一種微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略
2017-6-7 9:35:24??????點(diǎn)擊：
國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）的研究人員周小平、陳燕東、周樂明、羅安、伍文華，在2017年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，直流電源微網(wǎng)群作為多個交、直流電源子網(wǎng)的互聯(lián)系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加了直流電源微網(wǎng)群的功率協(xié)調(diào)控制難度。提出一種直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略，該架構(gòu)主要包括交、直流電源子網(wǎng)，功率交換單元（PEU）和能量池（EP）。
PEU主要用于協(xié)調(diào)直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)與EP進(jìn)行功率交換，使得各子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)，并維持各子網(wǎng)母線電壓及頻率的穩(wěn)定；EP主要用于維持EP直流電源側(cè)母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對PEU所需交換凈功率的合理分配。
針對PEU和EP分別提出基于自適應(yīng)功率交換系數(shù)的功率協(xié)調(diào)控制方法和分層協(xié)調(diào)控制方法，有效地實(shí)現(xiàn)了直流電源微網(wǎng)群的自主協(xié)調(diào)控制。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了所提直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略的有效性。
隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭、全球能源危機(jī)的加劇，太陽能、風(fēng)能等分布式直流電源（DistributedGenerators, DGs）得到了廣泛的應(yīng)用，微電網(wǎng)作為接納分布式直流電源的有效手段，逐步引起了社會的廣泛關(guān)注[1-5]。
微電網(wǎng)是由分布式直流電源、儲能充電機(jī)充電蓄電池、負(fù)荷和電力電子變換器構(gòu)成的可控系統(tǒng)，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤島運(yùn)行[6-9]。但單個微電網(wǎng)存在工作容量有限、抗擾動能力弱等缺點(diǎn)，再加上分布式直流電源輸出功率的間歇性和負(fù)荷的多變性，在分布式直流電源高滲透率工況下，如何有效提高微電網(wǎng)供電可靠性是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。
一種解決方法是將多個微電網(wǎng)構(gòu)成一個微電網(wǎng)群集系統(tǒng)（簡稱直流電源微網(wǎng)群）。直流電源微網(wǎng)群作為分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的一個全新概念，立足于微電網(wǎng)，將地理位置上毗鄰的微電網(wǎng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)互連，它不僅能有效集成各種分布式直流電源，還可實(shí)現(xiàn)群內(nèi)各子網(wǎng)之間的能量調(diào)度和互濟(jì)，增強(qiáng)彼此間的供電可靠性[10]。
目前國內(nèi)外對直流電源微網(wǎng)群的研究還處于起步階段，相對于單一直流電源微網(wǎng)的協(xié)調(diào)管理，直流電源微網(wǎng)群的協(xié)調(diào)控制更加復(fù)雜，不僅要考慮各子網(wǎng)內(nèi)分布式直流電源的能量協(xié)調(diào)分配，還需要考慮各子直流電源微網(wǎng)之間的互聯(lián)狀態(tài)以及群級協(xié)作下各子直流電源微網(wǎng)之間的功率優(yōu)化調(diào)配和協(xié)調(diào)控制。
文獻(xiàn)[11]提出了一種直流電源微網(wǎng)群分級控制策略，通過增加群級的能量協(xié)調(diào)控制，并以直流電源微網(wǎng)群的經(jīng)濟(jì)性和最大能量利用率為目標(biāo)進(jìn)行功率的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[12]提出一種直流電源微網(wǎng)群多代理控制策略，在直流電源微網(wǎng)群中引入多代理系統(tǒng)，利用代理的自治性與協(xié)作性，可提高直流電源微網(wǎng)群協(xié)調(diào)控制的有效性。但上述所提控制策略均是基于通信的協(xié)調(diào)控制策略，嚴(yán)重依賴通信系統(tǒng)。
為此，很多文獻(xiàn)提出了對等分散控制策略，其中下垂控制是最受關(guān)注的，文獻(xiàn)[13-15]提出了一種基于下垂控制的能量協(xié)調(diào)管理方法，可實(shí)現(xiàn)對交直流電源混合微電網(wǎng)兩側(cè)的功率交換進(jìn)行有效控制，使得交直流電源混合微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率自主協(xié)調(diào)控制成為可能，但上述所提控制方法使得混合微電網(wǎng)兩側(cè)一直存在能量交換，這樣就會不可避免地造成能量的損耗。
為此，文獻(xiàn)[16-18]對其做出了改進(jìn)，規(guī)定只有混合微電網(wǎng)工作在一定范圍時，才進(jìn)行功率交換控制，這樣就可避免由于混合微電網(wǎng)兩側(cè)頻繁的功率交換而造成的能量損耗。但是，這種控制方法很有可能導(dǎo)致混合微電網(wǎng)兩側(cè)工作電壓偏離額定值比較大，在混合微電網(wǎng)兩側(cè)都重載運(yùn)行時或者輕載運(yùn)行時，兩側(cè)依然存在能量交換，使得原本就重載運(yùn)行或輕載運(yùn)行的微電網(wǎng)子網(wǎng)的工作電壓偏離額定值更大。
值得注意的是，以上對等分散控制方法都局限于單個或者兩個微電網(wǎng)之間的能量協(xié)調(diào)控制，較少有文獻(xiàn)涉及3個或3個以上微電網(wǎng)組成的直流電源微網(wǎng)群的自主協(xié)調(diào)控制。
本文提出一種直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略，該架構(gòu)主要包括交、直流電源子網(wǎng)，功率交換單元（Power ExchangeUnit, PEU）和能量池（Energy Pool, EP），通過下垂控制實(shí)現(xiàn)各微電網(wǎng)子網(wǎng)的功率均分，以達(dá)到分散控制的目標(biāo)。
針對PEU提出基于自適應(yīng)功率交換系數(shù)的功率協(xié)調(diào)控制方法，以協(xié)調(diào)直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)與EP進(jìn)行功率交換，使各子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)，并有效維持各子網(wǎng)內(nèi)電壓及頻率的穩(wěn)定運(yùn)行；針對EP提出分層協(xié)調(diào)控制方法，以維持EP直流電源母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對PEU所需交換凈功率的合理分配。最后進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1 直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)
考慮到DGs輸出功率的間歇性，為了保證直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，需加入儲能充電機(jī)充電蓄電池，對系統(tǒng)的功率波動進(jìn)行緩沖。儲能充電機(jī)充電蓄電池在交流微電網(wǎng)中往往被當(dāng)作電流源進(jìn)行控制，用來維持分布式直流電源和負(fù)載的供需平衡，而在直流電源直流電源微網(wǎng)中儲能充電機(jī)充電蓄電池被設(shè)計成電壓源，用來協(xié)調(diào)管理直流電源母線電壓。如果在直流電源微網(wǎng)群中儲能充電機(jī)充電蓄電池采用兩種不同的控制方案，很難做到即插即用，也會增加系統(tǒng)的控制難度。
本文將所有儲能充電機(jī)充電蓄電池通過雙向直流電源變換器連接到一起構(gòu)成EP，且所有微電網(wǎng)子網(wǎng)都通過PEU接入EP，從而可通過PEU與EP進(jìn)行功率交換，這樣就可對儲能充電機(jī)充電蓄電池采用相同的控制策略，降低了直流電源微網(wǎng)群的協(xié)調(diào)控制難度。
本文提出的直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)如圖1所示，主要由交、直流電源子網(wǎng)、PEU和EP構(gòu)成。其中交、直流電源子網(wǎng)由分布式直流電源、電力電子變換器以及負(fù)荷組成；PEU由多個AC-DC變換器和DC-DC變換器組成，且所有交、直流電源子網(wǎng)都通過PEU與EP進(jìn)行功率交換；EP由多個雙向DC-DC（Bi-DirectionalDC-DC Converters, Bi-DC-DC）變換器并聯(lián)而成，通過對Bi-DC-DC變換器采用合理的控制策略，可有效地維持EP直流電源母線電壓的穩(wěn)定。此外，直流電源微網(wǎng)群通過斷路器和變壓器連接大電網(wǎng)，既能并網(wǎng)運(yùn)行也能孤島運(yùn)行。
圖1 直流電源微網(wǎng)群典型架構(gòu)
在大電網(wǎng)正常運(yùn)行時，直流電源微網(wǎng)群可并網(wǎng)運(yùn)行，此時EP直流電源母線電壓的穩(wěn)定由大電網(wǎng)保證，而各交、直流電源子網(wǎng)的供電可靠性可通過控制PEU實(shí)現(xiàn)，此時各子網(wǎng)中的DGs可工作在恒功率輸出狀態(tài)或者最大功率跟蹤狀態(tài)，儲能系統(tǒng)不工作或者工作在荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）恢復(fù)階段。
但是，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，直流電源微網(wǎng)群轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式，這種工作模式對直流電源微網(wǎng)群的控制系統(tǒng)要求非常高，此時，所有子網(wǎng)的供電可靠性都依賴于對各子網(wǎng)內(nèi)的DGs、PEU和EP的協(xié)調(diào)控制，而DGs供電最顯著的缺點(diǎn)就是輸出功率有間歇性和波動性。因此，必須采取合適的協(xié)調(diào)控制策略，才能保證直流電源微網(wǎng)群中各子網(wǎng)的功率平衡。
2 直流電源微網(wǎng)群的自主協(xié)調(diào)控制策略（略）
3 仿真和實(shí)驗(yàn)（略）
4 結(jié)論（略）
本文針對直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)的能量互濟(jì)以及功率協(xié)調(diào)交換控制難題，提出了一種直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略，并得到如下結(jié)論：
1）所提直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)可為直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)之間的能量流動提供通道，可實(shí)現(xiàn)各子網(wǎng)的能量互濟(jì)，并提高直流電源微網(wǎng)群的供電可靠性。
2）所提基于自適應(yīng)功率交換系數(shù)的PEU功率協(xié)調(diào)控制方法可有效地協(xié)調(diào)直流電源微網(wǎng)群內(nèi)各子網(wǎng)與EP進(jìn)行功率交換，從而維持各子網(wǎng)電壓及頻率的穩(wěn)定運(yùn)行。
3）針對EP提出的分層協(xié)調(diào)控制方法，可對直流電源微網(wǎng)群的能量波動進(jìn)行緩沖，維持EP直流電源母線電壓的穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)對PEU所需交換凈功率的合理 分配。
4）仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提直流電源微網(wǎng)群架構(gòu)及其自主協(xié)調(diào)控制策略的有效性，可推廣應(yīng)用到多交直流電源微電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)中。
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