直流微电网运行控制策略研究

•微电网•

直流微电网运行控制策略研究

王前双1，尹昌新2，常乾坤3，杨涛1

(1.南京南瑞集团公司，江苏南京210061;

2.国家电网公司，北京100031 ;3.国网北京市电力公司，北京100031 )

摘要：分析了直流微电网的网络架构、组成单元及控制原理，并据此给出了一种 直流微电网设计实例。针对直流微电网的并网与离网运行特性，基于瞬时功率平衡原 理，分别提出了双向AC/DC变换器和储能双向DC/DC变换器在两种模式下的定电压 控制策略。仿真和试验结果验证了所构建的直流微电网和控制策略的正确性和可行 性，且能实现并网、离网以及并/离网切换的稳定运行。

关键词：直流微电网，瞬时功率平衡；双向器，■定电压控制策略

中图分类号：TM 7

王前双（1985—) 男，工程师，主要从 事电力电子在电力 系统中的应用、新 能源以及微电网领 域方向的研究。

■AC/DC变换器；双向DC/DC变换

3文献标志码：A文章编号：2095-8188(2017)03-0034-06

DOI: 10. 16628/j.cnki. 2095-8188. 2017. 03. 006

Research on Control Strategy for DC Micro-grid

WANG Qianshuang1，YIN Changxin2, CHANG Qiankun3，YANG Tao1

Nari Technology, Co., Ltd., Nanjing 210061 , China；

2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China；3. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031 , China)

(1.

Abstract ： This paper analyzed the network architecture, component and control principle of DC micro-grid, and

proposed a design example of DC micro-grid. Based on the principle of instantaneous power balance, the constant

voltage control strategy of bidirectional AC/DC converter and battery bidirectional DC/DC converter are proposed in the grid-connected mode and off-grid mode for the different characteristics. The simulation and experiment results verify the correctness feasibility of the construction of DC micro-grid and the proposed control strategy which can operate stably in the grid-connected mode, off-grid mode and grid-connected from/to off-grid mode.

Key words ： DC micro-grid ； instantaneous power balance ； bidirectional AC/DC converter ； bidirectional DC/DC converter； constant voltage control strategy

〇引言

微电网可分为交流微电网和直流微电网，交 流微电网研究较为成熟且应用广泛，但考虑到分 布式能源的利用效率以及日益增加的直流负荷， 采取交流供电方式不仅会增加系统成本和电力电 子变换所带来系统损耗，还会带来一些电压波动、 三相不平衡等电能质量问题，因此有必要引人高 度可控和灵活运行的直流电力技术，构成直流微

电网。直流微电网可以充分发挥分布式电源的价 值和效益，减少电力电子变换所带来的能源损耗 并提高用户侧电能质量，近年来发展迅速。

直流微电网仅需考虑有功功率的平衡，无需考 虑无功功率流动，因此直流母线电压为衡量系统稳 定的唯一指标。当直流微电网系统内功率发生波

动时，直流母线电压波动范围应在额定电压±5% 以内，一旦电压失稳，就会引起系统保护，导致供电 中断。因此，对直流微电网的变换器必须进行有效

尹昌新（1958—），男，高级工程师，主要从事电网企业管理、生产、运行、技术研究等工作。 常乾坤（1985—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为大功率电力电子变流技术。—

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控制，达到维持直流母线电压稳定的目的。

目前，对直流微电网的构成、运行模式、控制 方式等已有初步理论研究。文献[1]提出了将直

流微电网母线电压的偏移量分为3个等级，根据 偏移量的大小采取不同的方法平衡能量；文 献[2]提出了适用多代理系统进行直流微电网稳 定控制，但两者都是从能量管理角度进行分析，未 涉及到直流微电网内电力电子装置的建模和控制 策略;文献[3]提出了一种定电压控制策略，但是 只针对并网模式，并未涉及离网模式。本文将针 对直流微电网的运彳了特性，基于瞬时功率平衡，在 并网和离网两种模式下研究基于直流母线电压平 衡的双向AC/DC变流器、储能双向DC/DC变流 器的控制策略。在并网模式下，通过双向AC/DC 变换器提供电压支撑;在离网状态下，通过储能双 向DC/DC变换器提供电压支撑，可以有效避免两 者对功率调节的竞争，实现直流微电网在并网和 离网两种状态下的稳定运行。

1直流微电网的架构及运行模式

1.1直流微电网的架构

本文以某直流微电网为例，结构如图1如示。

风力发电模拟器

直流母线

图1

直流微电网的构成架构

图1的结构中，主要由以下几部分组成：

(1) 光伏发电单元:光伏电池通过DC/D换器接入直流微电网，光伏DC/DC正常运行时工 作于最大功率点跟踪（Maxi麗m Power Point

Tracking，MPPT)方式，以尽可能地输出最大功率，

但在某些特定情况下需要降功率运行。(2) 风力发电模拟单元:风力发电模拟系统 通过AC/DC变换器接入直流微电网，风力发电系 统AC/DC变换器正常运行时工作于最大功率点

电器与能效管理技术(2017NO. 3)

跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT)方 式，以尽可能地输出最大功率，但在某些特定情况 下需要降功率运行

(3) 储能单元:本文采用铅酸蓄电池储能，通 过双向DC/DC变换器并入直流微电网。直流微 电网并网工作时，蓄电池处于充放电状态，但在主 网发生故障或孤岛运行情况下，储能双向DC/DC 变换器将作为平衡节点来稳定直流母线电压，以 确保系统的功率平衡和稳定运彳了。

(4) 负荷单元:直流负荷直接通过DC/DC变 换器接入直流微电网，当供电功率不足时，需要根 据负荷的优先级进行负荷减载控制，以确保直流 微电网内的功率平衡及重要负荷的供电质量。(5) 双向AC/DC变流器:直流微电网通过电 压型PWM变换器并网交流主网，当直流微电网 并网运行时，双向AC/DC变换器通过控制直流电 压的稳定来确保直流微电网内部功率平衡，当交 流主网故障时，双向AC/DC变流器将进入待机模 式，失去直流母线电压的控制能力。

1.2直流微电网的运行模式

直流微电网可以通过双向AC/DC变流器与 主网联网运行，也可以独立运行。本文根据直流 微电网与主网的功率交换方式，将直流微电网的 运行模式分为并网运行以及孤岛运行两种。

(1) 并网运行模式。在并网运行模式下，直 流微电网通过双向AC/DC变流器并入交流主网， 可以和交流主网进行能量交换，并且保证直流母 线电压恒定。

(2) 离网运行模式。在离网模式下，双向

AC/DC变换器处于待机状态，由储能DC/DC变

换器维持直流母线电压恒定，保证直流微电网的 正常运行。

为了保证直流微电网的安全稳定运行，本文 着重对双向AC/DC变换器和储能双向DC/DC变 换器两个电力电子装置进行重点研究。2

双向AC/DC变换器

在该系统中双向AC/DC的目标是保证在并

网情况下，直流母线电压保持稳定，并能和电网进 行能量交互，主电路结构如图2所示[4]。图2中所示为双向AC/DC双向变换器的拓扑 结构，并以图中所示的电流方向为正方向。在三相

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C变 电器与能效管理技术(2017N〇. 3)

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在式（2

)

中，三相对称交流网压和线电流变

换到同步旋转坐标系中成为直流量，故电流 控制采用PI调节器可以实现无静差调节。由

式(2)可以看出轴变量相互耦合，可以采用 前馈解耦控制解决，引入轴控制方程：

ed ~ (KP + KtJd〇

图2

双向AC/DC变换器拓扑结构

eq - - id) + coLiq

+ KtJd〇 (i* - iq) - (〇Lid静止坐标系（a，b，c)中，为简化分析，用〜（A = a，

b，c )表示相电压，利用基尔霍夫电压、电流定律，将

⑶

式中：urd、urq—

ed、eq—

双向AC/DC变流器的的数学模型描述为[8]

h~--R0~h~0■

h=0-R 0h+

0-穴」久」-0-h-_1

变流器三相桥臂电压矢量t/ 的轴分量；

电网电动势五的轴分量； -线电流矢量/的轴分量。

Li

KP、K「_电流环的比例、积分系数；

0〇-乂_

-1

ra~0〇-~UUYh(1)

010-001-

-010

通过式(2)和式(3)可以得到:

n-Rid + (^P +^|d〇(^； -Riq + (KP +^|d〇(^；

id)-001-L〜」

通过PARK变换矩阵，可以将三相静止坐标 系a，b，c的数学模型转换为两相旋转坐标系 下的数学模型：

J diq+ ^Lid --~ R\\didjLiq -L-^-〇dt⑷

IL^

dt由式(4)可见，在同步旋转坐标系下通过对 轴电流解耦可以实现双向AC/DC变换器有 功和无功的控制。双向AC/DC变换器控制系统 结构图如图3所示。

⑵

图3双向AC/DC变流器控制系统结构图

3

储能双向DC/DC变换器

本文所设计的双向DC/DC变换器为全桥隔

反并联的功率二极管实现整流，不需要另外增加 整流元件就能确定能量流动方向。

该双向DC/DC变换器有两种工作模式，在电网 正常供电时，蓄电池根据调度策略进行充放电运行， 并且采取三段式充电，保证蓄电池的最大寿命;在电 网出现故障时，蓄电池维持直流母线电压稳定。

离结构，主电路结构如图4所示。该主电路结构 中的变压器两端都是全桥结构，显著特点就是只 需要关闭变压器某一边功率管驱动信号，利用其 —36 —

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3.1并网模式

在并网模式下，由于双向AC/DC变换器负责 控制直流母线电压的稳定，蓄电池只需要根据调 度指令进行充放电控制即可。本文只对控制策略 进行研究，对于充放电控制中的具体工作模态不 具体展开说明。

(1)充电控制。充电模式时，开关管VT5〜

VT8加驱动信号，并采用移相PWM控制方式，而

开关管VT1〜VT4不加驱动信号，只利用其反并 联二极管VD1〜VD4实现输出全桥整流，控制策 略如图5所示。

图5双向DC/DC变换器充电控制策略

(2)放电控制。与充电过程相比，放电过程 对储能电池使用性能及寿命的影响相对较小，由 于储能电池的效率随放电电流的增大而降低，同 时放电深度过大极易导致电池老化加快，放电过 程中需防止放电电流及放电深度过大。本文采用 电压电流双闭环控制策略对储能电池进行放电控 制，同时维持直流母线电压稳定，并检测储能电池 的电压，当电压达到过放电压时，储能电池停止 放电。

放电模式时，储能电池采用双环控制放电维 持微电网系统能量平衡，电压外环用于稳定直流 母线电压，电流内环控制放电电流，控制策略如

电器与能效管理技术(2017NO. 3)

图6所示。

3.2离网模式

在离网模式下，放电控制和并网运行时控制 策略一致，保持直流母线电压稳定，在充电控制 时，此时以直流母线电压稳定为第一目标，不再进 行三段式充电方式，控制策略需要进行调整，其控

制策略如图7所示。

3.3并罔网技制策略小结

本文设计的基于直流母线电压恒定控制策略 方式如表1所示。在直流微电网中，并网和离网

切换时通过光纤信号在双向AC/DC变换器和储 能双向DC/DC变换器进行传递。

表1

直流微电网母线电压恒定控制策略

运行模式

装置

并网模式

离网模式

双向AC/DC保持直流母线电压稳定，

变换器和网侧进行能量交换待机

双向DC/DC根据调度指令进行充放电维持直流母线电变换器

控制

压稳定

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电器与能效管理技术(2017N〇. 3)

4仿真验证

为了验证所设计的控制策略的正确性及有效

性，本文分别从并网模式和离网模式给出仿真结 果并对其进行分析。

直流微电网并网运行时的仿真波形如图8所 示。在0.3 s时突加10 kW负载，运行至0.5 s时 突减5 kW负载;并网转离网状态时的仿真波形 如图9所示。在0.3 s时，直流微电网由并网运 行转为离网运行;离网转并网状态时的仿真波形 如图10所示。在0.3 s时，直流微电网由离网运 行转为并网运行;离网运行时的仿真波形如图11 所示。在0.3 s时突加10 kW负载，运行至0.5 s 时突减5 kW负载。从仿真波形可以看出：直 流微电网系统在并网、离网运行状态下突加突卸 负载，并离网切换时直流母线电压均能保证在 400 V ±5%，系统静、动态性能优良。

Krpvn

Kin0.2 0.3

t / s

0.4 0.5 0.6 0.7

图8

并网运行仿真结果

5 试验验证

直流微电网在并网运行时突加10 kW负载 波形如图12所示;直流微电网在并网运行时突减 10 kW负载波形如图13所示;直流微电网从并网 切换到离网状态时的波形如图14所示，直流微电 网从离网切换到并网状态时的实验波形如图15 所示。其中，％。为直流微电网直流母线电压，R 为A相电压，/3为A相电流。从以上试验波形可

—

38 —

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图9

并网转离网仿真结果

以看出，应用本文设计的直流母线电压控制策略，

直流微电网能够稳定运行在400 V，且静、动态性 能优良。

6结语

直流微电网作为具有发展潜力微电网组网形

态，有着较大的发展空间。直流微电网中双向 AC/DC变换器与常规逆变器结构类似，但是其控 制策略存在很大差异，加入了能量双向控制以及 直流母线电网恒定控制。储能双向DC/DC变换

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V/J

图

11

离网运行仿真结构

图

12

直流微电网并网运行时突加负载波形

图

13

直流微电网并网运行时突减负载波形

图14直流微电网并网转离网时波形

电器与能效管理技术(2017NO. 3)

图

15

直流微电网离网转并网时波形

器在离网中负责保持母线电压恒定，是保证直流

微电网能够进行并离网稳定运行的重要保障#本 文设计的直流微电网直流母线电压恒定控制策 略，能够保证直流微电网在并网、离网以及并离网 切换时都能稳定运行。大量仿真和试验结果表 明，本文设计的控制策略能够保证直流微电网的

安全、稳定、有效运行，有较好的应用前景。

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收稿日期：2016-07 -27

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