CN109659941A - 一种交直流混合微电网自治控制方法及系统 - Google Patents

一种交直流混合微电网自治控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交直流混合微电网自治控制方法及系统，检测的本地直流电压和交流母线频率；根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。

Description

一种交直流混合微电网自治控制方法及系统
技术领域
本发明属于交直流混合微电网、配电网运行控制技术领域，具体涉及一种交直流混合微电网自治控制方法及系统。
背景技术
近年来，越来越多的可再生能源通过接入微电网得到了极大的利用。而考虑到一些直流负荷如电动汽车、新型家用电器、电脑通信设备等接入电网，未来直流设备将会和交流设备共享电力资源。交直流混合微电网能够降低多重AC/DC和DC/AC变换器带来的影响，以主变流器代替，降低功率损耗、谐波电流及控制难度。而随着接入交直流混合微电网的微电源和负荷数量的增多，协调控制的难度随之增大。现已有一些协调控制以及能量管理的方法，但是这些方法在维持直流电压、交流母线频率时往往需要借助复杂的通讯手段，或与理想参考点有一定偏离。与此同时，由于微网中风光发电的随机性较大，混合微电网中的双向变流器有容量限制，这对交直流混合微电网的控制方式提出了更高的要求。
由于接入交直流混合微电网的微电源和负荷数逐渐增多，给微电网的协调控制和能量管理带来了比较大的难度。交直流混合微电网包含交流侧和直流侧，如果交流或直流侧出现功率缺额，不仅影响本侧的电压或频率，还会给对侧母线带来影响，甚至引起双向变流器的过功率。这就在某种程度上体现了能量管理和协调控制的制约关系，传统意义上的以中心控制器(MGCC)为主导的控制方式往往是通过通讯手段将指令层层下发，这种单元级控制和系统级能量管理相对独立的控制模式可能会犯顾此失彼的错误。
发明内容
为了弥补上述缺陷，本发明提供一种交直流混合微电网自治控制方法及系统，作为基于交直流混合微电网的多种模式切换的自治控制策略，有效减少了通信量，兼顾双向变流器的容量的同时，稳定交直流母线电压。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种交直流混合微电网自治控制方法，所述方法包括：
检测的本地直流电压和交流母线频率；
根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
优选的，所述混合微电网在各运行模式下的转换条件的预先定义包括：
根据所述本地直流电压和交流母线频率，确定混合微电网的运行情况；
以所述混合微电网的运行情况为依据，确定混合微电网在各运行模式，包括交直流混合微电网并网运行模式和交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式；
定义在交直流混合微电网并网运行模式下，以双向变流器的传输功率PDC/AC为转换条件；定义在交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式下，以本地直流电压Udc和交流母线频率f为转换条件。
进一步地，所述交直流混合并网运行控制模式包括：
模式1-1：交直流混合微电网并网运行时，交直流电压频率处于正常状态，双向变流器的传输功率不越限；
模式1-2：交直流混合微电网并网运行时，交流侧向直流侧输送的功率达到上限值，本地直流电压的幅值低于设定值；
模式1-3：交直流混合微电网并网运行时，直流侧向交流侧输送的功率大于设定值，交流频率下降。
进一步地，所述根据转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制包括：
针对并网运行情况下的交直流混合微电网，按照负荷等级或者预先设定的减载算法对直流负荷进行削减；
针对孤岛运行情况下的交直流混合微电网，当直流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对交流侧进行自治控制；当交流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对直流侧进行自治控制。
进一步地，所述按照负荷等级或者预先设定的减载算法对直流负荷进行削减包括：
检测双向变流器的传输功率PDC/AC是否处于正常状态若是，则风光电源处于MPPT工作模式，直流侧蓄电池采用下垂控制双向变流器功率至模式1-1正常运行；
若则通过模式1-2，按照负荷等级或者预先定义的减载算法对直流负荷进行削减，以达到模式1-1正常运行；若则通过模式1-3对风光电源的运行功率进行限制，以达到模式1-1正常运行。
进一步地，所述交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式包括：
模式2-1：交直流混合微电网孤岛运行时，交直流两侧电压频率正常，各侧分布式电源提供自身需求，双向变流器无功率流经；
模式2-2：交直流混合微电网孤岛运行时，直流侧负荷大于自身供给，直流侧电压低于正常电压，交流侧供给直流侧功率；
模式2-3：交直流混合微电网孤岛运行时，交流侧负荷大于自身供给，交流侧频率低于正常频率，直流侧供给交流侧功率；
模式2-4：交直流混合微电网孤岛运行时，交流侧频率和直流侧电压均小于最小允许值，交直流侧出力均小于各自的负荷，系统无法正常运行。
进一步地，所述当直流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流母线频率，对交流侧进行自治控制包括：
检测交流侧的频率，当交流母线频率高于正常范围，采取电压-功率下垂控制法，根据交流和直流微网之间的交换功率来调节直流母线电压；
当交流母线的频率低于正常范围时，按照交流侧的负荷等级进行功率削减。
进一步地，所述按照交流侧的负荷等级进行功率削减压包括：
检测交流母线频率f，判断交流母线频率是否处于正常状态fL≤f≤fH，则维持现有供电状态；若f≥fL，则通过模式2-3减小交流负荷，以转换至模式2-1正常运行；若f≥fH，则通过模式2-2减小交流负荷，以转换至模式2-1正常运行。
进一步地，所述当交流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对直流侧进行自治控制包括：
检测直流侧蓄电池的荷电量SOC2是否满足SOCmin≤SOC2≤SOCmax；若不满足，检测直流侧蓄电池的充放电功率；若充放电功率未超过最大充放电功率，转换至模式2-1，按照P-V下垂曲线调节蓄电池输出的有功功率，直到本地直流电压达到稳定状态；
若满足，且测得的本地直流电压大于等于额定电压时Vdc≥Vdc*，直流侧微电网向交流侧输送功率，转换至模式2-3；并对风光甚至BAT2进行限功率控制，直到本地直流电压回归到正常值，转换至模式2-1；反之，若本地直流电压小于等于额定电压时Vdc≤Vdc*，直流侧微电网向交流侧获取功率，转换至模式2-2，并削减直流侧负荷直至恢复模式2-1。
一种交直流混合微电网自治控制系统，所述系统包括：
检测模块，用于检测的本地直流电压和交流母线频率；
预定义模块，用于根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
控制模块，用于根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
本发明提供的一种交直流混合微电网自治控制方法及系统的技术方案：检测的本地直流电压和交流母线频率；根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；设计混合微电网在各运行模式下的转换条件，在完成合理的能量分配的前提下，稳定交直流母线电压频率，兼顾中心双向变流器的功率传输能力，保障系统多模式下的可靠运行。
根据转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制；可实现多分布式电源多负荷利用本地电压频率信息进行协调控制，能够在并网和孤岛情况下实现交直流混合微电网的区域自治控制。
附图说明
图1是本发明一种交直流混合微电网自治控制方法的总流程图；
图2是本发明实施例中提供的交直流混合微电网控制框图；
图3是本发明实施例中提供的混合微电网的多种运行模式转换示意图；
图4是本发明实施例中提供的并网情况下的控制方法流程图；
图5是本发明实施例中提供的孤岛情况下交流侧自治控制方法流程图；
图6是本发明实施例中提供的孤岛情况下直流侧自治控制；
图7是本发明实施例中提供的双向变流器控制策略执行示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明提供的一种交直流混合微电网自治控制方法，如图1所示，包括：
S1检测的本地直流电压和交流母线频率；
S2根据本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
S3根据转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
通过方法步骤S1～S3即可实现多分布式电源多负荷利用本地电压频率信息进行协调控制，能够在并网和孤岛情况下实现交直流混合微电网的区域自治控制。
步骤S2中，混合微电网在各运行模式下的转换条件的预先定义包括：
根据本地直流电压和交流母线频率，确定混合微电网的运行情况；
以所述混合微电网的运行情况为依据，确定混合微电网在各运行模式，包括交直流混合微电网并网运行模式和交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式；
定义在交直流混合微电网并网运行模式下，以双向变流器的传输功率PDC/AC为转换条件；定义在交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式下，以本地直流电压Udc和交流母线频率f为转换条件。
其中，交直流混合微电网中各个微源的控制模式如图2所示，整个系统包含交流侧子系统(交流侧)，直流侧子系统(直流侧)和双向变流器(IC)。其中，微型燃气轮机(MT)作为交流侧主电源，直驱永磁式风机(PMSG)、光伏电源(PV)采用MPPT和限功率输出两种控制方式，直流侧蓄电池采用功率-直流电压下垂控制(P-Vdc下垂控制)和限功率控制切换的控制方式，具体的限功率输出采用限制输出电流的手段来实现。交流侧和直流侧通过双向变流器连接。设计混合微电网在不同的运行模式，在完成合理的能量分配的前提下，稳定交直流母线电压频率，兼顾中心双向变流器的功率传输能力，保障系统多模式下的可靠运行。不同模式的转换形式以及转换条件如图3所示，其中，对各个模式的说明如下：
模式1-1：大电网正常运行，混合微电网并网运行，此时交直流电压频率处于正常状态，双向变流器的传输功率不越限。
模式1-2：并网运行时，交流侧向直流侧输送的功率达到上限值，直流电压的幅值会低于设定值。
模式1-3：并网运行时，直流侧向交流侧输送的功率大于设定值，交流频率下降，由于大电网的箝位效应，这种情况一般不会发生。
模式2-1：交直流混合微电网孤岛运行，两侧电压频率正常，各自侧分布式电源基本提供自身需求，双向变流器几乎没有功率流过。
模式2-2：交直流混合微电网孤岛运行，直流侧负荷大于自身供给，直流侧电压低于正常电压，交流侧供给直流侧功率。
模式2-3：交直流混合微电网孤岛运行，交流侧负荷大于自身供给，交流侧频率低于正常频率，直流侧提供给交流侧功率。
模式2-4：交直流混合微电网孤岛运行，交流侧频率和直流侧电压均小于最小允许值，交直流侧出力均小于各自的负荷，此时系统无法正常运行。
在并网情况下，由于大电网的箝位作用，以IC的传输功率PDC/AC为转换条件，而在孤岛情况下，几种模式的转换条件均以本地检测到的直流电压Udc以及交流母线频率f为转换条件，需要通讯的信息较少。
步骤S3中，根据转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制包括：
针对并网运行情况下的交直流混合微电网，按照负荷等级或者预先设定的减载算法对直流负荷进行削减；
针对孤岛运行情况下的交直流混合微电网，当直流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对交流侧进行自治控制；当交流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对直流侧进行自治控制。
具体地，在并网情况下，交直流混合微电网的能量主要由大电网主导，这时的系统一般不会产生功率缺额。但是囿于双向变流器的容量限制，设计协调控制的方式如图4所示，如果直流侧负荷太大，这时为保护直流侧蓄电池(BAT2)，会被限制输出功率。此种情况下需要按照负荷等级或设计好的减载算法对直流负荷进行削减，以转换至模式1-1正常运行。
在孤岛运行模式下的交直流混合微电网，交直流同时出线功率缺额，也即模式2-4不属于混合微电网的正常运行范畴，在此不做过多考虑。在直流侧电压在正常范围内的情况下，交流侧的自治控制方式如图5所示，通过检测交流侧的频率，如果交流母线频率高于正常范围，那么即交流侧功率较大，此时交流侧可向直流侧提供功率，这时可以减小交流侧主电源，也即MT的输出功率将模式转换至2-1，以正常运行。
当交流母线的频率低于正常范围时，这时交流侧功率供给不足，需要从直流侧传输功率，如果这种方式仍然不能满足需求，则按照交流侧的负荷等级来进行功率削减，稳定交流侧频率，模式转换至2-1。
在交流侧电压在正常范围内的情况下，直流侧的自治控制方式如图6所示，当风光出力波动或者直流负荷发生变化，这时直流电压会发生相应的变化。作为直流侧的主电源BAT2需要提供对出力做出相应调整，首先检测BAT2的荷电量(SOC2)。
当SOC2处于正常范围内时，再检测BAT2的充放电功率，如果充放电功率不超过最大充放电功率，判断为模式2-1。这时按照P-V下垂曲线来调节蓄电池输出的有功功率，Udc保持稳定。如果SOC2不在蓄电池的正常范围内，且测得的直流电压大于额定电压，这时直流侧微电网可以向交流侧提供功率支持，判断为模式2-3，如果这不能调节回电压，则需要对风光甚至BAT2进行限功率控制。这样一直到电压回归到正常值，此时转至模式2-1。反之，如果直流电压小于额定值，这时向交流侧索取功率，判断为模式2-2。同时可以通过本地的减载算法来削减直流侧负荷，直至恢复模式2-1。
在交流侧和直流侧的自治控制模式下，IC承担两侧的交换功率。由于IC有着自己的电气属性，受传输容量限制。对于IC的控制方式如图7所示，采取电压-功率(Vdc-P)下垂控制，根据交流和直流微网之间的交换功率来调节直流母线电压。为了防止直流母线电压波动超过了IC的调节能力，在基于有功功率下垂控制前设置限功率环节。当母线电压波动超过U max dc,U min dc时，按照其额定容量输出，这时候IC不能参与到直流电压的调节当中去。
基于同一发明构思，本发明还提供一种交直流混合微电网自治控制系统，所述系统包括：
检测模块，用于检测的本地直流电压和交流母线频率；
预定义模块，用于根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
控制模块，用于根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交直流混合微电网自治控制方法，其特征在于，所述方法包括：
检测的本地直流电压和交流母线频率；
根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合微电网在各运行模式下的转换条件的预先定义包括：
根据所述本地直流电压和交流母线频率，确定混合微电网的运行情况；
以所述混合微电网的运行情况为依据，确定混合微电网在各运行模式，包括交直流混合微电网并网运行模式和交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式；
定义在交直流混合微电网并网运行模式下，以双向变流器的传输功率PDC/AC为转换条件；定义在交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式下，以本地直流电压Udc和交流母线频率f为转换条件。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述交直流混合并网运行控制模式包括：
模式1-1：交直流混合微电网并网运行时，交直流电压频率处于正常状态，双向变流器的传输功率不越限；
模式1-2：交直流混合微电网并网运行时，交流侧向直流侧输送的功率达到上限值，本地直流电压的幅值低于设定值；
模式1-3：交直流混合微电网并网运行时，直流侧向交流侧输送的功率大于设定值，交流频率下降。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制包括：
针对并网运行情况下的交直流混合微电网，按照负荷等级或者预先设定的减载算法对直流负荷进行削减；
针对孤岛运行情况下的交直流混合微电网，当直流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对交流侧进行自治控制；当交流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对直流侧进行自治控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述按照负荷等级或者预先设定的减载算法对直流负荷进行削减包括：
检测双向变流器的传输功率PDC/AC是否处于正常状态若是，则风光电源处于MPPT工作模式，直流侧蓄电池采用下垂控制双向变流器功率至模式1-1正常运行；
若则通过模式1-2，按照负荷等级或者预先定义的减载算法对直流负荷进行削减，以达到模式1-1正常运行；若则通过模式1-3对风光电源的运行功率进行限制，以达到模式1-1正常运行。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述交直流混合微电网孤岛运行的自治控制模式包括：
模式2-1：交直流混合微电网孤岛运行时，交直流两侧电压频率正常，各侧分布式电源提供自身需求，双向变流器无功率流经；
模式2-2：交直流混合微电网孤岛运行时，直流侧负荷大于自身供给，直流侧电压低于正常电压，交流侧供给直流侧功率；
模式2-3：交直流混合微电网孤岛运行时，交流侧负荷大于自身供给，交流侧频率低于正常频率，直流侧供给交流侧功率；
模式2-4：交直流混合微电网孤岛运行时，交流侧频率和直流侧电压均小于最小允许值，交直流侧出力均小于各自的负荷，系统无法正常运行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当直流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流母线频率，对交流侧进行自治控制包括：
检测交流侧的频率，当交流母线频率高于正常范围，采取电压-功率下垂控制法，根据交流和直流微网之间的交换功率来调节直流母线电压；
当交流母线的频率低于正常范围时，按照交流侧的负荷等级进行功率削减。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述按照交流侧的负荷等级进行功率削减压包括：
检测交流母线频率f，判断交流母线频率是否处于正常状态fL≤f≤fH，则维持现有供电状态；若f≥fL，则通过模式2-3减小交流负荷，以转换至模式2-1正常运行；若f≥fH，则通过模式2-2减小交流负荷，以转换至模式2-1正常运行。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述当交流侧电压在正常范围内的情况下，根据检测交流侧的频率，对直流侧进行自治控制包括：
检测直流侧蓄电池的荷电量SOC2是否满足SOCmin≤SOC2≤SOCmax；若不满足，检测直流侧蓄电池的充放电功率；若充放电功率未超过最大充放电功率，转换至模式2-1，按照P-V下垂曲线调节蓄电池输出的有功功率，直到本地直流电压达到稳定状态；
若满足，且测得的本地直流电压大于等于额定电压时Vdc≥Vdc*，直流侧微电网向交流侧输送功率，转换至模式2-3；并对风光甚至BAT2进行限功率控制，直到本地直流电压回归到正常值，转换至模式2-1；反之，若本地直流电压小于等于额定电压时Vdc≤Vdc*，直流侧微电网向交流侧获取功率，转换至模式2-2，并削减直流侧负荷直至恢复模式2-1。
10.一种交直流混合微电网自治控制系统，其特征在于，所述系统包括：
检测模块，用于检测的本地直流电压和交流母线频率；
预定义模块，用于根据所述本地直流电压和交流母线频率，预先定义混合微电网在各运行模式下的转换条件；
控制模块，用于根据所述转换条件，在预先设定的多模式切换的控制策略中选择相应的控制策略对交直流混合微电网进行控制。
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