关键词：港口混合供能系统；固态变压器；协调控制策略；新能源；微网

随着我国绿色港口政策的不断推进,风力发电机组(Wind Turbine,WT)、光伏发电 (Photovoltaic,PV)以及分布式储能系统(Distributed Energy Storage,DES)等新能源逐步接入港区配电网,已成为发展趋势[1-2] 。 同时在港口引入储能系统,不仅为负荷提供支持,还有效降低弃风和弃光率,缓解源荷波动对电网的影响[3] 。 深入研究混合供能系统的协同控制策略,对于提升港口能源管理水平、提高能源利用效率以及推动港口的可持续发展具有至关重要的意义[4] 。

港口混合供能系统的协同控制依赖于连接交流子网与直流子网的电力电子设备实现[5-6] 。 在初期阶段,普遍采用双向功率接口装置作为基础架构。但此类设备主要适用于低电压、小功率应用场景,难以满足规模化新能源接入的功率适配需求[7] 。 针对多电压等级、大容量微电网互联的技术挑战,新型系统架 构 研 究 转 向 采 用 固 态 变 压 器 ( Solid State Transformer,SST)作为核心枢纽装置,显著提升了电网间的动态功率协调能力与电压适应性[8-9] 。

经典研究文献[10]建立了 SST 多层级控制基准框架,中压功率模块实施中压直流母线稳压控制,隔离级变流单元维持低压直流电压稳定,末端逆变单元执行交流电压精准调节,但是该框架并未针对分布式电源波动影响建立自适应机制,不能这种情况下维持子网电压 / 频率参数的稳定;而针对交流子网功率波动问题,文献[11]创新性引入频率耦合调节策略,通过构建准自主的 fac -Pac 下垂控制环路提升系统惯量支撑能力,从而强化了对频率的稳定控制;为进一步协调直流子网能量平衡,文献[12]在系统架构中集成储能缓冲单元,并创新采用 Udc -Pdc双下垂控制实现储能系统与隔离变流器的协同调控。 但既有研究对分布式电源波动变化引发的运行模式适应性问题缺乏深入探讨,同时也未曾考虑到在混合供能系统中储能的作用,针对电网稳定性问题并没有深入研究,特别是并网 / 孤岛切换过程中,分布式能源并网点动态稳定机理尚未明晰。

针对上述港口混合供能系统的问题,本文提出了一种港口混合供能系统的协同控制策略:首先,探讨港口环境下的源储特性;接着提出一种基于三段式 SST 控制构成了分布式电源波动下协调控制技术;最后,在并网、离网情况下新能源波动时,协调控制技术对接入点的稳定作用。

1 港区源储特性分析

港口存在复杂的混合功能系统,包含光伏系统、风电系统、储能系统以及港口负荷,其港区结构如图1所示。

1. 1　 电源运行特性分析

1. 1. 1　 光伏发电

光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器组成。 太阳电池板通过光伏电池的并联与串联构成的光伏列阵组成,光伏列阵示意图如图2 所示。 图 2 中,Ipv、Udc 分别为光伏阵列端口的输出电流、电压,同时可以得出光伏阵列端口伏安外特性数学模型:

从数学模型推导出光伏阵列统一功率—电压特性曲线[13] ,如图 3 所示。 在港口条件下,光伏发电往往为屋顶光伏,规模较小,但同样存在波动性。 为提高太阳能发电的利用率,往往采用最大功率跟踪(MPPT)控制技术进行实时控制,主要有扰动观察法(P&O)、电 导 增 量 法 (INC)、恒 定 电 压 跟 踪 法(CVT)、模糊控制等[13] 。

1. 1. 2　 风力发电

港口风力资源较为充裕,但是不同地域和时段下的风力发电出力存在波动,需要对风力发电进行模型分析。 为便于对风力机进行建模分析,对风力机模型进行了简化描述,根据贝兹理论,风力机从风能中捕获到的功率 Pw 和风力机输出机械转矩 Tw 可表示为:

式中,ρ 为空气密度;R 为风轮半径;v 为风速;Cp 为风能利用系数;Tw 为风力机的输出转矩;ωm 为风轮的角速度;系数 c1 =0. 517 6,c2 =116,c3 =0. 4,c4 =5,c5 =21,c6 =0. 006 8。

同样,为了提高风能利用率,在风力发电系统上也采用最大功率追踪控制[14-20] 。

1. 2 储能充放电原理

1. 2. 1 储能电池充放电研究

储能系统中设置双向 DC-DC 变换器,采用的是具有较成熟拓扑的 Buck-Boost 变换器。 双向 DC-DC变换器可以根据电网需求更换相应的模式,Buck 模式为储能电池从电网吸收有功功率,对应充电模式,Boost 模式为储能电池向电网发出有功功率,对应放电模式,可以根据电网需求更换相应的模式。

当储能电池不进行充放电时会处于备用状态,储能电池充放电模式如图 4 所示,根据 Pref 的大小并结合储能电池本身的荷电状态来判断是进入充电模式还是放电模式。

1. 2. 2 双向 Buck / Boost 变换器工作原理

双向 Buck/ Boost 变 换 器 根 据 其 Buck 模 式 和Boost 模式可以分成 2 种等效模式,如图 5 所示。 其Buck 模式的等效电路如图 5(a)所示,储能电池根据SOC 状态处于恒流充电或恒压充电模式。 Boost 模式的等效电路如图 5(b)所示,储能电池在放电过程中放电电流保持恒定,且工作在电流连续模式,储能电池侧的放电电流连续且纹波小。

2 混合供能系统核心装备控制

为确保混合供能网络可靠运行,其与大电网的接口需配置高性能功率转换装置。 针对交直流微电网多规格互联需求,系统架构中配置智能电力枢纽(SST)作为核心功率转换单元,实现不同供能网络的柔性互联。

2. 1 SST 控制原理及拓扑

三级式 SST 分为输入级、隔离级和输出级。 输入模块通过交直流转换器实现电网电能接收与功率调控,经直流母线连接至隔离模块。 隔离模块通过高频电能转换和变压器耦合实现电气隔离,同时完成电压稳定调节。 输出模块最终将电能转换为符合负载需求的交流电,系统整体架构如图 6 所示。

拓扑如图 7 所示,输入级和输出级除了包含由绝缘栅极晶体管组成的三桥臂变换器,还包含了各自的滤波电感 L、Lo 和电阻 R、Ro;输入级采用由电容器 C1和全桥逆变模块构成的直流母线结构,该模块通过高频变压器与次级侧的全桥整流模块进行磁耦合并实现能量传输。 次级整流输出经电容器 C2 稳压后接入功率转换模块,该模块由具备四桥臂拓扑的三相逆变器及 LC 滤波网络共同组成,最终构建出符合三相四线制供电标准的交流输出系统。

2. 2 SST 控制策略

三级式 SST 各级的控制策略如图 8 所示,对 SST采用独立控制方式。 在整个系统的层级化控制架构中,各层级依据功能需求采用了差异化调控策略。

(1)输入级调控。 该层级运用基于电流解耦的传统控制策略,以 Udc1_ref 作为直流电压基准值,通过实时监测并网侧三相电压(usa,sb,sc )与电流(isa,sb,sc )的动态响应,构建解耦控制模型,确保系统输入端能

量交互的稳定性与效率优化。

(2)隔离级优化。 采用单相移相调控策略,通过精准调节隔离变压器原副边电压相位差(d),建立输出电压 Udc2 与目标参考值 Udc2_ref 的闭环反馈机制,从而维持隔离环节的电压输出精度与动态适应性。

(3)输出级精细化控制。 ①ABC 桥臂组调控:基于三相三桥臂逆变技术,在 dq 旋转坐标系下对输出电压分量(uao,ubo,uco )实施动态闭环调节;针对高动态性能场景,可增设电流反馈环路形成双环控制结构,进一步提升响应速度与抗扰性能。 ②N 桥臂独立调节:通过构建中性电流 ino 与三相负载电流总和(iao +ibo +ico)的同步跟踪机制,实现零序电流的有效抑制,保障输出系统电能质量与运行可靠性。

3 仿真分析

在图 1 的基础上,搭建对应的 Matlab/ Simulink仿真平台,采用图 8 所采用的控制策略,对光伏、风电等分布式能源变化时的影响进行分析,同时也分析储能系统的支撑作用,相关设备的仿真电路参数见表 1,SST 的仿真参数见表 2。

3. 1 并网条件下外部条件改变特性仿真分析

3. 1. 1 光伏光照强度变化

光照强度变化时段的波形如图9所示。 由图9可知,在0.5s光照强度增加时,输入侧电流快速减小并恢复稳定,输出侧直流电压纹波保持在0.5V左右,电压最高值在703V,且能很快恢复稳定,同时,输出侧交流电压波形在光照强度变化时也可保持稳定。在光照强度增加的情况下,在 SST 各级控制的调节下,其输出侧交流电压和直流电压快速稳定。

3. 1. 2 风机风速变化

风机风速变化时段的波形如图10所示。 由图10可知,风机在0.5s切入和1s切出时,输入侧电流对应地减小和增加,输出侧直流电压对应地增加和减小,且都在短时间内恢复了三相式稳定波形,同时,输出侧交流电压在2个时刻都可维持其稳定状态。 SST从配电网侧吸收的功率从减少再增加,直流输出电压也对应地增加和减少,但在 SST 各级控制的调节下,其和输出侧交流电压依旧可以保持稳定。

3. 1. 3 负荷变化

负荷变化下的整体波形如图11所示。 由图11可知,在0.5s增加了13 kW的负荷,并在1s后切除,输入侧电流在0.5~1.0s增大以应对增大的负荷,且在 1 s 负荷切除后恢复原状态,除了切换时略有波动,其余时刻均稳定。 输出侧直流电压也在0.5s时减小、1s时增加,并很快恢复了稳定状态,在这个过程中,输出侧交流电压整体来看一直保持着稳定。

负荷变化时段接入点的波形如图12所示。 由图12可知,在负荷切入和切出时,输入侧电流相应地增大和减小,且很快恢复稳定。 输出侧直流电压在对应时刻上下浮动15V左右,且纹波几乎可以忽略不计。 输出侧交流电压在放大图中依旧也一直保持着稳定。

3. 2 孤岛条件下储能支撑特性仿真分析

并网转孤岛时储能支撑的整体波形如图13所示。 运行模式进行如下改变:在0.2s前SST并网运行,0.2s时与配电网断开连接独立运行,0.4s 时增加13kW负荷,并在0.8s 时切除,1.0s时光照强度从600W/m2 增加到 1200 W/m2,1.2s后风速从8m/s增加到10m/s,不切除风机,1.3s时SST重新并网。

由图13可知,由于0.2s时SST与配电网断开连接,储能系统输出功率上升,又因为在0.4s时加入了13kW负荷,储能系统输出功率进一步增加,0.8s后快速恢复到刚离网时的初始状态,紧接着,由于光伏在1s与风电在1.2s时发电功率的提高,储能系统的输出功率分段下降。 在0.2~1.3s,输入侧电流接近 0,SST 与配电网之间无能量交互,且由于光伏和风机的加入,重新并网后的输入侧电流相较之前并网时的输入侧电流得以减小。 输出侧直流电压仅在0.2s断开、与配电网连接时和1.3s重新并网时有波动,在其余时刻,由于储能系统的支撑作用,其波动并不明显,在SST的调节下,其输出侧交流电压依旧可以保持稳定。

并网转孤岛时段波形如图14所示。 由图14可知,由于储能系统的有效支撑,在0.2s并网转孤岛时,输出侧直流电压几乎无波动,而1.3s重新并网时波动最高值740V,体现了储能系统支撑的快速性和准确性。 输入侧电流离网前和重新并网后都保持着稳定,且输出侧交流电压在放大图中依旧是保持稳定的。

4 结论

港区混合供能系统接入大电网需要电力电子设备进行协调控制,本文采用 SST 作为核心装备的电力电子变压器,通过三阶段协调控制策略,结合储能系统的充放电控制,在电源出力波动与并网孤岛切换状态下仿真,得出如下结论。

(1)在并网状态下,当配电网中可再生能源的输出功率发生波动时或者负载变化时,基于SST的电力电力变压器能够及时调节功率输出,保持接入点电压和电流快速稳定,维持微网功率平衡。

(2)当港口微电网需求进入孤岛状态,本文采用的协调控制策略结合储能系统支撑能够保证混合供能系统的稳定,增强了微网的整体可控性和运行灵活性。

本文研究在分布式电源波动和并网/孤岛状态切换情况下对微网电压稳定的作用,但并未讨论结合储能系统时对微网频率的支撑作用。 同时也没有结合故障场景进行研究,例如短路故障、电能质量问题。 此外该协调运行控制专注于微网内部,缺乏与电网的互动。

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