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基于分布式策略的直流微电网下垂控制器设计.docx
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基于分布式策略的直流微电网下垂控制器设计.docx
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煤、石油、天然气等传统能源日渐枯竭, 可再生能源的利用逐渐得到各个国家的重视.
风力发电和光伏发电是目前应用最为广泛的可再生能源发电技术
[1]
. 然而, 风能和光伏能源
固有的随机和间歇性特点会对电网的稳定运行和电能质量带来不利影响. 为了解决上述问
题, 微电网作为集成分布式电源的解决方案, 已成为当前电力行业的研究热点
[2-3]
. 微电网是
由分布式发电单元(微源)、储能装置、相关负荷、电力电子转换接口和通信网络组成的小
型发配电系统. 目前, 现有微电网工程主要以交流微电网形式存在, 以匹配传统交流电网和
交流用电设备
[4]
. 随着直流可再生能源和直流负载日益增多, 通过直流母线相连组成直流微
电网, 不仅可以降低交流/直流功率转换的功率损耗, 还无需考虑频率控制和无功功率问题.
电压平衡和负荷分配(负载共享)是直流微电网的两个基本控制任务
[5]
. 电压平衡能够确
保母线所连接负载的正常工作, 负荷分配可以防止任一微源的过度出力. 直流微电网的母线
电压能够反映系统的功率平衡, 通过控制微电网的母线电压平衡, 即可控制各微源、储能装
置及负载间的功率平衡, 从而维持微电网的稳定运行
[6]
. 微电网实现微源间负荷的合理分配
是微电网协调控制的重要目标. 文献[7-9]通过不同方法对负荷分配及电压平衡进行研究, 然
而, 这两个基本控制任务是相互竞争的, 在实现母线电压平衡的同时需要保证负荷公平分
配. 为了实现这一控制目标, 集中式控制、分散式控制以及分布式控制方法得到了广泛的应
用
[10]
. 集中式控制需要获取全局的状态信息, 对通信系统具有高度的依赖性, 一旦某个子系
统出现故障, 将会导致整个系统无法正常运行, 降低了系统运行的可靠性
[11]
. 与集中控制相
比, 分散控制仅需局部信息就地控制, 不会因为个别单元的故障影响其余单元. 但由于缺少
各单元之间的通信联系, 很难进行系统层级的优化调节, 往往达不到期望的效果. 而分布式
控制可以结合两者的优点, 利用局部通信获取反应全局状态的有效信息, 从系统层面协调控
制各分布式发电单元
[12]
. 因此急需一种基于分布式控制策略的下垂控制器从系统层面解决
微电网的电压平衡和负荷分配问题, 下面对相关文献进行综述.
下垂控制已在直流微电网的控制中得到广泛应用. 文献[13]采用传统下垂控制对直流
母线电压进行调整, 但该下垂方法会导致电流共享差, 同时还会导致直流母线电压下降. 为
此文献[14]提出一种适用于直流微电网并联变换器的下垂指数控制算法. 通过在线计算虚拟
电阻来合理调节负载分配, 有效降低了循环电流. 虽然下垂控制减少了对通信系统的依赖,
保证了该控制方法的可靠性, 但控制器只检测本单元的直流母线电压, 使得工作模式只由母
线电压决定. 与下垂控制相比, 分层控制对负荷分配和电压平衡的控制更加全面, 该控制方
法进一步提高了系统的可靠性. 文献[15]提出了一种基于分布式算法的直流微电网自适应下
垂控制策略, 以达到均流和调压的目的. 但算法的稳定性和收敛速度会受到通讯延时和测量
误差的影响. 文献[16]提出一种电压电流的双补偿分布式二次控制方法来解决线缆阻抗造成
的负荷分配失衡问题. 但前提条件是线缆阻抗较小, 否则将无法保证输出电流的精度. 为提
高微源电压平衡和负载共享精度, 文献[17]提出了一种改进的分布式二次控制方案, 该方案
同时采用移压和调坡方法, 在减小电压偏差的同时, 提高负载共享精度, 文献[18]通过引入
直流母线电压二次协调控制来实现电压恢复和电流的精确分配. 文献[19]提出了一种新的分
布式控制策略来实现负荷分配和电压平衡. 通过在有限时间内达到所需的流形, 保证微电网
加权平均电压与加权平均参考电压相同的前提下, 实现比例电流共享.
上述文献虽然提出了多种实现负载共享或电压平衡的方法, 但并没有在系统层面通过
设计下垂控制器实现负载共享和电压平衡之间的最优平衡. 本文给出一种新的基于分布式
策略的下垂控制器设计方法, 能够在统一的框架下实现直流微电网负载共享和电压平衡. 具
体贡献总结如下:
1)将直流微电网的负载共享和电压平衡问题转化为多目标优化问题, 其性能指标与微
源的容量密切相关且能在负载共享和电压平衡之间实现权衡. 通过最优化该性能指标求得
同时实现负载共享和电压平衡的最优解, 即集中式控制策略, 并通过设计的下垂控制器实现
微电网的电压平衡和负荷分配.
2)给出一种能够降低通信负担的分布式控制策略, 通过理论分析证明了该分布式策略
能够指数收敛到多目标优化问题的最优解. 与集中式策略相比, 该分布式控制策略能在不增
加系统复杂度的情况下, 降低系统的通信负担, 提高微电网的灵活性和稳定性.
1. 直流微电网建模
图 1 给出了用户级直流微电网的典型结构. 从图中可以看出, 直流微电网主要由微源,
储能单元, 负载单元、并网变换器及无线通信网络组成.
电低谷时段可以作为负荷储存电能, 在用电高峰时段又将电能回馈到微电网; 并网变换器作
为微电网与配电网的接口维持直流母线稳定, 并根据各单元发出能量以及负载吸收能量情
况工作于逆变或整流状态. 本文研究的是多用户级微电网通过直流传输线互联所构成的系
统级微电网, 如图 2 所示.
为满足实际生活生产所需, 将多个用户级直流微电网两两互联构成系统级微电网. 用
户级微电网通过使用通信网络进行信息交换, 以此实现信息共享, 提高了系统级微电网的可
伸缩性和扩展性.
1.1 用户级微电网模型
本文假设分布式电源采用下垂控制模式, 储能单元和负荷具有恒流特性. 根据文献[12]
可知, 采用电压−电流下垂控制的变换器稳态运行时, 输出端等效为一个理想电压源和电阻
的串联. 最大功率控制变换器输出模型
[20]
可等效为电流为 IoIo 的电流源. 恒功率负载电路
可等效为电流为 IRIR 的电流源. 假设因此, 用户级微电网 ii 的等效电路模型如图 3 所示.
图 3 用户级微电网 i 的等效电路模型
Fig. 3 Equivalent circuit model of user-level microgrid i
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 3 中, VNVN 为变换器空载输出电压, ViVi 为母线电压; isiisi 为变换器输出电流即电
源输出电流, ioiioi 为储能单元的输出电流, iRiiRi 为恒功率负载的电流; kaikai 为下垂系
数; LL、RR、CC 为母线阻抗及滤波电容的等效模型. 当微电网达到稳态运行时, 电感 LL
和电容 CC 可以忽略不计. 一般情况下, 用户级微电网的母线较短, 可以忽略母线电阻
RR (若不忽略母线电阻的影响, 只需将下垂系数进行修正即可). 因此母线电压及电流可以
表示为
Vi=VN−kiIsiVi=VN−kiIsi
(1)
Isi=IRi−IoiIsi=IRi−Ioi
(2)
其中
ki=1/∑j=1n1kajIsi=is1+is2+⋯+isnki=1/∑j=1n1kajIsi=is1+is2+⋯+isn
IRi=iR1+iR2+⋯+iRnIRi=iR1+iR2+⋯+iRn
Ioi=io1+io2+⋯+ionIoi=io1+io2+⋯+ion
1.2 系统级微电网模型
如图 2 所示, 该系统级微电网由 nn 个用户级微电网互联构成. 从图论的角度分析, 可
以将每个用户级微电网看做节点, 用户级微电网之间的直流传输线看做边, 因此可将直流微
电网建模为无向连通图 ϑ=(ν,ε)ϑ=(ν,ε), 其中, ν={1,2,⋅⋅⋅,n}ν={1,2,⋅⋅⋅,n}是非空节点集
合, ε⊆v×vε⊆v×v 是边的集合. εij=(i,j)∈εεij=(i,j)∈ε 代表节点 ii 和 jj 通过直流传输线连接,
对应直流传输线的阻抗为 Rij>0Rij>0、Lij>0Lij>0, 节点 jj 称之为 ii 的邻居节
点, Ni={j|εij∈ε}Ni={j|εij∈ε}是 ii 邻居节点的集合. A=[ωij]∈A=[ωij]∈Rn×nRn×n 为图的加权
邻接矩阵用来描述节点与边之间关系, 当 εij∈εεij∈ε 时, ωij=1Rijωij=1Rij; 否则, ωij=0ωij=0.
图 ϑϑ 的度矩阵 D=diag{ϖ1,ϖ2,⋅⋅⋅,ϖn}D=diag{ϖ1,ϖ2,⋅⋅⋅,ϖn}, 其对角元素
ϖi=ϖi=∑j∈Niωij∑j∈Niωij, 因此, 图 ϑϑ 的拉普拉斯矩阵为 Y=Y=D−AD−A, Y=YTY=YT. 此
外, 假设每一个节点都可以与其邻居节点相互通信, 即该系统级微电网的通信拓扑与物理拓
扑相同.
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- m0_744170992024-01-02超级好的资源,很值得参考学习,对我启发很大,支持!
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