C=1 時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，PIC1不一定等于PIC2，且可能異號(hào)。故當(dāng)實(shí)時(shí)PIC1對(duì)Udc的影響非常微弱時(shí)，仍保持DC/DC 變換器的開(kāi)通意義不大，傳遞的功率和開(kāi)關(guān)管上的能量損耗已到可比較范圍之內(nèi)，此時(shí)可關(guān)閉DC/DC 變換器。同理PIC2對(duì) DC/AC 變換器也是如此，PIC2對(duì)交流子網(wǎng)的影響和交流子網(wǎng)的綜合下垂特性有關(guān)。本文儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)時(shí)，衡量標(biāo)準(zhǔn)是整個(gè)系統(tǒng)的功率情況，只有交直流子網(wǎng)均輕載和均重載時(shí)啟動(dòng)充電和放電。無(wú)論哪種工作模式，DC/DC 變換器和DC/AC 變換器均同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷。由此設(shè)定了返回條件Pg，將返回閾值條件設(shè)為對(duì)兩級(jí)互聯(lián)接口變換器功率流動(dòng)值PIC1和PIC2的監(jiān)控，返回功率評(píng)估條件設(shè)置如下。

（1）在啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)做功率支撐時(shí)，交直流子網(wǎng)間沒(méi)有功率交換，當(dāng)子網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷或者電源的變化使系統(tǒng)的總功率水平μ降低至|kds|之下時(shí)，此時(shí)的PIC1和PIC2滿足條件P，則關(guān)斷儲(chǔ)能系統(tǒng)。但是此時(shí)交直流子網(wǎng)功率水平的特征量未必均降到|kIC|范圍之內(nèi)，若未到|kIC|范圍之內(nèi)，即條件A和B至少有一個(gè)為真，則開(kāi)始交直流子網(wǎng)間的功率交換，互聯(lián)接口變換器不關(guān)閉。但同樣情況下，如果滿足條件P且事件A和B均為假，則兩側(cè)子網(wǎng)依靠自身下垂控制均可以平穩(wěn)運(yùn)行，接口變換器關(guān)閉。

（2）當(dāng)互聯(lián)接口變換器執(zhí)行交直流子網(wǎng)間功率流動(dòng)時(shí)，即PIC1=PIC2時(shí)，若此時(shí)PIC1和PIC2滿足條件P，則說(shuō)明交直流子網(wǎng)內(nèi)部的下垂控制和負(fù)荷變換達(dá)到內(nèi)部平衡，同時(shí)條件A、B不成立，則直接關(guān)斷互聯(lián)接口變換器，否則互聯(lián)接口變換器維持恒定功率流動(dòng)。

2.3 雙閾值窗控制策略

引入關(guān)斷條件P，結(jié)合條件A、B、C對(duì)接口變換器交直流子網(wǎng)間功率流動(dòng)參考值修正為

含儲(chǔ)能的兩級(jí)互聯(lián)接口變換器雙閾值窗的工作模式切換過(guò)程如圖6 所示。具體的操作邏輯如下。

圖6 雙閾值窗工作模式切換示意Fig. 6 Schematic diagram of switching between operation modes by dual-threshold window

工作模式1：依靠2 個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部下垂調(diào)節(jié)控制，在該模式下，交直流子網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷情況小范圍變化，通過(guò)各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源下垂調(diào)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，子網(wǎng)持續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

工作模式2：同時(shí)進(jìn)行子網(wǎng)內(nèi)部下垂控制和互聯(lián)接口變換器轉(zhuǎn)移功率以平衡系統(tǒng)功率水平。該模式下，子網(wǎng)內(nèi)部下垂控制已經(jīng)不能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，其內(nèi)部功率情況的特征量變化較大并超過(guò)事先設(shè)定的閾值，互聯(lián)接口變換器啟動(dòng)進(jìn)行功率流動(dòng)。

工作模式3：?jiǎn)?dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，配合子網(wǎng)下垂控制，進(jìn)行功率平衡。該模式下，兩側(cè)子網(wǎng)均處于過(guò)度重載或輕載，單純依靠分布式下垂控制和互聯(lián)接口變換器功率流動(dòng)的調(diào)節(jié)作用有限。此時(shí)啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)交直流側(cè)的功率進(jìn)行補(bǔ)充或接收。

圖7 為采用含儲(chǔ)能裝置的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器雙閾值窗控制策略的控制框圖。通過(guò)電壓電流雙環(huán)路控制雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器IC1以控制公共DC 母線電壓穩(wěn)定。對(duì)直流側(cè)電壓值和交流側(cè)頻率值進(jìn)行歸一化，再通過(guò)改進(jìn)后的計(jì)算公式得到交直流側(cè)需要交換功率的參考值，最后用電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行跟蹤，以實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)的精確功率傳輸。輸入到電流調(diào)節(jié)器的功率特征量需要經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)邏輯判斷，當(dāng)開(kāi)啟條件判斷為真時(shí)，輸入?yún)⒖脊β?，進(jìn)行功率傳輸；而當(dāng)關(guān)斷條件判斷為真時(shí)，輸入?yún)⒖脊β嗜?，由此實(shí)現(xiàn)互聯(lián)接口變換器工作模式的退步操作，最終切斷互聯(lián)接口變換器功率流動(dòng)。同樣將歸一化的電壓值和頻率值輸入到儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制電路中，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)總的功率水平來(lái)判斷是否應(yīng)該開(kāi)啟儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，如果滿足開(kāi)啟條件，則輸入結(jié)合SOC 水平修正后的參考充放電功率到電流調(diào)節(jié)器，從而控制儲(chǔ)能系統(tǒng)中絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的充放電。同樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)的吸收、釋放功率情況也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦檢測(cè)到關(guān)斷邏輯判斷為真，進(jìn)行退步操作，關(guān)斷儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出，直至關(guān)閉互聯(lián)接口變換器。

圖7 含儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器雙閾值窗控制策略Fig. 7 Dual-threshold window control strategy of two-stage interlinking converter with energy storage system

表1 為開(kāi)斷信號(hào)關(guān)系表，其中SIC對(duì)應(yīng)互聯(lián)接口變換器的工作狀態(tài)切換，而Sds對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)切換，不變指維持原輸入不變。

表1 互聯(lián)接口變換器及儲(chǔ)能裝置開(kāi)斷信號(hào)關(guān)系Table 1 The on-off signals of interlinking converters and energy storages

3 仿真分析

本文搭建了針對(duì)圖1 中互聯(lián)接口變換器的Matlab/Simulink 仿真模型，實(shí)驗(yàn)以極端情況微網(wǎng)孤島運(yùn)行為例，驗(yàn)證雙閾值窗控制策略的可行性。本次仿真實(shí)驗(yàn)中，直流子網(wǎng)電壓額定值為700 V，允許波動(dòng)范圍為665～735 V；功率額定值為9 kW；啟動(dòng)互聯(lián)接口變換器的上下閾值KIC為±0.2，判斷是否啟用儲(chǔ)能系統(tǒng)的上下閾值Kds為±0.7。交流子網(wǎng)額定功率為10 kW；額定電壓為380 V，允許波動(dòng)范圍為360～400 V；頻率額定值為50 Hz，允許波動(dòng)范圍為49.5～50.5 Hz。儲(chǔ)能母線DS 電壓為400 V，儲(chǔ)能系統(tǒng)包含2 個(gè)蓄電池儲(chǔ)能單元，分別為DS1和DS2。其中DS1額定電壓300 V，最大充放電功率為6 kW，起始SOC 為30%；DS2額定電壓為200 V，最大充放電功率為4 kW，起始SOC 為70%；儲(chǔ)能系統(tǒng)參考SOC 為50%。規(guī)定互聯(lián)接口變換器功率逆變?yōu)檎?，?chǔ)能系統(tǒng)放電功率為正。

在上述系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了孤島模式下的5 種工況，經(jīng)過(guò)4 個(gè)瞬態(tài)過(guò)程作為轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證所提控制策略能夠有效運(yùn)行，其仿真波形如圖8～11 所示。

圖8 0～1.8 s 混合微網(wǎng)功率Fig. 8 The power flow of the hybrid microgrid in 0～1.8 s

工況1：從0 s 開(kāi)始，交流子網(wǎng)帶負(fù)載5.24 kW，直流子網(wǎng)帶負(fù)載4.35 kW。實(shí)時(shí)|(Udc_pu-ΔUdc_pu)|和|(fpu+Δfpu)|分別為0.05 和0.03?；ヂ?lián)接口變換器交直流子網(wǎng)間功率流動(dòng)的啟動(dòng)條件A和B均不成立，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟動(dòng)條件C也不成立。故交流子網(wǎng)、直流子網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)三者之間不進(jìn)行任何功率交換。由交流子網(wǎng)分布式電源和直流子網(wǎng)分布式電源分別對(duì)各自的負(fù)載提供相應(yīng)的功率。此時(shí)檢測(cè)到交流子網(wǎng)微源出力為5.27 kW，直流子網(wǎng)微源出力為4.36 kW。此時(shí)直流子網(wǎng)電壓穩(wěn)定于701 V 左右，交流子網(wǎng)頻率穩(wěn)定在49.9 Hz 左右。

圖9 0～1.8 s 的電壓和頻率Fig. 9 The voltage and frequency in 0～1.8 s

工況2：在0.6 s 時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始第1 個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，直流子網(wǎng)有負(fù)載并網(wǎng)，直流子網(wǎng)所需總功率從4.35 kW 驟升為8.43 kW，由于交流子網(wǎng)沒(méi)有變化，|(fpu+Δfpu)|仍為0.05，但是|(Udc_pu-ΔUdc_pu)|變?yōu)?.87，啟動(dòng)條件B成立，A∪B=1。而此時(shí)|0.5[(fpu+Δfpu)+(Udc_pu-ΔUdc_pu)]|≈0.46，儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟動(dòng)條件C不成立，故只啟動(dòng)互聯(lián)接口變換器進(jìn)行交直流子網(wǎng)間功率傳遞。從圖8 中可得，此時(shí)交流子網(wǎng)中分布式電源共輸出功率7.20 kW，其中5.24 kW 滿足交流子網(wǎng)負(fù)載的需要，剩余1.96 kW經(jīng)過(guò)互聯(lián)接口變換器傳輸?shù)街绷髯泳W(wǎng)。檢測(cè)到此時(shí)直流子網(wǎng)分布式電源輸出6.47 kW，由此可知，交直流側(cè)分布式電源根據(jù)其最大可輸出功率按比例共同承擔(dān)交直流子網(wǎng)的負(fù)荷。在此工況下直流母線電壓先驟降至670 V 左右再回升至686 V 附近，交流頻率穩(wěn)定在49.6 HZ 附近。

圖11 1.2～3.0 s 的電壓和頻率Fig. 11 The voltage and frequency in 1.2～3.0 s

工況3：在1.2 s 時(shí)，發(fā)生第2 個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，交流負(fù)載突增至9.53 kW，此時(shí)交直流側(cè)均達(dá)到重載模式。交流側(cè)頻率也驟降，此時(shí)0.5 |[(fpu+Δfpu)+(Udc_pu-ΔUdc_pu)]|≈0.89。條件C成立，儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)啟，由圖10 可知儲(chǔ)能單元DS1發(fā)出功率為1.7 kW，而儲(chǔ)能單元DS2發(fā)出功率為2.66 kW。它們所放出的實(shí)際功率比大于額定功率比3/2，這與儲(chǔ)能單元的起始荷電狀態(tài)有關(guān)，DS1的實(shí)時(shí)SOC 要低于DS2的實(shí)時(shí)SOC，所以在放電時(shí)DS2放出更多的功率。根據(jù)荷電率作出修改的儲(chǔ)能單元下垂控制可實(shí)現(xiàn)從荷電率更高的儲(chǔ)能單元中輸出更多的功率，DS2單元容量小但起始荷電率高，觀察發(fā)現(xiàn)DS2放出更多的功率，證明了該策略有效。在該狀態(tài)下，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)之間幾乎沒(méi)有功率交換，其功率的缺額多是由儲(chǔ)能單元放電和各自子網(wǎng)內(nèi)分布式電源增發(fā)功率提供。由波形可知互聯(lián)接口變換器向直流子網(wǎng)輸出1.93 kW，向交流子網(wǎng)輸出2.30 kW；直流子網(wǎng)分布式電源出力升至6.53 kW，交流子網(wǎng)電源出力升至7.28 kW，直流母線電壓和交流母線頻率整體微降后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 1.2～3.0 s 混合微網(wǎng)功率Fig. 10 The power flow of the hybrid microgrid in 1.2～3.0 s

工況4：在1.8 s 時(shí)，發(fā)生第3 個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。交流子網(wǎng)切掉負(fù)載，交流子網(wǎng)負(fù)載從9.53 kW 降低到0.48 kW。|(fpu+Δfpu)|和|(Udc_pu-ΔUdc_pu)|分別為0.90 和0.87。目前交流子網(wǎng)處于輕載狀態(tài)而直流子網(wǎng)處于重載狀態(tài)，(fpu+Δfpu)和(Udc_pu-ΔUdc_pu)的符號(hào)相反。求得0.5 |[(fpu+Δfpu)+(Udc_pu-ΔUdc_pu)]|＜0.7，條件C為假，同時(shí)檢測(cè)到條件P成立，儲(chǔ)能裝置輸出功率流對(duì)2 個(gè)子網(wǎng)的影響極小，儲(chǔ)能裝置退出運(yùn)行。同時(shí)事件A和事件B均為真，系統(tǒng)處于互聯(lián)接口變換器和交直流子網(wǎng)內(nèi)部下垂控制配合運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)需要進(jìn)行整流運(yùn)行，交直流子網(wǎng)間通過(guò)兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器進(jìn)行功率流動(dòng)。由圖10 可知，在此工況下交流子網(wǎng)中微源發(fā)出功率為4.66 kW，直流子網(wǎng)中微源發(fā)出功率為4.27 kW，近似與其額定功率成比例。通過(guò)互聯(lián)接口變換器將4.18 kW 功率傳遞到直流子網(wǎng)。直流子網(wǎng)電壓回升至702 V 附近，同時(shí)交流母線頻率先驟升再經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)到額定值50 Hz 附近。

工況5：在2.4 s 時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)最后1 個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。此時(shí)直流子網(wǎng)切掉4.85 kW 負(fù)載，直流總負(fù)載降低到4.58 kW，同時(shí)交流子網(wǎng)并入4.4 kW負(fù)載，交流總負(fù)載升高到4.88 kW。|(fpu+Δfpu)|降低到約為0.03，而|(Udc_pu-ΔUdc_pu)|降低到0.02，此時(shí)啟動(dòng)條件A和B均不成立。同時(shí)檢測(cè)兩級(jí)互聯(lián)接口變換器所流過(guò)功率PIC1和PIC2也驟降至Pg以下，條件P成立。此時(shí)所有關(guān)斷條件成立，互聯(lián)接口變換器直接退出運(yùn)行。經(jīng)檢測(cè)此時(shí)交流子網(wǎng)微源出力為4.9 kW，直流子網(wǎng)微源出力為4.59 kW，近似與各自容量成比例。此時(shí)2 個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部的小功率波動(dòng)，當(dāng)不足以使功率情況特征量越界時(shí)，可以通過(guò)子網(wǎng)內(nèi)部下垂調(diào)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，使2 個(gè)子網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，直流母線電壓和交流母線頻率均位于額定值附近。

4 結(jié)論

本文分析互聯(lián)接口變換器的歸一化控制策略可能導(dǎo)致的工作模式反復(fù)切換及錯(cuò)誤開(kāi)斷問(wèn)題，重新設(shè)定接口變換器的開(kāi)斷閾值，并引入關(guān)斷條件。此外，針對(duì)兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器內(nèi)部的儲(chǔ)能系統(tǒng)，引入了結(jié)合SOC 的控制方法，最終構(gòu)建出含儲(chǔ)能的兩級(jí)式互聯(lián)接口變換器的雙閾值窗控制策略。在Matlab/Simulink 中搭建互聯(lián)接口變換器的主電路和雙閾值窗控制策略的仿真模型，仿真結(jié)果表明該控制策略能夠有效進(jìn)行功率傳遞；因?yàn)榻涌谧儞Q器中儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入，可以擴(kuò)大交直流側(cè)的功率可調(diào)范圍，且各個(gè)儲(chǔ)能單元出力根據(jù)荷電率進(jìn)行分配；同時(shí)也驗(yàn)證了雙閾值窗控制策略可以準(zhǔn)確關(guān)斷互聯(lián)接口變換器而不會(huì)因?yàn)榍袛喙β柿鬟^(guò)大而造成工作模式反復(fù)轉(zhuǎn)換。