郭 強 向文凱 李 山

(重慶理工大學重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心 重慶 400054)

1 引言

交直流混合微電網(wǎng)能夠以更高的效率和更好的兼容性，有效地解決各種交直流負載、分布式電源和分布式存儲的集成問題[1-2]。從結(jié)構(gòu)上看交直流母線將系統(tǒng)分為三個部分，分別是交流子微網(wǎng)，直流子微網(wǎng)和雙向互聯(lián)變流器(Bidirectional interlinking converter，BIC)。在全球范圍內(nèi)，已有多個交直流混合微電網(wǎng)項目得到了驗證，其中包括荷蘭Bronsbergen假日公園[3]、歐洲超級電網(wǎng)[4]等。在交直流混合微電網(wǎng)中，BIC作為連接交流和直流母線的紐帶，主要實現(xiàn)交、直流側(cè)微電網(wǎng)間功率雙向流動[5]。隨著分布式電源數(shù)量以及負荷的不斷增加，要求BIC將具有更高的功率處理能力。由于單個BIC功率受限，常采用多并聯(lián)BIC結(jié)構(gòu)以滿足微電網(wǎng)不斷擴容的需求[6]。

在交直流混合微電網(wǎng)能源管理方面，特別是在孤島系統(tǒng)中，研究人員已做了大量研究[7-8]。其中，常采用下垂控制策略調(diào)節(jié)交直流微電網(wǎng)中各分布式電源的功率分配[9-11]，但該策略無法用于多并聯(lián)BIC之間的功率分配；文獻[12]提出一種分布式自適應(yīng)修正的下垂控制策略，然而該方法需要在通信中傳輸50 Hz范圍的交流電流信息，同樣不適合于BIC結(jié)構(gòu)。文獻[13]中下垂控制被分配到系統(tǒng)的變換器中，以實現(xiàn)對直流子微網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，但僅用于能量的單向流動。文獻[14]中直流微電網(wǎng)通過BIC接入電網(wǎng)，同樣僅實現(xiàn)功率單向流動。文獻[15]提出了一種自治運行下垂控制策略。上述方案均無法保證兩子微網(wǎng)負荷在穩(wěn)態(tài)下均勻分配。

與單個BIC控制方案不同，交直流混合微電網(wǎng)中多并聯(lián)BIC間存在嚴重的環(huán)流問題，導致系統(tǒng)損耗增加，甚至損壞開關(guān)器件。文獻[16]對環(huán)流產(chǎn)生機理進行詳細研究，但數(shù)學表達式過于復雜，物理概念不清晰。文獻[17]通過實時調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實現(xiàn)對環(huán)流的抑制，但下垂系數(shù)的變化影響了輸出電壓質(zhì)量。文獻[18]通過減少線路阻抗差異來抑制變換器之間的環(huán)流，但該方法引入的虛擬阻尼只呈現(xiàn)感性，與線路阻抗的阻感特性不匹配。文獻[19]提出了一種無差拍的電流控制方法，通過零序電流反饋量控制變換器的零序電壓，從而有效抑制環(huán)流，但該方法難于應(yīng)用于多臺并聯(lián)的場合。

針對上述問題，本文提出了一種適用于交直流混合微電網(wǎng)中多并聯(lián)BIC運行的分布式電源管理控制策略。其中每個BIC具有獨立的局部分布式控制器，均可檢測到網(wǎng)側(cè)公共頻率。通過局部分布式控制實現(xiàn)交流和直流子微網(wǎng)間的負荷平衡；根據(jù)每個BIC不同的額定功率處理能力，精確實現(xiàn)功率按比例雙向流動。通過零矢量前饋控制實現(xiàn)對BIC間的環(huán)流抑制，并提出虛擬BIC概念將其應(yīng)用至多并聯(lián)BIC中環(huán)流控制中，加強環(huán)流抑制效果。此外，本文所提出的局部分布式控制可實現(xiàn)模塊化設(shè)計，一旦新增BIC控制器完成本地調(diào)優(yōu)，即可實現(xiàn)功率傳輸，從而有利于在實際工程中的廣泛應(yīng)用。

2 多并聯(lián)BIC的控制原理

圖1為交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，由交流子微網(wǎng)、直流子微網(wǎng)和多并聯(lián)BIC三部分組成。

圖1 含有多并聯(lián)BIC的交直流混合微電網(wǎng)拓撲

2.1 BIC的功率流動分析

根據(jù)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)理論，得到交、直流子微網(wǎng)下垂控制方程

式中，Pacmax和Pdcmax分別為兩子微網(wǎng)的最大有功功率。交直流側(cè)負荷狀態(tài)可分別定義為

以FZ(Vdc)>FZ(fac)為例，為實現(xiàn)交、直流側(cè)功率平衡，將FZ(Vdc)與FZ(fac)差值通過分配特定權(quán)重比，計算出給定有功功率參考值ΔPBICs。無論負載處于輕載和重載狀態(tài)，僅需保證FZ(Vdc)?FZ(fac)不為零，就能夠控制BIC使得功率由輕負荷子微網(wǎng)流向另一側(cè)，最終使整個系統(tǒng)將穩(wěn)定在某一工作點，即FZ(Vdc)=FZ(fac)。因此，根據(jù)式(1)和式(2)，考慮ΔPBICs影響可得出

當FZ(Vdc)=FZ(fac)時，有

根據(jù)上述推導，可利用BIC將交流子微網(wǎng)等效為直流子微網(wǎng)負載，同樣直流子微網(wǎng)等效為交流子微網(wǎng)的電源。故應(yīng)該由所有直流側(cè)子微網(wǎng)提供，并根據(jù)各自比例分配給所有交流子微網(wǎng)。

2.2 局部分布式控制器

考慮到多個BIC具有不同的額定功率，交流和直流子微網(wǎng)功率分配策略可推廣至BIC中。如圖2所示，每個BIC采用局部分布式控制，該控制器按特定比例傳輸?shù)紹IC各自的參考功率，從而實現(xiàn)BIC之間功率分配。在設(shè)計控制器時，由于ΔPBICs必須由BIC傳輸，為避免單個BIC過載，選擇一個控制目標作為所有BIC功率參考總和，即ΔPBICs，然后按比例分別給定到各個BIC上。

圖2 局部分布式控制

經(jīng)前文分析可知，為實現(xiàn)功率分配需要獲取fac和Vdc。由于交流子微網(wǎng)中僅存在一個基波頻率，所有BIC均可接收到同一個fac和交流側(cè)負荷狀態(tài)。為了提高系統(tǒng)的可擴展性，BIC中所采用的通信方式不應(yīng)該過于復雜。因此，除了式(12)的約束外，直流母線Vdc僅通過主控BIC接收，其他BIC分別通過采集相鄰信息實現(xiàn)與主控BIC同步。當主控BIC出現(xiàn)故障時，會將主控身份分配至其余任意指定BIC模塊，從而使系統(tǒng)具有即插即用功能。

為了實現(xiàn)上述目標，針對BICk設(shè)計了局部分布式控制器

式中，gk為控制增益；ek為誤差信號；ΔPBICs為整個BIC所需給定的功率；Pkref為BICk的功率給定值；由于PI控制器的作用，當系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，F(xiàn)Z(Vdc)? FZ(fac)值近似為零，每個BIC的給定功率按各自比例分配。

2.3 電流補償器設(shè)計及環(huán)流控制

根據(jù)文獻[20]中對兩并聯(lián)BIC數(shù)學模型分析，得出多并聯(lián)BIC中第n個BIC的零序電流表達式

由式(14)可知，第n個BIC零序電流由第n個BIC與其他BIC零序占空比差值以及第n個BIC濾波電感決定的。盡管不同BIC之間占空比差異較小，但仍會產(chǎn)生環(huán)流。

圖3是SVPWM中零矢量修正圖[18]，為控制環(huán)流，在BIC的零矢量中添加修正值y，經(jīng)計算得到第i個BIC的零矢量占空比為

圖3 SVPWM零矢量修正

由式(14)和式(15)，得到第n個BIC零矢量校正后的環(huán)流表達式

第n個BIC零序電流的等效物理模型可看作一個有擾動的一階系統(tǒng)。環(huán)流控制一般采用PI控制器，但該控制忽略了擾動量的干擾。其中，由其他并聯(lián)BIC的環(huán)流控制器產(chǎn)生，的干擾由不同模塊間零矢量占空比差值產(chǎn)生。另外并聯(lián)BIC間的線路濾波、參考電流和電流控制器動態(tài)響應(yīng)的不同，會導致占空比的不同。

為了消除干擾的影響，本文采用基于SVPWM零矢量電壓修正法進行環(huán)流抑制。由于環(huán)流控制回路中的擾動是由并聯(lián)BIC占空比與濾波電感差值決定，為增強環(huán)流抑制效果，因此在傳統(tǒng)PI環(huán)流控制器引入前饋項ynf。如圖4所示，其中Td為當前采樣延遲，TPWM為PWM時間常數(shù)。多并聯(lián)前饋項可表示為

利用零矢量前饋，對擾動進行補償。在多并聯(lián)BIC中，零序電流的物理模型可以轉(zhuǎn)化為理想一階系統(tǒng)。與PI控制器相比，零矢量前饋PI控制器具有更好的環(huán)流抑制能力。采用零矢量前饋控制來抵消不同占空比和濾波電感的干擾。第n個BIC零序電流控制框圖如圖4所示。

圖4 第n個BIC零矢量前饋控制框圖

任意BIC環(huán)流等效模型為含有兩個擾動量ΔD12(s)/12和的一階系統(tǒng)，作為前饋量消除產(chǎn)生的干擾?？刂破骺杀硎緸?/p>

多并聯(lián)BIC的零矢量前饋法比兩模塊并聯(lián)BIC更為復雜。由文獻[21]可知，在一個PWM周期內(nèi)，每個并聯(lián)BIC都需要非零矢量、環(huán)流控制器的輸出以及所有并聯(lián)BIC的濾波電感，并且環(huán)流控制器之間會相互影響。因此，在多并聯(lián)BIC中應(yīng)采用環(huán)流控制器的協(xié)調(diào)控制策略。

為了將零矢量前饋方法推廣到多并聯(lián)BIC系統(tǒng)，提出了一種虛擬BIC前饋計算方法，其控制框圖如圖5所示。

圖5 基于零矢量修正的虛擬BIC控制框圖

由圖5可知，BIC1中無環(huán)流控制器。BIC2中環(huán)流控制器僅需要控制BIC1和BIC2的占空比，與其他運行狀態(tài)及參數(shù)無關(guān)。前兩個BIC的非零矢量差值由前饋補償，PI控制器用于抑制已有的環(huán)流，因此BIC1和BIC2之間環(huán)流能夠得到有效抑制。BIC1和BIC2可看作一個虛擬BIC(虛擬BIC2)；而在第三個變換器中，只考慮BIC3與虛擬BIC2之間的環(huán)流，同理類推。本文僅使用前三個BIC的狀態(tài)進行計算驗證。通過PI和零矢量前饋控制器將虛擬BIC2與BIC3之間的環(huán)流抑制為零。同樣，該方法可以推廣到n并聯(lián)BIC。前n?1個BIC為虛擬BICn?1，前n?1個BIC之間無環(huán)流。

采用n個并聯(lián)BIC的系統(tǒng)控制框圖如圖6所示，其中圖6b為第n個BIC模塊控制框圖。BIC1環(huán)流不需要控制，y1=0。其他n?1個BIC修正值yi可通過圖4中給出的反饋控制計算得到。經(jīng)零矢量修正值yi，n?1個BIC中非零矢量占空比和第n個BIC中零序電流izn計算可得yn。

圖6 n個BIC并聯(lián)的系統(tǒng)框圖

3 BIC功率流動整體控制框圖

基于局部分布式控制和多并聯(lián)BIC環(huán)流控制策略，構(gòu)建出系統(tǒng)總控制框圖，如圖7所示，虛線框內(nèi)為主拓撲圖，BICk框圖中k=1,2,3，即三臺BIC并聯(lián)；實線框內(nèi)包括交直流微電網(wǎng)和BIC的控制框圖。為了降低模型驗證的復雜度，交流子微網(wǎng)中簡化為一個基于電壓源型逆變器的分布式發(fā)電裝置，采用下垂控制策略，實現(xiàn)功率分配以及獲取參考輸出電壓，然后將參考輸出電壓輸入到傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流子微網(wǎng)簡化為一個基于Boost直流變換器的分布式發(fā)電裝置，含有直流下垂控制環(huán)路，電壓外環(huán)控制環(huán)路和電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)路。

圖7 系統(tǒng)功率流動整體控制框圖

BICk控制目的是實現(xiàn)交、直流子微網(wǎng)間的功率流動。首先通過鎖相環(huán)采集基波頻率fac，并測量直流電壓Vdc。將fac和Vdc標幺化作差，經(jīng)PI控制器得到ΔPBICs，并通過對三個并聯(lián)BIC額定功率值進行設(shè)定，可實現(xiàn)BIC功率按比例分配。此外，采用零矢量前饋控制實現(xiàn)對BICk間環(huán)流的抑制。

4 仿真與試驗分析

為了驗證所提出多并聯(lián)BIC控制策略的可行性，在Matlab/Simulink中搭建了多并聯(lián)BIC交直流混合微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，包括交流側(cè)DC/AC，直流側(cè)DC/DC和三臺并聯(lián)BIC，主要參數(shù)見表1。

表1 交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)

圖8給出了三臺BIC同時啟動，然后依次將非主導BIC脫離系統(tǒng)的波形圖。圖8a所示，首先運行交、直流子微網(wǎng)，BIC不運行，交流負荷功率為20.01 kW，頻率約為50.01 Hz；直流負荷功率為30.02 kW，電壓約為695.0 V。顯然，此時交流負荷小于直流負荷，當啟動BIC后，交流子微網(wǎng)將向直流子微網(wǎng)提供部分功率，最終兩側(cè)發(fā)電功率均穩(wěn)定為25.03 kW。交流側(cè)頻率和直流側(cè)電壓分別穩(wěn)定為49.76 Hz和697.5 V。三臺BIC傳輸功率分別約為?0.82 kW，?1.66 kW，?2.49 kW，能夠準確地按額定功率比例1∶2∶3分配傳輸功率。如圖8b、8c所示，當依次切斷BIC3和BIC2，其余BIC按額定功率比例承擔剩余所需傳輸功率，以保持交直流側(cè)負荷穩(wěn)定。綜上所述，文中所提出的控制策略可實現(xiàn)交直流側(cè)功率根據(jù)不同功率等級的BIC比例進行功率分配，且具有即插即用的功能。

圖8 BIC按功率等級比例分配功率驗證

在圖8a的基礎(chǔ)上將主控位置由BIC1轉(zhuǎn)換為BIC2，其結(jié)果如圖9所示。不難看出BIC1變?yōu)? kW，而BIC2和BIC3分別變?yōu)?2.02 kW和?2.99 kW，在此過程中交、直流子微網(wǎng)提供的功率始終保持穩(wěn)定。因此驗證了本文控制策略具有較好的容錯性。

圖9 多并聯(lián)BIC中主從位置改變對系統(tǒng)的影響

圖10驗證了該控制策略可實現(xiàn)系統(tǒng)中功率雙向流動。在圖8a穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上在交流側(cè)增加15 kW的負載功率，交流側(cè)頻率下降至49.38 Hz，直流側(cè)電壓下降至693.7 V，交直流側(cè)功率波動后均穩(wěn)定在32.56 kW，BIC功率分別上升，由反向流動變?yōu)檎蛄鲃拥?.42 kW、0.83 kW和1.26 kW，可發(fā)現(xiàn)該控制策略能實現(xiàn)功率雙向流動，其輸出功率比值仍保持為1∶2∶3，再次驗證了功率可按比例分配。

圖10 BIC功率雙向流動驗證

圖11a為圖10基礎(chǔ)上BIC電流變化，電流幅值大小和BIC功率流動量相對應(yīng)，通過縮短時間刻度可看出電壓幅值基本穩(wěn)定在311 V，各BIC電流幅值大小約為1.76 A、3.54 A和5.31 A，比值為1∶2∶3，且電流基本未發(fā)生畸變。圖11b采用傳統(tǒng)PI環(huán)流控制，對比發(fā)現(xiàn)，在不同濾波電感參數(shù)情況下上文提出的環(huán)流抑制方法可提高多并聯(lián)BIC環(huán)流的抑制效果。

圖11 BIC環(huán)流抑制驗證

為進一步驗證控制策略的有效性，利用硬件在環(huán)試驗平臺上對所建立的多并聯(lián)BIC交直流混合微電網(wǎng)進行實時仿真運行，圖12為硬件在環(huán)仿真試驗平臺。分別對系統(tǒng)中功率按比例分配、功率雙向流動和環(huán)流抑制效果進行驗證。

圖12 硬件在環(huán)仿真試驗平臺

運行交直流側(cè)子微網(wǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)，同時啟動并聯(lián)BIC后主要變量變化如圖13a、13b所示，當系統(tǒng)接入并聯(lián)BIC后，由于交直流側(cè)負荷不平衡，直流側(cè)負荷功率由30.01 kW減至25.01 kW，交流側(cè)由20.02 kW增至25.01 kW，交直流兩側(cè)負荷達到平衡狀態(tài)。同時，直流側(cè)電壓由695.0 V增至697.5 V，交流側(cè)頻率由50 Hz降至49.75 Hz。三臺BIC傳輸功率分別為：?0.83 kW，?1.63 kW，?2.51 kW，比值約為1∶2∶3，與額定功率比例一致。當突然關(guān)閉BIC3后，如圖13c所示，BIC1與BIC2仍按比例分配傳輸功率。從而進一步驗證了本文控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)BIC功率按比例分配以及具有即插即用的功能。

以圖13穩(wěn)定運行為基礎(chǔ)，在交流側(cè)增加15 kW功率負荷，如圖14所示。交、直流側(cè)功率在0.3 s內(nèi)均達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即Pac=Pdc=32.52 kW，交流側(cè)頻率和直流側(cè)電壓分別下降至49.38 Hz和693.7 V。三臺BIC傳輸功率分別由?0.83 kW、?1.63 kW、?2.51 kW增至0.42 kW、0.83 kW、1.26 kW，比值仍為1∶2∶3。

圖13 功率按比例分配試驗驗證

圖14 功率雙向流動試驗驗證

為了驗證零矢量控制策略對環(huán)流的抑制效果，在圖14的基礎(chǔ)上對BIC電壓電流波形展開分析，如圖15所示。交流電壓幅值約為311 V，電流波形正弦化，畸變較小，BIC1、BIC2、BIC3中a相電流幅值比約為1∶2∶3。

圖15 環(huán)流抑制試驗驗證

綜上所述，從圖13～15中可知，硬件在環(huán)試驗結(jié)果和仿真結(jié)果具有較高的一致性，從而驗證了本文所提出控制策略的正確性和有效性。

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，提出了一種局部分布式控制策略，從而實現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)中多級并聯(lián)BIC的功率按比例分配；其次，后級基于零矢量前饋控制策略，提出虛擬BIC概念實現(xiàn)多并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流抑制，通過仿真和試驗得到以下結(jié)論。

(1) 文中所采用的控制策略可實現(xiàn)多并聯(lián)BIC功率高精度分配，誤差控制在100 W以內(nèi)。

(2) 針對多并聯(lián)BIC中濾波電感參數(shù)的差異性，仍能較好地實現(xiàn)環(huán)流抑制，具有良好的魯棒性。

(3) 實現(xiàn)了多并聯(lián)BIC的即插即用功能。