交直流混合微網功率控制技術

交直流混合微網功率控制技術管理策略01背景子微特定控制策略研究展望子微通用功率控制技術研究交直流互聯變換器控制策略研究目錄03050204基本信息交直流混合微功率控制技術是指對交流子微、直流子微以及交直流互聯變換器功率進行合理分配以確保各臺變換器協(xié)調運行的一種管理策略。背景背景自“微”的概念被CERTS提出以來，歐美、日本、中國等先后針對交流微展開了控制方案和運行特性的研究以及示范性工程的建設。相較之下，直流微的研究起步較晚，然而隨著直流型電源和負荷的廣泛應用，直流微在新一代電中的優(yōu)勢逐漸突顯。實際中，采用直流微的配電形式已在數據中心、船用系統(tǒng)、電動汽車等領域得到成功應用，均體現出直流微系統(tǒng)效率高、供電可靠性高、經濟性高等優(yōu)點。由于我國當前配電仍以交流為主，交流型負荷仍占有相當比重，因此在未來一段時間內，兼?zhèn)渖鲜?種微特點的交直流混合微將成為微技術的主流方向。交直流混合微結構中，分布式電源(distributedgenerations，DGs)通過電力電子變換器分別接至交流母線和直流母線，2條母線將整體微系統(tǒng)分為3個部分，分別是交流子微、直流子微以及交直流互聯變換器。在微系統(tǒng)中，電力電子變換器通常呈并聯結構，為此，如何對其功率進行合理分配以確保各臺變換器協(xié)調運行，始終是微控制的基本目標。針對交直流混合微，功率控制技術需要考慮2方面因素：一方面，需要同時保證交流子微和直流子微單獨運行的要求，即變換器在各自子微中按照自身容量特性承擔相應功率；另一方面，需要確定交直流互聯變換器的控制策略，使功率在子微間合理地雙向流動，實現交直流混合微系統(tǒng)的協(xié)調運行。根據交直流混合微功率控制的目標，國內外學術界和工業(yè)界已從不同角度展開了研究，但至今仍欠缺對其中關鍵技術進行系統(tǒng)的概括與總結。為全面展示功率控制技術的研究成果，以下分別從交流子微、直流子微以及交直流互聯變換器3個方面對已有文獻研究現狀進行梳理評述。子微通用功率控制技術研究基于高速通信的控制技術基于低速通信的控制技術無互聯通信控制技術子微通用功率控制技術研究基于高速通信的控制技術圖1在微發(fā)展初期，學者們通常以系統(tǒng)尺度小作為前提條件進行研究和實驗，因此對于變換器間的高速通信互聯來說，實現起來相對簡單。目前，基于高速通信的控制技術主要包括集中控制技術、主從控制技術以及電流鏈控制技術。圖2一種適用于交流子微和直流子微的集中控制方法，控制框圖如圖1所示。集中控制技術由集中式控制器和本地控制器構成。集中式控制器對總負載電流進行測量，根據并聯變換器數量N及各臺變換器容量，計算出各變換器輸出電流環(huán)的參考值，其中Σki=1(i=1,2…,N)，并利用高速通信線發(fā)送至各臺變換器。本地控制器測量各自變換器的輸出電流，對高速通信線提供的參考值進行比較和跟蹤。區(qū)別于集中控制，主從控制技術中不存在集中式控制器，且各臺變換器的功能不盡相同。主從控制技術的控制框圖如圖2所示，系統(tǒng)中包含一臺主變換器及剩余若干從變換器。其中主變換器工作于電壓源模式，控制目標是將輸出電壓穩(wěn)定于參考值；其余從變換器都工作于電流源模式，控制目標是讓自身輸出電流跟蹤主變換器的輸出電流，最終各臺輸出電流相同，實現電流(等效于功率)合理分配的目的。圖3電流鏈控制也稱為3C(circularchaincontrol)控制，其控制框圖如圖3所示。在電流鏈技術控制中，每臺變換器包含電壓控制外環(huán)和電流控制內環(huán)，各電壓環(huán)目的均是將輸出電壓穩(wěn)定于額定值；電流環(huán)則是控制自身變換器輸出電流跟蹤上一臺變換器輸出電流，控制系統(tǒng)呈現環(huán)狀連接結構。無互聯通信控制技術目前，關于采用高速通信控制方法的研究已經比較成熟。但隨著微規(guī)模的擴大，互聯高速通信線會導致系統(tǒng)冗余性下降，成本大幅提升，“即插即用”性能較差，限制了微的擴展。為此，學者們又提出了無需通信絡的解決方案，在此類方案中，變換器僅需利用各自本地信息即可實現系統(tǒng)功率控制。1、下垂控制技術下垂控制是目前應用最為廣泛的微功率控制方法，其滿足了可再生能源分布式接入需求，易于實現“即插即用”，同時，冗余程度較高，且降低了系統(tǒng)成本。交流子微下垂控制模擬了發(fā)電機靜態(tài)特性，采用P-f(有功功率-頻率)和Q-U(無功功率-電壓)下垂曲線分別實現有功功率和無功功率分配。當變換器輸出阻抗與線路阻抗之和為純感性時，有功功率和無功功率可以表達為其中：Pn、Qn分別為變換器n輸出的有功功率和無功功率；En代表輸出電壓；U代表母線電壓；fn是輸出電壓與母線電壓之間的夾角；Xn則表示輸出感抗。由式(1)(2)可以看出，當fn足夠小時，有功功率的流動主要由功率角fn決定，而無功功率的流動則主要由變換器輸出電壓En決定。因此，交流子微中的功率分配管理方法可以表示為其中：Erated、frated分別代表變換器輸出電壓和頻率的額定值；mP和nQ分別為有功和無功的下垂系數。對于不同子微，下垂控制器均由2部分組成：外環(huán)是將反饋的本地信息(電流或功率)代入至預設的下垂曲線，產生輸出電壓的參考量；內環(huán)是常規(guī)電壓電流環(huán)，實現對電壓參考量快速準確跟蹤?；诘退偻ㄐ诺目刂萍夹g上文圍繞基于高速通信的控制技術和無互聯通信控制技術進行了歸納和評述。2種技術均存在弊端：高速通信會降低系統(tǒng)冗余，但舍棄通信絡又會引起精度的不足。為此，學者們又提出基于低速通信的控制技術。該技術對控制精度和系統(tǒng)冗余進行折中，旨在不過于依賴通信絡的同時，確保微的準確運行?；诘退偻ㄐ趴刂埔话悴捎肑osepM.Guerrero提出的分層控制結構。在該結構下，底層控制(primarycontrol，通常為下垂控制)僅使用本地信息，這是為了確保通信出現故障時，系統(tǒng)仍能履行基本的功率控制職能；第2層控制(secondarycontrol)針對底層控制的不足，借助低速通信獲取更多信息以對底層控制進行補償；第3層控制(tertiarycontrol)主要實現對外部調度指令的響應并支持經濟性運行。圖5分層控制應用到微之初，相關文獻中普遍采用集中式第2層控制(centralizedsecondarycontrol，CSC)的結構。在CSC結構中，各臺變換器將各自信息傳遞至統(tǒng)一的中央控制器，再由中央控制器根據收到的信息和相應的算法，把補償信號下發(fā)至各臺變換器的底層控制器，整體控制框圖如圖5所示。其中，參數信息和控制信號的傳輸均通過低速通信絡實現。然而CSC結構的分層控制依賴于中央控制器，一旦中央控制器出現問題，整個第2層控制都會失效，因此專家們又提出分布式第2層控制(distributedsecondarycontrol，DSC)的結構，如圖6所示。在DSC結構里，第2層控制被嵌入到變換器控制中，每臺變換器都可以視為微系統(tǒng)中一個相對獨立的分布式智能體(agent)。不同的絡拓撲(全局絡結構和局部絡結構)被應用到DSC分層控制中，其目的都是給所有智能體傳遞目標參數(電壓、頻率、電流、功率)的系統(tǒng)平均值(globalaverages)，再根據相應算法向底層提供補償信號。子微特定控制策略研究適用于直流子微的控制策略研究適用于交流子微的控制策略研究子微特定控制策略研究適用于交流子微的控制策略研究1、傳統(tǒng)下垂控制的變形在交流系統(tǒng)中通常認為線路阻抗呈強感性，因此傳統(tǒng)采用P-f/Q-U的下垂控制實現功率分配。然而在低壓微中，線路阻抗往往是呈阻性的，有功功率、無功功率表達式為：2、基于同步觸發(fā)的控制技術圍繞交流子微中無功功率分配問題，采用低速通信定時為各臺變換器提供同步信號，對Q-U下垂控制進行了修正補充，式(12)為第k次同步周期變換器的控制方程。其中，方程中第3項的執(zhí)行，可以降低無功功率分配誤差。然而上述操作雖然減小了分配誤差，但同時也導致PCC電壓幅值的降低，因此需引入第4項對電壓進行補償。如果變換器輸出的電壓均保持在合理范圍內，則Gi=0，即不進行電壓補償操作；一旦某臺變換器輸出電壓低于設定值時，電壓補償操作被觸發(fā)，則Gi=1，即所有變換器的輸出電壓將同時增加ΔE以促使PCC電壓上升。還可以采用低速通信同步觸發(fā)技術解決無功功率問題。適用于直流子微的控制策略研究1、DBS(DCBussignaling)技術圖8在直流子微中，直流母線是系統(tǒng)功率平衡的唯一指標?？梢圆捎弥绷髂妇€電壓作為全局信號，實現直流子微多種微源協(xié)調控制。該方法把直流母線電壓分為若干區(qū)間，包括儲能系統(tǒng)、分布式電源、電等均通過檢測直流電母線電壓以判斷各自的運行工作模式，并選擇相應的控制算法，見圖8。需要強調的是，每個區(qū)間需至少保證有一個接口變換器采用下垂控制算法，其工作于電壓源模式保證系統(tǒng)內功率平衡。直流子微不同工作區(qū)間切換時，系統(tǒng)所有變換器根據直流母線電壓信號無縫切換工作模式。2、虛擬阻抗技術虛擬阻抗技術也在直流子微中得到了應用。但與交流子微不同，直流系統(tǒng)中采用的I-U曲線下垂系數本身就是虛擬阻抗?？梢苑謩e采用中央控制器、分布式控制器以及模糊控制器，根據儲能單元SOC實時調節(jié)虛擬阻抗，使SOC較大的單元提供更多有功功率，而SOC較小的單元承擔小部分功率，實現SOC在分布式儲能單元之間的合理分配。

交直流互聯變換器控制策略研究交直流互聯變換器控制策略研究上文總結概括的控制策略可以完成子微各自的功率控制，而為了實現交直流混合微系統(tǒng)的協(xié)調運行，專家們圍繞交直流互聯變換器展開了相應的研究。交直流互聯變換器是連接子微的紐帶，PohChiangLoh教授首先提出了基于標幺化的交直流互聯變換器自治運行控制策略。該方法對交流子微頻率(交直流互聯變換器交流側頻率)和直流子微電壓(交直流互聯變換器直流側電壓)進行了標幺化，公式如下：圖9實現標幺化后，交流子微和直流子微的不同下垂曲線就可以共用同一坐標系，如圖9所示。為實現各子微輸出功率相同，即fp.u.=Udc,p.u.，該方法將二者差值經過PI控制器，得到互聯變換器有功功率的指令。然而多臺交直流互聯變換器并聯時，采用PI控制會得到若干數值解，不一定能按照自身容量實現功率分配。因此，文獻利用下垂特性解決上述問題，如圖10所示。圖中，縱軸代表頻率和電壓標幺值的差值ek,p.u.，范圍是(-eB,eB)，分別對應互聯變換器逆變、整流工況的最大功率。對于交直流互聯變換器無功功率的管理，同樣采用下垂控制，通過測量交流電壓幅值Uk計算出無功功率指令值。與交流子微下垂控制不同的是，當有功功率從交流子微流向直流子微時，交直流互聯變換器不提供無功，控制方程表達式為圖10圖11其中：帶號表示功率指令值；gk為第k臺變換器的有功下垂系數；nk為無功下垂系數?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖11所示。展望展望為適應能源發(fā)展計劃，下一代電將呈現分布式電源種類多、分布式負荷類型多以及電力電子變換器數量多等特點。其中，交直流混合微是未來智能電的重要組成部分。從技術角度介紹了交直流混合微功率控制的關鍵技術，同時總結比較了各種控制方法的優(yōu)點與不足，如表1所示。表1中的控制方法根據各自特征大致可以分為分散式控制、集中式控制以及分布式控制3類。不難看出，現今還沒有一種解決方案可以同時克服所有的不足。分散式控制無需任何互聯通信線，變換器僅使用本地信號進行控制，具有擴展性好、可靠性高等優(yōu)點，但這都是以犧牲電壓、頻率的控制精