CN108418245B - 一种简化的直流微电网联络线恒功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种简化的直流微电网联络线恒功率控制方法，包括：选取直流微电网中的主控制单元；选取直流微电网中的从控制单元；协调控制采用分层控制，自上而下分别是***级控制、设备级控制和物理层控制，***级实现功率分配和运行方式的切换；设备级主要实现对母线电压，负荷电压和联络线功率的控制；直流微网的物理层主要是储能单元、分布式电源和电力电子变换器的控制，通过各级协调控制实现直流微网的效益最大化；主控制单元和从控制单元采用附加死区的下垂控制，死区的大小根据可再生能源的波动范围来确定。
Description
技术领域
本发明涉及直流微电网协调控制领域，尤其涉及对直流微电网并入电网时的联络线功率控制。
背景技术
大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比重是解决当前社会能源危机和环境问题的重要举措。对可再生能源开进行规模化分散开发，形成微电网就地消纳或低压接入电网远方消纳是提高可再生能源利用率的重要措施。
直流微电网与交流微电网相比损耗小、无频率稳定性问题，更适合于接纳分布式能源，具有良好的发展前景。微电网内光伏、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电；常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、变空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC、DC-AC和AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量***内有功功率平衡的唯一标准，***内不存在类似交流***里的频率稳定、无功功率等问题。直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故障，可保证直流***内负荷的高可靠供电。因此，直流微电网***的研究和发展受到了国内外工业界和学术界的广泛关注。
直流微电网***内可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、飞轮或超级电容等储能单元以及本地交/直流负荷。若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双向DC-AC变流器经联络线接入交流***。
为了保证直流微电网***高效、安全、稳定和经济运行，需要对直流微电网内交直流接口双向DC-AC变流器、不同类型分布式发电单元、储能***、直流负荷等进行协调控制。直流微电网中的控制主要包括主从控制和对等控制。主从控制中，选定一个设备为主控制单元，负责控制直流母线电压，其余设备为从控制单元，一般都采用定功率控制。对等控制是直流微电网广泛使用的控制策略，在设计控制器时，一般将直流电压与输出功率设计为下垂特性，因此也称为下垂控制。直流微电网内所有设备均参与直流母线电压的控制，具有较高的可靠性。但是，由于微电网中的分布式能源具有随机性，分布式能源功率波动会引起直流母线电压波动，从而影响其余设备(尤其是DC/AC并网设备)的功率控制，带来联络线功率波动，不利于***运行。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明针对有分布式能源接入的并网型直流微电网，提供一直可以实现联络线功率恒定的简化控制策略，该控制策略不需要依靠通信***，仅通过设备间的协调就能实现在可再生能源出力小范围波动时维持联络线功率恒定的目标，同时能保持下垂控制的可靠性。技术方案如下：
一种简化的直流微电网联络线恒功率控制方法，包括：
(1)选取直流微电网中的主控制单元：当微电网中存在微型燃气轮机这样输出稳定且易于控制的分布式电源时，将其作为主控制单元以实现输出功率灵活控制，维持微电网在较长时间内的稳定运行，此外，储能装置或分布式电源与储能装置结合也可以作为主控制单元；
(2)选取直流微电网中的从控制单元：以实现联络线功率恒定的为目标，选取DC/AC逆变器为从控制单元；
(3)协调控制采用分层控制，自上而下分别是***级控制、设备级控制和物理层控制，***级实现功率分配和运行方式的切换；设备级主要实现对母线电压，负荷电压和联络线功率的控制；直流微网的物理层主要是储能单元、分布式电源和电力电子变换器的控制，通过各级协调控制实现直流微网的效益最大化。
(4)主控制单元和从控制单元采用附加死区的下垂控制，死区的大小根据可再生能源的波动范围来确定，稳态时，由主控制单元控制直流母线电压，以及平衡微电网的功率波动；从控制单元维持功率输出不变；暂态时，主控制单元与从控制单元共同切换到下垂控制区，共同参与直流母线电压调节，维持***稳定运行。
本发明所提出的控制策略针对有分布式能源接入的并网型直流微电网***，基于对等下垂控制策略，通过附加死区，实现稳态时联络线功率恒定的目标，且不需要依赖快速通信***，具有较高的可靠性，能够满足直流微电网的安全可靠运行。因此，本发明所提出的控制策略非常适合应用于直流微电网中。
附图说明
图1并网型直流微电网拓扑原理图
图2双向DC/DC拓扑结构图
图3三相两电平DC/AC拓扑结构图
图4传统的下垂控制结构图
图5下垂控制特性
图6改进的下垂控制
图7直流微电网协调控制图
具体实施方式
下面先从几个方面对本发明的技术方案进行说明
本发明针对有分布式能源接入的并网型直流微电网***而提出，***内包括光伏电池、风机、储能***、微型汽轮机、交流电网以及用于电能变换的电力电子设备。这些设备共同连接至直流母线上进行功率交换，如图1所示。
典型的电力电子设备可以分为DC/DC和DC/AC两类，DC/DC以双向Buck-Boost电路为例，拓扑结构如图2所示。T1、T2为IGBT开关器件，C1、C2分别为低压侧和高压侧的电容器，L为电感。当工作在Boost电路状态时，T2触发信号闭锁，当工作在Buck电路状态时，T1触发信号闭锁。
DC/AC以两电平电压源型换流器为例，拓扑结构如图3所示。T1～T6为IGBT开关器件，C1、C2为直流侧的电容器，L为换流电感。
微电网中的其它典型设备包括微型燃气轮机、储能单元、光伏阵列，风力发电机等。
为了保证直流微电网***高效、安全、稳定和经济运行，需要对直流微电网内的设备进行协调控制。对于并联型直流微电网，***直流电压可以作为设备输出功率的参考变量。下垂控制中电压误差与功率误差呈比例关系。当***直流电压发生变化时，多个设备可以合理动态调节输出功率以维持***电压稳定，从而显著提高***的可靠性和响应能力。
传统的功率-电压(P-Udc)下垂特性满足公式(1)，式中各变量都取标幺值，Udc*为换流站参考电压，P*为参考功率，KU和KP分别为电压误差系数和功率误差系数，e为比例-积分控制器的输入。通过设置KU和KP，可以使设备处于不同的工作方式。KU＝0时为定功率模式；KP＝0时为定电压模式；KU>0且KP>0时为下垂控制模式，下垂特性斜率为-KP/KU。
定义电压误差(voltage error)eUdc＝U* dc-Udc，功率误差(power error)eP＝P*-P，上式可以写成
e＝KU·eUdc+KP·eP (2)
功率-电压下垂特性和控制器设计分别如图4、图5所示，输入误差e经过PI控制器产生参考电流值。定义向直流微电网注入功率的方向为正。当直流微电网因功率波动引起直流电压降低时，所有使用下垂控制的设备会增加输出功率或减小消耗功率，以阻止电压跌落。功率-电压下垂特性的斜率绝对值越小，因功率变动产生的电压偏差越小。下垂控制的可靠性较高，因此直流微电网中的设备一般都采用下垂控制。
下垂控制中由于电压误差与功率误差呈比例关系，***可靠性显著增加，但是这一特点带来的不足是使用下垂控制的设备的输出功率易受直流母线电压波动的影响。在具有随机性新能源接入直流微电网的场合，使用下垂控制的DC/AC逆变器的输出功率会频繁波动，从而影响联络线功率控制。
为了消除下垂控制中直流电压波动对联络线功率控制的影响，提出一种改进的附加死区的下垂控制，如图6所示。对主控制单元和从控制单元分别进行修正，可以实现可再生能源出力小范围波动时联络线功率的恒定控制。直流微电网采用分层控制的思想，整体控制如图7所示。
稳态时，该控制策略与主从控制类似，由主控制单元控制直流母线电压，以及平衡微电网的功率波动；从控制单元维持功率输出不变。暂态时，主控制单元与从控制单元共同切换到下垂控制区，共同参与直流母线电压调节，维持***稳定运行。一般采用具有快速响应特性的微型燃气轮机作为主控制单元。为了维持联络线功率恒定，DC/AC并网逆变器需要采用从控制单元的控制模式。
下面以图1所示拓扑结构和图6所示的控制策略为基础，结合实施例和附图对本发明的实施例进行说明。
首先选取直流微电网中的主控制单元。当微电网中存在微型燃气轮机这样输出稳定且易于控制的分布式电源时，将其作为主控制单元以实现输出功率灵活控制，维持微电网在较长时间内的稳定运行。此外，储能装置或分布式电源与储能装置结合也可以作为主控制单元。在本例的微网***中，可以选取微型燃气轮机或储能装置作为主控制单元，具体哪个装置作为主控制单元由上层控制***确定。
为了增加可再生能源的利用率，光伏、风机等可再生能源一般处于最大功率追踪模式，其输出功率一般受周围环境的影响较大，处于不断波动的状态。本例中的光伏、风机即处于这种控制模式。
其次，选取直流微电网中的从控制单元。从控制单元在可再生能源的一定波动范围内可以维持输出功率的恒定，为了实现联络线功率恒定的目标，本例中选取DC/AC逆变器为从控制单元。
主控制单元和从控制单元采用改进的附加死区的下垂控制，死区的大小根据可再生能源的波动范围来确定。死区越大，联络线恒功率控制效果越好，但是***直流电压波动也会相应增大。
综上所述，本发明所提出的控制策略可以应用于直流微电网中。这种控制策略无需依靠快速通信***，通过协调设计发电机组、可再生能源、储能装置以及并网逆变器的下垂控制特性，在下垂控制的基础上引入死区，提高***的暂稳态性能。在稳态时可实现联络线功率稳定输出，在暂态时交流***可以为直流微电网提供功率支撑，从而提高直流微电网的可靠性和稳定性。
Claims (1)
1.一种简化的直流微电网联络线恒功率控制方法，用于有分布式能源接入的并网型直流微电网***，包括：
(1)并网型直流微电网***内包括光伏电池、风机、储能***、微型汽轮机、交流电网以及用于电能变换的DC/DC变换器和DC/AC逆变器两类电力电子设备；DC/DC变换器将分布式电源和储能设备连接到直流联络线，DC/AC逆变器连接直流联络线与交流***；
(2)选取直流微电网中的主控制单元：当微电网中存在微型燃气轮机这样输出稳定且易于控制的分布式电源时，将其作为主控制单元以实现输出功率灵活控制，维持微电网在较长时间内的稳定运行，此外，储能***或含有波动性的光伏、风机的新能源***与储能***结合也作为主控制单元；具体哪部分作为主控制单元由上层控制***确定；
(3)选取直流微电网中的从控制单元：以实现联络线功率恒定的为目标，选取DC/AC逆变器为从控制单元；
(4)协调控制采用分层控制，自上而下分别是***级控制、设备级控制和物理层控制，***级实现功率分配和运行方式的切换；设备级控制主要实现对直流母线电压，交直流负荷电压、联络线功率、最大功率追踪以及恒功率充/放电的控制；直流微网的物理层主要是储能单元、交/直流负荷、分布式电源和电力电子变换器的控制，通过各级协调控制实现直流微网的效益最大化；
(5)主控制单元和从控制单元采用附加死区的下垂控制，死区的大小根据可再生能源的波动范围来确定，稳态时，由主控制单元控制直流母线电压，以及平衡微电网的功率波动；从控制单元维持功率输出不变；暂态时，主控制单元与从控制单元共同切换到下垂控制区，共同参与直流母线电压调节，维持***稳定运行。
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