CN105790273A - 一种新能源微网互联功率路由方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变流器互联技术和高速光纤通信技术的新能源微网互联功率路由方法及其装置。技术要点包括以下步骤：1）采用主从控制策略实现多个变流器的互联，并通过高速光纤通信技术实现变流器的实时通信和过程层的同步控制；2）各变流器在主从控制器的控制下实现两大功能：提供稳定的输出电压和随新能源微网不确定性出力变化进行功率动态分配，使新能源微网发电最大化就地消纳。本发明将高速光纤通信技术应用于多个变流器互联中，在确保多个变流器间的实时通信和过程层的同步控制情况下，完成新能源微网间功率路由工作。

Description

一种新能源微网互联功率路由方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于变流器互联技术和高速光纤通信技术的新能源微网互联功率路由方法及其装置。

背景技术

能源问题日益成为国际社会经济发展的瓶颈，通过提高绿色能源和可再生能源的利用率，可以帮助解决能源危机。目前，新能源发电一般选择直接并入传统电网，由于风电场风速(或光伏电站光照强度)动态波动变化，新能源并网发电系统的输出功率存在较大的随机波动性，而间歇性的功率波动将对大电网的电能质量造成不利影响。另外，随着电网规模的不断扩大,超大规模电力系统的弊端日益显现,成本高,运行难度大,难以适应用户越来越高的安全及可靠性的要求以及多样化的供电需求。为解决这一系列问题,不仅要鼓励建设一体化大型风电场和太阳能电场,缓解能源危机与环境压力，而且应该利用小容量可再生分布式能源，提高电网的灵活性。为了充分利用居民用户级分布式新能源，需要构建含新能源发电的微网，并与其他微网互联构成微网群。在微网群中，作为微网互联通用接口的电力电子设备，承担着多微网间功率流协调控制和微网负荷就地消纳最大化以及微网间交换功率最小化等重要任务，在现代电力电子的研究中一直是一个难点。

针对实现微网互联的电力电子设备对微网群稳定运行具有重要意义，国内学者提出了一些解决方法，发表的文献主要包括：《中国科学：信息科学》的《能源互联网与能源路由器》；《现代电力》的《基于交直流混合微网架构的电能路由器》；《中国科技论文在线》的《一种开放式电能网络电力路由器的最优控制方法》。此类技术主要是参照现有互联网信息路由技术，在电力系统中互操作性不强,而且耐受性以及对错误的容忍力也不够。新能源发电波动性比较大，而且不同的新能源发电存在一定相位差，不适合直接并网或者直接互联，需要特定装置进行相应处理。

相比较国外的微网互联技术，在《IEEETRANSACTIONSONSMARTGRID》中2011年发表的《SmartPowerRouter:AFlexibleAgent-BasedConverterInterfaceinActiveDistributionNetworks》中，采用功率流控制器(PowerFlowController,PFC)与多智能体系统相结合的方式实现微网间的互联与功率路由，该方法引入了MATLAB仿真模块、多智能体系统平台以及MATLAB与多智能体系统平台之间的交互接口，主要集中在管理层和协调层仿真，很少涉及执行层的电力电子装置，更没有涉及多个变流器之间过程层同步控制技术。

互操作性、即插即用和耐受性以及对错误的容忍力对微网互联电力电子设备非常重要，同时新能源发电随机波动性大，不能直接并网或者与其他微网互联。可见，需要一种合适的通信方式与控制策略进行组合，运用到变流器的互联当中。实现多个变流器之间的功率动态分配，跟随新能源不确定性出力变化，使微网中新能源发电的高效利用，达到新能源微网互联功率路由功能。

发明内容

本发明为了解决新能源利用率低和新能源微网互联及其功率协调控制存在的问题，而提出一种基于变流器互联技术和高速光纤通信技术的新能源微网互联功率路由方法及其装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

1、一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于，包括以下步骤：

A、采用主从控制策略实现多个变流器的互联，并通过高速光纤通信技术实现变流器的实时通信和过程层的同步控制；

B、各变流器在主从控制器的控制下实现两大功能：提供稳定的输出电压和随新能源微网不确定性出力变化进行功率动态分配，使新能源微网发电最大化就地消纳。

2、如权利要求1所述的一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于：所述步骤A）中，功率路由装置采用主从控制策略实现多个变流器的互联，并通过高速光纤通信技术实现变流器的实时通信和过程层的同步控制。其中实现三个微网间功率由的装置由三个变流器组成，其按照主从控制方式对三个变流器进行功率控制和电压控制。主控制器将从控制板工作模式数据、功率数据、电压数据和同步数据通过光纤广播给从控制器，数据到达从控制器经过光纤收发模块接收后，从控制器根据接收到的数据控制变流器的工作模式。从控制器的DSP将产生的三相比较参数（Ta、Tb、Tc）传送给FPGA。从控制器在接收到主控制器的同步信号后FPGA重构出PWM驱动信号继而控制变流器开关管通断，同时从控制器将变流器的状态信息反馈给主控制器。在每一个开关周期内，从控制器都会根据采样到的变流器反馈数据信息执行相应的闭环控制算法，从而产生相应的PWM驱动信号，同时根据运行时的状态信息上传给主控制器，并进行适当的保护。

3、如权利要求1所述的一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于：所述步骤B）中，各变流器在主从控制器的控制下实现两大功能：提供稳定的输出电压和随新能源微网不确定性出力变化进行功率动态分配，使新能源微网发电最大化就地消纳。在实现三个微网间功率由的装置中，按照主从方式分配三路输入功率，分别记三个互联变流器为#1、#2和#3，其中#1和#2作为主变流器，主变流器采用PQ控制的电流源型变流器，用于与新能源微网相连，而#3为从变流器，从变流器是电压和电流双闭环控制的电压型变流器，用于连接传统大电网。主变流器所在支路的输入电源作为主供电源，而从变流器所在支路的输入电源作为辅助供电源。

随着负荷需求的波动和三相输入电源功率的变化，功率路由装置在主从控制器控制下分为三种工作模式，从控制器将根据接收到的模式帧数据实现工作模式切换。根据负荷需求和主供电功率不同，系统可划分为三种工作状态。状态一，微网本地分布式能源发电单元的输出有功功率大于负荷需求功率情况下，功率路由装置将会切断与该微网的连接，使其在孤岛模式下，将本地分布式发电单元的发电最大化就地消纳。状态二，微网本地分布式能源发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率且其他微网分布式能源发电单元提供的输出有功功率足以补充欠缺的功率情况下，切断含变流器#3的支路，只由含变流器#1和#2的支路给负荷提供所需功率，变流器#1和变流器#2通过PQ控制跟随负荷波动；状态三，三个微网分布式能源发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率情况下，除变流器#1和变流器#2所在支路提供最大功率外，不足的由变流器#3所在支路提供，变流器#3所在支路起到实时补充、跟随负荷波动的作用。

附图说明

图1为本发明的功率路由器的结构及原理图；

图2为本发明的主从控制器通信结构图；

图3为本发明的新能源微网分层控制多代理系统结构图

图4为本发明的基于多代理系统的功率路由装置控制层结构图

图5为本发明的模式切换控制框图；

图6为本发明的状态二示意图；

图7为本发明的状态三示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。应该指出的是下面说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围以及其应用。

1.项目实施方式

本专利提出的基于变流器互联技术和高速光纤通信技术的新能源微网互联功率路由方法及其装置具体实施方式如下：

步骤一：采用主从控制策略实现多个变流器的互联，并通过高速光纤通信技术实现变流器的实时通信和过程层的同步控制。

具体地说，在步骤一中，如图1所示，在三个微网互联结构中，功率路由装置由三个变流器组成，其应用DSP+FPGA构成的主从控制系统实现三个变流器的功率控制和电压控制。主控制器中DSP模块实现主从控制系统的控制算法运算，FPGA模块负责数据的发送接收和同步操作。从控制器中的DSP模块实现采样功能，FPGA模块负责数据的发送接收、PWM波重构和保护等操作。

如图2所示，功率路由装置的主从控制器之间采用高速光纤通信，实现多个变流器之间的实时通信和过程层的同步控制。主控制器主要由采样模块、功率调度算法模块、并行通信模块、光纤通信模块等构成，而从控制器由采样模块、电压调节算法模块或电流调节算法模块、并行通信模块、光纤通信模块、SVPWM调制模块等构成。

主从控制器间要完成两个通信任务。一是主控制器将从控制板工作模式数据、功率数据、电压数据和同步数据广播给从控制器；二是从控制器将互联变流器模块的状态信息反馈给主控制器。主控制器和从控制器通过双工通信完成数据的传送。主控制器将数据编码后经过并串转换模块再通过光纤发送给各从控制器。数据到达从控制器经过光纤收发模块接收后，从控制器根据接收到的数据控制变流器的工作模式。从控制器的DSP将产生的三相比较参数（Ta、Tb、Tc）传送给FPGA。从控制器在接收到主控制器的同步信号后FPGA重构出PWM驱动信号继而控制变流器开关管通断，同时从控制器将变流器的状态信息反馈给主控制器。功率路由装置中，在每一个开关周期内，从控制器都会根据采样到的变流器反馈数据信息执行相应的闭环控制算法，从而产生相应的PWM驱动信号，同时根据运行时的状态信息上传给主控制器，并进行适当的保护。

步骤二：构建新能源微网分层控制多代理系统，并设计各代理的职能。

具体地说，如图3所示，以三微网互联结构为例，以多微网间能量的协调控制和新能源就地消纳最大化以及微网间功率传递最小化为目标，设计新能源微网分层控制多代理系统，其由微网内部的单元层、单微网层和多微网层构成。微网内部的单元层包含有分布式发电单元、储能装置代理和负荷单元等。这里假定该层有三种代表性的代理，即分布式发电单元代理(GenerationAgent)、储能装置代理(StorageAgent)和负荷单元代理(LoadAgent)。每个代理将发挥其自治性，依据控制对象的特点，实时调控被控对象的运行状态，运行状态信息反馈给单微网层的中央控制中心代理(MGCCAgent,Micro-GridCentralControllerAgent)，然后MGCCAgent将收集到的数据进行处理后发给多微网层的中央自治管理控制中心代理（CAMCAgent,CentralAutonomousManagementControllerAgent）。

如图4所示，设计各代理的职能具体步骤如下：

1）设计GenerationAgent职能：收到MGCCAgent的招标请求后，将发电单元的发电功率极限、单位发电成本等信息发送给MGCCAgent；

2）设计LoadAgent职能：负责对相应的负荷进行管理，主要监控负荷功率变化及其开断情况。LoadAgent实时收集负荷功率等信息，并将该信息发给MGCCAgent，请求发起功率路由；

3）设计StorageAgent职能：当收到MGCCAgent的招标请求时，StorageAgent将储能单元的最大充放电功率、SOC水平等信息发送给MGCCAgent进行应标回应。并在收到MGCCAgent的回复后对相应的储能单元进行控制。该代理的目的是当可再生新能源发电功率大于总负荷时，协调控制储能单元吸收多余的可再生新能源所发电的电量；

4）设计MGCCAgent职能：各微网的MGCCAgent主要与CAMCAgent进行交互，然后把交互得到的数据进行处理，数据处理后再向单元层各代理发出投标请求。MGCCAgent在发出投标请求后，还要收集来自单元层各代理的反馈信息并进行相应处理，再发送给CAMCAgent；

5）设计CAMCAgent职能，CAMCAgent主要与MGCCAgent进行交互，集中收集各MGCCAgent发送过来的数据，并应用最短路径（经济）和最大流量（容量）的最小成本算法对数据进行处理，然后把处理后的数据下发给功率路由装置的主控制器进行功率路由工作。

步骤三：各变流器在主从控制器的控制下实现两大功能：提供稳定的输出电压和随新能源微网不确定性出力变化进行功率动态分配，使新能源微网发电最大化就地消纳。

具体地说：如图1所示，在实现三个微网间功率由的装置中，按照主从方式分配变流器的输入功率，分别记三个互联变流器为#1、#2和#3，其中#1和#2作为主变流器，主变流器采用PQ控制的电流源型变流器，用于与新能源微网相连，而#3为从变流器，从变流器是电压和电流双闭环控制的电压型变流器，用于连接传统大电网。主变流器所在支路的输入电源作为主供电源，而从变流器所在支路的输入电源作为辅助供电源。

随着负荷需求的波动和三相输入电源功率的变化，功率路由装置在主从控制器控制下分为三种工作模式，如图5所示从控制器将根据接收到的模式帧数据实现工作模式切换。根据负荷需求和主供电功率不同，系统可划分为三种工作状态。状态一，微网本地分布式发电单元的输出有功功率大于负荷需求功率情况下，功率路由装置将会切断与该微网的连接，使其在孤岛模式下，将本地分布式发电单元的发电最大化就地消纳。状态二，如图6所示微网本地分布式发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率且其他微网分布式发电单元提供的输出有功功率足以补充欠缺的功率情况下，切断含变流器#3的回路，只由含变流器#1和#2的支路给负荷提供所需功率，变流器#1和变流器#2通过PQ控制跟随负荷波动；状态三，如图7所示所有微网分布式能源发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率情况下，含变流器#1和变流器#2回路提供最大功率，不足的由变流器#3所在支路提供，变流器#3所在支路起到实时补充、跟随负荷波动的作用。

2.实施例

如图1所示，在三个微网的互联结构中，假定其中#1微网为含风力发电的微电网，#2微网为含分布式能源发电的微电网，#3微网为含光伏发电的微电网。新能源发电单元实时输出有功功率因风力强度、光照强度、温度等天气因素，使其实时输出具有极高的不确定性，设新能源微网发电单元装机容量10kw，输出有功功率随天气因素随机波动。

根据历史统计数据，一天0点至24点之间，10kw光伏发电单元输出有功功率随光照呈现先增后减的“几”字形分布。其中，6点时光伏发电单元输出有功功率为0.1kw，10点时光伏发电单元输出有功功率为9.8kw，18时光伏发电单元输出有功功率为1.8kw。结合历史统计数据，现假定含光伏发电微网的负荷需求功率6点时为3kw，10点时为9kw，18点时为15kw。假设#1微网发电单元在6点的输出有功功率和发电成本分别为3kw和0.4元/kw，在10点的输出有功功率和发电成本分别为3.5kw和0.45元/kw，在18点的输出有功功率和发电成本分别为4kw和0.3元/kw。#2微网发电单元在6点的输出有功功率和发电成本分别为3.5kw和0.25元/kw，在10点的输出有功功率和发电成本分别为4kw和0.5元/kw，在18点的输出有功功率和发电成本分别为2kw和0.5元/kw。

下面以6点和18点3#微网为例说明功率路由过程，步骤如下：

1）3#微网的LoadAgent读取微网内的负荷需求功率，GenerationAgent读取光伏发电输出有功功率，然后向相应MGCCAgent反馈信息；

2）MGCCAgent计算3#微网内的净功率，并向CAMCAgent反馈信息；

3）CAMCAgent根据3#微网内的净功率，向1#微网和2#微网的MGCCAgent发出投标请求，MGCCAgent根据投标请求向GenerationAgent查询发电单元的输出有功功率和发电成本，将查询完后的数据进行处理后回复CAMCAgent的投标请求；

4）CAMCAgent以最短路径（经济）和最大流量（容量）的最小成本为目标对各MGCCAgent回复的信息进行处理，然后下发给功率路由装置的主控制器；

5）主控制器与从控制器进行同步通信对变流器中的开关管占空比进行控制来调节各输入支路的功率大小。

在6点时，3#微网的发电单元输出有功功率0.1kw远小于它的负荷需求功率3kw,所以3#微网需要向1#微网和2#微网发出投标请求补充供给。综合两微网的发电单元的输出有功功率和发电成本，此时选择#2微网所在支路为主供电电源，#1微网所在支路为辅助供电电源。具体多少要根据CAMCAgent处理后的数据进行分配。

在10点时，3#微网的发电单元输出有功功率9.8kw大于它的负荷需求功率9kw,所以功率路由装置将其所在支路转换为输入源，为其他微网提供有功功率，如果其他微网不需要，则将多余的电能储存在储能单元中。

在18点时，3#微网的发电单元输出有功功率1.8kw远小于它的负荷需求功率15kw,同时1#微网和2#微网的输出有功功率之和也不足以补充，所以功率路由装置还会启动含传统大电网的输入支路，为其补充所需功率。

Claims (3)

1.一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于，包括以下步骤：

A、采用主从控制策略实现多个变流器的互联，并通过高速光纤通信技术实现变流器的实时通信和过程层的同步控制；

B、各变流器在主从控制器的控制下实现两大功能：提供稳定的输出电压和随新能源微网不确定性出力变化进行功率动态分配，使新能源微网发电最大化就地消纳。

2.如权利要求1所述的一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于：所述步骤A）中，由以下步骤组成：

2-1）其中实现三个微网间功率由的装置由三个变流器组成，其按照主从控制方式对三个变流器进行功率控制和电压控制；

2-2）主控制器将从控制板工作模式数据、功率数据、电压数据和同步数据通过光纤广播给从控制器，数据到达从控制器经过光纤收发模块接收后，从控制器根据接收到的数据控制变流器的工作模式；

2-3）从控制器的DSP将产生的三相比较参数（Ta、Tb、Tc）传送给FPGA；

2-4）从控制器在接收到主控制器的同步信号后FPGA重构出PWM驱动信号继而控制变流器开关管通断，同时从控制器将变流器的状态信息反馈给主控制器；

2-5）在每一个开关周期内，从控制器都会根据采样到的变流器反馈数据信息执行相应的闭环控制算法，从而产生相应的PWM驱动信号，同时根据运行时的状态信息上传给主控制器，并进行适当的保护。

3.如权利要求1所述的一种新能源微网互联功率路由方法及其装置，其特征在于：所述步骤B）中，由以下步骤组成：

3-1）在实现三个微网间功率由的装置中，按照主从方式分配三路输入功率，分别记三个互联变流器为#1、#2和#3，其中#1和#2作为主变流器，主变流器采用PQ控制的电流源型变流器，用于与新能源微网相连，而#3为从变流器，从变流器是电压和电流双闭环控制的电压型变流器，用于连接传统大电网；

3-2）主变流器所在支路的输入电源作为主供电源，而从变流器所在支路的输入电源作为辅助供电源；

3-3）随着负荷需求的波动和三相输入电源功率的变化，功率路由装置在主从控制器控制下分为三种工作模式，从控制器将根据接收到的模式帧数据实现工作模式切换；

3-4）根据负荷需求和主供电功率不同，系统可划分为三种工作状态：

状态一，微网本地分布式能源发电单元的输出有功功率大于负荷需求功率情况下，功率路由装置将会切断与该微网的连接，使其在孤岛模式下，将本地分布式发电单元的发电最大化就地消纳；

状态二，微网本地分布式能源发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率且其他微网分布式能源发电单元提供的输出有功功率足以补充欠缺的功率情况下，切断含变流器#3的支路，只由含变流器#1和#2的支路给负荷提供所需功率，变流器#1和变流器#2通过PQ控制跟随负荷波动；

状态三，三个微网分布式能源发电单元的输出有功功率小于负荷需求功率情况下，除变流器#1和变流器#2所在支路提供最大功率外，不足的由变流器#3所在支路提供，变流器#3所在支路起到实时补充、跟随负荷波动的作用。