CN104158169B - 一种光伏直流微网母线电压控制方法 - Google Patents

一种光伏直流微网母线电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对光伏直流微网母线电压稳定性问题，提出了一种直流母线电压分层协调控制方法：第一步，根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将直流母线电压分成三层。第二步，分层协调控制：第一层，当<i>U</i>dc1为239.8-242.6V范围时系统处于孤岛运行模式，母线电压控制采用下垂控制法；第二层，当<i>U</i>dc2为249.6V-252.4V范围时，系统将切换到并网运行，网侧接口处于逆变状态，通过直接调节并网逆变器输出电流的d轴分量id来调节Udc2；第三层，当<i>U</i>dc3为259.6-262.2V范围时，系统进入孤岛运行控制，微网与电网分离，仍然采用下垂法来保持母线电压稳定，但需要增加一个虚拟的输出阻抗环，实现负载功率的分配。

Description

一种光伏直流微网母线电压控制方法
技术领域
本发明旨在提供一种母线电压分层协调控制方法，适合应用于低压的光伏直流微网，能够确保在孤岛运行和并网运行模式下系统有功功率的平衡和母线电压的稳定。
背景技术
分层协调控制可以有效地稳定光伏直流微网的母线电压，提高系统运行的稳定性，具有非常广阔的应用前景。2005年第9期的《电网技术》中《变速恒频双馈风电机组分段分层控制策略的研究》一文针对并网后变速恒频双馈风电机组的优化运行及其与电网的协调问题，依据分段分层控制思想，提出了变速恒频风电机组的并网控制策略，同时依据分层思想将风电机组电气部分的控制分为参考值的整定和对参考值的跟踪两层控制。2004年第6期的《高电压技术》中《电力系统暂态稳定优化分层控制协调算法》一文就电力系统暂态性能优化问题比较了有限时间和无限时间两种分层控制算法,提出将分层控制器与各种PSS相配合以提高控制暂态过程的效果。目前，已有一些文献针对微电网中母线电压的稳定问题提出了相应的控制方法。2013年第4期的《电工技术学报》中《适用于交直流混合微电网的直流分层控制系统》一文为了改进交直流混合微电网中直流侧的母线电压性能，提出了直流分层控制系统，以在各接口变换器之间合理分配直流负荷，同时补偿下垂控制带来的直流母线电压跌落。该方法仅适用于交直混合型微网，其通用性不强，且需设计多个子控制器，使得系统成本较高。2010年第7期《电工技术学报》中《不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制》一文分析了三相不平衡电网电压下直驱永磁同步风力发电机组直流母线电压波动的机理，研究了其稳定控制策略，以提高其在电网不对称故障下的低电压穿越能力。通过将不对称电压与电流进行对称分量法分解，提出了一种在正负序同步坐标变换下电网正负序电压分别定向的矢量控制策略，来消除功率传输中的波动分量，以实现在电网发生不对称故障时稳定直流母线电压。2013年第4期《中国电机工程学报》中《风电直流微网的电压分层协调控制》一文以风电直流微网为例，在分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上，提出电压分层协调控制策略。该方法虽然能较好的实现母线电压稳定控制，但仅适用于风电微网，且变流器间可能存在交互影响。
发明内容
本发明针对光伏直流微网的母线电压稳定控制问题，详细分析了三个接口控制器的工作状态，提出一种新的电压分层控制方法来维持母线电压的稳定和系统安全运行，其网侧接口控制器、蓄电池储能接口变换器、光伏接口变换器控制框图如图1、图2、图3所示。具体实施步骤如下：
第一步，根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将直流母线电压分成孤岛运行层、孤岛转并网运行层和并网转孤岛运行层；
第二步，进行分层协调控制：
取直流母线电压的标称值U dc=251V，变换器工作切换时电压模态变化量为标称值的3.9%；为避免层间切换频繁，在切换点U dci处采用电压滞环控制方式，滞环电压范围为1.5V-2V
第一层，系统处于孤岛运行模式，直流母线电压范围为239.8-242.6V，由下垂控制方法，根据公式：，可得母线电压范围为241.2V-251.0V；
为第1层控制下母线电压参考值，为下垂系数，为该层电压阈值；
第二层，当母线电压持续上升到母线电压的标称值时，系统将切换到并网运行，直流母线电压范围为249.6V-252.4V，根据电压定向矢量控制和功率平衡原则，根据公式，通过直接调节并网逆变器输出电流来调节该层母线电压，其范围为251.0V-260.8V；
第三层，当直流母线电压继续上升到母线电压的标称值1.039倍时，进入孤岛运行控制，其电压范围为259.6-262.2V，为保持母线电压稳定，增加一个0.02Ω的虚拟输出阻抗，仍然采用下垂控制方法，根据公式：，使得该层电压范围为260.8V-270.6V，为第3层控制下母线电压参考值，为该层电压阈值，为虚拟阻抗；
仿真与实验结果分析
利用matlab/simulink搭建了仿真系统，光伏阵列在标准测试条件下最大功率为600W,温度T=25℃,光照强度为1000W/m2，输出电压为180V，占空比D*=0.4。直流母线电压、电流，光伏接口变换器电流及蓄电池接口变换器电流见图4，图5，图6和图7。
仿真开始后，在s时，系统运行在孤岛模式，光伏阵列未与电网相连，蓄电池放电为负载提供能量。此时，母线直流电压维持在240V，母线电流输出为8.3A，蓄电池放电电流为5.2A。以充电电流方向为正方向，电流反方向说明蓄电池工作在充电状态的逆状态。
当s时，系统切换到第2控制层。光伏阵列与电网相连，并网侧接口变换器工作于逆变状态，母线电压跃升到252V，光伏接口变换器工作在MPPT状态，且输出电流为24A，蓄电池继续保持放电状态，以抑制母线电压升高。
当t=1.0s时，母线电压上升至261V，系统进入第3控制层，系统与电网再次分离。光伏接口变换器改变工作状态，进入恒压模式，输出电流维持在24A，母线电流下降至5.9A。仿真验证了分层协调控制方法的正确性，采用该方法的系统各工作模态切换平滑，相互之间没有重叠工作区域。过渡过程也无太大扰动，输出电压波形平缓稳定。
附图说明
图1是网侧接口变换器控制框图
图2是蓄电池储能接口变换器控制
图3是光伏接口变换器控制框图
图4是直流母线电压
图5是直流母线电流
图6是光伏接口变换器电流
图7是蓄电池接口变换器电流

Claims (1)

1.一种光伏直流微网母线电压控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
第一步，根据光伏阵列输出功率与负载功率平衡原则，以系统直流母线电压参考值为阈值，将直流母线电压分成孤岛运行层、孤岛转并网运行层和并网转孤岛运行层；
第二步，进行分层协调控制：
取直流母线电压的标称值Udc，U′dci为每层控制下母线电压参考值，其范围为250V-600V，变换器工作切换时电压模态变化量为标称值的3.9％；为避免层间切换频繁，在切换点Udci处采用电压滞环控制方式，滞环电压范围为ΔUHL，其范围为1.5V-2V；
孤岛运行层，系统处于孤岛运行模式，直流母线电压范围为(1-3.9％)Udc±ΔUHL，此时由下垂控制可对母线电压进行调节，使U′dc1控制在(1-3.9％)Udc与Udc之间；
孤岛转并网运行层，当母线电压持续上升到母线电压的标称值时，系统将切换到并网运行，直流母线电压范围为Udc±ΔUHL，根据电压定向矢量控制和功率平衡原则通过直接调节并网逆变器输出电流来调节该层母线电压，其范围为Udc≤U′dc2≤(1+3.9％)Udc；
并网转孤岛运行层，当直流母线电压继续上升到母线电压的标称值(1+3.9％)Udc±ΔUHL时，进入孤岛运行控制，为保持母线电压稳定，增加一个虚拟输出阻抗，仍然采用下垂控制方法，使得该层电压范围为(1+3.9％)≤U′dc3≤(1+2·3.9％)Udc。
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