CN116526591A - 多变流器互联微网集群一致性协同控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多变流器互联微网集群一致性协同控制方法,所述的多变流器互联交直流微网集群包括两个直流微电网和一个交流微电网,交流微电网通过两个DC‑AC与直流微电网互联,直流微电网之间通过两个DC‑DC互联;每个微电网均包含支撑单元和功率单元;支撑单元用于控制微电网母线频率或直流电压稳定;支撑单元和功率单元均经相应电力电子设备与母线互联;功率单元采用定功率控制,利用调整功率设定值模拟分布式电源或者负荷功率变化。互联变流器DC‑DC以及DC‑AC采用柔性控制方式,互联DC‑AC采用两电平电压源型变流器,互联DC‑DC采用基于DAB的隔离双向DC‑DC变流器以实现两侧电气隔离及功率灵活控制。

Description

多变流器互联微网集群一致性协同控制方法
技术领域
本发明属微电网集群控制领域,尤其涉及一种多变流器互联微电网集群一致性协同控制方法。
背景技术
微电网由于能够高效灵活接纳分布式新能源、储能,为需求侧负荷提供可靠供电,得到了极大关注和发展[1,2]。若多个交、直流微电网地理位置邻近,交、直流微电网间可经多个双向DC-AC互联,直流微电网间可经多个双向DC-DC互联,最终形成多变流器互联交直流微网集群。集群系统可发挥子系统间互动协同能力,充分调动所有分布式电源、储能等的备用容量,共同应对集群内新能源出力的随机性及负荷波动性,以及单一子系统备用容量不足等复杂场景,提升全系统运行稳定性及供电灵活性[3,4]
多变流器互联交直流微网集群系统通常采用分层控制架构,包括就地控制层、上层协调及优化层等[5,6]。协调及优化层往往基于多子系统、多设备间信息交互及通信实现二次恢复控制、协调及优化等运行目标,就地控制层面,系统内交、直流微电网以及互联变流器等仅通过就地量测信息实现快速稳定控制[7,8]。具备高可靠性及灵活性的就地控制层稳定控制系统是多变流器互联交直流微网集群系统在复杂场景,特别是非计划暂态冲击下系统稳定运行的关键,这也是本发明的研究重点。多变流器互联交直流微网集群就地控制层面主要面临如下控制问题:子系统间功率协同互济、多运行模式控制以及多互联变流器功率分配等。
子系统间功率协同互济方面,发展多变流器互联交直流微网集群,其目的在于充分利用子系统间功率互济能力,减少新能源出力及负荷等功率扰动对单一子系统的暂态冲击,提升系统整体运行稳定性和可靠性。文献[9]提出一种DC-AC互联舰船交直流配电系统分布式储能协同控制方法,然而交、直流子系统中分布式储能需通过快速通信获取另一子系统的频率或直流电压信息,通信故障将影响系统运行可靠性。文献[10]针对交直流微网群,提出一种基于多智能体系统的一致性协同控制,各设备基于邻近通信抑制联络线功率扰动,但所提控制策略仍须依赖通信网络,影响系统非计划暂态冲击时系统性能。文献[11,12]提出一种不依赖通信的交直流混合微电网自治运行控制方法,使得互联交、直流子系统频率、直流电压标幺值相同,分布式电源、储能按照其额定容量比进行功率分配,然而互联DC-AC采用电流源型控制,当任一子系统因故障失去稳定运行能力时,另一正常子系统难以为其提供有效支撑,且无法实现所提功率分配控制目标。文献[13]提出一种互联DC-AC二阶段改进下垂控制,实现交直流微电网功率分配,然而所提互联DC-AC控制本质上属于电流源型控制,只有在子系统均正常运行时才能达到相应控制目的。
多运行模式控制方面,与交流系统只有并、离网等运行模式不同,交直流微网集群系统主要有如下模式:1)正常运行模式,即系统内子系统、装置均正常工作,系统实现前述多子系统间功率协同互济;2)交/直流微电网支撑模式,即交、直流微电网无法维持自身频率或直流电压稳定时,集群系统其他正常子系统能够为其提供交流电压/频率或者直流电压支撑,维持故障子系统功率平衡。针对正常模式下子系统功率协同互济研究,前文已有论述。交流微电网支撑模式,文献[14]将虚拟阻抗添加到互联DC-AC下垂控制,可同时实现交流微电网电压/频率支撑及环流抑制。文献[15]提出互联接口变流器虚拟惯性控制,为交流系统提供交流电压/频率支撑。然而上述策略仅能在与之互联的子系统正常运行时才能发挥作用,当互联子系统失去自身稳定时,无法为故障交流微电网提供支撑。直流微电网支撑模式,文献[16]在互联DC-AC直流电压下垂控制中增加辅助频率控制项,使得互联DC-AC不仅能为直流微电网提供支撑,还能为交流微电网提供功率支援。文献[17,18]提出一种互联变流器广义直流电压下垂控制,可工作于直流电压控制、直流电压下垂控制等模式,为直流系统提供直流电压支撑。然而上述策略仅能在与之互联的子系统正常运行时才能发挥作用,当互联子系统失去自身稳定时,难以为故障直流微电网进行有效支撑。此外,文献[19]提出考虑电动汽车灵活储能的交直流微电网协调控制,实现系统多运行工况间切换,但所提控制采用基于中央控制器的分层控制架构,在系统发生紧急故障等场景下需要非计划运行模式切换时,系统控制模式切换必然受到状态感知、通信延时及控制器切换等影响,无法实现多模式自适应平滑切换。
多互联变流器功率分配方面,当子系统间互联传输功率较大时,往往通过多并联变流器柔性互联,共同分配传输功率。文献[20]提出了适用于交直流混合微电网多互联DC-AC变流器的统一控制策略,实现多互联DC-AC变流器按照其额定容量承担传输功率。文献[21]提出了基于直流电压下垂控制的分层控制,不仅实现了多互联DC-AC变流器功率分配,还可为直流微电网提供直流电压支撑。然而,上述研究仅仅考虑了交、直流子系统间多DC-AC变流器功率分配问题,多变流器互联交直流微网集群中互联变流器类型更加多样,还存在直流子系统间通过多DC-DC柔性互联。
综上可知,针对多变流器互联交直流微网集群系统,解决多子系统功率协同互济、多运行模式自适应切换以及多互联变流器功率分配等问题对于提升全系统运行稳定性、可靠性及供电灵活性十分关键。然而,发生新能源出力及负荷非计划性暂态冲击,或某一子系统失去自身交流电压/频率或直流电压支撑能力等工况时,现有研究往往针对某一特定控制目标提出相应控制策略,难以同时实现子系统间功率协同互济、多运行模式自适应平滑切换以及多互联变流器功率分配等目标,且往往依赖状态感知及快速通信,通信网络故障将严重影响集群系统运行可靠性。
参考文献
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发明内容
本发明提出一种多变流器互联微网集群系统一致性协同控制方法,控制系统包含互联变流器(DC-DC以及DC-AC)柔性控制和交、直流微电网下垂控制等。互联DC-AC和DC-DC均采用双环控制,外环将一致性耦合控制和功率分配环节结合,内环则分别采用虚拟同步控制和移相控制。互联DC-AC和DC-DC利用就地量测频率或者直流电压等信息,将各交、直流微电网形成一有机整体,使得集群内所有具备下垂特性的支撑单元均能对集群内新能源出力或者负荷扰动作出响应,并按其下垂系数比分配功率,同时实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配以及多运行模式自适应平滑切换等目标。技术方案如下:
一种多变流器互联微网集群一致性协同控制方法,所述的多变流器互联交直流微网集群包括两个直流微电网和一个交流微电网,设两个直流微电网分别为#1和#2,交流微电网通过两个DC-AC与直流微电网#1互联,直流微电网#1和#2之间通过两个DC-DC互联;每个微电网均包含支撑单元和功率单元;支撑单元用于控制微电网母线频率或直流电压稳定;功率单元包括采用最大功率跟踪控制的分布式新能源及具备恒功率运行特性的电力电子设备、负荷;支撑单元和功率单元均经相应电力电子设备与母线互联;功率单元采用定功率控制,利用调整功率设定值模拟分布式电源或者负荷功率变化;其特征在于,互联变流器DC-DC以及DC-AC采用柔性控制方式,互联DC-AC#k(k=1,2)采用两电平电压源型变流器,互联DC-DC#j(j=1,2)采用基于DAB的隔离双向DC-DC变流器以实现两侧电气隔离及功率灵活控制,互联DC-AC和互联DC-DC控制系统均包含外环控制和内环控制两部分,包括:
所述外环控制部分,互联DC-AC和互联DC-DC外环均包含一致性耦合控制和功率分配控制环节;
所述一致性耦合控制的方法如下:
互联DC-AC和互联DC-DC,基于就地量测的包括频率和直流电压在内的电气信息,使得集群内所有微电网频率、电压标幺值一致,进而各微电网内支撑单元依据下垂特性,实现集群内所有支撑单元按其下垂系数比进行功率分配,互联DC-AC和互联DC-DC一致性耦合控制的具体形式分别如下:
式中,udc1和udc2分别表示直流微电网#1和#2的母线直流电压,ωac为交流微电网的母线频率,Gc,ac(s)和Pacref分别为互联DC-AC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,dc(s)和Pdcref分别为互联DC-DC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,ac(s)和Gc,dc(s)采用PI控制。
所述功率分配控制的方法如下:
针对互联DC-AC,在一致性耦合控制基础上,增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,ack(s),进而生成内环功率参考输入Psetack。功率分配控制器Gs,ack(s)的比例系数满足:
ε12=SDC-AC#1:SDC-AC#2
式中,ε1和SDC-AC#1分别为互联DC-AC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,v2和SDC-AC#2分别为互联DC-AC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
针对多互联DC-AC,在一致性耦合控制基础上,增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,dcj(s),功率分配控制器Gs,dcj(s)的比例系数满足:
μ12=SDC-DC#1:SDC-DC#2
式中,μ1和SDC-DC#1分别为互联DC-DC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,μ2和SDC-DC#2分别为互联DC-DC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
所述内环控制部分,针对互联DC-AC#k,内环采用电压源型虚拟同步控制,包括有功控制、无功控制以及交流电压控制环节。有功控制环节将外环功率设定值Psetack及就地量测传输有功功率PICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生频率变化量△ωsetk。为使得互联DC-AC能准确跟踪外环功率设定值,将△ωsetk与通过锁相得到的频率ωpll相加获取频率参考ωrefk,进而通过积分产生交流电压控制的相位θk,稳态时锁相得到的频率ωpll和交流微电网母线频率ωac相等。无功控制环节将无功功率设定值Qacrefk及传输无功功率QICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生电压幅值参考Erefk。互联DC-AC#k内环有功功率和无功功率控制具体形式如下:
式中,θk为有功控制产生的相位参考,ω0为角速度基值,ωpll为锁相环控制得到的频率,Psetack为外环有功控制环节产生的功率设定值,PICack为就地量测传输有功功率,Kpk与Hpk分别表示有功控制环节的下垂系数和惯性系数;Erefk无功控制产生的电压幅值参考,VacB为交流电压基准值,Esetk无功控制的电压幅值设定值,Qacrefk和QICack分别无功控制环节将无功功率设定值及实际值,Kqk与Hqk分别表示无功控制环节的下垂系数与惯性系数。
针对互联DC-DC#j,内环移相控制,将外环功率设定值Psetdcj及就地量测传输有功功率PICdcj之差作为移相控制器Gpdc,j(s)的输入,生成移相比dICdcj
进一步地,交流微电网支撑单元采用有功功率--频率下垂控制及无功功率--电压幅值下垂控制。
进一步地,直流微电网支撑单元采用有功功率--直流电压下垂控制。
本发明提出一种多变流器互联微网集群系统一致性协同控制策略。控制系统包含互联变流器(DC-DC以及DC-AC)柔性控制和交、直流微电网下垂控制等。互联DC-AC和DC-DC均采用双环控制,外环将一致性耦合控制和功率分配环节结合,内环则分别采用虚拟同步控制和移相控制。互联DC-AC和DC-DC利用就地量测频率或者直流电压等信息,将各交、直流微电网形成一有机整体,使得集群内所有具备下垂特性的支撑单元均能对集群内新能源出力或者负荷扰动作出响应,并按其下垂系数比分配功率,同时实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配以及多运行模式自适应平滑切换等目标。
附图说明
图1多变流器互联交直流微网集群系统拓扑;
图2微电网支撑单元下垂控制;
图3互联变流器柔性控制;
图4交流微电网发生变化时仿真结果;
图5直流微电网#1发生变化时仿真结果;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
本实施例以图1所示多变流器互联交直流微网集群为对象进行研究,集群包括两个直流微电网和一个交流微电网,交流微电网通过两个DC-AC与直流微电网#1互联,直流微电网#1和#2之间通过两个DC-DC互联。每个微电网均包含支撑单元和功率单元两类。支撑单元用于控制微电网母线频率或直流电压稳定。采用最大功率跟踪控制的分布式新能源及具备恒功率运行特性的电力电子设备、负荷等均可看作功率单元。为方便研究,本实施例简化模型,每个微电网只包含一个支撑单元和功率单元,均经相应电力电子设备与母线互联。功率单元采用定功率控制,利用调整功率设定值模拟分布式电源或者负荷功率变化。
udci表示为直流微电网#i(i=1,2)的母线直流电压,Psdci和Ppdci分别为直流微电网#i内支撑单元和功率单元的输出功率。ωac为交流微电网的母线频率,Psac和Ppac分别为交流微电网内支撑单元和功率单元的输出功率。PICdcj表示隔离双向DC-DC#j(j=1,2)的传输功率,PICack隔离双向DC-AC#k(k=1,2)的传输功率。功率流动的正方向如图1中箭头方向所示。特此声明,本发明所有变量及控制策略均基于标幺值系统。
(1)一致性协同控制
为同时实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配以及多运行模式自适应平滑切换等运行控制目标,本发明提出了了多变流器互联交直流微网集群一致性协同控制策略,主要包含互联变流器(DC-DC以及DC-AC)柔性控制和交、直流微电网下垂控制。接下来,将详述所提控制策略的具体思路。
1)交直流微电网下垂控制
交、直流微电网中支撑单元均采用下垂控制,具体控制策略分别如图2(a)和(b)所示。由图2(a)和(b)可知,交、直流微电网内支撑单元稳态输出功率与其相应频率和直流电压满足式(1)所示下垂特性。
式中,ωset和ωac分别为交流微电网频率设定值和母线频率,kac和Psac为交流微电网支撑单元下垂控制的下垂系数和输出功率;useti和udci分别为直流微电网#i的直流电压设定值和母线电压,kdci和Psdci为直流微电网#i支撑单元下垂控制的下垂系数和输出功率。
由式(1)可知,可按照各支撑单元额定容量比设定各自下垂系数,实现微电网内功率自主分配。接下来将进一步考虑如何设计互联变流器控制,仅仅利用就地量测信息,使得集群系统内所有支撑单元按照其额定容量比合理承担功率,实现子系统间功率协同互济、多运行模式自适应平滑切换及多互联变流器功率分配等运行控制目标。
2)互联变流器柔性控制
互联变流器控制是多变流器互联交直流微网集群在无互联通信条件下同时实现子系统间功率协同互济、多运行模式自适应平滑切换以及多互联变流器功率分配的关键。为此,基于各微电网下垂特性,提出了互联DC-AC和DC-DC柔性控制,分别如图3(a)和(b)所示。
互联DC-AC#k(k=1,2)采用两电平电压源型变流器拓扑,互联DC-DC#j(j=1,2)采用基于DAB的隔离双向DC-DC变流器以实现两侧电气隔离及功率灵活控制。互联DC-AC和互联DC-DC控制系统均包含外环控制和内环控制两部分,接下来将分别针对外环、内环控制设计思路进行详述。
■外环控制设计
外环控制是实现集群子系统间功率协同互济和多互联变流器功率分配的关键。为此,互联DC-AC和互联DC-DC外环分别采用图3(a)和(b)所示控制,均包含一致性耦合控制和功率分配控制环节。
一致性耦合控制:
如前所述,各交、直流微电网中支撑单元均采用下垂控制,因此支撑单元可通过自主感知相应微网母线频率/直流电压动态按下垂系数比合理分配微网内部功率。若互联变流器能将各微电网母线频率/直流电压进行耦合,实现各交、直流微电网频率、直流电压标幺值一致,则可实现集群内所有支撑单元间接自主联动,统一按照其下垂系数比分配功率,实现子系统间功率协同互济。依据上述思想,本发明针对互联DC-AC和互联DC-DC,基于就地量测的频率或者直流电压等电气信息,设计了图3(a)和(b)所示一致性耦合控制,具体形式如下:
式中,Gc,ac(s)和Pacref分别为互联DC-AC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,dc(s)和Pdcref分别为互联DC-DC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,ac(s)和Gc,dc(s)采用PI控制。
由式(2)可知,由于互联DC-AC和互联DC-DC一致性耦合PI控制的无差控制特性,稳态时,交、直流微电网频率、直流电压将满足ωac=udc1=udc2,即集群系统内所有微电网频率、电压标幺值一致,进而各微电网内支撑单元依据其式(1)下垂特性,实现集群内所有支撑单元按其下垂系数比进行功率分配,实现子系统间功率协同互济。
功率分配控制:
为进一步实现多互联变流器功率分配,在前述一致性耦合控制基础上,增加图3(a)和(b)所示功率分配控制环节。
针对多互联DC-AC,由于外环采用相同的一致性耦合控制环节,在此基础上增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,ack(s),进而生成内环功率参考输入Psetack。为使多互联DC-AC按照其额定容量分配互联传输功率,功率分配控制器Gs,ack(s)的比例系数应满足:
ε1:ε2=SDC-AC#1:SDC-AC#2 (3)
式中,ε1和SDC-AC#1分别为互联DC-AC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,v2和SDC-AC#2分别为互联DC-AC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
同理,针对多互联DC-AC,为实现多DC-AC按照其额定容量分配互联传输功率,功率分配控制器Gs,dcj(s)的比例系数应满足:
μ1:μ2=SDC-DC#1:SDC-DC#2 (4)
式中,μ1和SDC-DC#1分别为互联DC-DC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,μ2和SDC-DC#2分别为互联DC-DC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
综上可知,当集群系统内互联DC-AC和互联DC-DC采用上述外环控制时,可仅基于就地量测电气信息,将使得各交、直流微电网频率、直流电压标幺值一致,进而实现集群内所有支撑单元间接自主联动按照其下垂系数比分配功率,且子网间多互联变流器能按照其额定容量合理分配传输功率。
■内环控制设计
在前述外环控制基础上,如何设计内环控制,使得互联DC-AC和互联DC-DC不仅能够准确快速跟踪外环控制生成的功率设定值,实现子系统间功率互济以及多互联变流器功率分配,还能实现多运行模式自适应平滑切换,是本节研究的关键。为此,互联DC-AC和互联DC-DC分别采用图3(a)和(b)所示内环控制。
针对互联DC-AC#k,内环采用图3(a)所示的电压源型虚拟同步控制,包括有功控制、无功控制以及交流电压控制等环节。有功控制环节将外环功率设定值Psetack及就地量测传输有功功率PICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生频率变化量△ωsetk。为使得互联DC-AC能准确跟踪外环功率设定值,将△ωsetk与通过锁相得到的频率ωpll相加获取频率参考ωrefk,进而通过积分产生交流电压控制的相位θk,稳态时ωpl和ωac相等。无功控制环节将无功功率设定值Qacrefk及传输无功功率QICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生电压幅值参考Erefk。Kpk与Hpk分别表示有功控制环节的下垂系数和惯性系数,Kqk与Hqk分别表示无功控制环节的下垂系数与惯性系数。互联DC-AC#k内环有功功率和无功功率控制具体形式如下:
针对互联DC-DC#j,内环采用图3(b)所示的移相控制,将外环功率设定值Psetdcj及就地量测传输有功功率PICdcj之差作为移相控制器Gpdc,j(s)的输入,生成移相比dICdcj。其中移相控制器Gpdc,j(s)采用PI控制器。
(2)控制策略可行性分析
本节将从稳态运行层面分析所提控制策略实现集群子系统间功率协同互济、多运行模式自适应平滑切换及多互联变流器功率分配等控制目标的工作原理。
1)正常运行模式
如图3(a)和(b)所示,由于互联DC-AC和DC-DC外环一致性耦合PI控制的无差控制特性,稳态时各交、直流微电网母线频率及直流电压满足如下关系:
ωac=udc1=udc2 (6)
由各交、直流微电网母线处功率平衡可得:
考虑互联DC-AC以及DC-DC功率分配控制以及式(1)交、直流微电网支撑单元下垂特性,可进一步得到各支撑单元稳态输出功率分别为:
互联DC-AC以及DC-DC传输功率稳态值分别为:
由式(8)和(9)可知,采用所提控制策略,正常运行模式下,集群可在无互联通信下实现子系统间功率协同互济,多互联变流器能按照其额定容量承担互联传输功率。
2)直流微电网支撑模式
不失一般性,以直流微电网#1支撑单元故障退出为例进行分析。假设系统正常运行时,直流微电网#1支撑单元突然退出运行(即支撑单元输出功率Psdc1=0),互联DC-AC以及DC-DC仍然采用所提控制(无需任何通信、状态检测及控制策略切换),由于外环一致性耦合PI控制无差调节作用,仍会使得各母线直流电压、频率趋于相等,稳态时仍满足式(6)关系。
此外,由各交、直流微电网母线处功率平衡可得:
进一步结合式(1)交、直流微电网支撑单元下垂控制特性,互联DC-AC和DC-DC功率分配关系,可推导得到稳态下正常运行的支撑单元输出功率分别为:
互联DC-AC以及DC-DC传输功率稳态值分别为:
各微电网稳态直流电压和频率分别为:
可见,采用所提控制,当直流微电网#1支撑单元退出后,集群系统仍能够重新回到新的平衡点,故障直流微电网#1的母线电压得到有效支撑,且其他正常运行的支撑单元仍能按照其下垂比合理承担功率。
3)交流微电网支撑模式
以交流微电网支撑单元故障退出为例,阐述所提一致性协同之策略如何实现由正常运行模式子使用无缝切换到交流微电网支撑模式。
假设系统正常运行时,交流微电网支撑单元突然退出运行(即支撑单元输出功率Psac=0),互联DC-AC以及DC-DC仍然采用所提控制(无需任何通信、状态检测及控制策略切换),由于外环一致性耦合PI控制无差调节作用,仍会使得各母线直流电压、频率趋于相等,稳态时仍满足式(6)关系。
此外,由各交、直流微电网母线处功率平衡可得:
/>
进一步结合式(1)交、直流微电网支撑单元下垂控制特性,以及多互联DC-AC以及DC-DC功率分配关系,可推导得到稳态下正常运行的支撑单元输出功率分别为:
互联DC-AC以及DC-DC传输功率稳态值分别为:
各微电网稳态直流电压和频率分别为:
可见,采用所控制策略,当交流微电网支撑单元退出后,集群系统仍能够重新回到新的平衡点,故障交流微电网的母线频率得到有效支撑,且其他正常运行的支撑单元仍能按照其下垂比合理承担功率。
前述从稳态运行层面分析了所提控制策略实现集群子系统间功率协同互济、多运行模式自适应平滑切换及多互联变流器功率分配等控制目标的可行性。接下来将建立集群小信号模型,从动态小扰动层面分析所提策略的控制性能。
(3)仿真验证
为验证所提控制策略的有效性,基于PSCAD/EMTDC建立了图1所示集群仿真模型。仿真模型中,开关频率为10kHz,基准功率为100kW,交直流微电网直流电压和频率的基准值分别为750V及50Hz。交直流微电网支撑单元额定容量比为1:1:2,并按照此比例设定各支撑单元下垂系数;互联DC-AC额定容量比为2:1,互联DC-AC额定容量比为2:1,各互联DC-AC或者DC-DC按照上述比例设置其功率分配控制的比例分配系数。各微电网、互联DC-AC以DC-DC基本参数分别如表1-表7所示。接下来将分别在交流微电网、直流微电网发生暂态功率扰动等变化时通过仿真验证所提策略的有效性。
表1交流微电网基本参数
表2直流微电网#1基本参数
表3直流微电网#2基本参数
表4互联DC-DC#1基本参数
表5互联DC-DC#2基本参数
表6互联DC-AC#1基本参数
表7互联DC-AC#2基本参数
1)场景1:交流微电网发生变化
交流微电网发生变化时,采用所提控制时仿真结果分别如图4(a)-(d)所示。具体场景描述如下:前5秒,交、直流微电网功率单元输出功率分别为Ppac=-0.8pu,Ppdc1=-0.4pu,Ppdc2=-0.2pu。第5秒时,交流微电网功率单元输出功率由-0.8pu变化到-1pu,第7秒时交流微电网支撑单元退出运行。
由图4可知,采用所提控制,第3秒~第5秒,各交直流微电网支撑单元功率输出分别约为0.35pu、0.35pu和0.7pu,与式(8)理论计算结果基本一致,集群内所有支撑单元按照其额定容量比分配功率,各互联DC-AC、互联DC-DC功率输出分别约为0.3pu、0.15pu、0.165pu和0.332pu,与式(9)理论计算结果几乎吻合。第5秒交流微电网发生功率扰动后,经过短暂动态调整,各支撑单元、互联DC-AC以及互联DC-DC仍能够快速调整其输出功率,实现相应功率分配目标,第7秒交流微电网支撑单元退出运行后,故障交流微电网频率得到有效支撑,经过暂态调整后恢复稳态运行,稳态频率值约为0.989pu,与式(17)理论计算结果几乎一致。仿真结果验证了前述理论分析的有效性。
可见,交流微电网发生变化时,系统可在不依赖通信、状态感知及控制器切换等情况下实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配,以及运行模式自适应平滑切换,即由正常运行模式平滑过渡到交流微电网支撑模式,为故障交流微电网提供频率支撑。
2)场景2:直流微电网发生变化
以直流微电网#1发生变化为例进行验证,采用所提控制策略时仿真结果分别如图5(a)-(d)所示。工况具体描述如下:前5秒,交、直流微电网功率单元输出功率分别为Ppac=-0.8pu,Ppdc1=-0.4pu,Ppdc2=-0.2pu。第5秒时,直流微电网#1功率单元输出功率由-0.4pu变化到-0.6pu,第7秒时直流微电网#1支撑单元退出运行。
由图5可知,第5秒直流微电网#1发生功率扰动后,各交直流微电网支撑单元功率输出分别约为0.4pu、0.4pu和0.8pu,与式(8)理论计算结果基本一致,集群内所有支撑单元按照其额定容量比分配功率,各互联DC-AC、互联DC-DC功率输出分别约为0.267pu、0.135pu、0.40pu和0.20pu,与式(9)理论计算结果几乎吻合。第7秒直流微电网#1支撑单元退出运行后,故障直流微电网#1直流电压得到有效支撑,经过暂态调整后恢复稳态运行,稳态频率值约为0.989pu,与式(13)理论计算结果几乎一致。仿真结果验证了前述理论分析的有效性。
可见,直流微电网发生变化时,系统可在不依赖通信、状态感知及控制器切换等情况下实现子系统间功率协同互济、多互联变流器功率分配,且能实现运行模式的自适应平滑切换,即由正常运行模式平滑过渡到直流微电网支撑模式,为故障直流微电网提供有效直流电压支撑。

Claims (3)

1.一种多变流器互联微网集群一致性协同控制方法,所述的多变流器互联交直流微网集群包括两个直流微电网和一个交流微电网,设两个直流微电网分别为#1和#2,交流微电网通过两个DC-AC与直流微电网#1互联,直流微电网#1和#2之间通过两个DC-DC互联;每个微电网均包含支撑单元和功率单元;支撑单元用于控制微电网母线频率或直流电压稳定;功率单元包括采用最大功率跟踪控制的分布式新能源及具备恒功率运行特性的电力电子设备、负荷;支撑单元和功率单元均经相应电力电子设备与母线互联;功率单元采用定功率控制,利用调整功率设定值模拟分布式电源或者负荷功率变化;其特征在于,互联变流器DC-DC以及DC-AC采用柔性控制方式,互联DC-AC#k(k=1,2)采用两电平电压源型变流器,互联DC-DC#j(j=1,2)采用基于DAB的隔离双向DC-DC变流器以实现两侧电气隔离及功率灵活控制,互联DC-AC和互联DC-DC控制系统均包含外环控制和内环控制两部分,包括:
所述外环控制部分,互联DC-AC和互联DC-DC外环均包含一致性耦合控制和功率分配控制环节;
所述一致性耦合控制的方法如下:
互联DC-AC和互联DC-DC,基于就地量测的包括频率和直流电压在内的电气信息,使得集群内所有微电网频率、电压标幺值一致,进而各微电网内支撑单元依据下垂特性,实现集群内所有支撑单元按其下垂系数比进行功率分配,互联DC-AC和互联DC-DC一致性耦合控制的具体形式分别如下:
式中,udc1和udc2分别表示直流微电网#1和#2的母线直流电压,ωac为交流微电网的母线频率,Gc,ac(s)和Pacref分别为互联DC-AC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,dc(s)和Pdcref分别为互联DC-DC一致性耦合控制的控制器和生成的功率参考值,Gc,ac(s)和Gc,dc(s)采用PI控制。
所述功率分配控制的方法如下:
针对互联DC-AC,在一致性耦合控制基础上,增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,ack(s),进而生成内环功率参考输入Psetack。功率分配控制器Gs,ack(s)的比例系数满足:
ε12=SDC-AC#1:SDC-AC#2
式中,ε1和SDC-AC#1分别为互联DC-AC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,ε2和SDC-AC#2分别为互联DC-AC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
针对多互联DC-AC,在一致性耦合控制基础上,增加采用比例控制的功率分配控制器Gs,dcj(s),功率分配控制器Gs,dcj(s)的比例系数满足:
μ12=SDC-DC#1:SDC-DC#2
式中,μ1和SDC-DC#1分别为互联DC-DC#1功率分配控制的比例分配系数和额定容量,μ2和SDC-DC#2分别为互联DC-DC#2功率分配控制的比例系数和额定容量。
所述内环控制部分,针对互联DC-AC#k,内环采用电压源型虚拟同步控制,包括有功控制、无功控制以及交流电压控制环节。有功控制环节将外环功率设定值Psetack及就地量测传输有功功率PICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生频率变化量△ωsetk。为使得互联DC-AC能准确跟踪外环功率设定值,将△ωsetk与通过锁相得到的频率ωpll相加获取频率参考ωrefk,进而通过积分产生交流电压控制的相位θk,稳态时锁相得到的频率ωpll和交流微电网母线频率ωac相等。无功控制环节将无功功率设定值Qacrefk及传输无功功率QICack之差作为输入,并通过具备模拟惯性的下垂控制产生电压幅值参考Erefk。互联DC-AC#k内环有功功率和无功功率控制具体形式如下:
式中,θk为有功控制产生的相位参考,ω0为角速度基值,ωpll为锁相环控制得到的频率,Psetack为外环有功控制环节产生的功率设定值,PICack为就地量测传输有功功率,Kpk与Hpk分别表示有功控制环节的下垂系数和惯性系数;Erefk无功控制产生的电压幅值参考,VacB为交流电压基准值,Esetk无功控制的电压幅值设定值,Qacrefk和QICack分别无功控制环节将无功功率设定值及实际值,Kqk与Hqk分别表示无功控制环节的下垂系数与惯性系数。
针对互联DC-DC#j,内环移相控制,将外环功率设定值Psetdcj及就地量测传输有功功率PICdcj之差作为移相控制器Gpdc,j(s)的输入,生成移相比dICdcj
2.根据权利要求1所述的多变流器互联微网集群一致性协同控制方法,其特征在于,交流微电网支撑单元采用有功功率--频率下垂控制及无功功率--电压幅值下垂控制。
3.根据权利要求1所述的多变流器互联微网集群一致性协同控制方法,其特征在于,直流微电网支撑单元采用有功功率--直流电压下垂控制。
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