CN110797873B - 一种可实现功率平滑功能的混合微电网*** - Google Patents

一种可实现功率平滑功能的混合微电网*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现功率平滑功能的混合微电网***，包括：1)主电源：由柴油发电机提供电能，用以控制交流侧频率与电压；2)互联DC‑AC装置：采用三相双向DC‑AC变流器，用以控制直流侧电压；3)交流侧储能***：包括交流侧超级电容或交流侧蓄电池，经过三相双向DC‑AC变流器接入交流母线；4)直流侧储能***：包括直流侧超级电容或直流侧蓄电池，经过Buck/Boost双向DC‑DC变流器接入直流母线。

Description

一种可实现功率平滑功能的混合微电网***
技术领域
本发明属于交直流混合微电网***结构领域，涉及一种可实现功率平滑功能的混合微电网***。
背景技术
交直流混合微电网可有效容纳多种可再生能源，但可再生能源的功率频繁波动与不稳定性，给交直流混合微电网的电压与频率稳定性带来一定的挑战，而配备储能***将会有效的抑制微电网内的波动，降低主电源的出力负担，提高***的稳定性[1]。
储能***如何发挥作用需要通过与其相连的DC-DC或DC-AC的控制来体现，实现储能***动态上对柴发的功率补偿，就需要考虑控制策略的快速动态像响应。微电网中常规下垂控制[2-4]无法为***提供惯性支撑，动态响应较差。而目前针对变流器动态响应的控制方法又大多数单一集中在微电网的交流侧或直流侧。如在交流侧微电网中的变流器应用虚拟电阻 [5]、频率变化率改进的下垂控制[6]或虚拟同步控制(VSG)技术等[7-8]，直流微电网中应用改进的积分下垂控制[9]、虚拟电容下垂控制[10]、基于三端口变流器改进的分频控制[11] 或者直流虚拟惯性控制[12-13]等。这些控制方法在交流微电网或者直流微电网中均可改善电源的动态出力过程或者动态性能。但是，在交直流混合微电网中，如果储能***全部配置在交流侧或直流侧，那么这种集中式的储能完全可以采用上述的某些方法实现对本侧负荷扰动的平抑，减轻柴发的出力负担，但是如果负荷扰动不发生在配置储能的子网侧，那么柴发仍然会面对负荷冲击的风险，所以当交直流两侧都配置储能时，可采用适当的方法将两侧储能***建立相关的联系，无论哪侧发生功率扰动，两侧储能均可对扰动实现动态补偿。
对于分布式配置的储能***，在直流配网与船舶电力***的应用中，文献[14-15]通过建立直流侧虚拟电容动态与交流侧虚拟同步控制方程的关系，引入相关系数将直流电压变化量(或交流频率变化量)传导给交流侧储能(或直流侧储能)，来响应直流侧(或交流侧) 的动态变化，该方法可充分利用两侧储能来应对微电网内的功率波动，增加***的稳定性，但该方法涉及互联通信，会增加***的实施成本，且参数设计过于复杂以及当主电源故障时无法实现平滑切换等。均是以上方法的缺陷。
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发明内容：
本发明的目的是提供一种可实现功率平滑功能的混合微电网***，该***不仅可以利用分布式储能***平滑功率扰动，也可在主电源故障时储能***平滑切换至电源模式，支撑***运行，且以上功能均不依赖通信，增加***的可靠性与稳定性。技术方案如下：
一种可实现功率平滑功能的混合微电网***，包括：
1)主电源：由柴油发电机提供电能，用以控制交流侧频率与电压；2)互联DC-AC装置：采用三相双向DC-AC变流器，用以控制直流侧电压；3)交流侧储能***：包括交流侧超级电容或交流侧蓄电池，经过三相双向DC-AC变流器接入交流母线；4)直流侧储能***：包括直流侧超级电容或直流侧蓄电池，经过Buck/Boost双向DC-DC变流器接入直流母线；
互联DC-AC变流器的控制***：测量交流侧三相电压、电流与直流侧电压、互联DC-AC 直流侧的输出电流，然后对三相电压电流转换为dq轴下的电压ud、uq电流，进而对q轴电压进行锁相，获得锁相频率，再将锁相频率转换为基准频率下的标幺值ωpll，再将测量获得的直流侧电压转换为标幺值udc；以ωpll为参考值对udc做差进入比例积分环节得到d轴电流参考值idref，然后引入前馈控制，即idref加上直流侧输出电流io作为参考值对id进行比例积分控制，进而获得d轴调制电压ed，如下公式所示，kic,up与kic,ui为电压环比例系数与积分系数，kic,ip与kic,ii为电流环比例系数与积分系数，Kf为前馈系数：
交流侧储能***：采用加入惯性环节的下垂控制，如以下公式所示：
式中，PES,ac表示交流侧储能实际输出的有功功率，Pref,ac表示其控制***有功功率设定值； Hac、Dac分别表示虚拟同步控制***有功控制环的惯性系数与下垂系数；ωref,es为储能频率参考值ωset,es表示交流侧储能虚拟同步控制的频率设定值。
直流侧储能***：同样采用加入惯性环节的下垂控制，如以下公式所示：
PES,dc表示直流侧储能实际输出的有功功率，Pref,dc表示其控制***有功功率设定值；Hdc、 Ddc分别表示直流虚拟惯性的惯性系数与下垂系数；uref,es为直流储能电压参考值，uset,dc表示直流侧储能的电压设定值。
本发明的有益效果如下：
1.实现了直流侧电压与交流侧频率的动态一致性。
2.在一致性基础上实现交流侧储能***与直流侧储能***均能在发生负荷扰动(不管功率扰动发生在哪一侧)后对柴油发电机进行暂态的功率支撑，平滑柴油发电机的出力过程，且当***回到稳态时，储能***回到功率设定值；
2.在暂态平滑柴油发电机的出力的过程中，交流侧储能***与直流侧储能***的暂态功率能够按照它们的额定容量大小进行控制器参数调整，实现暂态功率的协调分配；
3.当柴油发电机发生故障时，交流侧储能***与直流侧储能***可以平滑切换至***支撑模式，支撑***的稳定运行，避免***崩溃；
4.上述功能的实现仅依靠各单元就地控制器间的配合，不依赖控制器间的互联通信，实施成本低。
附图说明：
图1本发明***的拓扑结构；
图2柴油发电机的简易模型与互联DC-AC的控制***；
图3交流侧储能***与直流侧储能***的控制框图；
图4柴油发电机正常运行时的PSCAD仿真结果；
图5柴油发电机故障情况下的PSCAD仿真结果。
具体实施方式：
本发明内容所述交直流混合微电网***，直流侧包含直流储能和接入的功率单元(负荷或最大功率追踪的新能源)；交流侧包含柴油发电机、交流侧储能***以及功率单元(负荷或最大功率追踪的新能源)，两侧通过互联DC-AC组成混合微电网，直流侧储能***通过双向 DC-DC变流器接入直流侧母线，交流侧储能***通过双向DC-AC变流器接入交流侧母线，互联DC-AC装置采用双向DC-AC变流器，功率单元根据其负荷性质或发电形式接入各自母线。整个***结构如图1所示，各单元的控制***如图2，图3所示。
这种一种可实现功率平滑功能的混合微电网***，它包括：
柴油发电机：本身为无差调频控制。其控制特性如附图2(a)所示，Rp为柴发的下垂系数，T为其积分环节的时间常数，G0(s)为柴油发电机内部等效传递函数，Tm与Te分别表示输入转矩与电磁转矩，Hdg为柴油发电机的惯性系数，Ddg为损耗系数，在***达到稳态时满足：
ωac＝ωref,dg (1)
式中，ωac为交流母线的频率，ωref,dg为柴油发电机的频率参考值。
交流侧储能***；配置加入惯性环节的下垂控制，其控制框图如图3(a)所示。工作特性表示为公式(2)。通过就地测量得到储能***的实际输出功率PES,ac，经过外环下垂控制器，得到频率参考值ωref,es，再将ωref,es转换为实际频率进行积分，得到相位参考θ。
PES,ac表示交流侧储能实际输出的有功功率，Pref,ac表示其控制***有功功率设定值；Hac、 Dac分别表示虚拟同步控制***有功控制环的惯性系数与下垂系数；ωref,es为储能频率参考值ωset,es表示交流侧储能虚拟同步控制的频率设定值。
直流侧储能***：配置加入惯性环节的下垂控制，功能同交流侧储能***类似，其控制框图如图3(b)所示，工作特性表示为公式(3)。
PES,dc表示直流侧储能实际输出的有功功率，Pref,dc表示其控制***有功功率设定值；Hdc、 Ddc分别表示直流虚拟惯性的惯性系数与下垂系数；uref,es为直流储能电压参考值，uset,dc表示直流侧储能的电压设定值。
同样是就地测量输出的功率，然后经过加入惯性环节的下垂控制器得到电压参考uref,es，该电压参考值进入电压电流双环控制结构，通过以下公式转换为直流储能变流器的调制信号 ds，进而改变电流变化，改变功率输出：
ds＝[(uref,es-udc)(kpu+kiu/s)-iLs,es](kpi+kii/s) (4)
式中kpu与kiu为直流DC-DC电压环比例系数与积分系数，iLs,es为直流储能变流器电感电流，kpi与kii为电流环比例系数与积分系数。
互联DC-AC控制器：其控制器结构如图2(b)所示。测量交流侧的三相电压、三相电流、直流侧电压与DC-AC流向直流侧的输出电流，将三相电压、电流经过abc/dq变换转换为d下电压ud、电流id，q轴下的电压uq、电流iq；uq进入锁相环节，得到锁相频率，然后将锁相频率转换为对应的标幺值ωpll；将直流侧电压转换为对应的标幺值udc；以ωpll为参考值对 udc做差进入比例积分环节得到d轴电流参考值idref，然后引入前馈控制，即idref加上直流侧输出电流io作为参考值对id进行比例积分控制，进而获得d轴调制电压，如下公式(5)所示，kic,up与kic,ui为电压环比例系数与积分系数，kic,ip与kic,ii为电流环比例系数与积分系数：
式中，ωpll表示互联DC-AC通过对交流侧q轴电压锁相获得的频率标幺值，udc为直流母线电压标幺值，idref、id与Δid分别表示d轴电流参考值，d轴实际电流和d轴电流环PI控制输入值(即d轴电流偏差)；i0为DC-AC直流侧输出电流，Kf为前馈系数
进而通过内部电流环可以得到互联DC-AC的d轴电压调制信号：
ed＝ud+idωL+Δid(kic,ip+kic,ii/s) (3)
上式中ed为d轴电压调制信号，ud为实际d轴电压，ωL为DC-AC与交流母线之间的线路电抗，kic,ip与kic,ii为电流环的比例系数与积分系数。
得到该调制信号ed，同理按照控制器也可得到q轴的电压调制信号eq，二者再经过变换转换为三相调制信号，进而控制互联DC-AC变流器的运行。
通过以上各控制器的配置，***此时各电气量之间的稳态关系满足：
udc＝ωpll＝ωac＝ωref,dg (4)
并且，在暂态上满足：
Δudc≈Δωpll≈Δωac (5)
此时交流储能***与直流储能***的控制器便可等效地响应任一功率扰动，并可通过参数H(Hac或Hdc)、D(Dac或Ddc)的调整来改变其暂态功率响应效果及大小。
在PSCAD/EMTDC软件中搭建图1所示的***仿真模型，对本发明的控制器及其配合进行仿真验证，***的基础参数如表1所示。
表1***基础参数
以储能额定容量比PES,dcB:PES,acB＝1:1为例，选取Ddc＝Dac＝40，Hdc＝Hac＝1来验证本发明的可行性。
当柴油发电机正常运行时，假如此时Pref,dc与Pref,ac均为0。
在t＝0～40s期间，***在交流侧存在50kW的负荷，整个***正常运行，储能工作在功率调度模式，有功出力均为0。
在t＝40s时刻，直流侧功率单元投入100kW的负荷，由图4(b)可以看出，两侧储能均可对该扰动进行暂态功率支撑，且暂态功率分配满足1:1的关系，达到减轻柴油发电机的出力负担的目的，当***重新达到稳态时，两侧储能的有功功率回到功率设定值。
在t＝65s时刻，交流侧投入100kW的负荷，同直流侧一样，两侧储能均在此时按额定功率比提供暂态功率支撑，最终回到功率设定值。
在整个过程中，通过互联装置的控制，直流侧电压与交流频率的动态与稳态值均保持一致，近似相等。
当柴油发电机故障时，假如此时Pref,dc与Pref,ac为0.4pu。
在t＝0～30s内，***在交流侧存在100kW的负荷，整个***正常运行。
在t＝30s时刻，柴油发电机由于故障退出运行，如图5(b)(c)所示，此时在无通信无控制策略改变情况下***切换至支撑模式，由两储能按额定功率比分配负荷扰动，且频率与电压将不再保持在1pu下，会随负荷波动而改变。
在t＝50s时刻，直流侧功率单元投入50kW的负荷，由图5(b)可以看出，两侧储能对负荷扰动响应，维持***稳定，且稳态功率变化满足1:1的额定功率比的关系。
在t＝70s时刻，交流侧投入50kW的负荷，此时两侧储能稳态出力仍可满足其额定功率比例分配，维持***内的功率平衡。

Claims (2)

1.一种可实现功率平滑功能的混合微电网***，包括：
1)主电源：由柴油发电机提供电能，用以控制交流侧频率与电压；2)互联DC-AC装置：采用三相双向DC-AC变流器，用以控制直流侧电压；3)交流侧储能***：包括交流侧超级电容或交流侧蓄电池，经过三相双向DC-AC变流器接入交流母线；4)直流侧储能***：包括直流侧超级电容或直流侧蓄电池，经过Buck/Boost双向DC-DC变流器接入直流母线；
互联DC-AC变流器的控制***：测量交流侧三相电压、电流与直流侧电压、互联DC-AC直流侧的输出电流，然后对三相电压电流转换为dq轴下的电压ud、uq电流，进而对q轴电压进行锁相，获得锁相频率，再将锁相频率转换为基准频率下的标幺值ωpll，再将测量获得的直流侧电压转换为标幺值udc；以ωpll为参考值对udc做差进入比例积分环节得到d轴电流参考值idref，然后引入前馈控制，即idref加上直流侧输出电流io作为参考值对id进行比例积分控制，进而获得d轴调制电压ed，如下公式所示，kic,up与kic,ui为电压环比例系数与积分系数，kic,ip与kic,ii为电流环比例系数与积分系数，Kf为前馈系数：
交流侧储能***：采用加入惯性环节的下垂控制，如以下公式所示：
式中，PES,ac表示交流侧储能实际输出的有功功率，Pref,ac表示其控制***有功功率设定值；Hac、Dac分别表示虚拟同步控制***有功控制环的惯性系数与下垂系数；ωref,es为储能频率参考值ωset,es表示交流侧储能虚拟同步控制的频率设定值；
直流侧储能***：同样采用加入惯性环节的下垂控制，如以下公式所示：
PES,dc表示直流侧储能实际输出的有功功率，Pref,dc表示其控制***有功功率设定值；Hdc、Ddc分别表示直流虚拟惯性的惯性系数与下垂系数；uref,es为直流储能电压参考值，uset,dc表示直流侧储能的电压设定值。
2.根据权利要求1所述的可实现功率平滑功能的混合微电网***，其特征在于：交流侧基准频率为50Hz，电压等级为380V，直流侧电压等级为750V。
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