直流微电网双层控制策略

中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
直流微电网双层控制策略
孟明 1，原亚宁 2
1
华北电力大学
2
华北电力大学
Email: yuanyaning1990@
摘 要：为了更好的实现直流微电网中新能源即插即用功能、提高新能源的利用率、改善 直流侧母线电压性能， 本文提出了直流微电网的分层控制策略。 所介绍的分层控制策略包 括两层： 微电网内层中新能源由最大功率跟踪控制实现新能源的最大化利用， 储能单元采 用电压平抑控制保证直流侧母线电压稳定； 微电网接口处变换器双向矢量解耦控制包含电 压电流双闭环控制，利用 d-q 坐标轴变换控制直流电压和功率因数，解决并网时功率双 向流动的问题。 本文给出了各层控制具体的理论分析和设计方法。 仿真结果证明了该方法 的可行性和有效性。 关键词：直流微电网；双层控制策略；最大功率跟踪；电压平抑；AC/DC 双向换流器
Hierarchical Control System for DC Microgrid
Meng Ming1,
1 North China Electric Power University
Yuan Yaning2
2 North China Electric Power University
Email: yuanyaning1990@
Abstract: In order to enhance the plug and play function of new energy power generation in DC microgrid, to increase the utilization of new energy and to improve the performance of DC bus voltage, a hierarchical control strategy of DC microgrid is proposed in this paper. This hierarchical control strategy is composed of two levels. Both new energy by the maximum power point tracking control to improve the utilization of new energy and energy storage unit controlled by voltage stabilization strategy to guarantee the stability of DC bus voltage are achieved in the primary control level. Secondary control level is employed to control the DC voltage and power factor by using d-q shaft transformation decoupling and solve the problem of bidirectional power flow with the grid by vector decoupling control. The detailed theoretical analysis and design method for each control level is also realized. Comprehensive simulation results indicate that the system based on new control method is stable and effective. Keywords: DC Microgrid; hierarchical control strategy; maximum power point tracking; voltage stabilization; bidirectional AC/DC converter 微电网，提出了一种双层控制策略。
1 引言
微电网可分为交流和直流两类[1-2]，目前主要以交 流形式存在[3]，但随着新型负荷如计算机、家用电器、 变频器、开关电源、通信设备、电动汽车以及各种电子 设备的迅速发展，直流微电网有着更广阔的前景。与交 流输电相比，直流输电有很多方面的优势，主要表现在 [4-6] ：(1)直流输电不考虑频率的稳定问题；(2)直流输电 调节控制比较容易并且迅速； (3)直流输电线路本身无需 无功补偿；(4)直流输电并入大电网不需要考虑同步问 题； (5)直流输电还具有网络损耗小、 对通信干扰小等优 点。为了在直流微电网中实现清洁能源的有效利用；维 持直流母线电压的稳定； 实现功率在直流微电网和大电 网间的双向流动。 本文基于太阳能和蓄电池构成的直流
2 直流微电网中的内层控制
2.1 直流微电网的结构
直流微电网的出现为分布式新能源发电带来许多 便利。 直流微电网拥有独特的直流输电线路,相对于传统 交流系统不会产生大型故障，并未增加成本，同时还避 免了交流微电网中无功功率和频率等问题[7]。直流微电 网主要由双向变流器、太阳能、储能装置、直流母线和 直流负荷构成。图 1 是本文直流微电网的拓扑结构图。
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图 2. MPPT 系统框图 图 1.直流微电网拓扑结构图
2.2 太阳能的 MPPT 控制
太阳能作为清洁、 无污染和无限储量的新型可再生 能源，其开发主要有光伏发电、光热利用、光生物利用 和光化利用四种形式[8] ， 光伏发电技术有着广阔的市场 发展前景， 是未来能源体系中很重要的补充发电形式之 一，并逐渐从补充能源向替代能源转变[9]。为了实现清 洁能源的有效利用， 本文中太阳能发电采用最大功率跟 踪控制。 MPPT 是直接或者间接利用 PV 的工作状态来确定 它的最大功率点位置进行跟踪调节的一种控制方法。 在 进行跟踪控制时虽然是采集光伏阵列的瞬时功率值， 但 是最终所要实现的控制量会转变为对 PV 系统输出电压 的控制。 图 2 给出了 MPPT 装置的系统控制框图[10]。光伏 组件通过 Boost 升压电路提供直流电压，系统通过 MPPT 控制器小干扰法寻找光伏组件的最大功率点， 发 出控制信号，根据发出的 PWM 驱动信号调节 Boost 电路开关管 T 的占空比 D，调节输入电压 US，使光伏 组件的最大电压维持在最大功率点附近， 控制光伏组件 始终工作在最佳状态，输出最大功率，达到能量最佳利 用。
本文选取 Buck 电路派生的非隔离性双向变换器， 如图 3 所示为双向 DC/DC 电路的工作方式。 开关管的 驱动采用互补 PWM 方式， 即无论变换器工作在 Boost 模式还是 Buck 模式， 开关管 T1 和 T2 的控制信号都 是互补的，即 T1 高电平时 T2 低电平，反之亦然。此 外为了不使桥臂互通， 特意在两开关管之间设置死区时 间，这样可以平滑实现 Boost 和 Buck 的切换。在进 行实际应用时选取集成的半桥 IGBT 模块，结构简单， 容易实行。
图 3.双向 DC/DC 电路
2.3 蓄电池的电压平抑控制
由于光伏发电是间歇性能源， 不能提供稳定的功率 输出，为了维持暂态功率平衡和母线直流电压稳定，引 入蓄电池储能装置[11]。通过检测系统的实时动态，调节 蓄电池工作状态，稳定直流母线电压。
本文采取电压平抑控制的设计进行蓄电池充放电。 控制模型如图 4 所示，采用双闭环的控制方法，外环采 用电压控制环， 设定直流母线额定电压 Ud*为 750V。 通过直流母线电压的测量值 Ud 与额定电压 Ud*比较所得 的误差经由 PI 调节器后得到电池的参考电流 Ib*。内 环是电流控制环，通过对蓄电池的实际工作电流 Ib 的 检测来跟踪外环所给定的参考电流值 Ib*。实际工作电 流 Ib 与参考电流值 Ib*比较后， 经 PI 调节器和 PWM 后 输出控制双向 DC/DC 变换器信号。
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