交直流混合微網(wǎng)功率控制技術(shù)

交直流混合微網(wǎng)功率控制技術(shù)管理策略01背景子微特定控制策略研究展望子微通用功率控制技術(shù)研究交直流互聯(lián)變換器控制策略研究目錄03050204基本信息交直流混合微功率控制技術(shù)是指對(duì)交流子微、直流子微以及交直流互聯(lián)變換器功率進(jìn)行合理分配以確保各臺(tái)變換器協(xié)調(diào)運(yùn)行的一種管理策略。背景背景自“微”的概念被CERTS提出以來(lái)，歐美、日本、中國(guó)等先后針對(duì)交流微展開(kāi)了控制方案和運(yùn)行特性的研究以及示范性工程的建設(shè)。相較之下，直流微的研究起步較晚，然而隨著直流型電源和負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，直流微在新一代電中的優(yōu)勢(shì)逐漸突顯。實(shí)際中，采用直流微的配電形式已在數(shù)據(jù)中心、船用系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，均體現(xiàn)出直流微系統(tǒng)效率高、供電可靠性高、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)。由于我國(guó)當(dāng)前配電仍以交流為主，交流型負(fù)荷仍占有相當(dāng)比重，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，兼?zhèn)渖鲜?種微特點(diǎn)的交直流混合微將成為微技術(shù)的主流方向。交直流混合微結(jié)構(gòu)中，分布式電源(distributedgenerations，DGs)通過(guò)電力電子變換器分別接至交流母線和直流母線，2條母線將整體微系統(tǒng)分為3個(gè)部分，分別是交流子微、直流子微以及交直流互聯(lián)變換器。在微系統(tǒng)中，電力電子變換器通常呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為此，如何對(duì)其功率進(jìn)行合理分配以確保各臺(tái)變換器協(xié)調(diào)運(yùn)行，始終是微控制的基本目標(biāo)。針對(duì)交直流混合微，功率控制技術(shù)需要考慮2方面因素：一方面，需要同時(shí)保證交流子微和直流子微單獨(dú)運(yùn)行的要求，即變換器在各自子微中按照自身容量特性承擔(dān)相應(yīng)功率；另一方面，需要確定交直流互聯(lián)變換器的控制策略，使功率在子微間合理地雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)交直流混合微系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。根據(jù)交直流混合微功率控制的目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已從不同角度展開(kāi)了研究，但至今仍欠缺對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的概括與總結(jié)。為全面展示功率控制技術(shù)的研究成果，以下分別從交流子微、直流子微以及交直流互聯(lián)變換器3個(gè)方面對(duì)已有文獻(xiàn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理評(píng)述。子微通用功率控制技術(shù)研究基于高速通信的控制技術(shù)基于低速通信的控制技術(shù)無(wú)互聯(lián)通信控制技術(shù)子微通用功率控制技術(shù)研究基于高速通信的控制技術(shù)圖1在微發(fā)展初期，學(xué)者們通常以系統(tǒng)尺度小作為前提條件進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)于變換器間的高速通信互聯(lián)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。目前，基于高速通信的控制技術(shù)主要包括集中控制技術(shù)、主從控制技術(shù)以及電流鏈控制技術(shù)。圖2一種適用于交流子微和直流子微的集中控制方法，控制框圖如圖1所示。集中控制技術(shù)由集中式控制器和本地控制器構(gòu)成。集中式控制器對(duì)總負(fù)載電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)并聯(lián)變換器數(shù)量N及各臺(tái)變換器容量，計(jì)算出各變換器輸出電流環(huán)的參考值，其中Σki=1(i=1,2…,N)，并利用高速通信線發(fā)送至各臺(tái)變換器。本地控制器測(cè)量各自變換器的輸出電流，對(duì)高速通信線提供的參考值進(jìn)行比較和跟蹤。區(qū)別于集中控制，主從控制技術(shù)中不存在集中式控制器，且各臺(tái)變換器的功能不盡相同。主從控制技術(shù)的控制框圖如圖2所示，系統(tǒng)中包含一臺(tái)主變換器及剩余若干從變換器。其中主變換器工作于電壓源模式，控制目標(biāo)是將輸出電壓穩(wěn)定于參考值；其余從變換器都工作于電流源模式，控制目標(biāo)是讓自身輸出電流跟蹤主變換器的輸出電流，最終各臺(tái)輸出電流相同，實(shí)現(xiàn)電流(等效于功率)合理分配的目的。圖3電流鏈控制也稱為3C(circularchaincontrol)控制，其控制框圖如圖3所示。在電流鏈技術(shù)控制中，每臺(tái)變換器包含電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)，各電壓環(huán)目的均是將輸出電壓穩(wěn)定于額定值；電流環(huán)則是控制自身變換器輸出電流跟蹤上一臺(tái)變換器輸出電流，控制系統(tǒng)呈現(xiàn)環(huán)狀連接結(jié)構(gòu)。無(wú)互聯(lián)通信控制技術(shù)目前，關(guān)于采用高速通信控制方法的研究已經(jīng)比較成熟。但隨著微規(guī)模的擴(kuò)大，互聯(lián)高速通信線會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)冗余性下降，成本大幅提升，“即插即用”性能較差，限制了微的擴(kuò)展。為此，學(xué)者們又提出了無(wú)需通信絡(luò)的解決方案，在此類方案中，變換器僅需利用各自本地信息即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率控制。1、下垂控制技術(shù)下垂控制是目前應(yīng)用最為廣泛的微功率控制方法，其滿足了可再生能源分布式接入需求，易于實(shí)現(xiàn)“即插即用”，同時(shí)，冗余程度較高，且降低了系統(tǒng)成本。交流子微下垂控制模擬了發(fā)電機(jī)靜態(tài)特性，采用P-f(有功功率-頻率)和Q-U(無(wú)功功率-電壓)下垂曲線分別實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率分配。當(dāng)變換器輸出阻抗與線路阻抗之和為純感性時(shí)，有功功率和無(wú)功功率可以表達(dá)為其中：Pn、Qn分別為變換器n輸出的有功功率和無(wú)功功率；En代表輸出電壓；U代表母線電壓；fn是輸出電壓與母線電壓之間的夾角；Xn則表示輸出感抗。由式(1)(2)可以看出，當(dāng)fn足夠小時(shí)，有功功率的流動(dòng)主要由功率角fn決定，而無(wú)功功率的流動(dòng)則主要由變換器輸出電壓En決定。因此，交流子微中的功率分配管理方法可以表示為其中：Erated、frated分別代表變換器輸出電壓和頻率的額定值；mP和nQ分別為有功和無(wú)功的下垂系數(shù)。對(duì)于不同子微，下垂控制器均由2部分組成：外環(huán)是將反饋的本地信息(電流或功率)代入至預(yù)設(shè)的下垂曲線，產(chǎn)生輸出電壓的參考量；內(nèi)環(huán)是常規(guī)電壓電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓參考量快速準(zhǔn)確跟蹤?；诘退偻ㄐ诺目刂萍夹g(shù)上文圍繞基于高速通信的控制技術(shù)和無(wú)互聯(lián)通信控制技術(shù)進(jìn)行了歸納和評(píng)述。2種技術(shù)均存在弊端：高速通信會(huì)降低系統(tǒng)冗余，但舍棄通信絡(luò)又會(huì)引起精度的不足。為此，學(xué)者們又提出基于低速通信的控制技術(shù)。該技術(shù)對(duì)控制精度和系統(tǒng)冗余進(jìn)行折中，旨在不過(guò)于依賴通信絡(luò)的同時(shí)，確保微的準(zhǔn)確運(yùn)行?；诘退偻ㄐ趴刂埔话悴捎肑osepM.Guerrero提出的分層控制結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，底層控制(primarycontrol，通常為下垂控制)僅使用本地信息，這是為了確保通信出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能履行基本的功率控制職能；第2層控制(secondarycontrol)針對(duì)底層控制的不足，借助低速通信獲取更多信息以對(duì)底層控制進(jìn)行補(bǔ)償；第3層控制(tertiarycontrol)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部調(diào)度指令的響應(yīng)并支持經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。圖5分層控制應(yīng)用到微之初，相關(guān)文獻(xiàn)中普遍采用集中式第2層控制(centralizedsecondarycontrol，CSC)的結(jié)構(gòu)。在CSC結(jié)構(gòu)中，各臺(tái)變換器將各自信息傳遞至統(tǒng)一的中央控制器，再由中央控制器根據(jù)收到的信息和相應(yīng)的算法，把補(bǔ)償信號(hào)下發(fā)至各臺(tái)變換器的底層控制器，整體控制框圖如圖5所示。其中，參數(shù)信息和控制信號(hào)的傳輸均通過(guò)低速通信絡(luò)實(shí)現(xiàn)。然而CSC結(jié)構(gòu)的分層控制依賴于中央控制器，一旦中央控制器出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)第2層控制都會(huì)失效，因此專家們又提出分布式第2層控制(distributedsecondarycontrol，DSC)的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在DSC結(jié)構(gòu)里，第2層控制被嵌入到變換器控制中，每臺(tái)變換器都可以視為微系統(tǒng)中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分布式智能體(agent)。不同的絡(luò)拓?fù)?全局絡(luò)結(jié)構(gòu)和局部絡(luò)結(jié)構(gòu))被應(yīng)用到DSC分層控制中，其目的都是給所有智能體傳遞目標(biāo)參數(shù)(電壓、頻率、電流、功率)的系統(tǒng)平均值(globalaverages)，再根據(jù)相應(yīng)算法向底層提供補(bǔ)償信號(hào)。子微特定控制策略研究適用于直流子微的控制策略研究適用于交流子微的控制策略研究子微特定控制策略研究適用于交流子微的控制策略研究1、傳統(tǒng)下垂控制的變形在交流系統(tǒng)中通常認(rèn)為線路阻抗呈強(qiáng)感性，因此傳統(tǒng)采用P-f/Q-U的下垂控制實(shí)現(xiàn)功率分配。然而在低壓微中，線路阻抗往往是呈阻性的，有功功率、無(wú)功功率表達(dá)式為：2、基于同步觸發(fā)的控制技術(shù)圍繞交流子微中無(wú)功功率分配問(wèn)題，采用低速通信定時(shí)為各臺(tái)變換器提供同步信號(hào)，對(duì)Q-U下垂控制進(jìn)行了修正補(bǔ)充，式(12)為第k次同步周期變換器的控制方程。其中，方程中第3項(xiàng)的執(zhí)行，可以降低無(wú)功功率分配誤差。然而上述操作雖然減小了分配誤差，但同時(shí)也導(dǎo)致PCC電壓幅值的降低，因此需引入第4項(xiàng)對(duì)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。如果變換器輸出的電壓均保持在合理范圍內(nèi)，則Gi=0，即不進(jìn)行電壓補(bǔ)償操作；一旦某臺(tái)變換器輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，電壓補(bǔ)償操作被觸發(fā)，則Gi=1，即所有變換器的輸出電壓將同時(shí)增加ΔE以促使PCC電壓上升。還可以采用低速通信同步觸發(fā)技術(shù)解決無(wú)功功率問(wèn)題。適用于直流子微的控制策略研究1、DBS(DCBussignaling)技術(shù)圖8在直流子微中，直流母線是系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)?？梢圆捎弥绷髂妇€電壓作為全局信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直流子微多種微源協(xié)調(diào)控制。該方法把直流母線電壓分為若干區(qū)間，包括儲(chǔ)能系統(tǒng)、分布式電源、電等均通過(guò)檢測(cè)直流電母線電壓以判斷各自的運(yùn)行工作模式，并選擇相應(yīng)的控制算法，見(jiàn)圖8。需要強(qiáng)調(diào)的是，每個(gè)區(qū)間需至少保證有一個(gè)接口變換器采用下垂控制算法，其工作于電壓源模式保證系統(tǒng)內(nèi)功率平衡。直流子微不同工作區(qū)間切換時(shí)，系統(tǒng)所有變換器根據(jù)直流母線電壓信號(hào)無(wú)縫切換工作模式。2、虛擬阻抗技術(shù)虛擬阻抗技術(shù)也在直流子微中得到了應(yīng)用。但與交流子微不同，直流系統(tǒng)中采用的I-U曲線下垂系數(shù)本身就是虛擬阻抗?？梢苑謩e采用中央控制器、分布式控制器以及模糊控制器，根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)虛擬阻抗，使SOC較大的單元提供更多有功功率，而SOC較小的單元承擔(dān)小部分功率，實(shí)現(xiàn)SOC在分布式儲(chǔ)能單元之間的合理分配。

交直流互聯(lián)變換器控制策略研究交直流互聯(lián)變換器控制策略研究上文總結(jié)概括的控制策略可以完成子微各自的功率控制，而為了實(shí)現(xiàn)交直流混合微系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，專家們圍繞交直流互聯(lián)變換器展開(kāi)了相應(yīng)的研究。交直流互聯(lián)變換器是連接子微的紐帶，PohChiangLoh教授首先提出了基于標(biāo)幺化的交直流互聯(lián)變換器自治運(yùn)行控制策略。該方法對(duì)交流子微頻率(交直流互聯(lián)變換器交流側(cè)頻率)和直流子微電壓(交直流互聯(lián)變換器直流側(cè)電壓)進(jìn)行了標(biāo)幺化，公式如下：圖9實(shí)現(xiàn)標(biāo)幺化后，交流子微和直流子微的不同下垂曲線就可以共用同一坐標(biāo)系，如圖9所示。為實(shí)現(xiàn)各子微輸出功率相同，即fp.u.=Udc,p.u.，該方法將二者差值經(jīng)過(guò)PI控制器，得到互聯(lián)變換器有功功率的指令。然而多臺(tái)交直流互聯(lián)變換器并聯(lián)時(shí)，采用PI控制會(huì)得到若干數(shù)值解，不一定能按照自身容量實(shí)現(xiàn)功率分配。因此，文獻(xiàn)利用下垂特性解決上述問(wèn)題，如圖10所示。圖中，縱軸代表頻率和電壓標(biāo)幺值的差值ek,p.u.，范圍是(-eB,eB)，分別對(duì)應(yīng)互聯(lián)變換器逆變、整流工況的最大功率。對(duì)于交直流互聯(lián)變換器無(wú)功功率的管理，同樣采用下垂控制，通過(guò)測(cè)量交流電壓幅值Uk計(jì)算出無(wú)功功率指令值。與交流子微下垂控制不同的是，當(dāng)有功功率從交流子微流向直流子微時(shí)，交直流互聯(lián)變換器不提供無(wú)功，控制方程表達(dá)式為圖10圖11其中：帶號(hào)表示功率指令值；gk為第k臺(tái)變換器的有功下垂系數(shù)；nk為無(wú)功下垂系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖11所示。展望展望為適應(yīng)能源發(fā)展計(jì)劃，下一代電將呈現(xiàn)分布式電源種類多、分布式負(fù)荷類型多以及電力電子變換器數(shù)量多等特點(diǎn)。其中，交直流混合微是未來(lái)智能電的重要組成部分。從技術(shù)角度介紹了交直流混合微功率控制的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)總結(jié)比較了各種控制方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，如表1所示。表1中的控制方法根據(jù)各自特征大致可以分為分散式控制、集中式控制以及分布式控制3類。不難看出，現(xiàn)今還沒(méi)有一種解決方案可以同時(shí)克服所有的不足。分散式控制無(wú)需任何互聯(lián)通信線，變換器僅使用本地信號(hào)進(jìn)行控制，具有擴(kuò)展性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但這都是以犧牲電壓、頻率的控制精