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如何實現柔性互聯方式下交直流微電網集群的柔性控制?

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國電機工程學報 發布時間:2020-03-26 瀏覽:
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交直流微電網集群柔性控制及穩定性分析

李霞林, 李志旺, 郭力, 黃迪, 李鵬飛, 朱介北, 王成山

DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.181950

1、項目背景

本文考慮如圖1(a)所示基于電力電子裝置柔性互聯的交直流微電網集群結構示意圖,交流微電網與直流微電網之間通過雙向DC-AC互聯,不同電壓等級的直流微電網間則可通過隔離雙向DC-DC裝置互聯以實現電氣隔離、功率靈活控制等目標。大擾動下,就地層控制是保證系統暫態穩定、提升系統韌性的基礎和關鍵,因此本文所關注的便是此類柔性互聯交直流微電網集群分層多尺度協調控制框架(如圖1(b))中的就地控制穩定控制問題。

圖1 交直流微電網集群柔性互聯示意結構

針對柔性互聯交直流微電網集群的就地控制,目前主要采用的是一類隨運行模式而定的確定性控制策略,即根據確定性的微電網集群系統運行模式,選擇確定性的各子系統(包括微電網和柔性互聯裝置)的控制方式。多微電網以集群的形式互聯運行,便是希望能夠充分發揮系統內多分散式平衡單元的相互支撐作用,使之能夠稀釋大規模分布式電源或負荷(即功率單元)對單一微電網的功率擾動或沖擊。在現有的確定性就地控制模式下,通常需要通過多微電網控制系統之間的快速通信和協調控制才能實現該目標。此外,在集群系統遇到緊急狀況時,如某個微電網平衡單元(即主電源系統)發生故障,需要其他微電網對該子網進行支撐,在無快速互聯通信下,難以實現控制模式的平滑切換來保證系統暫態穩定,進而為上層協調控制贏得時間。是否能有更合適的控制方法,能從根本上解決上述問題,是本文的主要研究動機。

2、論文所解決的問題及意義 

本文提出了一種僅依靠就地量測的電氣量信息的交直流微電網集群柔性控制方法。應用該柔性控制方法,能夠充分發揮分布式可控單元的集群控制能力,能更高效應對高比例可再生能源接入、不確定負荷的輸出功率隨機性和波動性,以及運行模式平滑切換等挑戰,實現大擾動下的暫態穩定控制,為交直流微電網集群運行控制提供了一種新的思路。

3、論文重點內容  

(1) 交直流微電網集群柔性控制策略

本文所提出的交直流微電網集群柔性控制策略由各微電網的下垂控制和交直流微電網接口變流器柔性控制構成,可在無通信情況下實現微電網集群系統的多微電網間功率協調控制及運行模式平滑切換兩個主要功能。

交直流微電網內平衡單元采用下垂控制,其中圖2所示為一類常用的下垂控制具體實現。

圖2 交直流微電網平衡單元下垂控制

假定直流微電網1、直流微電網2和交流微電網中平衡單元額定容量分別為Pdcs,1、Pdcs,2和Pacs,且其容量比滿足Pdcs,1:Pdcs,2:Pacs = α:1: β。當各微電網中的平衡單元均處于正常工作狀態時,期望通過DC-DC和DC-AC互聯裝置控制實現3個微電網內平衡單元的實際輸出功率Ps,1、Ps,2 和Ps,ac 能夠按照其容量比(即α:1: β)來運行,以充分提高微電網群內平衡單元利用效率,能有效減小各自微電網中備用容量,能有效應對微電網內大功率擾動。在無互聯通信情況下,如何實現上述微電網集群系統的多微電網間功率協調控制目標及運行模式平滑切換,DC-DC 和DC-AC互聯裝置就地控制系統設計是關鍵。為此,本文提出如圖3、4所示DC-AC 和DC-DC 互聯裝置柔性控制方法。

基于微電網下垂運行特性,DC-DC和DC-AC柔性互聯裝置通過就地量測的電壓或頻率信息,即可計算得到此時微電網內平衡單元出力情況。在獲得式(3)所示互聯功率增量后,DC-DC和DC-AC外環控制通過PI控制器對該增量進行處理,進而得到實際的傳輸功率參考值Pref,dc 和Pref,ac。由PI控制特性可知,穩態情況下,式(3)中互聯功率增量ΔPs,dc 和ΔPs,ac 均應為零,從而達到了本文所期望的多微電網間平衡單元功率協調控制目的。

(2) 交直流微電網集群柔性控制下的小信號建模

大功率波動、運行模式切換等暫態工況不僅容易對系統內直流電壓、交流頻率等造成沖擊,且當控制參數選擇不當時,還可能導致系統出現功率振蕩等穩定性問題。為此,本文接下來將首先建立交直流微電網集群多運行模式下的小信號穩定性分析模型進行穩定性分析,為后續深入研究系統功率振蕩穩定機理分析及控制器參數優化設計提供基礎?;谀K化小信號建模思路,可得交直流微電網集群在正常運行模式下的完整小信號穩定性分析模型如下圖所示。

圖5 微電網集群正常運行模式下的小信號模型

(3) 仿真驗證

本文采用圖1(a)所示的交直流微電網集群結構,對本文所提出的控制策略進行仿真驗證并與小信號建模的結果(黑色曲線為電磁暫態仿真結果,紅色為小信號模型仿真結果)進行比對。本文進行了正常模式運行、直流微電網支撐模式及交流微電網支撐模式三種工況下的仿真測試,并對比了詳細電磁暫態仿真及利用小信號模型所獲得的仿真結果(即圖中帶Δ標識的電氣量仿真波形),三種工況下波形如下圖6所示,(a)、(b)、(c)對應三種不同模式。從圖中可看出詳細電磁暫態和小信號模型仿真結果基本吻合,有效驗證了小信號模型的準確性;此外,通過多種工況仿真測試驗證了本文方法在應對正常大功率擾動及運行模式無縫切換等工況下的有效性。

圖6 仿真結果(黑色為開關模型,紅色為數學模型)

4、結論 

本文提出了針對交直流微電網集群結構系統的柔性控制策略,理論分析與仿真結果均表明該策略能夠實現所期望的控制目標,滿足多種運行模式的平滑切換,在保持控制策略不變的情況下維持多種工況下的穩定運行,并且能夠自適應系統的功率變化,實現多子網間的功率協調控制。在各種工況下的小信號模型也都能夠基本吻合系統電磁暫態仿真的結果,并通過該小信號模型對系統的穩定性分析能夠指導系統的參數優化。

引文信息

李霞林, 李志旺, 郭力, 黃迪, 李鵬飛, 朱介北, 王成山. 交直流微電網集群柔性控制及穩定性分析[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(20): 5948-5961.

LI Xialin, LI Zhiwang, GUO Li, HUANG Di, LI Pengfei, ZHU Jiebei, WANG Chengshan. Flexible Control and Stability Analysis of AC/DC Microgrids Clusters. Proceeding of the CSEE, 2019, 39(20): 5948-5961.

關鍵字:交直流微電網

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