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光伏、儲(chǔ)能等直流型分布式電源的增加促進(jìn)了直流微電網(wǎng)的發(fā)展。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、供電容量大、電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)是否存在中線，可將直流微電網(wǎng)分為單極和雙極直流微電網(wǎng)。

相比于單極直流微電網(wǎng)，雙極直流微電網(wǎng)提供更多電壓等級(jí)接口，電壓等級(jí)可靈活變換，同時(shí)其對(duì)AC-DC變換器的利用率高。此外，當(dāng)某一極發(fā)生故障時(shí)，另一極可繼續(xù)保持運(yùn)行，系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性。但正、負(fù)極的電源，負(fù)荷和線路參數(shù)等不平衡會(huì)在中線產(chǎn)生不平衡電流，進(jìn)而增加線路損耗，同時(shí)使正、負(fù)極母線電壓偏離額定值。

當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷嚴(yán)重不平衡時(shí)，不平衡度可能超標(biāo)，甚至觸發(fā)中線的不平衡電壓保護(hù)。為靈活調(diào)節(jié)雙極直流微電網(wǎng)的電壓不平衡度，同時(shí)使母線電壓運(yùn)行在合理范圍內(nèi)，須采取一定的分布式協(xié)同控制策略，保證直流負(fù)荷的正常運(yùn)行。

圖1 雙極直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓抑制，目前主要有三種策略：①采用可抑制不平衡電壓的AC-DC變換器；②在AC-DC變換器的出口安裝電壓平衡器；③采用負(fù)荷切換開(kāi)關(guān)調(diào)整直流負(fù)荷的供電極性。

由文獻(xiàn)分析可知，雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓的抑制可從源側(cè)和網(wǎng)側(cè)出發(fā)，通過(guò)增加不平衡補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)減小不平衡電流引起的線路損耗和電壓偏差，但均只考慮單個(gè)變換器的不平衡電壓抑制，而未考慮不同節(jié)點(diǎn)變換器間分布式電源參與不平衡度調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)能力。因此應(yīng)進(jìn)一步研究雙極直流網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)變換器母線電壓及不平衡度的協(xié)調(diào)控制，當(dāng)負(fù)載和供電功率在大范圍變化時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

基于一致性理論的分布式協(xié)同控制策略結(jié)合了集中式控制和分散式控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于協(xié)調(diào)多個(gè)變換器的不平衡電壓控制。在直流微電網(wǎng)中各單元能夠依據(jù)自身和相鄰單元的信息實(shí)時(shí)更新自身狀態(tài)，共同完成協(xié)調(diào)控制。

經(jīng)文獻(xiàn)分析可知，目前研究均針對(duì)單極直流微電網(wǎng)中不同變換器間的協(xié)調(diào)控制，而未考慮雙極直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。雙極直流微電網(wǎng)因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中含有中性線，極間電壓不平衡成為其特有的電能質(zhì)量問(wèn)題，負(fù)載功率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)等電氣量的不平衡及中線阻抗上的壓降均會(huì)使正、負(fù)極電壓進(jìn)一步偏離額定值，從而對(duì)直流母線電壓偏差補(bǔ)償及雙極直流微電網(wǎng)的功率分配產(chǎn)生影響。因此針對(duì)雙極直流微電網(wǎng)，還需設(shè)計(jì)專門的極間不平衡電壓控制器，控制正、負(fù)極電壓的不平衡度在合理范圍內(nèi)，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

重慶大學(xué)的研究人員將一致性理論應(yīng)用到雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓控制中，通過(guò)對(duì)多個(gè)分布式電源變換器的分布式協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)雙極直流微電網(wǎng)的不平衡電壓控制。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員在雙極直流微電網(wǎng)的一次控制中采用電壓下垂控制，同時(shí)根據(jù)一致性理論，結(jié)合電壓不平衡度與正負(fù)極電壓之間的關(guān)系，提出雙極直流微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制策略。通過(guò)設(shè)計(jì)不平衡電壓觀測(cè)器和不平衡度控制器，使母線電壓維持在額定值，并實(shí)現(xiàn)了極間電壓不平衡度趨于一致。

他們通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，從理論上驗(yàn)證了所提控制策略的穩(wěn)定性和可靠性。最后在Matlab/Simulink中建立雙極直流微電網(wǎng)仿真模型，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提控制策略不僅在電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行中有效，在負(fù)載變化和通信網(wǎng)絡(luò)變化時(shí)同樣具有良好的有效性。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員最后得出分析結(jié)果：

1）通過(guò)設(shè)置電壓觀測(cè)器，可在負(fù)荷及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓參考值，通過(guò)減小母線電壓與額定值之間的偏差，提升雙極直流微電網(wǎng)電壓質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的正、負(fù)極母線平均電壓趨于一致。

2）在電壓觀測(cè)器的基礎(chǔ)上，增加不平衡度控制器，可使網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓不平衡度趨于一致，從而最大限度地利用分布式電源的電壓調(diào)節(jié)能力，減小功率波動(dòng)較大時(shí)的電壓失衡，有利于雙極直流微電網(wǎng)的功率平衡。

3）在電壓下垂控制的基礎(chǔ)上增加一致性控制，可達(dá)到雙極直流微電網(wǎng)的分布式協(xié)同控制。該控制策略可靈活應(yīng)對(duì)負(fù)荷及通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)變的情況，保證直流負(fù)荷及整個(gè)雙極直流微電網(wǎng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于分布式協(xié)同的雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制策略”，作者為楊美輝、周念成 等。