一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制方法

摘要

本发明公开了一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制系统，它包括：交流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次频率恢复控制和有功功率‑‑‑频率下垂控制/无功功率‑‑‑电压幅值下垂控制构成；直流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次电压恢复控制和功率‑‑‑直流电压下垂控制构成；微电网接口变流器自律协同控制系统，它由直流微电网接口变流器即双向DC‑DC自律协同控制系统和交流微电网接口变流器即DC‑AC的自律协同控制系统构成；本发明在分布式储能基础上，既可以实现柔性直流电压控制，也可以实现微电网群在正常运行状态下的区域子微网间互联功率自治控制，提高微电网群内平衡单元利用效率、实现不同运行状态间的运行模式自动切换。

说明书

技术领域

本发明属于交直流混合微电网群自律协同控制技术领域，尤其涉及一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制方法。

背景技术

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置等有机整合在一起的配电网络，可工作于并网运行或孤岛运行两种模式，能够增强电网整合大规模分布式可再生能源(如太阳能或风能)的能力[1]。微电网技术代表了未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义[2]。随着微电网内用电负荷不断增大，单个微电网的容量约束、控制保护难度加大及供电稳定性问题等均有可能限制微电网接纳高渗透率间歇性分布式电源。若将多个微电网以集群的形式互联和运行，可增强系统供电可靠性和系统运行稳定性[3]。

具有相同直流电压等级的直流微电网或者相同电压及频率的交流微电网可以不通过电力电子接口装置直接互联[4-6]。但是，直流微电网直接互联存在网间互联功率控制不够灵活及无电气隔离等问题；多个交流微电网直接互联可能导致电磁环网，不利于系统的安全运行[7]；且当有直(交)流发电单元或负荷接入交(直)流微电网时，须通过相应AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，增加成本和损耗[8]。

交、直流微电网可通过相应的电力电子接口装置接入公共直流母线，因此微电网群可以高效灵活的接纳本地交/直流发电单元和储能单元，为本地负荷提供高可靠性供电[9]。同时，交流微电网可通过PCC与配电网相连，实现并网运行。微电网通过电力电子接口装置并联接入公共直流母线结构可进一步发展成直流配电中心，构建未来智能配电系统，实现灵活、可靠、高效配电及潮流灵活调度与控制。

文献[17,18]提出一种集中式储能混合微电网群结构。将所有储能装置集中在一起，形成储能子网，维持公共直流母线电压稳定。但当储能子网故障时，将无法维持公共直流母线电压恒定，混合微电网群的稳定性大大降低。

参考文献

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[2]王成山.微电网分析与仿真理论[M].科学出版社，2013.

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[7]P.Wei,D.U.Yan,L.I.Hongtao,et al.Novel Solution and Key Technologyof Interconnection and Interaction for Large Scale Microgrid ClusterIntegration[J].High Voltage Engineering,2015

[8]P.TeimourzadehBaboli,M.Shahparasti,M.ParsaMoghaddam,et al.EnergyManagement and Operation Modelling of Hybrid Ac–Dc Microgrid[J].GenerationTransmission&Distribution Iet,2014,8(10):1700-1711.

[9]R.Majumder,G.Bag.Parallel Operation of Converter InterfacedMultiple Microgrids[J].International Journal of Electrical Power&EnergySystems,2014,55(2):486-496.

[10]Y.Xia,W.Wei,M.Yu,et al.Power Management for a Hybrid Ac/DcMicrogrid with Multiple Subgrids[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,PP(99):1.

[11]Y.Xia,W.Wei,M.Yu,et al.Decentralized Multi-Time Scale PowerControl for a Hybrid Ac/Dc Microgrid with Multiple Subgrids[J].IEEETransactions on Power Electronics,2017,PP(99):1.

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制方法，以实现柔性直流电压控制，也可以实现微电网群在正常运行状态下的区域子微网间互联功率自治控制，提高微电网群内平衡单元利用效率、实现不同运行状态间的运行模式自动切换。

本发明技术方案：

一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制系统，它包括：

交流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次频率恢复控制和有功功率---频率下垂控制/无功功率---电压幅值下垂控制构成；

直流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次电压恢复控制和功率---直流电压下垂控制构成；

微电网接口变流器自律协同控制系统，它由直流微电网接口变流器即双向DC-DC自律协同控制系统和交流微电网接口变流器即DC-AC的自律协同控制系统构成。

交流微电网平衡单元自律控制系统的控制公式为：

式中，r＝i和j；ω_r、ω_{r_set}和P_{s_r,ac}分别为交流子网#r的母线频率、交流频率设定初值以及平衡单元实际输出有功功率；k_{ac_r,p}和H_{ac_r,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；ω_r0为期望频率恢复参考值，T_fs,r用于描述二次控制系统延时，k_ps,r和k_is,r分别为二次控制PI控制器的比例增益和积分增益；E_r、E_r^*和Q_{s_r,ac}分别为交流子网#r的实际电压幅值、电压幅值设定值以及平衡单元输出无功功率；k_{ac_r,q}和H_{ac_r,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。

所述直流微电网平衡单元自律控制系统的控制公式为：

u_{ref_m}＝u_{m_set}-P_{s_m,dc}/k_{dc_m}+(u_m0-u_m)(k_ps,m+k_is,m/s)/(1+T_fs,ms)式中，m＝k和l；；u_m、u_{m_set}、P_{s_m,dc}和k_{dc_m}分别表示直流子网#m母线电压、下垂控制特性曲线的直流电压设定初值、平衡单元实际输出有功功率以及下垂系数；u_m0为期望电压恢复参考值，T_fs,m表示二次控制系统延时，k_ps,m和k_is,m分别为二次控制PI控制器的比例增益和积分增益。

所述直流微电网接口变流器即双向DC-DC自律协同控制系统和交流微电网接口变流器即DC-AC的自律协同控制系统包括外环控制系统和内环控制系统；外环控制系统为互联功率自治控制，通过系统内相互通信，获取下垂特性参数，然后实际测量各子网的母线电压和频率，同时能够接受上层功率调度指令，经过运算后得到互联装置自律协同控制内环功率参考值P_{set_i,ac}、P_{set_j,ac}、P_{set_k,dc}和P_{set_l,dc}，其计算公式为：

式中P^*_IC,i(P^*_IC,j)和P_IC,i(P_IC,j)分别为交流微网#i(#j)接入公共直流母线的互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率；P^*_IC,k(P^*_IC,l)和P_IC,k(P^*_IC,l)分别为直流微网#k(#l)接入公共直流母线的互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率，G_dp,i(s)、G_dp,j(s)、G_dp,k(s)和G_dp,l(s)为功率调度PI控制器；G_C,i(s)、G_C,j(s)、G_C,k(s)和G_C,l(s)为外环控制PI控制器；

内环控制系统采用具有模拟惯性环节的电压源型控制方法，在互联功率控制、直流电压控制和交流电压/频率控制模式间实现平滑切换，无需切换控制系统。

本发明的有益效果：

本发明在分布式储能基础上，既可以实现柔性直流电压控制，也可以实现微电网群在正常运行状态下的区域子微网间互联功率自治控制，提高微电网群内平衡单元利用效率、实现不同运行状态间的运行模式自动切换；本发明在进行功率协调控制的同时，实现柔性直流电压控制。多交、直流微电网以并联方式通过电力电子接口装置接入公共直流母线，组成混合微电网群，可高效灵活的接纳分布式发电单元和储能单元，为本地负荷提供高可靠性供电。每个子网自成一个局部自律系统，且通过电力电子互联装置自律协同控制策略，实现子网间的柔性互联和相互支撑。解决了现有技术的不足。

附图说明：

图1本发明系统硬件结构示意图；

图2本发明交流子网平衡单元控制结构示意图；

图3本发明直流子网平衡单元控制结构示意图；

图4本发明互联装置DC-AC控制结构示意图；

图5本发明互联装置DC-DC控制结构示意图；

图6仿真结果(直流电压、交流频率)；

图7仿真结果(互联装置输出功率)；

图8仿真结果(平衡单元输出功率)；

具体实施方式：

本发明内容所述的基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制系统，系统包含两个交流子网(交流子网#i、#j)、两个直流子网(直流子网#k、#l)，分别通过相应互联装置与公共直流母线互联。各交、直流子网中，均包含系统平衡单元(如能量型储能装置、可控型分布式电源等)和功率单元(如新能源发电、负荷等)。

一种基于柔性直流互联的微电网集群自律协同控制系统，它包括：

交流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次频率恢复控制和有功功率---频率下垂控制/无功功率---电压幅值下垂控制构成；

直流微电网平衡单元自律控制系统：它由二次电压恢复控制和功率---直流电压下垂控制构成；

微电网接口变流器自律协同控制系统，它由直流微电网接口变流器即双向DC-DC自律协同控制系统和交流微电网接口变流器即DC-AC的自律协同控制系统构成。

每个交流子网均含有独立的功率自律系统，功率单元采用恒功率控制模式，平衡单元采用功率---交流频率下垂控制。其中平衡单元控制系统由有功功率---频率下垂控制、无功功率---电压幅值下垂控制、二次控制和电压内环控制构成，如图2所示。二次控制的主要功能是恢复交流频率。具体实施方案如下：

式中，r＝i和j；ω_r、ω_{r_set}和P_{s_r,ac}分别为交流子网#r的母线频率、交流频率设定初值以及平衡单元实际输出有功功率；k_{ac_r,p}和H_{ac_r,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；ω_r0为期望频率恢复参考值，T_fs,r用于描述二次控制系统延时，k_ps,r和k_is,r分别为二次控制PI控制器的比例增益和积分增益；E_r、E_r^*和Q_{s_r,ac}分别为交流子网#r的实际电压幅值、电压幅值设定值以及平衡单元输出无功功率；k_{ac_r,q}和H_{ac_r,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。

每个直流子网均含有独立的功率自律系统，功率单元采用恒功率控制模式，平衡单元采用功率---直流电压下垂控制。其中平衡单元控制系统由功率---直流电压下垂控制、二次控制和电压电流双闭环控制构成，如图3所示。二次控制的主要功能是恢复直流电压。具体实施方案如下：

u_{ref_m}＝u_{m_set}-P_{s_m,dc}/k_{dc_m}+(u_m0-u_m)(k_ps,m+k_is,m/s)/(1+T_fs,ms)>

式中，m＝k和l；；u_m、u_{m_set}、P_{s_m,dc}和k_{dc_m}分别表示直流子网#m母线电压、下垂控制特性曲线的直流电压设定初值、平衡单元实际输出有功功率以及下垂系数；u_m0为期望电压恢复参考值，T_fs,m表示二次控制系统延时，k_ps,m和k_is,m分别为二次控制PI控制器的比例增益和积分增益。

构造微电网群公共直流母线下垂控制曲线为

u_DC＝U_DC^*-P_DC/k_DC>

式中u_DC、U_DC^*、P_DC^*和P_DC分别表示微电网群中虚拟下垂控制中公共母线直流电压、直流电压参考值、功率参考及实际输出功率；k_DC为下垂系数。

假定交流子网#i、#j以及直流子网#k、#l内平衡单元额定容量P_{os_i,ac}、P_{os_j,ac}、P_{os_k,dc}和P_{os_l,dc}，且其容量比满足P_{os_i,ac}:P_{os_j,ac}:P_{os_k,dc}:P_{os_l,dc}＝α:β:γ:1。

微电网接口变流器自律协同控制系统，它由交流微电网接口变流器即DC-AC的自律协同控制系统和直流微电网接口变流器即双向DC-DC自律协同控制系统构成，分别如图4和图5所示。

a)外环控制系统为互联功率自治控制，通过系统内相互通信，获取器下垂特性参数，然后实际测量各子网的母线电压和频率，同时能够接受上层功率调度指令，经过运算后得到互联装置自律协同控制内环功率参考值，其具体实施方案如下：

为能接受上层功率调度指令，采用如下控制环路：

式中P^*_IC,i(P^*_IC,j)和P_IC,i(P_IC,j)分别为交流微网#i(#j)接入公共直流母线的互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率；P^*_IC,k(P^*_IC,l)和P_IC,k(P^*_IC,l)分别为直流微网#k(#l)接入公共直流母线的互联装置接受的上层功率调度指令及实际输出功率，G_dp,i(s)、G_dp,j(s)、G_dp,k(s)和G_dp,l(s)即为图4和图5外环控制中的PI控制器；通过图4和图5所示控制，得到功率参考增量ΔP_dp,iac、ΔP_dp,jac、ΔP_dp,kdc和ΔP_dp,ldc，在互联装置输出功率可调情况下，即可实现功率调度。

定义功率误差如下：

式中，ΔP_s,iac、ΔP_s,jac、ΔP_s,kdc和ΔP_l,ldc分别为交流子网#i，#j以及直流子网#k，#l平衡单元的功率误差，k_{ac_i,p}、k_{ac_j,p}、k_{dc_k}以及k_{dc_l}分别为交流子网#i，#j以及直流子网#k，#l平衡单元下垂系数。

在(4)和(5)基础上，可以得到互联装置自律协同控制内环功率参考值P_{set_i,ac}、P_{set_j,ac}、P_{set_k,dc}和P_{set_l,dc}：

式中控制环路传递函数G_C,i(s)、G_C,j(s)、G_C,k(s)和G_C,l(s)可设计为PI控制器。

b)内环控制：DC-AC互联装置内环控制采用具有模拟惯性环节的电压源型控制策略，可在互联功率控制、直流电压控制和交流电压/频率控制模式间实现平滑切换，无需切换控制系统；DC-DC互联装置由于两侧均为直流系统，因此其内环控制则可直接采用功率闭环或电流闭环，实现功率跟踪控制。

为验证本文提出的微电网群自律协同控制策略的有效性，在PSCAD软件中搭建了包含各子系统母线电压(频率)动态特性及控制环节的简化动态模型。在该简化模型中，公共直流母线电压和直流子网电压动态特性描述为：

式中，K_e,DC＝C_DC(U_B,DC)²/P_B；K_e,k＝C_k(U_B,k)²/P_B；K_e,l＝C_l(U_B,l)²/P_B；C_DC、C_k和C_l分别表示公共直流母线区域、直流子网#k和#l内等效电容量(有名值)。

在简化模型中保留交流子网和直流子网控制方法中下垂控制和直流电压闭环控制动态特性(交流微电网平衡单元只考虑下垂控制特性)，电流环简化为一阶惯性环节。

微电网群控制简化模型中各子网模块参数以及互联装置模块参数分别如表1和表2所示。

表1交、直流子网控制简化模型参数

表2互联装置参数

在微电网群正常运行过程中，采用本文所提控制策略后，系统动态特性仿真结果如图6-8所示。

t<2s：交流子网#i、#j和直流子网#k、#l功率单元输出分别为P_{p_i,ac}＝0.2、P_{p_j,ac}＝0.8、P_{p_k,dc}＝0.4和P_{p_k,dc}＝0.6，DC-ACs和DC-DCs互联装置处于待机状态；t＝2s时刻DC-ACs和DC-DCs互联装置启动本文控制策略；t＝4.5s时刻，开启电压(频率)二次控制；t＝7s时刻，交流子网#i、#j和直流子网#k、#l功率单元输出分别调整为P_{p_i,ac}＝0.5、P_{p_j,ac}＝1、P_{p_k,dc}＝1和P_{p_k,dc}＝0.5，模拟功率扰动；t＝10s时刻，α和γ分别变为0.2和0.8，模拟交流子网#i和直流子网#k平衡单元容量变化；t＝14s时刻，给互联装置DC-AC#i和DC-DC#k分别发出功率调度指令P^*_IC,i＝0.5、P^*_IC,k＝0.1。

从图所示仿真结果可知：正常运行状态下，采用本文控制策略可以实现柔性直流电压控制以及暂态功率支撑，实现平衡单单元输出功率按其容量比进行分配，同时可以较好地跟踪功率调度指令。