CN109687537B - 一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，包括：步骤S1：建立各可控型分布式电源的下垂控制模型；步骤S2：建立交、直流子微网的所有可控型分布式电源的组合下垂控制模型；步骤S3：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率，并得到交、直流子微网的分段下垂控制模型；步骤S4：设计交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型；步骤S5：对交流频率和直流电压进行归一化处理，并确定交、直流子微网间的交换功率以进行控制。与现有技术相比，本发明可以在无通信的条件下实现***的无差运行，提高了***的电能质量，同时节省了***通信线路布置所需资源。

Description

一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种，尤其是涉及一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法。

背景技术

交直流混合微电网为风电、光伏等分布式电源(distributed generator,DG)大量接入配电网提供一种更加高效的解决方法交直流混合微电网是由交流、直流电源和负荷分别构成交流、直流子微网，通过中间的AC/DC双向互联变换器(interlinking converter，IC)互联构成。同时，交流母线通过静态开关(static transfer switch,STS)实现混合微电网与配电网并网与孤岛运行的切换。交、直流子网内的优化运行，以及子网间的互联互动对交直流混合微电网的安全稳定运行至关重要。

直流母线电压以及交流侧频率是反映混合微电网内源荷功率平衡和***稳定的关键指标。有关文献针对AC/DC/DS三端口***提出一种基于下垂控制的自主协调控制策略，通过下垂控制实现各子微网自治运行，运用经过归一化处理的交流频率和直流电压信号实现子网间的自主协调控制。虽然整个控制***无需通信，但下垂控制会给***的频率和电压带来稳态偏差，影响电能质量。有关文献提出了一种分层控制策略，包括底层下垂控制实现功率的一次分配；中间层实现电压、频率的二次恢复控制；最上层完成功率优化分配控制。但所提控制策略分别针对交、直流微电网，没有考虑两者之间功率的互联支撑作用；同时在通信故障时，分层控制无法采集和提供信号，给***的优化控制带来较大的影响。有关文献以互联变换器的功率流动最小为目标，建立互动传输功率与直流电压和交流频率的关系，实现整个***功率的优化配置。但此控制策略仅在只有一个子微网过载的情况下具有较好的控制效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，包括：

步骤S1：建立各可控型分布式电源的下垂控制模型；

步骤S2：建立交、直流子微网的所有可控型分布式电源的组合下垂控制模型；

步骤S3：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率，并得到交、直流子微网的分段下垂控制模型；

步骤S4：设计交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型；

步骤S5：对交流频率和直流电压进行归一化处理，并确定交、直流子微网间的交换功率以进行控制。

所述步骤S3包括：

步骤S31：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率；

步骤S32：得到交、直流子微网的分段下垂控制模型。

所述步骤S31具体为：根据交、直流子微网可控型分布式电源容量的大小，分别设计相应的交流子微网虚拟最大输出功率P′_amax，虚拟备用容量：ΔP_ac，和直流子微网虚拟最大输出功率P′_dmax，虚拟备用容量ΔP_dc。

所述虚拟备用容量具体为：

ΔP_ac＝P_amax-P′_amax

其中：P_amax为交流子微网的实际最大输出功率，

所述虚拟备用容量具体为：

ΔP_dc＝P_dmax-P′_dmax

其中：P_dmax为直流子微网的实际最大输出功率。

所述步骤S32具体为：在交、直流子微网的虚拟最大输出功率处设计下垂控制分段点，得到***的分段下垂控制模型。

所述步骤S4具体为：基于得到的分段下垂控制模型，在第Ⅰ段下垂控制中引入交流频率和直流电压的二次补偿控制，确定交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型分别如下：

M₁＝(f_min-f_max)/P′_amax

M₂＝(f_min-f^*)/(P_amax-P′_amax)

其中，f为交流***频率，f_min、f_max分别为交流子网频率允许的最小、最大值，f^*表示交流子微网的额定频率，P_ac表示交流子微网可控型分布式电源整体对外输出的有功功率；直流电压二次补偿控制信号：

k_pV、k_iV为二次补偿控制参数，V_dc表示直流侧母线电压，

分别为直流子网电压允许的最小、最大值，

表示直流子微网的额定母线电压，P_dc表示直流子微网内可控型分布式电源整体对外输出的功率。

所述步骤S5中，交流频率和直流电压的归一化公式如下：

其中：ζ为归一化处理前的值，(ζ)′表示ζ归一化处理后的值，其取值范围为[-1,0]，ζ^*、ζ_min分别表示ζ的额定值和最小值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)可以在无通信的条件下实现***的无差运行，提高了***的电能质量，同时节省了***通信线路布置所需资源。

2)针对交直流混合微电网提出微网内自治与微网间协调的运行原则，有利于减少子微网间的功率交换损耗，提高了***效率。

3)为微电网、微网群以及交直流混合微电网的控制提供了新的思路和理念，有利于促进分布式可再生能源的大规模开发和利用。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2孤岛交直流混合微电网的拓扑结构图；

图3微电网传统下垂特性曲线；

图4传统电力***的功频静态特性曲线；

图5交流子微网分段下垂特性曲线；

图6直流子微网分段下垂特性曲线；

图7含二次补偿的交流子微网分段下垂控制；

图8含二次补偿的直流子微网分段下垂控制；

图9互联变换器的控制策略；

图10交直流混合微电网仿真模型；

图11工况一时直流母线电压波形图；

图12工况一时交流频率波形图；

图13工况二时直流母线电压波形图；

图14工况二时交流频率波形图；

图15工况二时从直流子微网流出的功率；

图16工况三时直流母线电压波形；

图17工况三时交流频率波形；

图18工况三时从直流子微网流出的功率波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，如图1所示，包括：

步骤S1：建立各可控型分布式电源的下垂控制模型；

步骤S2：建立交、直流子微网的所有可控型分布式电源的组合下垂控制模型；

步骤S3：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率，并得到交、直流子微网的分段下垂控制模型，步骤S3包括：

步骤S31：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率；

步骤S31具体为：根据交、直流子微网可控型分布式电源容量的大小，分别设计相应的交流子微网虚拟最大输出功率P′_amax，虚拟备用容量：ΔP_ac，和直流子微网虚拟最大输出功率P′_dmax，虚拟备用容量ΔP_dc。

虚拟备用容量具体为：

ΔP_ac＝P_amax-P′_amax

其中：P_amax为交流子微网的实际最大输出功率，

虚拟备用容量具体为：

ΔP_dc＝P_dmax-P′_dmax

其中：P_dmax为直流子微网的实际最大输出功率。

步骤S32：得到交、直流子微网的分段下垂控制模型，具体为：在交、直流子微网的虚拟最大输出功率处设计下垂控制分段点，得到***的分段下垂控制模型。

步骤S4：设计交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型，具体为：基于得到的分段下垂控制模型，在第Ⅰ段下垂控制中引入交流频率和直流电压的二次补偿控制，确定交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型分别如下：

M₁＝(f_min-f_max)/P′_amax

M₂＝(f_min-f^*)/(P_amax-P′_amax)

其中，f为交流***频率，f_min、f_max分别为交流子网频率允许的最小、最大值，f^*表示交流子微网的额定频率，P_ac表示交流子微网可控型分布式电源整体对外输出的有功功率；直流电压二次补偿控制信号：

k_pV、k_iV为二次补偿控制参数，V_dc表示直流侧母线电压，

分别为直流子网电压允许的最小、最大值，

表示直流子微网的额定母线电压，P_dc表示直流子微网内可控型分布式电源整体对外输出的功率。

步骤S5：对交流频率和直流电压进行归一化处理，并确定交、直流子微网间的交换功率以进行控制，其中，交流频率和直流电压的归一化公式如下：

其中：ζ为归一化处理前的值，(ζ)′表示ζ归一化处理后的值，其取值范围为[-1,0]，ζ^*、ζ_min分别表示ζ的额定值和最小值。

(1)传统下垂控制原理

图2为孤岛交直流混合微电网的拓扑结构图，为实现各可控型分布式电源(controllable distributed generator，CDG)之间输出功率按其额定功率分配，下垂控制已经被广泛的运用于交流、直流微电网。其中，交流子微网的P-f、直流子微网的P-v表达式如下：

式中，P_{ac_x}、P_{dc_y}分别为第x个交流可控源和第y个直流可控源的输出功率；f、V_{dc_y}分别为交流***频率和第y个直流可控源的末端电压；m_x、d_y分别为第x个交流可控源和第y个直流可控源的下垂系数；f_min、f_max和

分别为交流子网频率允许的最小、最大值和直流子网电压允许的最小、最大值；

分别为第x个交流可控源和第y个直流可控源的最大输出功率。

考虑直流子网内各分布式电源线路阻抗不同给直流源有功功率分配带来的不利影响，运用如下的改进直流电压下垂控制策略：

式中，i_{dc_y}、Z_{dc_y}分别为第y个直流可控源的输出电流和输出线路电阻。

利用各可控型分布式电源的下垂特性，建立交、直流子微网所有可控型分布式电源的组合下垂控制模型如下：

式中，M、D分别为交流子微网、直流子微网内可控型分布式电源的组合下垂系数。交流、直流子网的组合下垂特性如图3所示，其中f^*、

分别表示交流子微网的额定频率和直流子微网的额定母线电压。

(2)带二次补偿的分段下垂控制

基于传统电力***中发电机的功频静态特性，提出一种分段下垂控制策略，模拟出传统发电机中备用容量对***有功功率调节的影响。由图4可知，当发电机输出功率在区间[0,P_GN)时，由于发电机存在备用容量，P-f呈一次线型下垂关系；当发电机输出功率达到其输出上限P_GN时，发电机输出功率恒定，无备用容量，负荷增加所引起的***频率下降就相当严重了。因此传统电力***中有功功率备用容量有如下的两个作用：1)为给定范围内的负荷波动提供有功补偿；2)当***中负荷增加过多，导致有功功率备用不足时，***频率会随负荷波动而快速变化，而快速变化的频率可以成为***有功出力不足的指示和参考信号。

将传统电力***的功频静态特性运用到基于下垂控制的可控微源中，提出交流子微网“虚拟备用容量”的概念，可得交流子微网的下垂控制具有分段的特点，特性曲线如图5所示。其中P′_amax为交流子微网的“虚拟最大输出功率”，P_amax为交流子微网的实际最大输出功率，ΔP_ac＝P_amax-P′_amax为交流子微网的“虚拟备用容量”。

为了克服传统下垂控制给***稳态性能带来的不利影响，本申请提出在子微网输出功率为[0,P′_amax]区间时，运用二次补偿控制实现***频率的无差调节；当输出功率在(P′_amax,P_amax]区间时，通过互联变换器实现交、直流微电网的相互支撑，互为备用。含二次补偿控制的交流子微网的分段下垂控制如图7所示。

交流子微网中含二次补偿的分段下垂控制可以用下式表示：

δf＝k_pf(f^*-f)+k_if∫(f^*-f)dt

式中，M₁＝(f_min-f_max)/P′_amax，M₂＝(f_min-f^*)/(P_amax-P′_amax)；

表示交流子微网可控微源整体对外输出的有功功率；δf为频率二次补偿控制信号；k_pf、k_if为二次补偿控制参数。

将发电机的功频特性推广到直流子微网中，可得与交流子微网中相似的下垂特性。直流子微网中的含二次补偿控制的分段下垂如图8所示，其中，P′_dmax为直流子微网的“虚拟最大输出功率”，P_dmax为直流子微网的实际最大输出功率，ΔP_dc＝P_dmax-P′_dmax为直流子微网的“虚拟备用容量”。

直流子微网中含二次补偿的分段下垂控制可用下式表示：

式中，

表示直流子微网内可控微源整体对外输出的功率；

δV_dc为电压二次补偿控制信号；k_pV、k_iV为二次补偿控制参数。

(3)交直流子微网间的协调控制

基于交流、直流子微网的分段下垂控制策略，提出在输出功率达到子微网的虚拟最大输出功率时通过互联变换器实现功率的相互支撑。交流频率和直流电压的归一化公式如下：

式中，ζ为f或者V_dc；(ζ)′表示ζ归一化处理值，其取值范围为[-1,0]；ζ^*、ζ_min分别表示ζ的额定值和最小值。

由上述分析可知，输出功率在[0,P'_max]区间时(P′_max为P′_amax或者P′_dmax)，子微网通过各可控型分布式电源的二次补偿控制实现***的无差调节，因此(ζ)′恒为0；当输出功率在(P'_max,P_max]区间时(P_max为P_amax或者P_dmax)，由各子微网的下垂特性可得(ζ)′取值范围为[-1,0)，互联变换器通过采集本地信号感知子微网状态变化，进而实现互联功率传输控制。

为了充分利用各子微网自治运行的特性，同时充分发挥交流、直流子微网间的互动支撑的效果，本申请提出交直流混合微电网“自治协调”的运行原则，并分析出互联变换器功率交换的基本要求：

1)当各子微网的输出功率都在虚拟最大输出功率以内时，子微网通过带二次补偿的下垂控制实现***的自治无差运行。同时应该满足当输出功率在虚拟最大输出功率内波动时，互联变换器的交换功率恒为0。

2)当某子微网的输出功率超过其虚拟最大输出功率，而混合微电网输出总容量没有超出***的虚拟最大输出功率之和时，需通过互联变换器进行功率互动，实现整个***的无差协调运行。

3)当***的输出功率超过混合微电网的虚拟最大输出功率之和时，整个***运行于第Ⅱ段下垂控制阶段，通过互联变换器实现功率的相互支撑。但这种运行状态会给***带来稳态偏差，应当在***容量设计时予以考虑，并加以避免。

假设互联变换器的交换功率从直流子微网传输到交流子微网为正，则交换功率P的表达式为：

由互联变换器的功率交换基本要求可设计如下的功率交换管理规则，

A：|(ζ_τ)′|＞ζ_g

B：|P|＞P_g

式中，(ζ_τ)′表示发生功率波动后经过时间τ后的(ζ)′值；ζ_g和P_g为接近0的正常数，分别表征稳态时(ζ)′的正常波动和互联变换器的功率损耗。

则带传输功率管理的交换功率P的表达式如下：

式中，∪、∩分别表示逻辑或、逻辑与。

(4)工况分析

为了验证本申请所提控制策略的可行性，在MATLAB/SIMULINK仿真平台中搭建如图10所示的交直流混合微电网的仿真模型。

针对交直流混合微电网的不同运行工况进行仿真验证，主要包括三个工况。工况1研究各子微网在其虚拟最大输出功率内发生功率波动时，通过二次补偿控制实现子微网的自治无差运行。工况2验证子微网间互动协调性能。工况3通过一系列负荷的投切验证本策略在复杂情况下的优化效果。本仿真与改进前进行对比，其中交流、直流子微网的参数相同，具体参数如表1所示。

表1***的仿真参数

工况1：

为了验证各子微网的输出功率在其虚拟最大输出功率内波动时，各子微网能够通过对可控微源的二次补偿控制实现自治无差运行，设计了如下工况。

***稳定运行至1s时，交流子微网负荷突然从2.8kW增加至3.3kW；2s时直流子微网的负荷从2.33kW增至2.78kW；运行至3s时，交流子微网负荷突然从3.3kW降低至2.8kW；4s时交流子微网增加有功需求0.4kW、无功功率需求从0kVar增加至1kVar，直流子微网输出功率降至2.41kW。直流子微网的母线电压和交流子微网的电压频率波形如图11和图12所示。

由仿真结果对比分析可知，1)1s和3s时交流子微网的负荷波动，导致其频率波动，但本申请所提控制策略能够快速实现频率的二次补偿，达到***无差运行状态；同时，交流子微网的功率波动没有对直流电压产生影响，说明此时交、直流子微网之间没有功率流动，各微网能够实现自治无差运行。2)2s时，本策略能够实现直流子微网负荷突变时的自治无差运行。3)当交流子微网无功需求波动时，本策略能够实现其电压的无差控制。

综上，当各子微网的输出功率在其备用容量内波动时，本申请所提控制策略能够实现子微网的自治无差运行，有利于发挥各子微网的优势，同时提高了电能质量。

工况2：

为了验证本申请所提策略在混合微电网协调运行时对交、直流子微网的功率支撑效果，设计如下工况。

1s时，交流子微网负荷由3kW增加至4.5kW；2.5s时，交流子微网负荷功率再增加1kW；3.5s时，切除1kW的交流负荷。直流子微网的负荷恒为2.41kW。仿真波形如图13至图15所示。

由图13至图15对比可知，1)当交流子微网在2.5s时输出功率超出其虚拟最大输出功率时，直流子微网可以对其进行功率支撑，通过互动协调实现***的无差调节。2)1s时，交流子微网负荷突然增加，但输出功率在其虚拟最大输出功率内，通过子微网的二次补偿控制可以实现***的自治无差运行，但现有技术需要交、直流子微网间的功率交换。同时通过图15可知，本申请所提控制策略可以减少交直流子微网间的功率交换，有利于减少线路的功率损耗。

由以上仿真分析可知，本申请所提控制策略既具有较好的互动协调效果，同时能够充分发挥各子微网的自治调节性能，减小了相互之间的功率流动。

工况3：

通过一系列功率波动验证本策略在应对复杂***情况时的可行性。工况设计为：1s时交流子微网负荷从3kW增加至4kW，直流子微网的负荷保持2.41kW不变；2s时直流负荷增加至4.81kW；3s时交流子微网切除1kW负荷；4s时直流负荷降至2.41kW。直流母线电压、交流频率以及从直流子微网侧流出的功率波形分别如图16至图18所示。

由此工况的仿真结果可以看出，无论混合微电网中交流子微网负荷如何波动(如：1s和3s时)还是直流子微网的输出功率波动(如：2s和4s时)***通过“自治协调”都可以运行在无差运行状态，提高了***的电能质量。同时相较现有技术，本申请所提控制策略降低了交直流子微网之间的交换功率。

Claims (4)

1.一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1：建立各可控型分布式电源的下垂控制模型；

步骤S2：建立交、直流子微网的所有可控型分布式电源的组合下垂控制模型；

步骤S3：确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率，并得到交、直流子微网的分段下垂控制模型；

步骤S4：设计交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型；

步骤S5：对交流频率和直流电压进行归一化处理，并确定交、直流子微网间的交换功率以进行控制；

所述步骤S3中得到交、直流子微网的分段下垂控制模型的过程具体为：在交、直流子微网的虚拟最大输出功率处设计下垂控制分段点，得到***的分段下垂控制模型；

所述步骤S4具体为：基于得到的分段下垂控制模型，在第Ⅰ段下垂控制中引入交流频率和直流电压的二次补偿控制，确定交、直流子微网含二次补偿控制的分段下垂控制模型分别如下：

M₁＝(f_min-f_max)/P′_amax

M₂＝(f_min-f^*)/(P_amax-P′_amax)

其中，f为交流***频率，f_min、f_max分别为交流子网频率允许的最小、最大值，f^*表示交流子微网的额定频率，P_ac表示交流子微网可控型分布式电源整体对外输出的有功功率；直流电压二次补偿控制信号：

k_pV、k_iV为二次补偿控制参数，V_dc表示直流侧母线电压，

分别为直流子网电压允许的最小、最大值，

表示直流子微网的额定母线电压，P_dc表示直流子微网内可控型分布式电源整体对外输出的功率。

2.根据权利要求1所述的一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，其特征在于，所述步骤S3中确定交、直流子微网的虚拟备用容量和虚拟最大输出功率的过程具体为：根据交、直流子微网可控型分布式电源容量的大小，分别设计相应的交流子微网虚拟最大输出功率P'_amax，虚拟备用容量：ΔP_ac，和直流子微网虚拟最大输出功率P'_dmax，虚拟备用容量ΔP_dc。

3.根据权利要求2所述的一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，其特征在于，所述虚拟备用容量具体为：

ΔP_ac＝P_amax-P′_amax

其中：P_amax为交流子微网的实际最大输出功率，

所述虚拟备用容量具体为：

ΔP_dc＝P_dmax-P′_dmax

其中：P_dmax为直流子微网的实际最大输出功率。

4.根据权利要求1所述的一种无通信的交直流混合微电网无差优化控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，交流频率和直流电压的归一化公式如下：

其中：ζ为归一化处理前的值，(ζ)′表示ζ归一化处理后的值，其取值范围为[-1,0]，ζ^*、ζ_min分别表示ζ的额定值和最小值。

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