直流微电网群功率协调控制方法与流程

本发明属于直流微电网功率群功率协调控制技术领域，涉及一种基于隔离双向DC-DC互联的直流微电网群功率协调控制方法。

背景技术：

以直流微电网形式为未来智能家庭、商业楼宇，甚至工业园区等提供高可靠性和高电能质量供电，实现分布式发电单元和储能系统柔性接入和高效应用，是未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能交直流混合配用电系统的重要组成部分[1-2]。多个邻近直流微电网如能以集群的形式互联和运行，各子微电网间通过直流微电网群能量调度与协调控制进行相互支撑[3-4]。正常情况下，通过子微电网间联络线功率协调控制实现直流微电网群经济运行，能更大限度地提高分布式可再生能源发电系统和分布式储能单元的能效；2)紧急情况下，若系统中某个微电网因主电源故障或可再生能源出力出现大幅度波动，邻近微电网可对其进行紧急功率支撑，增强系统供电可靠性和系统运行稳定性。

通常具有相同直流电压等级的直流微电网可通过线路和直流断路器直接互联，根据实际运行需求，其互联网络可采用辐射状或网状等结构形式。由于各子网之间功率协调控制与直流微电网正常直流电压控制系统存在相互耦合和影响，不仅会降低互联直流微电网之间传输功率的控制灵活性，也不利于直流微电网及其控制系统的即插即用[3-4]。此外，互联直流微电网之间无电气隔离，若系统内直流母线任意某处地方发生故障，即使直流断路器能快速隔离故障点，该故障仍将不可避免会对直流微电网群整体的可靠运行造成影响，且故障消除后也不利于系统的快速恢复供电[5]。为实现不同电压等级的多直流微电网之间柔性互联与灵活功率控制，各直流微电网可通过电力电子变流器接口装置进行网间互联[6-7]。采用隔离型电力电子互联装置还可实现多直流微电网之间的电气隔离[8]，可有效隔离局部故障，提高直流微电网群供电可靠性。

参考文献

[1]陆晓楠,孙凯,Josep G,等.适用于交直流混合微电网的直流分层控制系统[J].电工技术学报,2013,28(4):35-42.

[2]李霞林，郭力，王成山，等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36(1)：2-17.

[3]Q.Shafiee,T.Dragiˇcevi′c,J.C.Vasquez,and J.M.Guerrero.Hierarchical Control for Multiple DC-Microgrids Clusters[J].IEEE Trans.Energy Convers.,2014,29(4):922–933.

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[5]S.Moayedi and A.Davoudi.Cooperative power management in DC microgrid clusters[C].IEEE First International Conference on DC Microgrids(ICDCM),Atlanta,GA,USA,2015:75–80.

[6]J.Ma,M.Zhu,X.Cai and Y.Li.Configuration and operation of DC microgrid cluster linked through DC-DC converter[C].2016IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA),Hefei,China,2016:2565–2570.

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[8]M.Lee,W.Choi,H.Kim and B.Cho.Operation Schemes of Interconnected DC Microgrids Through an Isolated Bi-directional DC-DC Converter[C].2015IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),NC,USA,2015:2940–2945.

技术实现要素：

本发明提供一种适用于隔离双向DC-DC柔性互联的直流微电网群功率协调控制方法。本发明提供的控制方法，既可实现多直流微电网群在正常运行状态下的区域子微网间互联功率自治控制，提高直流微电网群内平衡单元利用效率，也可实现直流微电网群不同运行状态间的运行模式无缝切换，保证直流微电网群紧急工况下的暂态稳定。技术方案如下：

一种直流微电网群功率协调控制方法，由直流微电网功率自治控制系统和隔离双向DC-DC通用功率控制系统构成，其特征在于：

(1)每个直流微电网均含有独立的功率自治控制系统，功率单元采用恒功率控制模式，平衡单元由二次控制即直流电压恢复、直流电压下垂控制和电压/电流双闭环控制构成，设m为直流微电网的标号，m＝i，j和k，

功率单元所采用的恒功率控制方式如下：

d_{p_m}＝(k_{p_m}+k_{i_m}/s)(P_{pref_m}/u_{dcp_m}-i_{Lp_m})

式中；d_{p_m}为功率单元变流器占空比；k_{p_m}和k_{i_m}分别表示比例和积分系数；P_{pref_m}、u_{dcp_m}和i_{Lp_m}分别表示该功率单元的功率参考值、输入端直流电压及电感电流；

平衡单元的控制方式如下：

由二次控制和直流电压下垂控制可得电压电流双闭环控制中的电压环电压参考值u_{ref_m}：

u_{ref_m}＝u_{set_m}+(P_{s_m}^*-P_{s_m})/k_{dc_m}+(u_{0_m}-u_{dc_m})(k_{ps_m}+k_{is_m}/s)/(1+T_{d_m}s)

式中U_{set_m}为直流电压设定初值；P_{s_m}^*、P_{s_m}和k_{dc_m}分别为直流微电网#m下垂控制特性曲线的平衡单元功率设定值、实际输出功率以及下垂系数；u_{0_m}为期望电压恢复参考值，u_{dc_m}表示直流微电网#m母线电压；k_{ps_m}和k_{is_m}分别比例和积分控制参数；时间常数T_{d_m}用于描述二次控制延时；

电压/电流双闭环控制方式如下：

d_{s_m}＝(k_{pi_m}+k_{ii_m}/s)[(k_{pu_m}+k_{iu_m}/s)(u_{ref_m}-u_{dc_m})-i_{Ls_m}]

式中d_{s_m}为平衡单元变流器占空比；k_{pu_m}和k_{iu_m}分别表示电压环比例和积分系数；k_{pi_m}和k_{ii_m}分别表示电流环比例和积分系数；i_{Lp_m}为该平衡单元电感电流；

(2)定义直流微电网#i、直流微电网#j和直流微电网#k中平衡单元额定容量分别为P_{os_i}、P_{os_j}和P_{os_k}，且其容量比满足P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1，隔离双向DC-DC通用功率控制系统，包含两部分：

a)外环控制为互联功率自治控制，通过与两互联直流微电网二次控制系统进行通信，获取其下垂控制特性参数，然后实际测量两侧直流母线电压，经过运算可得互联功率误差信号，然后经过PI控制器得到内环控制系统功率参考值P_{ref_ik}和P_{ref_jk}，控制方式如下：

式中P_{ref_ik}和P_{ref_jk}分别为隔离双向DC-DC#ik和#jk的功率参考值；k_{po_ik}、k_{po_jk}和k_{io_ik}、k_{io_jk}分别比例和积分控制参数；

b)内环控制为功率闭环控制，控制方式如下：

式中d_ik和d_jk分别为隔离双向DC-DC#ik和#jk的控制信号；k_{p_ik}、k_{p_jk}和k_{i_ik}、k_{i_jk}分别比例和积分控制参数；P_ik和P_jk分别隔离双向DC-DC#ik和#jk的实际输出功率；T_{f_ik}和T_{f_jk}为低通滤波时间常数，用以滤除隔离双向DC-DC输出功率中的高频分量。

附图说明

图1直流微电网群柔性互联及功率协调控制方法；

图2直流微电网功率自治控制系统；

图3PSCAD仿真结果,(a)～(c)分别为直流微电网群内功率单元、平衡单元及隔离DC-DC的输出功率波形；(d)为三个直流微电网内的直流电压波形；(e)为三个直流微电网中二次电压恢复控制系统输出结果，即各底层直流电压下垂控制中直流电压设定值。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。

由直流微电网功率自治控制系统和隔离双向DC-DC通用功率控制系统构成。各直流微电网均采用基于分层控制体系的功率自治控制策略，其中底层平衡单元采用直流电压下垂控制和电压电流双闭环控制，二次控制主要功能为实现直流电压恢复。隔离双向DC-DC采用本发明所设计的通用功率控制系统，通过与互联直流微电网二次控制系统进行通信，获取其下垂控制特性参数，在此基础上设计出通用功率控制系统。

本实施例所针对的应用场景如图1所示基于隔离双向DC-DC变流器的多直流微电网群柔性互联系统，系统中包含三个直流微电网(即DCMG#i，DCMG#j和DCMG#k)，通过两隔离双向DC-DC变流器进行柔性互联。各直流微电网中，均包含平衡单元(如能量型储能、可控型分布式电源等)和功率单元(如新能源发电、负荷等)。此处每个直流微电网均采用一个平衡单元和功率单元，且均由直流电压源和常规双向buck-boost DC-DC变流器构成。

每个直流微电网均含有独立的功率自治控制系统，具体控制结构如图2所示(图中标号m＝i，j和k)，其中功率单元采用恒功率控制模式，平衡单元的控制系统由二次控制(即直流电压恢复)、直流电压下垂控制和电压电流双闭环控制构成。

功率单元所采用的恒功率控制具体实施方案如下：

d_{p_m}＝(k_{p_m}+k_{i_m}/s)(P_{pref_m}/u_{dcp_m}-i_{Lp_m}) (1)

式中d_{p_m}为功率单元变流器占空比；k_{p_m}和k_{i_m}分别表示比例和积分系数；P_{pref_m}、u_{dcp_m}和i_{Lp_m}分别表示该功率单元的功率参考值、输入端直流电压及电感电流。

平衡单元的控制系统包含二次控制(即直流电压恢复)、直流电压下垂控制及电压电流双闭环控制三部分。由二次控制和直流电压下垂控制可得电压电流双闭环控制中的电压环电压参考值u_{ref_m}，具体实施方案如下：

u_{ref_m}＝u_{set_m}+(P_{s_m}^*-P_{s_m})/k_{dc_m}+(u_{0_m}-u_{dc_m})(k_{ps_m}+k_{is_m}/s)/(1+T_{d_m}s) (2)

式中U_{set_m}为直流电压设定初值；P_{s_m}^*、P_{s_m}和k_{dc_m}分别为直流微电网#m下垂控制特性曲线的平衡单元功率设定值、实际输出功率以及下垂系数；u_{0_m}为期望电压恢复参考值，u_{dc_m}表示直流微电网#m母线电压；k_{ps_m}和k_{is_m}分别比例和积分控制参数；时间常数T_{d_m}用于描述二次控制系统延时。

电压/电流双闭环控制的具体实施方式如下：

d_{s_m}＝(k_{pi_m}+k_{ii_m}/s)[(k_{pu_m}+k_{iu_m}/s)(u_{ref_m}-u_{dc_m})-i_{Ls_m}] (3)

式中d_{s_m}为平衡单元变流器占空比；k_{pu_m}和k_{iu_m}分别表示电压环比例和积分系数；k_{pi_m}和k_{ii_m}分别表示电流环比例和积分系数；i_{Lp_m}为该平衡单元电感电流。

假定直流微电网#i、直流微电网#j和直流微电网#k中平衡单元额定容量分别为P_{os_i}、P_{os_j}和P_{os_k}，且其容量比满足P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1。当各直流微电网中的平衡单元与功率单元均处于正常工作状态时，期望通过隔离双向DC-DC变流器控制保证直流微电网#i、直流微电网#j和直流微电网#k中平衡单元的实际输出功率P_{s_i}、P_{s_j}和P_{s_k}能够按照其容量比(即α:β:1)来运行，以充分提高直流微电网群内平衡单元利用效率，能有效减小各自微电网中备用容量。

本发明首先定义直流微电网#i、直流微电网#j和直流微电网#k中平衡单元功率误差ΔP_ik和ΔP_jk如下：

由于各直流微电网中平衡单元的实际输出功率P_{s_m}满足(1)，因此(3)中各功率误差又可分别表示为：

ΔP_ik＝[P_{s_i}^*+k_{dc_i}(U_{dc_i}^*-u_{dc_i})]-α[P_{s_k}^*+k_{dc_k}(U_{dc_k}^*-u_{dc_k})] (5)

ΔP_jk＝[P_{s_j}^*+k_{dc_j}(U_{dc_j}^*-u_{dc_j})]-β[P_{s_k}^*+k_{dc_k}(U_{dc_k}^*-u_{dc_k})] (6)

基于(4)和(5)，设计出应用于隔离双向DC-DC的通用控制系统，如图1所示。隔离双向DC-DC通用控制系统包含两部分：1)外环控制系统为互联功率自治控制，通过与两互联直流微电网二次控制系统进行通信，获取其下垂控制特性参数，然后实际测量两侧直流母线电压，经过运算可得互联功率误差信号(4)和(5)，然后经过PI控制器得到内环控制系统功率参考值P_{ref_ik}和P_{ref_jk}，具体实施方案如下：

式中k_{po_ik}、k_{po_jk}和k_{io_ik}、k_{io_jk}分别比例和积分控制参数。

2)内环控制系统为功率闭环控制，其具体实施方式如下：

式中k_{p_ik}、k_{p_jk}和k_{i_ik}、k_{i_jk}分别比例和积分控制参数；T_{f_ik}和T_{f_jk}为低通滤波时间常数，主要目的是滤除隔离双向DC-DC输出功率中的高频分量；d_ik和d_jk分别为隔离双向DC-DC#ik和#jk的控制信号。

为验证本发明中所提出的图1所示的功率协调控制方法的有效性，在PSCAD仿真软件中搭建了如图1所示仿真算例进行仿真验证。仿真系统中直流微电网#i、#j和#k母线电压额定值(亦即各直流微电网电压基准值)分别为400V、400V和800V，其平衡单元额定容量比P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1＝1:1:1，功率值为100kW。直流微电网群主回路参数主回路参数、各子系统内环控制参数及平衡单元二次控制与下垂控制系统的详细参数分别如表1、表2和表3所示。

在多直流微电网群正常运行过程中，模拟直流微电网#i平衡单元故障退出，采用本发明控制策略后，直流微电网群动态特性仿真结果如图3所示。暂态前运行状态(t<1.0s)：直流微电网#i、#j和#k功率单元输出功率分别为P_{p_i}＝-40kW、P_{p_j}＝-30kW和P_{p_k}＝20kW(标幺值分别为-0.4、-0.3和0.2)；各直流微电网平衡单元及两隔离双向DC-DC变流器采用本发明控制策略，由图可知各直流微电网平衡单元实现均流，直流电压均保持为额定值1恒定。t＝1.0s～1.6s：t＝1.0s时刻模拟直流微电网#i平衡单元故障退出运行，但直流微电网#i二次控制仍正常工作；从图中可以看出，直流微电网群实现了暂态稳定，正常直流微电网内平衡单元仍保持均流目标，隔离双向DC-DC变流器#ik输出功率与直流微电网#i内功率单元输出功率大小相等、方向相反，且各直流微电网母线电压均能维持额定值1恒定，上述结果表明隔离双向DC-DC变流器#ik在没有进行控制策略切换的情况下，自动实现了控制功能的无缝切换，即从功率自治无缝切换至直流电压控制模式，支撑直流微电网#i。t＝1.6s～3.0s：在t＝1.6s和t＝2.4s时刻，直流微电网#i和#k功率单元输出功率P_{p_i}和P_{p_k}分别变化为20kW和-60kW(标幺值分别为0.2和-0.6)；从图中可以看出，本发明控制方法能够有效应对直流微电网群内各种正常功率扰动。