中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
研究意義
新能源微電網(wǎng)是集成多種分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能以及監(jiān)控裝置的自主型電力系統(tǒng)，是聚合分布式發(fā)電資源、促進(jìn)新能源并網(wǎng)消納、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效方式。相比采用交流微電網(wǎng)整合新能源，直流微電網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)：光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能等設(shè)備具有固有的直流接口屬性，采用直流架構(gòu)能夠減少不必要的交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，降低能量損耗；此外，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)無需考慮頻率同步、無功功率等問題，控制策略更為簡(jiǎn)單高效。以直流微電網(wǎng)為載體的新能源高效并網(wǎng)和消納方案逐步成為研究熱點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)控與電流分配是直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的兩個(gè)基本控制目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)下垂控制方法通過選取合適的下垂系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的但非精確的電壓調(diào)控和電流分配，由于線路阻抗、內(nèi)阻等因素的存在，僅采用下垂控制器難以解決電壓調(diào)控目標(biāo)和電流分配目標(biāo)之間的制衡影響。此外，針對(duì)實(shí)際中同時(shí)包含“構(gòu)網(wǎng)型”和“饋網(wǎng)型”兩種不同工作模式的轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)，其中構(gòu)網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器的外接口特性為受控電壓源、饋網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器的外接口特性為受控電流源，調(diào)控方式的異構(gòu)特點(diǎn)使得轉(zhuǎn)換器之間的協(xié)調(diào)更加困難。而現(xiàn)有僅針對(duì)構(gòu)網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)同控制方法無法適用。
為解決該問題，本文提出了一種混雜的分布式二次控制補(bǔ)償策略，通過構(gòu)網(wǎng)型與饋網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)雙向電流的精確比例分配。在理論分析中，引入電流-電壓融合的調(diào)控誤差系統(tǒng)，將電壓調(diào)控和電流分配問題轉(zhuǎn)化為融合誤差系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,進(jìn)一步結(jié)合圖論和廣義負(fù)定矩陣性質(zhì)，推導(dǎo)出使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)取值條件。本研究為保障新能源靈活并網(wǎng)與安全消納時(shí)的均流調(diào)壓控制提供重要的理論依據(jù)和分析手段，助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。
圖1 直流微電網(wǎng)示例
02 本文工作
本文針對(duì)直流微電網(wǎng)中同時(shí)包含構(gòu)網(wǎng)型和饋網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜情況，提出了一種創(chuàng)新的分布式混合控制策略。首先，對(duì)構(gòu)網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器采用基于V-I下垂的二次控制策略，對(duì)饋網(wǎng)型轉(zhuǎn)換器則采用無下垂的直接二次控制策略。為了解決混合控制導(dǎo)致的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)矩陣不對(duì)稱問題，本文創(chuàng)新性地構(gòu)建了電流誤差和電壓誤差的線性融合閉環(huán)系統(tǒng)，將微電網(wǎng)控制問題轉(zhuǎn)化為矩陣攝動(dòng)的特征值分析問題。通過結(jié)合圖論和廣義負(fù)定矩陣?yán)碚?，?yán)格推導(dǎo)出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的參數(shù)約束條件。此外，研究還考慮了實(shí)際通信時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了時(shí)延穩(wěn)定邊界。最后，通過MATLAB仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略在負(fù)載切換、即插即用和時(shí)變負(fù)載等多種工況下的有效性，相比傳統(tǒng)方法具有更快的響應(yīng)速度和更好的控制精度。
圖2 面向構(gòu)網(wǎng)-饋網(wǎng)混合轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)分布式控制框架
本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下：
(1) 現(xiàn)有研究多集中于構(gòu)網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的協(xié)同控制，本文探討了多個(gè)構(gòu)網(wǎng)和多個(gè)饋網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的協(xié)同控制問題。由于不同類型的能量源有著不同的工作原理與特點(diǎn)，因此構(gòu)網(wǎng)-饋網(wǎng)混合模式成為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必然選擇，相比只考慮電壓受控的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)而言，同時(shí)包含構(gòu)網(wǎng)和饋網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠與更多類型的能量源及應(yīng)用場(chǎng)景適配。
(2) 在控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與部署方面，和現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，本文對(duì)饋網(wǎng)轉(zhuǎn)換器采用了無下垂的控制方法，在雙閉環(huán)控制中直接接入電流分配的二次控制信號(hào)。因此，在實(shí)施過程中無需額外的電壓傳感器來采集本地電壓信號(hào)做I-V下垂控制，降低了控制器部署成本。
(3) 在穩(wěn)定性分析方面,現(xiàn)有研究對(duì)饋網(wǎng)轉(zhuǎn)換器采用了I-V下垂方法，類似于構(gòu)網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的 V-I下垂控制，構(gòu)造了饋網(wǎng)轉(zhuǎn)換器輸出電流與輸出電壓的耦合結(jié)構(gòu)，通過合適的參數(shù)選取來保障整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)矩陣的對(duì)稱性；本文的電流受控節(jié)點(diǎn)由于未使用電壓信號(hào)，系統(tǒng)矩陣呈現(xiàn)非對(duì)稱性，對(duì)稱矩陣的理論分析手段無法適用，因此本文構(gòu)建了新的矩陣分解方法和組合結(jié)構(gòu)，并基于廣義負(fù)定矩陣的秩一擾動(dòng)特性，得到穩(wěn)定性判據(jù)。
03 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文通過仿真和硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的混合分布式控制策略進(jìn)行了全面驗(yàn)證。在仿真部分，利用MATLAB/Simulink搭建了包含6個(gè)分布式發(fā)電單元（4個(gè)構(gòu)網(wǎng)型和2個(gè)饋網(wǎng)型）的直流微電網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)，重點(diǎn)考察了負(fù)載切換、即插即用以及時(shí)變負(fù)載三種典型工況，分別從動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能兩方面與現(xiàn)有方法進(jìn)行了對(duì)比，凸顯出本文控制器的優(yōu)越性能。硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用dSPACE控制器和4個(gè)轉(zhuǎn)換器（2個(gè)構(gòu)網(wǎng)型和2個(gè)饋網(wǎng)型），分別通過負(fù)載切換測(cè)試和電流分配比例切換測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)了控制策略的有效性。
圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的總線電壓與輸出電流響應(yīng)
