交直流混合微网功率控制技术

交直流混合微网功率控制技术管理策略01背景子微特定控制策略研究展望子微通用功率控制技术研究交直流互联变换器控制策略研究目录03050204基本信息交直流混合微功率控制技术是指对交流子微、直流子微以及交直流互联变换器功率进行合理分配以确保各台变换器协调运行的一种管理策略。背景背景自“微”的概念被CERTS提出以来，欧美、日本、中国等先后针对交流微展开了控制方案和运行特性的研究以及示范性工程的建设。相较之下，直流微的研究起步较晚，然而随着直流型电源和负荷的广泛应用，直流微在新一代电中的优势逐渐突显。实际中，采用直流微的配电形式已在数据中心、船用系统、电动汽车等领域得到成功应用，均体现出直流微系统效率高、供电可靠性高、经济性高等优点。由于我国当前配电仍以交流为主，交流型负荷仍占有相当比重，因此在未来一段时间内，兼备上述2种微特点的交直流混合微将成为微技术的主流方向。交直流混合微结构中，分布式电源(distributedgenerations，DGs)通过电力电子变换器分别接至交流母线和直流母线，2条母线将整体微系统分为3个部分，分别是交流子微、直流子微以及交直流互联变换器。在微系统中，电力电子变换器通常呈并联结构，为此，如何对其功率进行合理分配以确保各台变换器协调运行，始终是微控制的基本目标。针对交直流混合微，功率控制技术需要考虑2方面因素：一方面，需要同时保证交流子微和直流子微单独运行的要求，即变换器在各自子微中按照自身容量特性承担相应功率；另一方面，需要确定交直流互联变换器的控制策略，使功率在子微间合理地双向流动，实现交直流混合微系统的协调运行。根据交直流混合微功率控制的目标，国内外学术界和工业界已从不同角度展开了研究，但至今仍欠缺对其中关键技术进行系统的概括与总结。为全面展示功率控制技术的研究成果，以下分别从交流子微、直流子微以及交直流互联变换器3个方面对已有文献研究现状进行梳理评述。子微通用功率控制技术研究基于高速通信的控制技术基于低速通信的控制技术无互联通信控制技术子微通用功率控制技术研究基于高速通信的控制技术图1在微发展初期，学者们通常以系统尺度小作为前提条件进行研究和实验，因此对于变换器间的高速通信互联来说，实现起来相对简单。目前，基于高速通信的控制技术主要包括集中控制技术、主从控制技术以及电流链控制技术。图2一种适用于交流子微和直流子微的集中控制方法，控制框图如图1所示。集中控制技术由集中式控制器和本地控制器构成。集中式控制器对总负载电流进行测量，根据并联变换器数量N及各台变换器容量，计算出各变换器输出电流环的参考值，其中Σki=1(i=1,2…,N)，并利用高速通信线发送至各台变换器。本地控制器测量各自变换器的输出电流，对高速通信线提供的参考值进行比较和跟踪。区别于集中控制，主从控制技术中不存在集中式控制器，且各台变换器的功能不尽相同。主从控制技术的控制框图如图2所示，系统中包含一台主变换器及剩余若干从变换器。其中主变换器工作于电压源模式，控制目标是将输出电压稳定于参考值；其余从变换器都工作于电流源模式，控制目标是让自身输出电流跟踪主变换器的输出电流，最终各台输出电流相同，实现电流(等效于功率)合理分配的目的。图3电流链控制也称为3C(circularchaincontrol)控制，其控制框图如图3所示。在电流链技术控制中，每台变换器包含电压控制外环和电流控制内环，各电压环目的均是将输出电压稳定于额定值；电流环则是控制自身变换器输出电流跟踪上一台变换器输出电流，控制系统呈现环状连接结构。无互联通信控制技术目前，关于采用高速通信控制方法的研究已经比较成熟。但随着微规模的扩大，互联高速通信线会导致系统冗余性下降，成本大幅提升，“即插即用”性能较差，限制了微的扩展。为此，学者们又提出了无需通信络的解决方案，在此类方案中，变换器仅需利用各自本地信息即可实现系统功率控制。1、下垂控制技术下垂控制是目前应用最为广泛的微功率控制方法，其满足了可再生能源分布式接入需求，易于实现“即插即用”，同时，冗余程度较高，且降低了系统成本。交流子微下垂控制模拟了发电机静态特性，采用P-f(有功功率-频率)和Q-U(无功功率-电压)下垂曲线分别实现有功功率和无功功率分配。当变换器输出阻抗与线路阻抗之和为纯感性时，有功功率和无功功率可以表达为其中：Pn、Qn分别为变换器n输出的有功功率和无功功率；En代表输出电压；U代表母线电压；fn是输出电压与母线电压之间的夹角；Xn则表示输出感抗。由式(1)(2)可以看出，当fn足够小时，有功功率的流动主要由功率角fn决定，而无功功率的流动则主要由变换器输出电压En决定。因此，交流子微中的功率分配管理方法可以表示为其中：Erated、frated分别代表变换器输出电压和频率的额定值；mP和nQ分别为有功和无功的下垂系数。对于不同子微，下垂控制器均由2部分组成：外环是将反馈的本地信息(电流或功率)代入至预设的下垂曲线，产生输出电压的参考量；内环是常规电压电流环，实现对电压参考量快速准确跟踪。基于低速通信的控制技术上文围绕基于高速通信的控制技术和无互联通信控制技术进行了归纳和评述。2种技术均存在弊端：高速通信会降低系统冗余，但舍弃通信络又会引起精度的不足。为此，学者们又提出基于低速通信的控制技术。该技术对控制精度和系统冗余进行折中，旨在不过于依赖通信络的同时，确保微的准确运行。基于低速通信控制一般采用JosepM.Guerrero提出的分层控制结构。在该结构下，底层控制(primarycontrol，通常为下垂控制)仅使用本地信息，这是为了确保通信出现故障时，系统仍能履行基本的功率控制职能；第2层控制(secondarycontrol)针对底层控制的不足，借助低速通信获取更多信息以对底层控制进行补偿；第3层控制(tertiarycontrol)主要实现对外部调度指令的响应并支持经济性运行。图5分层控制应用到微之初，相关文献中普遍采用集中式第2层控制(centralizedsecondarycontrol，CSC)的结构。在CSC结构中，各台变换器将各自信息传递至统一的中央控制器，再由中央控制器根据收到的信息和相应的算法，把补偿信号下发至各台变换器的底层控制器，整体控制框图如图5所示。其中，参数信息和控制信号的传输均通过低速通信络实现。然而CSC结构的分层控制依赖于中央控制器，一旦中央控制器出现问题，整个第2层控制都会失效，因此专家们又提出分布式第2层控制(distributedsecondarycontrol，DSC)的结构，如图6所示。在DSC结构里，第2层控制被嵌入到变换器控制中，每台变换器都可以视为微系统中一个相对独立的分布式智能体(agent)。不同的络拓扑(全局络结构和局部络结构)被应用到DSC分层控制中，其目的都是给所有智能体传递目标参数(电压、频率、电流、功率)的系统平均值(globalaverages)，再根据相应算法向底层提供补偿信号。子微特定控制策略研究适用于直流子微的控制策略研究适用于交流子微的控制策略研究子微特定控制策略研究适用于交流子微的控制策略研究1、传统下垂控制的变形在交流系统中通常认为线路阻抗呈强感性，因此传统采用P-f/Q-U的下垂控制实现功率分配。然而在低压微中，线路阻抗往往是呈阻性的，有功功率、无功功率表达式为：2、基于同步触发的控制技术围绕交流子微中无功功率分配问题，采用低速通信定时为各台变换器提供同步信号，对Q-U下垂控制进行了修正补充，式(12)为第k次同步周期变换器的控制方程。其中，方程中第3项的执行，可以降低无功功率分配误差。然而上述操作虽然减小了分配误差，但同时也导致PCC电压幅值的降低，因此需引入第4项对电压进行补偿。如果变换器输出的电压均保持在合理范围内，则Gi=0，即不进行电压补偿操作；一旦某台变换器输出电压低于设定值时，电压补偿操作被触发，则Gi=1，即所有变换器的输出电压将同时增加ΔE以促使PCC电压上升。还可以采用低速通信同步触发技术解决无功功率问题。适用于直流子微的控制策略研究1、DBS(DCBussignaling)技术图8在直流子微中，直流母线是系统功率平衡的唯一指标。可以采用直流母线电压作为全局信号，实现直流子微多种微源协调控制。该方法把直流母线电压分为若干区间，包括储能系统、分布式电源、电等均通过检测直流电母线电压以判断各自的运行工作模式，并选择相应的控制算法，见图8。需要强调的是，每个区间需至少保证有一个接口变换器采用下垂控制算法，其工作于电压源模式保证系统内功率平衡。直流子微不同工作区间切换时，系统所有变换器根据直流母线电压信号无缝切换工作模式。2、虚拟阻抗技术虚拟阻抗技术也在直流子微中得到了应用。但与交流子微不同，直流系统中采用的I-U曲线下垂系数本身就是虚拟阻抗。可以分别采用中央控制器、分布式控制器以及模糊控制器，根据储能单元SOC实时调节虚拟阻抗，使SOC较大的单元提供更多有功功率，而SOC较小的单元承担小部分功率，实现SOC在分布式储能单元之间的合理分配。

交直流互联变换器控制策略研究交直流互联变换器控制策略研究上文总结概括的控制策略可以完成子微各自的功率控制，而为了实现交直流混合微系统的协调运行，专家们围绕交直流互联变换器展开了相应的研究。交直流互联变换器是连接子微的纽带，PohChiangLoh教授首先提出了基于标幺化的交直流互联变换器自治运行控制策略。该方法对交流子微频率(交直流互联变换器交流侧频率)和直流子微电压(交直流互联变换器直流侧电压)进行了标幺化，公式如下：图9实现标幺化后，交流子微和直流子微的不同下垂曲线就可以共用同一坐标系，如图9所示。为实现各子微输出功率相同，即fp.u.=Udc,p.u.，该方法将二者差值经过PI控制器，得到互联变换器有功功率的指令。然而多台交直流互联变换器并联时，采用PI控制会得到若干数值解，不一定能按照自身容量实现功率分配。因此，文献利用下垂特性解决上述问题，如图10所示。图中，纵轴代表频率和电压标幺值的差值ek,p.u.，范围是(-eB,eB)，分别对应互联变换器逆变、整流工况的最大功率。对于交直流互联变换器无功功率的管理，同样采用下垂控制，通过测量交流电压幅值Uk计算出无功功率指令值。与交流子微下垂控制不同的是，当有功功率从交流子微流向直流子微时，交直流互联变换器不提供无功，控制方程表达式为图10图11其中：带号表示功率指令值；gk为第k台变换器的有功下垂系数；nk为无功下垂系数。控制系统框图如图11所示。展望展望为适应能源发展计划，下一代电将呈现分布式电源种类多、分布式负荷类型多以及电力电子变换器数量多等特点。其中，交直流混合微是未来智能电的重要组成部分。从技术角度介绍了交直流混合微功率控制的关键技术，同时总结比较了各种控制方法的优点与不足，如表1所示。表1中的控制方法根据各自特征大致可以分为分散式控制、集中式控制以及分布式控制3类。不难看出，现今还没有一种解决方案可以同时克服所有的不足。分散式控制无需任何互联通信线，变换器仅使用本地信号进行控制，具有扩展性好、可靠性高等优点，但这都是以牺牲电压、频率的控制精