交直流微電網(wǎng)集群柔性控制及穩(wěn)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(lián)的交直流微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)示意圖，交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)之間通過雙向DC-AC互聯(lián)，不同電壓等級的直流微電網(wǎng)間則可通過隔離雙向DC-DC裝置互聯(lián)以實現(xiàn)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(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、提升系統(tǒng)韌性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此本文所關(guān)注的便是此類柔性互聯(lián)交直流微電網(wǎng)集群分層多尺度協(xié)調(diào)控制框架(如圖1(b))中的就地控制穩(wěn)定控制問題。
圖1 交直流微電網(wǎng)集群柔性互聯(lián)示意結(jié)構(gòu)
針對柔性互聯(lián)交直流微電網(wǎng)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(jù)確定性的微電網(wǎng)集群系統(tǒng)運行模式，選擇確定性的各子系統(tǒng)(包括微電網(wǎng)和柔性互聯(lián)裝置)的控制方式。多微電網(wǎng)以集群的形式互聯(lián)運行，便是希望能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)多分散式平衡單元的相互支撐作用，使之能夠稀釋大規(guī)模分布式電源或負荷(即功率單元)對單一微電網(wǎng)的功率擾動或沖擊。在現(xiàn)有的確定性就地控制模式下，通常需要通過多微電網(wǎng)控制系統(tǒng)之間的快速通信和協(xié)調(diào)控制才能實現(xiàn)該目標。此外，在集群系統(tǒng)遇到緊急狀況時，如某個微電網(wǎng)平衡單元（即主電源系統(tǒng)）發(fā)生故障，需要其他微電網(wǎng)對該子網(wǎng)進行支撐，在無快速互聯(lián)通信下，難以實現(xiàn)控制模式的平滑切換來保證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，進而為上層協(xié)調(diào)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(wǎng)集群柔性控制方法。應(yīng)用該柔性控制方法，能夠充分發(fā)揮分布式可控單元的集群控制能力，能更高效應(yīng)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(zhàn)，實現(xiàn)大擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定控制，為交直流微電網(wǎng)集群運行控制提供了一種新的思路。
3、論文重點內(nèi)容
(1) 交直流微電網(wǎng)集群柔性控制策略
本文所提出的交直流微電網(wǎng)集群柔性控制策略由各微電網(wǎng)的下垂控制和交直流微電網(wǎng)接口變流器柔性控制構(gòu)成，可在無通信情況下實現(xiàn)微電網(wǎng)集群系統(tǒng)的多微電網(wǎng)間功率協(xié)調(diào)控制及運行模式平滑切換兩個主要功能。
交直流微電網(wǎng)內(nèi)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(xiàn)。
圖2 交直流微電網(wǎng)平衡單元下垂控制
假定直流微電網(wǎng)1、直流微電網(wǎng)2和交流微電網(wǎng)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(dāng)各微電網(wǎng)中的平衡單元均處于正常工作狀態(tài)時，期望通過DC-DC和DC-AC互聯(lián)裝置控制實現(xiàn)3個微電網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)群內(nèi)平衡單元利用效率，能有效減小各自微電網(wǎng)中備用容量，能有效應(yīng)對微電網(wǎng)內(nèi)大功率擾動。在無互聯(lián)通信情況下，如何實現(xiàn)上述微電網(wǎng)集群系統(tǒng)的多微電網(wǎng)間功率協(xié)調(diào)控制目標及運行模式平滑切換，DC-DC 和DC-AC互聯(lián)裝置就地控制系統(tǒng)設(shè)計是關(guān)鍵。為此，本文提出如圖3、4所示DC-AC 和DC-DC 互聯(lián)裝置柔性控制方法。
基于微電網(wǎng)下垂運行特性，DC-DC和DC-AC柔性互聯(lián)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(wǎng)內(nèi)平衡單元出力情況。在獲得式(3)所示互聯(lián)功率增量后，DC-DC和DC-AC外環(huán)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(wěn)態(tài)情況下，式(3)中互聯(lián)功率增量ΔPs,dc 和ΔPs,ac 均應(yīng)為零，從而達到了本文所期望的多微電網(wǎng)間平衡單元功率協(xié)調(diào)控制目的。
(2) 交直流微電網(wǎng)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(tài)工況不僅容易對系統(tǒng)內(nèi)直流電壓、交流頻率等造成沖擊，且當(dāng)控制參數(shù)選擇不當(dāng)時，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率振蕩等穩(wěn)定性問題。為此，本文接下來將首先建立交直流微電網(wǎng)集群多運行模式下的小信號穩(wěn)定性分析模型進行穩(wěn)定性分析，為后續(xù)深入研究系統(tǒng)功率振蕩穩(wěn)定機理分析及控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)?；谀K化小信號建模思路，可得交直流微電網(wǎng)集群在正常運行模式下的完整小信號穩(wěn)定性分析模型如下圖所示。
圖5 微電網(wǎng)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(wǎng)集群結(jié)構(gòu)，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(jié)果(黑色曲線為電磁暫態(tài)仿真結(jié)果，紅色為小信號模型仿真結(jié)果)進行比對。本文進行了正常模式運行、直流微電網(wǎng)支撐模式及交流微電網(wǎng)支撐模式三種工況下的仿真測試，并對比了詳細電磁暫態(tài)仿真及利用小信號模型所獲得的仿真結(jié)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(yīng)三種不同模式。從圖中可看出詳細電磁暫態(tài)和小信號模型仿真結(jié)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(yīng)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(jié)果(黑色為開關(guān)模型，紅色為數(shù)學(xué)模型)
4、結(jié)論
本文提出了針對交直流微電網(wǎng)集群結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的柔性控制策略，理論分析與仿真結(jié)果均表明該策略能夠?qū)崿F(xiàn)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(wěn)定運行，并且能夠自適應(yīng)系統(tǒng)的功率變化，實現(xiàn)多子網(wǎng)間的功率協(xié)調(diào)控制。在各種工況下的小信號模型也都能夠基本吻合系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的結(jié)果，并通過該小信號模型對系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析能夠指導(dǎo)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)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(wǎng)集群柔性控制及穩(wěn)定性分析[J]. 中國電機工程學(xué)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.
