CN116191516B - 多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法，步骤a：每个多端口能量枢纽内部有三个DC/AC变流器，采用主并网端口变流器的控制策略及从并网端口变流器的控制策略；步骤b：每个多端口能量枢纽内部有若干并联DC/DC变换器，采用储能系统DC/DC变换器的控制策略并根据储能系统SOC值设计对应的运行区域；步骤c：根据多端口能量枢纽内部储能系统运行区域改变VSC以及DC/DC变换器控制策略的参数。本发明对于含储能系统的多端口能量枢纽，设计其内部的DC/DC以及DC/AC变流器控制策略，实现对多端口能量枢纽内储能系统SOC的能量管理以及各功率调节。

Description

多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法

技术领域

本发明配电网柔性互联设备控制技术领域，设计一种适用于新型配电网拓扑结构下多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法。

背景技术

近年来，随着高比例分布式电源如太阳能和风力发电接入配电网，导致配电网电力电子化，惯性减小，因此需要有更适应分布式电源消纳的配电网拓扑结构以及配电网柔性互联设备来对整个配电网进行升级改造。

针对多端口柔性互联设备如本文中提出的多端口能量枢纽装置，其内部包含多个变流器，目前常见的协调控制策略为下垂控制，由多个变流器共同承担功率分配以及电压调节的任务，即使某一变流器发生故障或退出运行，也能保证系统稳定运行。传统下垂控制策略的下垂系数预先设定，不具有自动调节能力。本文中针对在多端口能量枢纽中集成的储能装置，将并网端口变流器和储能变流器共同采用下垂控制，为了将储能系统的荷电状态作为功率分配的参与量并对储能系统能量进行管理，传统下垂控制难以做到这点。

通过将储能系统SOC值作为下垂控制系数变量，能够分配端口间功率，延长储能系统工作时间，在多端口能量枢纽中含有多个并联蓄电池组及相应的变流器时，能够均衡SOC状态。

发明内容

针对蜂巢状配电网中多端口能量枢纽多变流器协调控制的问题，提出这种基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法，通过根据储能系统荷电状态实时改变下垂控制系数来对多端口能量枢纽进行功率分配，解决蜂巢单元柔性互联同时具有能量管理功能。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法，使用的技术方案如下：

技术方案包括如下步骤：

一种基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：每个多端口能量枢纽内部有三个DC/AC变流器，设计主并网端口变流器的控制策略及从并网端口变流器的控制策略；

步骤b：每个多端口能量枢纽内部有若干并联DC/DC变换器，设计储能系统DC/DC变换器的控制策略并根据储能系统SOC值设计对应的运行区域；

步骤c：根据多端口能量枢纽内部储能系统运行区域改变VSC以及DC/DC变换器控制策略的参数。

步骤a的实现过程如下：

并网端口变流器采集公共耦合点并网点电压通过锁相环得到相位角θ，通过park变换得到输出点电压u_dq和输出电流i_dq同时计算得到交换功率P和Q；主并网端口变流器采用P/U下垂控制外环，其表达式如式(1)所示：

U_dcref＝U_N+k₁(P-P_ref) (1)

下垂控制外环生成的电压参考值通过电压外环生成电流内环参考值i_dref，i_qref；电流内环通过解耦和电网电压前馈生成VSC输出电压参考值，通过park变换生成SPWM脉冲信号驱动并网端口变流器IGBT；

从并网端口变流器采用PQ控制外环或者定交流电压控制实现能量互济以及蜂巢单元故障下的区域恢复供电功能；定交流电压控制策略PCC电压的幅值E*和频率ω*给定，用以park变换的相位角由ω*的积分值生成。

步骤b的实现过程如下：

储能系统控制器采集蓄电池组端电压u_b和输出电流i₁计算输出功率P_ess，通过如式(1)所示的下垂控制外环生成电压参考值通过电压外环和电感电流内环生成占空比信号D，与锯齿波比较后生成脉冲信号驱动双向buck-boost的IGBT；

储能系统的SOC值如式(2)所示进行计算：

其中，C_b为蓄电池组容量，u_b为蓄电池组输出端电压；所计算出的S_i为储能系统每个蓄电磁组的SOC值，当储能系统含有多套并联蓄电池组以及DC/DC变换器，其等效SOC值计算公式为式(3)所示：

P/U下垂控制外环表达式如式(4)所示：

其中i为储能系统中并联第i个蓄电池，n为总蓄电池组数，k_ip和k_ii为第i个控制系统PI调节项；

对于含储能系统的多端口能量枢纽，针对其内部储能系统的SOC值，对其分区并进行相应的输入/输出功率限制，限制功率区的计算公式为式(5)，分别对应两个功率限制区：

其中，t为最小工作响应时间，P_l为功率交换约束值；储能系统运行全区间的运行充放电功率约束关系如下：

步骤c的实现过程如下：

对于主并网端口变流器，其外环控制k₁取值为：

对于储能系统，其外环控制k₂取值为：

其中ΔU_dcmax为电压偏离最大值，为额定直流电压的5％，P_N为变流器输出额定功率；当VSC不发无功功率时，额定视在功率S_N＝P_N。

使用本发明可以有效分利用多端口能量枢纽中储存的能量，首先通过计算储能系统等效SOC值，判断其充放电状态，根据对应的区间规则对并网端口变流器和储能系统的直流电压/功率下垂系数进行调节。避免储能系统过充或过放电；延长储能系统工作时长，均衡多个并联蓄电池组的荷电状态。

附图说明

图1是相邻的三个蜂巢配电网单元及多端口能量枢纽内部变流器连接拓扑图。

图2是使用本发明所所采用的并网端口变流器(VSC)和储能系统控制框图(对应步骤a和步骤b)。

图3是使用本发明所得到的实验结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式和具体的操作过程做出说明，但本发明的保护范围不限于下述的具体说明。

步骤a：参考图一及图二，本发明基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法所依赖的系统结构是，包括3个VSC，N个蓄电池组，在本文的仿真实验中，设置VSC1为本文提出的变下垂系数控制，VSC2为PQ控制，VSC3为构网型控制即定交流母线电压频率控制。VSC1外环控制参数取值为：U_N＝680V，ΔU_dcmax＝680×5％＝35V，P_N＝50kW。

步骤b：参考图一及图二，同样的U_N＝680V，ΔU_dcmax＝680×5％＝35V，P_N＝50kW。对于蓄电池组容量有式(1)：

其中，为储能系统总容量，P_load为单个配电单元负荷功率，P_DG为单个配电单元分布式电源功率，T_max为单个配电单元在源荷功率差绝对值最大时的最长稳定运行时间。η_ch和η_dis分别为储能系统充放电效率，S_max和S_min分别为储能系统SOC上下限。

令max(P_load-P_DG)＝40kW，T_max＝5.4h，S_max＝0.9，S_min＝0.1,η_ch＝η_dis＝0.99。。

对于限制功率区参数设置，有：

令P_l＝50kW，t＝1.35h，有：

同理，

步骤c：根据多端口能量枢纽内储能系统等效SOC值改变VSC1及各各组DC/DC变流器下垂控制系数k₁，k₂。

对于主并网端口变流器，其外环控制k₁取值为：

对于储能系统，其外环控制k₂取值为：

Claims (1)

1.一种基于蜂巢状有源配电网多端口能量枢纽多变流器直流电压/功率下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：每个多端口能量枢纽内部有三个DC/AC变流器，设计VSC的控制策略及从并网端口变流器的控制策略；

步骤b：每个多端口能量枢纽内部有若干并联DC/DC变换器，设计储能系统DC/DC变换器的控制策略并根据储能系统SOC值设计对应的运行区域；

步骤c：根据多端口能量枢纽内部储能系统运行区域改变VSC以及DC/DC变换器控制策略的参数；

步骤a的实现过程如下：

并网端口变流器采集公共耦合点并网点电压通过锁相环得到相位角θ，通过park变换得到输出点电压u_dq和输出电流i_dq同时计算得到交换功率P和Q；主并网端口变流器采用P/U下垂控制外环，其表达式如式(1)所示：

U_dcref＝U_N+k₁(P-P_ref) (1)

下垂控制外环生成的电压参考值通过电压外环生成电流内环参考值i_dref，i_qref；电流内环通过解耦和电网电压前馈生成VSC输出电压参考值，通过park变换生成SPWM脉冲信号驱动并网端口变流器IGBT；

从并网端口变流器采用PQ控制外环或者定交流电压控制实现能量互济以及蜂巢单元故障下的区域恢复供电功能；定交流电压控制策略PCC电压的幅值E*和频率ω*给定，用以park变换的相位角由ω*的积分值生成；

步骤b的实现过程如下：

储能系统控制器采集蓄电池组端电压u_b和输出电流i_l计算输出功率P_ess，通过如式(1)所示的下垂控制外环生成电压参考值通过电压外环和电感电流内环生成占空比信号D，与锯齿波比较后生成脉冲信号驱动双向buck-boost的IGBT；

储能系统的SOC值如式(2)所示进行计算：

其中，C_b为蓄电池组容量，u_b为蓄电池组输出端电压；所计算出的S_i为储能系统每个蓄电磁组的SOC值，当储能系统含有多套并联蓄电池组以及DC/DC变换器，其等效SOC值计算公式为式(3)所示：

P/U下垂控制外环表达式如式(4)所示：

其中i为储能系统中并联第i个蓄电池，n为总蓄电池组数，k_ip和k_ii为第i个控制系统PI调节项；

对于含储能系统的多端口能量枢纽，针对其内部储能系统的SOC值，对其分区并进行相应的输入/输出功率限制，限制功率区的计算公式为式(5)，分别对应两个功率限制区：

其中，t为最小工作响应时间，P_l为功率交换约束值；储能系统运行全区间的运行充放电功率约束关系如下：

步骤c的实现过程如下：

对于主并网端口变流器，其外环控制k₁取值为：

对于储能系统，其外环控制k₂取值为：

其中ΔU_dcmax为电压偏离最大值，为额定直流电压的5％，P_N为变流器输出额定功率；当VSC不发无功功率时，额定视在功率S_N＝P_N。