CN106786599A - 交直流混合微电网双向dc‑ac互联装置智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交直流混合微电网装置级控制技术领域，涉及一种交直流混合微电网双向DC‑AC互联装置智能控制方法，包含交直流互联功率自治控制系统和交流电压/频率控制系统：定义交流微电网和直流微电网中平衡单元额定容量比；基于比例控制和超前‑滞后补偿环节相结合的交直流互联功率自治控制系统；基于下垂特性和模拟惯性环节的交流电压和频率控制系统。本发明所提出的智能控制方法可适应交直流混合微电网多运行模式无缝切换和稳定控制需求。

Description

交直流混合微电网双向DC-AC互联装置智能控制方法

技术领域

本发明属于交直流混合微电网装置级控制技术领域，涉及一种交直流混合微电网双向DC-AC互联装置智能控制方法。

背景技术

交直流混合微电网作为一种新的需求侧供用电形式，能更加高效地接纳本地交/直流型新能源发电系统和储能单元，为本地负荷提供高可靠性供电。联网型交直流混合微电网还可积极参与本地电网优化调度、无功控制和调压、电能质量治理等辅助服务，以进一步提高微电网内分布式电源和储能系统的利用效率，并有助于改善本地电网供电电能质量[1-3]。交直流混合微电网主要包含交流微电网、直流微电网及双向DC-AC互联装置三部分，当交直流微电网互联容量较大或交流微网和直流微网间存在多个互联通道时，则往往需要通过多个DC-AC互联。双向DC-AC作为交直流混合微电网中的关键装置之一，在交直流混合微电网不同运行模式下，其控制策略对交直流混合微电网的稳定运行、交流系统与直流系统间的相互影响和相互支撑至关重要[4]。

交直流混合微电网可工作在联网运行模式和独立运行模式。在联网运行模式下，交直流混合微电网接入大电网，其交流母线电压和频率将由大电网决定。通常情况下，交直流互联双向DC-AC控制直流微电网母线电压稳定，直流微电网与交流电网之间的互联功率由直流微电网内分布式电源输出、储能充放电控制需求以及负荷来决定[5]。在交直流混合微电网独立运行模式下，如何通过交直流混合微电网内的分布式电源、储能单元以及双向DC-AC互联装置的协调控制，实现交流系统电压/频率稳定及直流系统电压稳定，是交直流混合微电网稳定控制系统的首要任务。通常交直流混合微电网独立运行模式可主要分为以下三种工作状态：1)交流微电网与直流微电网自治控制模式，即交流微电网电压和频率以及直流微电网母线电压分别由其各自系统内的可控型分布式电源或储能单元来控制，此时双向DC-AC一般工作在PQ控制模式[6]；2)交流微电网支撑直流微电网控制模式，即交流微电网电压和频率由其系统内可控型分布式电源或储能单元来控制，双向DC-AC工作在直流电压控制模式，可使交流微电网作为直流微电网的支撑单元[7]；3)直流微电网支撑交流微电网控制模式，即直流微电网母线电压由其系统内可控型分布式电源或储能单元来控制，双向DC-AC工作在交流电网电压和频率控制模式，可使直流微电网作为交流微电网的支撑单元[8]。

上述文献所提出的方法主要针对某种特定的交直流混合微电网运行方式，无法适应交直流混合微电网多运行模式之间无缝切换和稳定控制需求。本发明中提出一种适用于交直流混合微电网的双向DC-AC互联装置智能控制方法，保证双向DC-AC能自适应交直流混合微电网运行状态变化，快速实现交直流混合微电网暂态稳定以及子微电网之间的相互支撑。

参考文献

[1]陆晓楠,孙凯,Josep G,等.适用于交直流混合微电网的直流分层控制系统[J].电工技术学报,2013,28(4):35-42.

[2]李霞林，郭力，王成山，等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36(1)：2-17.

[3]Guerrero J M，Vasquez J C，Matas J，et al.Hierarchical control ofdroop-contr-olled AC and DC microgrids-a general approach towardstandardization[J].IEEE Trans on Industry Electronics，2011，58(1)：158-172.

[4]F.Nejabatkhah,and Y.Li.Overview of Power Management Strategies ofHybrid AC/DC Microgrid[J].IEEE Trans.Power Electronics,2015,30(12):7072–7089.

[5]X.Liu,P.Wang,and P.C.Loh.A Hybrid AC/DC Microgrid and ItsCoordination Control[J].IEEE Trans.Smart Grid,2011,2(2):278–286.

[6]P.C.Loh,D.Li,Y.K.Chai,and F.Blaabjerg.Hybrid AC–DC Microgrids WithEnergy Storages and Progressive Energy Flow Tuning[J].IEEE Trans.PowerElectronics,2013,28(4):1533–1542.

[7]J.Xiao,P.Wang,and L.Setyawan.Power Control and Management in aHybrid AC/DC Microgrid[J].IEEE Trans.Smart Grid,2016,7(1):273–281.

[8]W.Zhang,K.Rouzbehi,A.Luna,等.Multi-terminal HVDC grids withinertia mimicry capability[J].IET Renew.Power Gener.,2016,10(6):752–760.

发明内容

本发明提供一种适用于交直流混合微电网的双向DC-AC互联装置智能控制方法，主要包含交直流互联功率自治控制和交流电压/频率控制。为此，本发明采用如下技术方案。

一种交直流混合微电网双向DC-AC互联装置智能控制方法，包含交直流互联功率自治控制系统和交流电压/频率控制系统，其特征在于：

(1)定义交流微电网平衡单元额定容量P_{acB_s}和直流微电网平衡单元额定容量P_{dcB_s}满足比例＝P_{acB_s}:P_{dcB_s}＝K，定义交流微电网中平衡单元输出有功功率和频率稳态特性，以及直流微电网中平衡单元输出功率和直流电压稳态特性如下：

式中ω_ac、ω_ac ^*、P_ac ^*和P_{ac_s}分别表示交流微电网实际输出频率、频率参考值、交流微电网平衡单元有功功率参考及实际输出有功功率；u_dc、U_dc ^*、P_dc ^*和P_{dc_s}分别表示直流微电网母线电压、直流电压参考值、直流微电网平衡单元功率参考及实际输出功率；k_ac和k_dc分别为交流微电网和直流微电网下垂系数。

(2)基于比例控制和超前-滞后补偿环节相结合的交直流互联功率自治控制系统，其表达形式如下：

式中P_set为交直流互联功率自治控制系统输出结果，其作为交流电压和频率控制系统的有功功率设定值；η为比例控制参数；τ_l和τ_d分别为超前-滞后补偿环节的超前和滞后时间常数。

(3)基于下垂特性和模拟惯性环节的交流电压/频率控制系统，其有功功率---频率下垂控制和无功功率---电压幅值下垂控制方式分别用如下公式(3)和(4)来描述：

式(3)中P_IC为DC-AC注入交流微网的有功功率，以注入交流微网功率方向为正方向；ω_ref、ω_set和Δω分别为DC-AC实际输出频率值、频率设定值和频率偏差；K_p和H_p分别表示有功功率---频率下垂控制的下垂系数和惯性参数。

式(4)中Q_set为无功功率设定值；Q_IC为DC-AC注入交流微网的无功功率，以注入交流微网功率方向为正方向；E_ref、E_set和ΔE分别为DC-AC实际输出电压幅值参考、设定值和电压偏差；K_q和H_q分别表示无功功率---电压幅值控制的下垂系数和惯性参数。

本发明可以保证双向DC-AC能适应交直流混合微电网多运行模式之间无缝切换和稳定控制需求，快速实现交直流混合微电网暂态稳定以及子微电网之间的相互支撑。

附图说明

图1双向DC-AC智能控制方法；

图2交直流混合微电网仿真系统；

图3交直流互联功率自治控制仿真工况。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。

如图1所示，交流微电网和直流微电网中，均包含平衡单元(如能量型储能、可控型分布式电源等)和功率单元(如新能源发电、负荷等)。交直流混合微电网独立运行模式下，交流微电网中平衡单元输出有功功率和频率稳态特性，以及直流微电网中平衡单元输出功率和直流电压稳态特性均满足如下下垂特性：

式中ω_ac、ω_ac ^*、P_ac ^*和P_{ac_s}分别表示交流微电网实际输出频率、频率参考值、交流微电网平衡单元有功功率参考及实际输出有功功率；u_dc、U_dc ^*、P_dc ^*和P_{dc_s}分别表示直流微电网母线电压、直流电压参考值、直流微电网平衡单元功率参考及实际输出功率；k_ac和k_dc分别为交流微电网和直流微电网下垂系数。

定义交流微电网和直流微电网平衡单元额定容量比

K＝P_{acB_s}:P_{dcB_s} (2)

式中K表示为交流微电网和直流微电网平衡单元额定容量比；P_{acB_s}和P_{dcB_s}分别为交流微电网和直流微电网中平衡单元额定容量。

在(1)和(2)基础上，定义交直流平衡单元功率误差ΔP_s：

ΔP_s＝P_{ac_s}-KP_{dc_s}＝[P_ac ^*+k_ac(ω_ac ^*-ω_ac)]-K[P_dc ^*+k_dc(U_dc ^*-u_dc)] (3)

然后设计出一种基于比例控制和超前-滞后补偿环节相结合的交直流互联功率自治控制系统，如图2所示，其具体实施方式如下：

式中P_set为交直流互联功率自治控制系统输出结果，其作为交流电压和频率控制系统的有功功率设定值；η为比例控制参数；τ_l和τ_d分别为超前-滞后补偿环节的超前和滞后时间常数。

在上述基础上，设计出基于下垂特性和模拟惯性环节的交流电压和频率控制系统，如图1所示，其有功功率---频率下垂控制和无功功率---电压幅值下垂控制的工作原理可分别用如下公式(5)和(6)来描述：

式(5)中P_set为有功功率设定值，由交直流互联功率自治控制系统获得；P_IC为DC-AC注入交流微网的有功功率(以注入交流微网功率方向为正方向)；ω_ref、ω_set和Δω分别为DC-AC实际输出频率值、频率设定值和频率偏差；K_p和H_p分别表示有功功率---频率下垂控制系统的下垂系数和惯性参数。

式(6)中Q_set为无功功率设定值；Q_IC为DC-AC注入交流微网的无功功率(以注入交流微网功率方向为正方向)；E_ref、E_set和ΔE分别为DC-AC实际输出电压幅值参考、设定值和电压偏差；K_q和H_q分别表示无功功率---电压幅值控制系统的下垂系数和惯性参数。

如图1所示，在获得电压参考值E_ref和频率参考值ω_set后，可以生成电压瞬时值闭环控制系统三相瞬时值电压参考值e_a,ref，e_b,ref和e_c,ref，具体实施方式如下：

电压瞬时值闭环控制系统为成熟的比例-谐振(proportional resonant，PR)控制器，可描述如下：

式中，v_a,ref，v_b,ref和v_c,ref，分别为三相电压瞬时值闭环输出结果，u_a，u_b和u_f分别为DC-AC三相输出电压瞬时值，为电压环PR控制器，k_p、k_i分别为其比例和谐振增益系数；ω_c为截至频率；ω₀为谐振角频率，对于三相逆变器输出电压控制来说，该谐振角频率通常设置为逆变器输出电压额定频率(即工频为314rad/s)。

为验证本发明中所提出的图1所示的双向DC-AC互联装置智能控制方法的有效性，在PSCAD仿真软件中搭建了如图2所示仿真算例进行仿真验证，具体仿真系统构成如下：1)交流微电网包含一个平衡单元和功率单元，其中平衡单元由直流电压源和DC-AC构成，其频率和输出有功功率存在如图1所示的下垂关系；功率单元由直流电压源和DC-AC构成，采用常规PQ控制模式，用于模拟交流电网内分布式电源出力或负荷变化；2)直流微电网包含一个平衡单元和功率单元，其中平衡单元由直流电压源和双向DC-DC构成，其直流电压和输出功率存在如图1所示的下垂关系；功率单元由直流电压源和双向DC-DC构成，采用常规功率控制模式，用于模拟直流电网内分布式电源出力或负荷变化。图3所示交直流混合微电网平衡单元输出功率以及两双向DC-AC互联装置输出功率波形。暂态前运行状态为(t<0.5s)：直流侧功率单元注入直流母线功率P_{dc_p}＝50kW(标幺值为0.25)，交流侧功率单元注入交流母线有功功率P_{ac_p}＝-100kW(标幺值为-0.5)；t＝0.5s，两互联DC-AC启动运行；t＝1.5s，直流侧功率单元注入直流母线功率P_{dc_p}变化为150kW(标幺值为0.75)；t＝2.5s，交流侧功率单元注入交流母线有功功率P_{ac_p}变化为-200kW(标幺值为-1)。仿真结果表明本发明所提出的智能控制方法能满足多双向DC-AC即插即用，保证双向DC-AC能自适应交直流混合微电网运行状态变化，快速实现交直流混合微电网暂态稳定以及子微电网之间的相互支撑。

Claims (1)

1.一种交直流混合微电网双向DC-AC互联装置智能控制方法，包含交直流互联功率自治控制系统和交流电压/频率控制系统，其特征在于：

(1)定义交流微电网平衡单元额定容量P_{acB_s}和直流微电网平衡单元额定容量P_{dcB_s}满足比例＝P_{acB_s}:P_{dcB_s}＝K，定义交流微电网中平衡单元输出有功功率和频率稳态特性，以及直流微电网中平衡单元输出功率和直流电压稳态特性如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{ac}={{\mathrm{\&omega;}}_{ac}}^{*}+({P_{ac}}^{*}-P_{ac\_s})/k_{ac}\\ u_{dc}={U_{dc}}^{*}+({P_{dc}}^{*}-P_{dc\_s})/k_{dc}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中ω_ac、ω_ac ^*、P_ac ^*和P_{ac_s}分别表示交流微电网实际输出频率、频率参考值、交流微电网平衡单元有功功率参考及实际输出有功功率；u_dc、U_dc ^*、P_dc ^*和P_{dc_s}分别表示直流微电网母线电压、直流电压参考值、直流微电网平衡单元功率参考及实际输出功率；k_ac和k_dc分别为交流微电网和直流微电网下垂系数。

(2)基于比例控制和超前-滞后补偿环节相结合的交直流互联功率自治控制系统，其表达形式如下：

$P_{set}=\mathrm{\&eta;}\frac{1+{\mathrm{\&tau;}}_{l}s}{1+{\mathrm{\&tau;}}_{d}s}\{\&lsqb;{P_{ac}}^{*}+k_{ac}({{\mathrm{\&omega;}}_{ac}}^{*}-{\mathrm{\&omega;}}_{ac})\&rsqb;-K\&lsqb;{P_{dc}}^{*}+k_{dc}({U_{dc}}^{*}-u_{dc})\&rsqb;\}---\left(2\right)$

式中P_set为交直流互联功率自治控制系统输出结果，其作为交流电压和频率控制系统的有功功率设定值；η为比例控制参数；τ_l和τ_d分别为超前-滞后补偿环节的超前和滞后时间常数。

(3)基于下垂特性和模拟惯性环节的交流电压/频率控制系统，其有功功率---频率下垂控制和无功功率---电压幅值下垂控制方式分别用如下公式(3)和(4)来描述：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_p\frac{d\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}}{dt}=(P_{set}-P_{IC})-K_p\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\\ {\mathrm{\&omega;}}_{ref}={\mathrm{\&omega;}}_{set}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中P_IC为DC-AC注入交流微网的有功功率，以注入交流微网功率方向为正方向；ω_ref、ω_set和Δω分别为DC-AC实际输出频率值、频率设定值和频率偏差；K_p和H_p分别表示有功功率---频率下垂控制的下垂系数和惯性参数。

$\left\{\begin{array}{c}{H}_q\frac{d\mathrm{\&Delta;}E}{dt}=(Q_{set}-Q)-K_q\mathrm{\&Delta;}E\\ E_{ref}=E_{set}+\mathrm{\&Delta;}E\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中Q_set为无功功率设定值；Q_IC为DC-AC注入交流微网的无功功率，以注入交流微网功率方向为正方向；E_ref、E_set和ΔE分别为DC-AC实际输出电压幅值参考、设定值和电压偏差；K_q和H_q分别表示无功功率---电压幅值控制的下垂系数和惯性参数。