CN114447934B - 一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法及*** - Google Patents

一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法及***，本发明统一交直流子网的不同控制变量，对不同额定功率的交直流电源采用了标幺化化方法，且在直流子网中利用分布式通讯网络，在交流子网中采用分散式的下垂控制，加入积分下垂项，实现了功率均分和功率约束。结合互联变换器采用的自适应下垂控制，使其具有电网支撑能力，提高功率分配精度，同时避免变换器的输出功率超过功率限额，解决了现有互联逆变器采用电流控制模式在大的负荷扰动或微电网内阻抗较大的情况下会失去稳定的问题。

Description

一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法及***
技术领域
本发明涉及交直流混合微电网技术领域，更具体地，涉及一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法即***。
背景技术
近年来，直流特性的可再生能源和负荷迅速增加。例如光伏板、储能电池等分布式电源有望取代传统的化石燃料。同时，LED等直流负载的使用也越发广泛。另一方面，交流配电网目前仍占据配电网的主导地位，一些交流微电网也已经投入运行。此外，在并网模式下，也还需要以交流微电网为媒介。因此，采用交直流混合微电网是实现各种交直流源和负载一体化的有效解决方案。
如CN202110856862.4交直流混合微网功率协调控制方法及装置公开在确定交直流混合微电网中直流子网与交流子网当前存在功率传输补偿需求的情况下，会将对应互联组件的运行模式设为工作模式，并计算该互联组件当前在交直流子网间的功率传输总值，而后根据互联组件下各目标互联变流器的额定传输功率值，从功率传输总值中为各目标互联变流器按比例分配匹配的目标传输功率，并控制各目标互联变流器在工作模式下按照分配到的目标传输功率进行功率传输补偿作业，从而在确保交直流子网间功率协调的同时，达到多个互联变流器间功率传输协调效果，并降低环流对交直流混合微电网的影响。其中，交流发电机和负载安装在交流子网，直流电源和直流负载接在直流子网，两种子电网通过互联变换器连接起来，互联变换器的主要目的是控制直交流子网之间的潮流，实现它们的全局功率均分。然而，直流微电网的线路阻抗不匹配会降低功率均分精度，同时互联逆变器采用电流控制模式，电流控制策略不具备电网支撑能力，在微电网中，由于各部分子网的容量较小且灵活性高，通常微电网的内阻抗较大，在出现负荷波动和线路切换下或在大的负荷扰动或微电网内阻抗较大的情况下，会出现***不稳定情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对交直流混合微电网中在负荷扰动或微电网内阻抗较大的情况下稳定性差的不足，提供一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法。
本发明要解决的另一技术问题是提供考虑功率约束的交直流混合微网控制***。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，步骤包括：
S1.建立并网和离网模式的切换的交直流混合微电网；
S2.在离网模式下，各部分子网需要独自支撑母线的电压和频率，储能电池的输出功率受荷电状态因素影响，确定储能电池的输出功率表达式为：
式中，是储能电池的额定输出功率，/>为SOC(荷电状态)正常情况下的额定输出功率，SOCde是储能电池开始以指数衰减函数降低其输出功率的阈值点，kS为输出功率的衰减系数；
S3.通过标幺化下的比例积分下垂控制，利用频率控制对储能电池的进行功率约束，实现储能电源的功率限制，交流子网的控制表达式如下所示：
Vi.pu＝1-nQi.pu
式中，mp、mi分别为储能电池的交流有功PI下垂系数，s是频域中的复变量，Pi.pu是第i个储能电池输出有功功率的标幺化值，n是储能电池的无功功率下垂系数，Qi.pu是第i个储能电池输出无功功率的标幺化值；
S4.采用分布式通讯网络结构，将储能电池的下垂输出电压构造成为直流子网的公共变量，直流子网的分布式控制的表达式为：
Vdci.pu＝1-k(Pi.pu-1)+δV
式中，Vdci.pu和Pi.pu为第i个直流子网的储能电池的输出电压和输出功率的标幺值，k为P-V下垂系数，δV为在P-V下垂控制中的分布式控制项，ENi为使能信号，kp2是直流分布式功率均分控制器的功率均分参数，ki2是直流分布式功率均分控制器的控制参数，kp3是直流分布式功率约束控制器的功率约束系数，k,i3是直流分布式功率约束控制器的控制参数，s为频域复变量，代表使能信号的取反值；
S5.互联变换器采用自适应下垂控制，使其具有电网支撑能力，提高***的稳定性，其互联变换器的具体控制表达式为：
ωic＝ω*-mp(Pic-1)+δω
其中，kp5,ki5分别是互联变换器自适应下垂控制的比例、积分系数，ω*是***频率的额定值。mp交流子网的比例调节系数，Pic为互联变换器的有功功率，δω表示频率附加项，Vdc,pu表示直流子网直流电压的标幺值，λ为标幺化比例系数，fpu表示***频率的标幺值；
S6.在稳态运行下，直流子网和交流子网的电压频率标幺值相同，交直流子网的功率水平一致，实现了混合微电网的全局功率均分。
进一步地，下垂控制是微电网实现微源功率均分的经典控制方法，下垂控制的表达式为：
ωi＝ω*-mp(Pi-Pi *)
Vi＝V*-nQi
式中，m、n分别为储能电池的有功和无功下垂系数，ωi和ω*为第i个储能电池的输出频率和额定频率，Vi和V*为第i个储能电池的输出电压和额定电压，Pi和Qi为第i个储能电池的输出有功和无功功率。
进一步地，不同荷电状态的储能电池有不同的额定输出功率，同时交流子网和直流子网也需要通过标幺化来进行协调，标幺化的计算表达式为：
其中x为ω,V,P,Q
式中，xreal为***的变量实名值，x*为***的变量额定值。
进一步地，当Pi.pu超过归一化功率1时，积分下垂控制被激活，使能信号ENi从0转向1，通过积分下垂控制，可以实现储能电源的功率限制。
进一步地，分布式通讯网络结构为双向稀疏的低带宽通讯网络结构，具有足够的冗余性，能避免***出现单点通讯故障而造成***不稳定。
进一步地，当储能输出功率大于标幺额定值1时，使能信号ENi由1变为0，进入功率约束模式。当储能输出功率在正常范围内，直流储能电源间实现精确的功率均分；当储能达到功率限额时，无缝切换到功率限制模式，使其输出功率被控制在限额值。
根据上述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法提供交直流混合微网控制***，其特征在于，包括交流子网、交流母线、直流子网、直流母线和互联变流器，交流子网与交流母线连接，直流子网与直流母线连接，交流母线和直流母线通过互联变流器连接。
进一步地，直流子网包括光伏板、储能电池的一种或多种；所述交流子网包括风力发电机、燃油发电机、大电网和储能电池的一种或多种。
进一步地，所述交直流混合微电网中交流母线通过静态开关连接到大电网，实现并网和离网模式的切换。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明提出了一种考虑功率限制的交直流混合微电网的控制策略，为了简化控制方案的设计，并统一交直流子网的不同控制变量，对不同额定功率的交直流电源采用了标幺化化方法。分布式通讯网络仅用在直流子网中来共享相邻节点的功率信息，以实现精确的功率均分和功率约束。交流微电网采用分散式的下垂控制，加入积分下垂项，实现了功率均分和功率约束。互联变换器采用自适应的下垂控制，使其具有电网支撑能力，提高了***的稳定性。
附图说明
图1是混合微电网的结构示意图；
图2是SOC的输出功率函数；
图3是交流子网的PI下垂控制；
图4是分布式通讯网络结构；
图5是互联变换器的控制框图；
图6是孤岛混合微电网的电路模型图；
图7是自适应下垂控制下的功率和频率波形图；
图8是电流控制下的功率和频率波形图；
图9是ILC输出电流的FFT分析图，其中(a)为下垂控制型，(b)为电流控制型；
图10是交直流储能输出功率的实验波形图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。若未特别指明，实施例中所用的方法和设备为本领常规方法和设备。
实施例1
本实施例提供考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，步骤包括：
S1.建立并网和离网模式的切换的交直流混合微电网。
在并网模式下，静态开关闭合，大电网为交流母线提高电压和频率支撑，互联逆变器采用电压控制模式稳定直流母线的电压。在离网模式下，各部分子网需要独自支撑母线的电压和频率，由于缺乏大电网的支撑，需要依靠微源间的协调控制来维持***频率和电压稳定。因此在离网模式下，需要考虑直流子网和交流子网中储能电池的功率限制问题。
S2.在离网模式下，储能电池的输出功率受荷电状态(SOC)等因素影响，其输出功率表达式为：
式中，Pi *是储能电池的额定输出功率，为SOC(荷电状态)正常情况下的额定输出功率，SOCde是储能电池开始以指数衰减函数降低其输出功率的阈值点，kS为输出功率的衰减系数。
S3.下垂控制是微电网实现微源功率均分的经典控制方法，下垂控制的表达式为：
ωi＝ω*-mp(Pi-Pi *) (2)
Vi＝V*-nQi (3)
式中，m、n分别为储能电池的有功和无功下垂系数，ωi和ω*为第i个储能电池的输出频率和额定频率，Vi和V*为第i个储能电池的输出电压和额定电压，Pi和Qi为第i个储能电池的输出有功和无功功率。
不同荷电状态的储能电池有不同的额定输出功率，同时交流子网和直流子网也需要通过标幺化来进行协调，标幺化的计算表达式为：
式中，xreal为***的变量实名值，x*为***的变量额定值。
通过标幺化下的比例积分下垂控制，利用频率控制对储能电池的进行功率约束，交流子网的控制表达式如下所示：
Vi.pu＝1-nQi.pu (6)
式中，mp、mi分别为储能电池的交流有功PI下垂系数，s是频域中的复变量，Pi.pu是第i个储能电池输出有功功率的标幺化值，n是储能电池的无功功率下垂系数，Qi.pu是第i个储能电池输出无功功率的标幺化值。
当Pi.pu超过归一化功率1时，积分下垂控制被激活，使能信号ENi从0转向1，通过积分下垂控制，可以实现储能电源的功率限制。
S4.由于直流微电网中的电压不是***的公共变量，下垂控制在线路阻抗不匹配的条件下无法实现精确的功率均分制。此外，储能电池的功率限制也无法依靠分散式控制实现。
本发明采用分布式通讯网络结构，基于环形通讯网络拓扑，将储能电池的下垂输出电压构造成为直流子网的公共变量，直流子网的分布式控制的表达式为：
Vdci.pu＝1-k(Pi.pu-1)+δV (7)
式中，Vdci.pu和Pi.pu为第i个直流子网的储能电池的输出电压和输出功率的标幺值，k为P-V下垂系数，δV为在P-V下垂控制中的分布式控制项，ENi为使能信号，kp2是直流分布式功率均分控制器的功率均分参数，ki2是直流分布式功率均分控制器的控制参数，kp3是直流分布式功率约束控制器的功率约束系数，k,i3是直流分布式功率约束控制器的控制参数，s为频域复变量，代表使能信号的取反值。
分布式控制包括功率均分项和功率限制项，同时设置了使能信号ENi，当储能输出功率大于标幺额定值1时，使能信号ENi由1变为0，进入功率约束模式。当储能输出功率在正常范围内，直流储能电源间实现精确的功率均分；当储能达到功率限额时，无缝切换到功率限制模式，使其输出功率被控制在限额值。
S5.互联变换器采用自适应下垂控制，使其具有电网支撑能力，其互联变换器的具体控制表达式为：
ωic＝ω*-mp(Pic-1)+δω (10)
其中，kp5,ki5分别是互联变换器自适应下垂控制的比例、积分系数，ω*是***频率的额定值。mp交流子网的比例调节系数，Pic为互联变换器的有功功率，δω表示频率附加项，Vdc,pu表示直流子网直流电压的标幺值，λ为标幺化比例系数，fpu表示***频率的标幺值。
S6.在稳态运行下，直流子网和交流子网的电压频率标幺值相同，交直流子网的功率水平一致，实现了混合微电网的全局功率均分。
实施例2
如图1，本实施例提供考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制***，包括交流子网、交流母线、直流子网、直流母线和互联变流器，交流子网与交流母线连接，直流子网与直流母线连接，交流母线和直流母线通过互联变流器连接。直流子网包括光伏板、储能电池的一种或多种。所述交流子网包括风力发电机、燃油发电机、大电网和储能电池的一种或多种，其中交流母线通过静态开关连接到大电网，实现并网和离网模式的切换。
在并网模式下，静态开关闭合，大电网为交流母线提高电压和频率支撑，互联逆变器采用电压控制模式稳定直流母线的电压。
在离网模式下，各部分子网需要独自支撑母线的电压和频率。光伏板等可再生能源被控制为最大功率点跟踪模式，储能电池采用下垂控制来均分负荷功率和支撑子网。在离网模式下，由于缺乏大电网的支撑，需要依靠微源间的协调控制来维持***频率和电压稳定。
实施例3
本实施例基于Matlab/Simulink的仿真模型验证所述混合微电网控制方法的有效性。
如图6，仿真的混合微电网含有4个储能电源构成的直流子网，4个储能电源的三相交流子网和1个互联变换器，1号储能的SOC值较小，其额定功率仅为其他3个储能的1/2，互联变换器的并网阻抗Lic较大，电路模型如图6所示，***参数和控制参数如表1所示：
表1混合微电网及控制器参数
结果如图7～8所示，仿真过程包括每隔4秒发生一次负载扰动，第一次是直流子网的负荷增加，***在短暂的暂态后，交直流子网恢复了全局功率均分。在8s时，交流负荷突增，交直流侧的1号储能均达到功率上限，并维持1500W的限额功率，其他的2-4号储能均分负荷功率。在12s时，交流负荷减小，1号储能退出功率控制模式，和2-4号储能一起按比例均分负荷功率。在16s时，直流子网减载，交流子网的储能电源依然能实现全局均分，验证了该策略的有效性。
如图9所示，电流控制具有更快的响应，暂态性能更好，但是功率和频率存在畸变和波动。在微电网***中，由于各子网的输出阻抗和互联变换器的连接阻抗较大，采用电流控制的互联逆变器会导致交直流电流畸变严重，严重时会危害***的稳定性。下垂控制的电压型互联变换器能有效地减小输出电流畸变，提高了***的稳定性。
实施例4
本实施例在OPAL-RT(OP4510)实时仿真机中搭建了硬件在环的实验验证所提出的混合微电网控制方法的有效性。
采用图10所示的实验模式，实验包含交直流子网的负荷增加和减载，在不同的***扰动下，均实现了混合微电网的全局功率均分。同时，由于储能电源的SOC不同，功率限额不同，采用本文所提出的双模式控制策略，储能电源可以无缝切换为下垂控制或者功率控制模式，提高了***的稳定性和灵活性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，步骤包括：
S1.建立并网和离网模式的切换的交直流混合微电网；
S2.在离网模式下，各部分子网需要独自支撑母线的电压和频率，储能电池的输出功率受荷电状态因素影响，确定储能电池的输出功率表达式为：
式中，是储能电池的额定输出功率，/>为荷电状态SOC正常情况下的额定输出功率，SOC de是储能电池开始以指数衰减函数降低其输出功率的阈值点，k S为输出功率的衰减系数；
S3.通过标幺化下的比例积分下垂控制，利用频率控制对储能电池的进行功率约束，实现储能电源的功率限制，交流子网的控制表达式如下所示：
式中，m p、m i分别为储能电池的交流有功PI下垂系数，S是频域中的复变量，P i.pu是第i个储能电池输出有功功率的标幺化值，n是储能电池的无功功率下垂系数，Q i.pu是第i个储能电池输出无功功率的标幺化值；
S4.采用分布式通讯网络结构，将储能电池的下垂输出电压构造成为直流子网的公共变量，直流子网的分布式控制的表达式为：
式中，V dci.pu和P i.pu为第i个直流子网的储能电池的输出电压和输出功率的标幺值，k为P-V下垂系数，为在P-V下垂控制中的分布式控制项，EN i为使能信号，k p2是直流分布式功率均分控制器的功率均分参数，k i2是直流分布式功率均分控制器的控制参数，k p3是直流分布式功率约束控制器的功率约束系数，k ,i3是直流分布式功率约束控制器的控制参数，s为频域复变量，/>代表使能信号的取反值；
S5.互联变换器采用自适应下垂控制，使其具有电网支撑能力，提高***的稳定性，其互联变换器的具体控制表达式为：
其中，k p5,k i5分别是互联变换器自适应下垂控制的比例、积分系数，ω*是***频率的额定值，m p交流子网的比例调节系数，P ic为互联变换器的有功功率，δω表示频率附加项，V dc,pu表示直流子网直流电压的标幺值，λ为标幺化比例系数，f pu表示***频率的标幺值；
S6.在稳态运行下，直流子网和交流子网的电压频率标幺值相同，交直流子网的功率水平一致，实现了混合微电网的全局功率均分。
2.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，下垂控制的表达式为：
式中：m、n分别为储能电池的有功和无功下垂系数，ω i和ω *为第i个储能电池的输出频率和额定频率，V i和V *为第i个储能电池的输出电压和额定电压，P i和Q i为第i个储能电池的输出有功和无功功率。
3.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，标幺化的计算表达式为：
式中，x real为***的变量实名值，x *为***的变量额定值。
4.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，当P i.pu超过归一化功率1时，积分下垂控制被激活，使能信号EN i从0转向1。
5.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，分布式通讯网络结构为双向稀疏的低带宽通讯网络结构。
6.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法，其特征在于，当储能输出功率大于标幺额定值1时，使能信号ENi由1变为0，进入功率约束模式。
7.根据权利要求1所述考虑功率约束的孤岛交直流混合微网控制方法提供交直流混合微网控制***，其特征在于，包括交流子网、交流母线、直流子网、直流母线和互联变流器，交流子网与交流母线连接，直流子网与直流母线连接，交流母线和直流母线通过互联变流器连接。
8.根据权利要求7所述考虑功率约束的交直流混合微网控制***，其特征在于，所述直流子网包括光伏板、储能电池的一种或多种。
9.根据权利要求7所述考虑功率约束的交直流混合微网控制***，其特征在于，所述交流子网包括风力发电机、燃油发电机、大电网和储能电池的一种或多种。
10.据权利要求9所述考虑功率约束的交直流混合微网控制***，其特征在于，所述大电网通过静态开关连接到交流母线。
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