交流/直流混合微电网的研究与仿真

高峰电气技术部习热电研究研究所有限公司中国习gaofeng@tpri.com.cn

王晓辉电气技术部习热电研究研究所有限公司中国习wangxiaohui@tpri.com.cn

杨培浩电气技术部习热电研究研究所有限公司中国习yangpeihao@tpri.com.cn

水乔 Kou电气技术部习热电研究研究所有限公司1 中国习koushuichao@tpri.com.cn

孙梦瑶电气技术部习热电研究研究所有限公司中国习sunmengyao@tpri.com.cn

抽象

本文主要讨论了 AC/DC 混合微电网的结构与控制策略。正在考虑的 AC/DC 混合微电网由光伏（PV）面板、电池、直流负载、交流负载、感应电机和多个转换器组成。采用最大功率点跟踪（mppt）。面板、电池、直流负载、交流负载、感应电机和多个转换器组成。采用最大功率点跟踪（mppt）。技术优化光伏的输出功率，采用电池和双回路控制的双向 DC/DC 转换器来调节直流总线电压，采用类似控制方法的 DC/DC 降压转换器有助于调节直流负载的电压。三相 AC/DC 转换器的控制器，连接 $A C$ 还设计了混合微电网中的子电网和直流子电网。微电网的并网模式和孤岛模式下的转换器采用了不同的控制策略。最后，在 Matlab/Simulink 中构建混合微电网模型，并分析了并网模式和隔离模式下的结果。

关键词 - 混合 AC/DC 微电网， MPPT， DC/DC 升压转换器，三相 AC/DC 转换器

I.引言

随着经济的发展，能源消耗迅速增加。化石燃料价格飙升和环境危机日益严重，可再生能源备受关注。太阳能正在成为重要的发电来源，因为它对环境友好且取之不尽用之不竭。充分利用太阳能的一种常见方法是光伏系统。尽管近年来光伏系统发展迅速，但背后仍存在一些挑战。由于天气条件会极大地影响光伏板的输出功率，因此光伏系统总是变得不稳定，对公用电网产生不良影响。

微电网是一种高效的组织形式，因为它能够集成分布式发电、负载和储能[1]。它不仅可以利用光伏的经济优势，还可以保持系统稳定。现代负载（如照明系统、电动汽车）都是

直流因此，直流微电网可以提高能量转换效率[2]。因此，提出了混合 ac/dc 微电网的概念，以结合 ac 和 dc 系统的优点[3]。不同的 ac 和 dc 子电网通过一个或多个双向互连转换器（ic）互连，这些转换器是三相 ac/dc 转换器[4]。互连，这些转换器是三相 AC/dC 转换器[4]。

混合 AC/DC 微电网能够作为并网模式和孤岛模式工作。当微电网以并网模式工作时，它与大型公用电网相连，因此交流子电网的交流母线可以被视为理想的交流电源。目的

AC / DC

这种模式中的转换器是为了控制 AC 和 DC 子电网之间的功率流，因此应用了前馈双闭环和 PQ 控制。对于孤岛模式，通常采用传统的双回路控制策略来调节交流子电网的电压[5]。

在本文中，一个小规模的

AC / DC

提出了如图 1 所示的微电网。该系统包括一个由光伏（PV）、电池、直流负载、转换器组成的直流子电网和一个由交流负载、感应电动机组成的交流子电网。直流子电网通过一个或多个双向互连连接到交流子电网

AC / DC

转炉。直流和交流微电网的每个部分都使用了控制策略，以保持混合系统在不同场景中的稳定性。最后，建立了交直流混合微电网的仿真模型，并给出了混合微电网的运行特性

AC / DC

基于所提控制策略的微电网仿真。

II. 混合微电网模型和控制器设计

混合动力车的配置

AC / DC

微电网系统如图 1 所示直流微电网由光伏板、电池储能装置、直流母线、多个 DC/DC 转换器和直流负载组成。在 PV 和 DC 总线之间使用 DC/DC 升压转换器，以最大限度地提高 PV 阵列的功率输出。电池通过双向 DC/DC 升降压转换器连接到直流总线，以调节直流总线上的电压。直流负载通过 DC/DC 降压转换器连接到直流总线，以调节直流负载的电压。交流微电网可以在并网模式和孤岛模式下工作，由交流负载和感应电动机组成。交流微电网和直流微电网之间使用 AC/DC 转换器，以在孤岛模式下调节交流电压，并在并网模式下控制潮流。

图 1 AC/DC 微电网系统配置

A. 光伏板系统模型

光伏系统包含一个光伏面板、一个 DC/DC 升压转换器和 MPPT 控制。通过该系统，光伏板始终可以产生最大的输出功率。光伏系统的拓扑如图 2 所示。

光伏端电压

V_{ref}

的参考值可通过光伏

V_{p v}

的实际端电压和

I_{p v}

的实际电流利用 MPPT 算法计算得出。然后，通过 PID 调节参考电压和虚拟电压之间的误差，再将 PID 的输出输入 PWM。PWM 可以产生控制 IGBT 的信号。这样，光伏的实际电压就能得到调节，光伏电池板在任何大气条件下都能保持在最大功率点运行

^{[6]}

B. 电池型号

电池模型包含一个电池和一个双向

DC / DC

转换器，用于调节直流母线电压。所需的直流母线电压值可设定为基准电压，即

V_{d c}^{*}

。经 PI 控制器修正的参考电流

I_{b a t}^{*}

进入电流环，它是实际电压

V_{d c}

和参考电压

V_{d c}^{*}

之间的差值。参考电流

I_{b a t}^{*}

与第二 PI 控制器处理的虚拟电流

I_{b a t}

之间的误差以及控制器的输出进入 PWM。PWM 产生的信号控制 IGBT 开关。直流母线电压可由电压环路调节，电流环路将促进转换器的动态响应。电池系统配置如图 3 所示。

图 3 双向 DC/DC 转换器的控制示意图C. 直流负载模型

直流负载电压可通过 DC/DC 降压转换器进行调节，该转换器采用双回路控制，即电压回路和电流回路

^{[7]}

。首先设定直流负载电压

V_{load}^{*}

的参考值。然后，参考电流

I_{L}^{*}

，即实际负载电压与第一个 PI 控制器调整的参考负载电压之差进入电流环。同时，经第二个 PI 控制器修正的实际电感电流

I_{L}

与参考电流

I_{L}^{*}

之间的误差进入 PWM。PWM 信号将控制 IGBT。电压环路的目的是调节直流母线电压，而电流环路可以改善变流器的动态响应。负载系统配置如图 4 所示。

D. 交流负载模型

交流负载包含感应电动机和感应负载，分别由 Simulink 库中的异步电机和三相 RLC 负载建模。AC 子电网可以用作并网模式或孤岛模式。

1) $A C / D C$ 并网模式下的变流器设计

在这种模式下，由于交流母线直接与大电网相连，因此交流母线的电压可视为理想的交流电压源。交直流转换器的作用是控制交流子电网和直流子电网之间的功率流。并网模式下的交直流转换器电路拓扑图如图所示：

5^{[8]}

图中，

V_{m} (m = a, b, c)

代表交流侧电压，

i_{m} (m = a, b, c)

为交流侧电流。

R

和

L

是等效串联电阻和电感。

R_{d c}

表示直流侧的电阻负载。abc 模型中的所有元件都是时变的，因此很难设计控制器。因此，有必要将 abc 模型转换为以同步速度旋转的 dq 模型。dq 框架下的变流器模型如 (1) 所示。

{\begin{cases} L \frac{d i_{d}}{d t} = v_{d} + ω L i_{q} - R i_{d} - v_{d c} d_{d} \\ L \frac{d i_{q}}{d t} = v_{q} - ω L i_{d} - R i_{q} - v_{d c} d_{q} \\ C_{d c} \frac{d v_{d c}}{d t} = i_{d} d_{d} + i_{q} d_{q} - \frac{v_{d c}}{R_{d c}} \end{cases}

◻ ◻

以 dq 帧表示的交直流转换器的电网侧有功功率和无功功率如下：

{\begin{cases} P = \frac{3}{2} (v_{d} i_{d} + v_{q} i_{q}) \\ Q = \frac{3}{2} (v_{q} i_{d} - v_{d} i_{q}) \end{cases}

将参考框架沿同步参考框架的 d 轴对齐，电网电压的 q 轴

V_{d}

将为零，而电网电压的 d 轴

V_{q}

将为常数。

根据上述分析，在 dq 框架下，电网侧变流器的有功功率和无功功率将分别与电流、

i_{d}

和

i_{q}

成正比。它们之间的关系如 (3) 所示：

{\begin{cases} P = \frac{3}{2} v_{q} i_{d} \\ Q = - \frac{3}{2} v_{q} i_{q} \end{cases}

因此，双环控制器旨在控制有功功率

P

和无功功率

Q

。

AC / DC

变流器在并网模式下的控制原理图如下

^{[5]}

A C / D C

孤岛模式下的变流器设计

在这种模式下，交流母线不与电网连接。因此，在这种模式下，转换器的作用是调节交流电压和控制功率因数。由于直流母线电压可由电池系统的双向 DC/DC 转换器调节。因此，假设转换器的直流侧是一个恒定的直流源。

AC / DC

转换器在隔离模式下的电路拓扑如下

^{[9]}

图 12 隔离模式下的交直流转换器电路拓扑图根据控制需求，设计了电压电流双环控制器。外电压环用于调节交流侧电压，内电流环可控制功率因数。当

Q_{r e f} = 0

达到单位功率因数时。

孤岛模式下的 AC/DC 转换器控制示意图如下所示。

图 7 孤岛模式下 AC/DC 转换器的控制示意图

III. 模拟分析

基于上述仿真模型，构建了如图 8 所示的混合微电网 Simulink 模型，并研究了几个案例，以弄清楚系统在不同场景中的性能。

图 8 AC/DC 微电网系统的 Simulink 模型

A. 并网模式

交流子电网和直流子电网之间的功率流从 500 W 变为

- 500 W (500 W

表示从交流子电网向直流子电网传输 500 W 功率，-500 表示从直流子电网向交流子电网传输 500 W 功率 )

图 10 直流母线电压

图 11 潮流

B. 孤岛模式

0.4秒时，温度从

25^{\circ} C

降至

0^{\circ} C

。4秒时，辐照度从

1000 W / m^{2}

降至

400 W / m^{2}

，0.7秒时为

1000 W / m^{2}

。

图 12 交流总线电压

图 13 直流母线电压

图 14 直流负载电压

图 15 PV 电压

图 16 光伏的输出功率在这种情况下，交流母线和直流母线的电压保持不变，如图 12 和图 13 所示。光伏的端电压和输出功率会随着天气条件的变化而变化。

因此，混合 AC/DC 微电网也可以在孤岛模式下正常工作。直流和交流总线中的电压都可以快速调节，以便系统在许多不同情况下保持稳定。

IV. 结论

本文开发了一种由光伏发电、直流负载、交流负载和电池组成的

AC / DC

微电网装置。为确保微电网的电压调节和稳定运行，采用了伺服控制策略。

对于直流子电网，设计了具有 MPPT 控制的光伏板。在扰动和观察（P&O）算法的帮助下，在任何天气条件下都可以从 PV 获得最大功率。电池和具有双回路控制的双向 DC/DC 转换器用于调节直流总线的电压以及对电池进行充电或放电。使用 DC/DC 降压转换器也使用双回路来调节直流负载的电压。

恒功率负载和感应电动机形成交流子电网。双向 AC/DC 转换器具有不同的控制策略，适用于混合模式的并网模式和孤岛模式，连接 AC 和 DC 子电网。前馈双环控制和PQ控制应用于并网模式，以控制交流子电网和直流子电网之间的电力传输。采用传统的双环控制策略来调节孤岛模式下交流子电网的电压。

在 Matlab Simulink 中构建了混合 AC/DC 微电网模型。对于并网模式和孤岛模式，都会运行包括负载变化、天气变化等在内的模拟。结果可以验证控制策略的修正。

引用

[1] Lasseter，“MicroGrids”，2002 年 IEEE 电力工程学会冬季会议。会议论文集（Cat.No.02CH37309），2002 年，第 1 卷，第 305-308 页，第 1 卷。 [2] Boroyevich、I. Cvetković、D. Dong、R. Burgos、F. Wang 和 F. Lee，“未来的电子配电系统：沉思的观点”，2010 年第 12 届电气和电子设备优化国际会议，2010 年，第 1369-1380 页。
[3] C. Loh、D. Li、Y. K. Chai 和 F. Blaabjerg，“具有交流和直流子电网的混合微电网的自主运行”，IEEE Trans. Power Electron.，第 28 卷，第 5 期，第 2214-2223 页，2013 年 5 月。 [4] Gupta、S. Doolla 和 K. Chatterjee，“混合 AC-DC 微电网：控制策略的系统评估”，IEEE Trans. Smart Grid，第 1-1 页，2017 年。
[5] Xu， B. Wang， H. Sun， and Y. Wang， “Design of a bidirectional power converter for charging charging charging provider based on V2G”，2017年IEEE工业技术国际会议（ICIT），2017年，第527-531页。 [6] Mendalek 和 K. Al-Haddad，“光伏系统建模和仿真”，2017 年 IEEE 国际工业技术会议（ICIT），2017 年，第 1522-1527 页。
[7] J. Forsyth 和 S. V. Mollov，“DC-DC 转换器的建模和控制”，Power Eng. J.，第 12 卷，第 5 期，第 229-236 页，1998 年 10 月。 [8] K. Senapati 和 A. K. Swain，“风力发电系统中使用的 AC/DC 电网侧电压源转换器的建模和仿真”，2014 年电路、电力和计算技术国际会议 [ICCPCT-2014]，2014 年，第 484-489 页。
[9] Zhang， D. Guo， F. Wang， Y. Zuo， and H. Zhang， “混合AC/DC微电网中互联变流器的控制策略”，2013年可再生能源研究与应用国际会议（ICRERA），2013年，第97-102页。

交流/直流 混合微电网的研究与仿真

抽象