CN106655291B - 一种微网群架构及其自主协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网群架构及其自主协调控制方法，该架构主要包括交、直流子网、PEU和EP。PEU主要用于协调微网群内各子网与EP的功率交换，使得各子网实现能量互济，并维持各子网内母线电压及频率的稳定；EP主要用于维持PEU直流母线电压稳定运行，并实现对PEU所需交换净功率的合理分配。此外，本发明针对PEU和EP分别提出了自适应功率交换系数的功率协调控制方法和分层协调控制方法，有效的实现了微网群的自主协调控制，本发明可广泛应用于多交、直流微电网互联系统。

Description

一种微网群架构及其自主协调控制方法

技术领域

本发明涉及微网群控制技术领域，特别是一种微网群的自主协调控制方法。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭、全球能源危机加剧，太阳能、风能等分布式电源得到广泛的使用，微电网作为接纳分布式电源的有效手段，逐步引起了社会的广泛关注。微电网是由分布式电源、储能电池、负荷和电力电子变换器构成的可控系统，既可以并网运行，也可以孤岛运行。但单个微电网存在工作容量有限，抗扰动能力弱等缺点，再加上分布式电源输出功率的间歇性和负荷的多变性，在分布式电源高渗透率情况下，如何有效的提高微电网供电可靠性是一个亟待解决的关键技术。

一种行之有效的解决方法是将多个微电网构成一个微网群。微网群作为分布式发电网络的一个全新概念，立足于微电网，将地理位置上毗邻的微电网、分布式发电系统互连，它不仅能有效集成各种分布式电源，还可实现群内各子网之间的能量调度和互济，增强彼此间的供电可靠性。

目前国内外对微网群的研究都处于起步阶段,相对于单一微网的协调管理，微网群的协调控制更加复杂，不仅要考虑各子网内分布式电源的能量协调分配，还需要考虑各子微网之间的互联状态以及群级协作下各子微网之间的功率优化调配和协调控制。因此研究一种微网群架构及其自主协调控制方法意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种微网群架构及其自主协调控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种微网群架构及其自主协调控制方法，适用于多交、直流微电网互联系统。其特征在于：所述微网群架构主要包括交、直流子网、功率交换单元(power exchange unit，PEU)和能量池(energy pools,EP)；所述交、直流子网由分布式电源、电力电子变换器以及负荷组成；所述PEU由多个AC/DC变换器和DC/DC变换器组成，且所有交、直流子网都通过PEU与EP进行功率交换；所述EP由多个连接储能电池的双向DC/DC变换器并联而成。针对PEU采用自适应功率交换系数的功率协调控制方法，以协调微网群内各子网与EP进行功率交换，使得各子网实现能量互济，维持各子网内电压及频率的稳定运行；针对EP提出了分层协调控制方法，维持EP直流母线电压稳定运行，实现了对PEU所需交换净功率的合理分配。

所述自适应功率交换系数的PEU功率协调控制方法,其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对PEU中第n台AC/DC变换器的三相输出电压u_abc,n、三相输出电流i_abc,n，第m台DC/DC的直流输出电压u_dc,m、输出电流i_dc,m进行采样；

2)将上述三相输出电压u_abc,n传送至数字锁相环PLL，计算得到当前相角θ_n、频率f_n和电压幅值U_ac,n；

3)将步骤1)和2)所得的u_dc,m和f_n进行标准化，分别得到标准化后的直流电压u′_dc,m和频率f_n′，具体计算公式如下：

其中f_max、f_min分别为交流子网运行频率所能取的最大值和最小值；u_dc,max、u_dc,min分别为直流子网母线电压所能取的最大值和最小值；

4)根据步骤3)所得u′_dc,m、f_n′和EP的总剩余容量SOC_sum分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器的自适应有功功率交换系数k_ac,n和k_dc,m，具体计算公式如下：

式中，k_init为初始有功功率交换系数，由各子网的容量决定；τ为幂系数，用来决定u′_dc,m、f_n′在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明τ取值为2；α为底数，用来决定EP的总剩余容量在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明α取值为1.5；SOC_low为总剩余容量的下限阈值，SOC_up为总剩余容量的上限阈值。

5)根据步骤4)所得k_ac,n和k_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m，计算公式如下：

式中，f_th′、u′_dc,th分别为PEU中AC/DC和DC/DC的有功功率交换启动阈值；

6)根据步骤2)所得电压幅值U_ac,n计算PEU中第n台AC/DC变换器所需交换的无功功率Q_n，具体计算公式如下：

Q_n＝k_q,n(U_ac,n-U_N,ac)；

式中：k_q,n为无功功率交换系数；U_N,ac为交流子网额定工作相电压幅值；

7)根据步骤5)和6)得到的P_ac,n，Q_n和P_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器电流参考指令和第m台DC/DC变换器的电流参考指令具体计算公式如下：

8)对参考电流进行准谐振PR控制，得到PEU中第n台AC/DC的驱动信号用来驱动AC/DC变换器；再对参考电流进行PI控制，得到PEU中第m台DC/DC变换器的驱动信号用来驱动DC/DC变换器。

所述EP分层协调控制方法,其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对EP中第k台双向DC/DC变换器的电感电流i_bat,k和EP的直流母线电压u_EP进行采样；

2)将母线电压u_EP与给定值u_ref相比较，再将电压误差送入PI控制器，得到维持EP电压稳定所需补偿的总功率，再将其平均分配到各储能电池，得到各储能电池功率指令的补偿值δ_P，用来微调第一层控制所需的功率指令，从而达到稳定EP直流母线参考电压的效果，具体计算公式如下：

式中，G_PI(s)为PI控制器的传递函数；

3)根据PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m和第k组储能电池的额定容量S_N,k，剩余容量SOC_k计算第k台双向DC/DC变换器变换器的需要吸收或者释放的功率P_bat,k，具体计算公式如下：

式中：P_ac,j，P_dc,j分别为第j台AC/DC变换器和第j台DC/DC变换器所需交换的有功功率；SOC_i为第i组电池的剩余容量。

4)根据P_bat,k和δ_P计算第k台双向DC/DC变换器的电流参考值i^* _ref，k，具体计算公式如下：

5)将电感电流i_bat,k与电流参考值i^* _ref,k相比较，然后将电流误差送入PI控制器，再将其输出送入PWM调制器，得到触发脉冲，用来驱动双向DC/DC变换器。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出的一种微网群架构及其自主协调控制方法，通过PEU的自适应功率交换系数的功率协调控制方法来协调微网群内各子网与EP进行功率交换，使得各子网实现能量互济，并维持各子网内母线电压及频率的稳定；通过EP分层协调控制方法来维持EP直流母线电压稳定运行，并实现对PEU所需交换净功率的合理分配，从而有效的实现了微网群的自主协调控制，可广泛应用于多交、直流微电网互联系统。

附图说明

图1为本发明一实施例微网群架构图；

图2为本发明一实施例自适应功率交换系数的PEU功率协调控制结构图；

图3为本发明一实施例EP的分层协调控制结构图；

图4(a)各交直流子网中负载需求、电源输出功率以及母线电压变化情况；图4(b)PEU中各变换器交换功率的瞬态响应波形；图4(c)EP的控制效果图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例微网群架构图，主要包括交、直流子网、PEU和EP；其中交、直流子网由分布式电源、电力电子变换器以及负荷组成；PEU由多个AC/DC变换器和DC/DC变换器组成，且所有交、直流子网都通过PEU与EP进行功率交换；EP由多个连接储能电池的双向DC/DC变换器并联而成。

图2为本发明一实施例自适应功率交换系数的PEU功率协调控制结构图，具体的控制方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对PEU中第n台AC/DC变换器的三相输出电压u_abc,n、三相输出电流i_abc,n，第m台DC/DC的直流输出电压u_dc,m、输出电流i_dc,m进行采样；

2)将上述三相输出电压u_abc,n传送至数字锁相环PLL，计算得到当前相角θ_n、频率f_n和电压幅值U_ac,n；

3)将步骤1)和2)所得的u_dc,m和f_n进行标准化，分别得到标准化后的直流电压u′_dc,m和频率f_n′，具体计算公式如下：

其中f_max、f_min分别为交流子网运行频率所能取的最大值和最小值；u_dc,max、u_dc,min分别为直流子网母线电压所能取的最大值和最小值；

4)根据步骤3)所得u′_dc,m、f_n′和EP的总剩余容量SOC_sum分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器的自适应有功功率交换系数k_ac,n和k_dc,m，具体计算公式如下：

式中，k_init为初始有功功率交换系数，由各子网的容量决定；τ为幂系数，用来决定u′_dc,m、f_n′在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明τ取值为2；α为底数，用来决定EP的总剩余容量在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明α取值为1.5；SOC_low为总剩余容量的下限阈值，SOC_up为总剩余容量的上限阈值。

5)根据步骤4)所得k_ac,n和k_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m，计算公式如下：

式中，f_th′、u′_dc,th分别为PEU中AC/DC和DC/DC的有功功率交换启动阈值；

6)根据步骤2)所得电压幅值U_ac,n计算PEU中第n台AC/DC变换器所需交换的无功功率Q_n，具体计算公式如下：

Q_n＝k_q,n(U_ac,n-U_N,ac) (4)

式中：k_q,n为无功功率交换系数；U_N,ac为交流子网额定工作相电压幅值；

7)根据步骤5)和6)得到的P_ac,n，Q_n和P_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器电流参考指令和第m台DC/DC变换器的电流参考指令具体计算公式如下：

8)对参考电流进行准谐振PR控制，得到PEU中第n台AC/DC的驱动信号用来驱动AC/DC变换器；再对参考电流进行PI控制，得到PEU中第m台DC/DC变换器的驱动信号用来驱动DC/DC变换器。

图3为本发明一实施例EP的分层协调控制结构图，具体的控制方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对EP中第k台双向DC/DC变换器的电感电流i_bat,k和EP的直流母线电压u_EP进行采样；

2)将母线电压u_EP与给定值u_ref相比较，再将电压误差送入PI控制器，得到维持EP电压稳定所需补偿的总功率，再将其平均分配到各储能电池，得到各储能电池功率指令的补偿值δ_P，用来微调第一层控制所需的功率指令，从而达到稳定EP直流母线参考电压的效果，具体计算公式如下：

式中，G_PI(s)为PI控制器的传递函数；

3)根据PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m和第k组储能电池的额定容量S_N,k，剩余容量SOC_k计算第k台双向DC/DC变换器变换器的需要吸收或者释放的功率P_bat,k，具体计算公式如下：

式中：P_ac,j，P_dc,j分别为第j台AC/DC变换器和第j台DC/DC变换器所需交换的有功功率；SOC_i为第i组电池的剩余容量。

4)根据P_bat,k和δ_P计算第k台双向DC/DC变换器的电流参考值i^* _ref，k，具体计算公式如下：

5)将电感电流i_bat,k与电流参考值i^* _ref,k相比较，然后将电流误差送入PI控制器，再将其输出送入PWM调制器，得到触发脉冲，用来驱动双向DC/DC变换器。

图4(a)～图4(c)为本发明一实施例微网群自主协调控制仿真波形图。其中图4(a)为各交直流子网中负载需求、电源输出功率以及母线电压变化情况，图4(b)为PEU中各变换器交换功率的瞬态响应波形，图4(c)为EP的分层协调控制效果图。通过对仿真波形的分析，可以看到本发明所提微网群架构及其自主协调控制方法可实现微网群内各子网之间的能量流动，并实现各子网的能量互济，提高了微网群的供电可靠性。

Claims (1)

1.一种微网群架构自主协调控制方法,所述微网群架构包括交流子网、直流子网、PEU和EP，PEU是功率交换单元，EP为能量池；所述交流子网、直流子网包括依次连接的分布式电源、电力电子变换器以及负荷；所述PEU包括多个AC/DC变换器和DC/DC变换器，且所有交、直流子网都通过PEU与EP进行功率交换；所述EP由多个连接储能电池的双向DC/DC变换器并联而成；其特征在于，包括自适应功率交换系数的PEU功率协调控制方法和EP分层协调控制方法；

所述自适应功率交换系数的PEU功率协调控制方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对PEU中第n台AC/DC变换器的三相输出电压u_abc,n、三相输出电流i_abc,n，第m台DC/DC的直流输出电压u_dc,m、输出电流i_dc,m进行采样；

2)将上述三相输出电压u_abc,n传送至数字锁相环PLL，计算得到当前相角θ_n、频率f_n和电压幅值U_ac,n；

3)将步骤1)和2)所得的u_dc,m和f_n进行标准化，分别得到标准化后的直流电压u′_dc,m和频率f_n′，具体计算公式如下：

其中f_max、f_min分别为交流子网运行频率所能取的最大值和最小值；u_dc,max、u_dc,min分别为直流子网母线电压所能取的最大值和最小值；

4)根据步骤3)所得u′_dc,m、f_n′和EP的总剩余容量SOC_sum分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器的自适应有功功率交换系数k_ac,n和k_dc,m，具体计算公式如下：

式中，k_init为初始有功功率交换系数，由各子网的容量决定；τ为幂系数，用来决定u′_dc,m、f_n′在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明τ取值为2；α为底数，用来决定EP的总剩余容量在PEU的有功功率交换控制中的权重，本发明α取值为1.5；SOC_low为总剩余容量的下限阈值，SOC_up为总剩余容量的上限阈值；

5)根据步骤4)所得k_ac,n和k_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m，计算公式如下：

式中，f_th′、u′_dc,th分别为PEU中AC/DC和DC/DC的有功功率交换启动阈值；

6)根据步骤2)所得电压幅值U_ac,n计算PEU中第n台AC/DC变换器所需交换的无功功率Q_n，具体计算公式如下：

Q_n＝k_q,n(U_ac,n-U_N,ac)；

式中：k_q,n为无功功率交换系数；U_N,ac为交流子网额定工作相电压幅值；

7)根据步骤5)和6)得到的P_ac,n，Q_n和P_dc,m分别计算PEU中第n台AC/DC变换器电流参考指令和第m台DC/DC变换器的电流参考指令具体计算公式如下：

8)对参考电流进行准谐振PR控制，得到PEU中第n台AC/DC的驱动信号用来驱动AC/DC变换器；再对参考电流进行PI控制，得到PEU中第m台DC/DC变换器的驱动信号用来驱动DC/DC变换器；

所述EP分层协调控制方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，分别对EP中第k台双向DC/DC变换器的电感电流i_bat,k和EP的直流母线电压u_EP进行采样；

2)将母线电压u_EP与给定值u_ref相比较，再将电压误差送入PI控制器，得到维持EP电压稳定所需补偿的总功率，再将其平均分配到各储能电池，得到各储能电池功率指令的补偿值δ_P，用来微调第一层控制所需的功率指令，从而达到稳定EP直流母线参考电压的效果，具体计算公式如下：

式中，G_PI(s)为PI控制器的传递函数；

3)根据PEU中第n台AC/DC变换器和第m台DC/DC变换器所需交换的有功功率P_ac,n，P_dc,m和第k组储能电池的额定容量S_N,k，剩余容量SOC_k计算第k台双向DC/DC变换器变换器的需要吸收或者释放的功率P_bat,k，具体计算公式如下：

式中：P_ac,j，P_dc,j分别为第j台AC/DC变换器和第j台DC/DC变换器所需交换的有功功率；SOC_i为第i组电池的剩余容量；

4)根据P_bat,k和δ_P计算第k台双向DC/DC变换器的电流参考值i^* _ref，k，具体计算公式如下：

5)将电感电流i_bat,k与电流参考值i^* _ref,k相比较，然后将电流误差送入PI控制器，再将其输出送入PWM调制器，得到触发脉冲，用来驱动双向DC/DC变换器。