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交直流混合微电网二次频率电压协调控制策略.docx
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交直流混合微电网二次频率电压协调控制策略.docx
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摘要
孤岛模式下混合微电网二次频率电压控制是保证微电网安全稳定运行的关键,目前的控制算法在协
调控制及功率均分方面存在明显不足。首次提出最大出力因子的概念,进而提出了一种交直流混合
微电网自适应快速二次协调控制策略,该方法对各微单元出力排序,选取最大出力单元作为其他单
元的参考基准,自适应动态调整混合微电网内部各单元有功/无功给定,实现了孤岛模式下电压、
频率二次调节及功率动态均分。基于某实际风光柴储微电网拓扑结构搭建 PSCAD/EMTDC 仿真模
型,验证了所提出二次协调控制策略的可行性和参数整定方法的有效性,同时证明该策略能有效提
高交直流混合微电网电压和频率的无静差调节和快速恢复能力。
Abstract
The secondary frequency and voltage control of hybrid microgrid in island mode is
the key to ensure the safe and stable operation of microgrid. The current control
algorithms have significant shortcomings in coordinated control and power sharing.
Therefore, the concept of the maximum output factor is proposed for the first time,
and an adaptive fast secondary coordinated control strategy for AC/DC hybrid
microgrid is proposed. The method sorts the output of each micro-unit, selects the
maximum output unit as the reference for other units, and adaptively and
dynamically adjusts the active/reactive power given to each unit in the hybrid
micro-grid to achieve the secondary voltage and frequency adjustment and power
dynamic equipartition in the island mode. Based on the topological structure of a
practical wind and light storage microgrid, the paper builds a PSCAD/EMTDC
simulation model. The feasibility of the proposed secondary coordinated control
strategy and the effectiveness of the parameter tuning method are verified, and the
no-static difference adjustment and fast recovery capability of the voltage and
frequency of the AC/DC hybrid microgrid can be effectively improved.
译
关键词
交直流混合微电网; 最大出力排序; 自适应控制; 二次协调控制
Keywords
AC/DC hybrid microgrid; maximum output sorting; adaptive control; secondary
coordinated control
译
相比传统交流微电网,交直流混合微电网具有传输效率高、运行灵活多变、建设经济成本低的特点
[ 1]
,但由于微电网短路容量小、负荷供电品质需求高,交直流微电网调压调配运行压力较大,尤
其在孤岛模式下,交直流混合微电网二次有功/无功分配、电压稳定性调节特性受线路阻抗及通信
时延影响显著。因此,如何在孤岛运行状态下提出适应实际工程需求的经济可靠控制算法成为了交
直流混合微电网推广应用的关键。
考虑微电网不同种类的运行方式以及不同种类源荷的需求
[ 2 ]
,目前交直流混合微电网一次调频调
压的相关控制方法主要有有功功率-无功功率(P
⁃
Q
)
控制、电压-频率(U
⁃
f
)
控制、下垂控制等。
采用下垂控制的逆变器使输出有功与频率、无功和电压按下垂系数呈线性偏移,具有调节系统频率
的作用。文献[3]提出传统下垂控制不考虑线路阻抗和负荷变化造成的影响,由于实际微电网线
路阻抗较大,且负荷变化对系统电压影响较大,因此传统下垂控制策略会造成系统电压不稳定、电
能质量降低。文献[4]发现加入虚拟阻抗后系统阻感比减小,可有效降低功率耦合,增加控制策
略的有效性,但引入虚 拟阻抗会导致系统的压降 过大和 谐波放大,从而导 致电能 质量降低。文献
[5]提出一种改进的鲁棒下垂控制方法,但这种控制方法仅适用于线路阻抗为阻性的情况。文献
[6]以无功-电压控制为基础,引入虚拟惯性控制策略,使微电网中的电源在具有下垂特性的情况
下,还同时具有类似于同步发电机转子运动的特性,极大程度地提高了微电网频率的稳定性,但并
不能反映输出电压特性。对于孤岛交直混合微电网,一次调频调压虽然有着较快的响应速度,但其
只具有有差调节特性。
针对孤岛交直混合微电网一次调频调压的缺陷,系统需要进行频率电压的二次调整。目前,二次调
频控制策略可分为无通信策略和有通信策略 2 类。文献[7]提出无需通信系统的自动调节下垂控
制曲线的 3 种二次调频控制策略,并分析了各自特性。无通信策略主要有 2 种类型:一种是基于惯
性滤波的策略,大致实现比例功率共享
[ 8-10]
;另一种利用控制模式开关,结合惯性滤波器和积分
器的 优点,实 现二次频 率控制
[ 1 1 ]
。有 通信策略 主要有 2 种类型: 集中控 制和分布 式控制。 文献
[12]指出集中控制可以实现二次频率控制和精确功率共享,除了需要高带宽的通信系统外,还高
度依赖于中央控制单元,从而降低了系统的可靠性和冗余度。文献[13]提出基于平均算法的分布
式控制法,获取并平均了所涉及的分布式电源的完整信息,由于缺少中央控制单元,其可靠性高于
集中控制,其大量的通信数据需要很高的通信带宽。文献[14]指出二次频率控制对于减小系统频
率的稳态误差、保证高供电质量至关重要。
本文提出了一种交直流混合微电网的电压和频率二次协调控制策略,通过对各微单元出力排序,选
取最大出力单元作为其他单元的参考基准,自适应动态调整混合微电网内部各单元有功/无功给定,
实现孤岛模式下电压、频率二次调节及功率动态均分。基于某实际风光柴储微电网平台搭建模型仿
真,验证了二次协调控制电压/频率方法的可行性及相关参数整定方法的有效性。
1 交直流混合微电网孤岛控制策略
在孤岛模式下,微电网需要维持系统电压以及频率的稳定,并且保持负荷的平衡
[ 15]
。由于分布式
电源的随机性和分布分散性,对分布式电源的逆变器实施统一控制有很大难度,为了保证微网系统
的稳定可靠运行,通常采用下垂控制的方法,对逆变器进行电压及频率的一次调整
[ 16]
。
分布式电源采用下垂控制的目的是使其输出有功功率与微电网频率之间产生线性偏移的特性,同时
使其无功功率与微电网电压之间产生线性偏移特性
[ 17]
。为保持逆变器输出特性和输电线路功率特
性的一致性,在交流微电网中,一般通过对逆变器进行有功功率-频率(P
⁃
f)和无功功率-电压(Q
⁃
U)下垂控制方法来维持系统的稳定性,利用分布式电源发出的有功功率和无功功率来产生逆变器
控制信号,从而减小对功率分配的影响
[ 18]
。交流微网中对应的下垂特性方程如下:
{P=1m(fN−f)+PNQ=1n(UN−U)+QNP=1m(fN-f)+PNQ=1n(UN-U)+QN
(1)
式中:P、Q 分别为微电源接口变流器输出的有功功率和无功功率;U
、
f 分别为微电源并网点电压
和频率;m
、
n 分别为有功下垂系数和无功下垂系数;UN、fN 分别为系统额定电压和额定频率;
PN、QN 分别为微电源的额定有功功率和额定无功功率。在交流微电网中,分布式电源利用下垂控
制的方法能调节系统的电压和频率,但调节方式仍然是一种有差调节,调节后的微网频率和电压会
在一定范围内产生偏移
[ 19]
。
在直流微电网中,只有有功功率的传输,没有无功功率和频率的传输。直流微电网的传输有功功率
与输出电压成正比,可以通过调整直流微电源的输出电压实现对有功功率的调整,表达式如下:
P=−1m'(UN−U)+PNP=-1m'(UN-U)+PN
(2)
式中:m'为下垂系数。直流微网中双向 DC-DC 变流器控制方法为:内环电压、电流采用双闭环控
制,外环采用下垂控制,得到内环所需的电压参考值。
2 交直流微电网系统电压频率的联动二次调整策略
下垂控制是一种有差调节,可以模拟同步电机的特性,从而实现分布式电源间的功率调节,可看作
微网的一次调压调频环节。下垂控制无法实现电压和频率的无静差补偿,且受到下垂系数和虚拟阻
抗选择因素的影响很大,为了能够实现电压和频率的无静差调节,使微电网具有电压和频率的快速
调整恢复能力,引入了二次调压调频环节
[ 20]
。
利用动态调节下垂控制中的有功和无功给定,分别对频率和电压进行联动二次调整,从而实现微电
源之间的有功无功合理均分。近年来我国对 5G、泛在电力物联网技术的发展研究日益深入,当监
测母线并离网处的电压和频率变化时,微电网系统被动地进行电压和频率的二次调整;当监测用户
侧智能终端的电压和频率变化时,微电网系统能够快速向电网侧反馈大量的数据差额,从而主动地
进行有功和无功的二次调整。
2.1 孤岛微电网分布式电源的二次调频方法
二次调频是在一次调频控制方法的基础上进行控制,在保证原本的一次调频控制环节控制策略不变
的情况下,通过调节一次控制中的有功给定实现微电网系统的频率恢复和有功功率均分。
定义有功出力因子为 FP,最大有功出力因子为 FPmax,有
FP=PPNFP=PPN
(3)
FPmax=max(FP1,FP2,⋯,FPn)FPmax=max(FP1,FP2,⋯,FPn)
(4)
式中:P 为分布式电源的输出功率;PN 为系统的额定输出功率;FP1,FP2,⋯,FPn 为 n 个分布式电源
(n=1,2,⋯,n,n
为整数
)的有功出力因子。
由式(3)可知,有功出力因子 FP 包含额定功率和实际输出功率,因此,在每个微源单元中,通过
一致的 FP 可以实现多个微源之间的功率均分。二次调频控制的具体方法如图 1 所示,其中,ωN
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