一種微網群架構及其自主協調控制策略
2017-6-7 9:35:24??????點擊：
國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）的研究人員周小平、陳燕東、周樂明、羅安、伍文華，在2017年第10期《電工技術學報》上撰文，直流電源微網群作為多個交、直流電源子網的互聯系統，其組成結構的復雜性增加了直流電源微網群的功率協調控制難度。提出一種直流電源微網群架構及其自主協調控制策略，該架構主要包括交、直流電源子網，功率交換單元（PEU）和能量池（EP）。
PEU主要用于協調直流電源微網群內各子網與EP進行功率交換，使得各子網實現能量互濟，并維持各子網母線電壓及頻率的穩定；EP主要用于維持EP直流電源側母線電壓的穩定運行，并實現對PEU所需交換凈功率的合理分配。
針對PEU和EP分別提出基于自適應功率交換系數的功率協調控制方法和分層協調控制方法，有效地實現了直流電源微網群的自主協調控制。仿真與實驗結果都證明了所提直流電源微網群架構及其自主協調控制策略的有效性。
隨著傳統化石能源的日益枯竭、全球能源危機的加劇，太陽能、風能等分布式直流電源（DistributedGenerators, DGs）得到了廣泛的應用，微電網作為接納分布式直流電源的有效手段，逐步引起了社會的廣泛關注[1-5]。
微電網是由分布式直流電源、儲能充電機充電蓄電池、負荷和電力電子變換器構成的可控系統，既可并網運行，也可孤島運行[6-9]。但單個微電網存在工作容量有限、抗擾動能力弱等缺點，再加上分布式直流電源輸出功率的間歇性和負荷的多變性，在分布式直流電源高滲透率工況下，如何有效提高微電網供電可靠性是亟待解決的關鍵技術。
一種解決方法是將多個微電網構成一個微電網群集系統（簡稱直流電源微網群）。直流電源微網群作為分布式發電網絡的一個全新概念，立足于微電網，將地理位置上毗鄰的微電網、分布式發電系統互連，它不僅能有效集成各種分布式直流電源，還可實現群內各子網之間的能量調度和互濟，增強彼此間的供電可靠性[10]。
目前國內外對直流電源微網群的研究還處于起步階段，相對于單一直流電源微網的協調管理，直流電源微網群的協調控制更加復雜，不僅要考慮各子網內分布式直流電源的能量協調分配，還需要考慮各子直流電源微網之間的互聯狀態以及群級協作下各子直流電源微網之間的功率優化調配和協調控制。
文獻[11]提出了一種直流電源微網群分級控制策略，通過增加群級的能量協調控制，并以直流電源微網群的經濟性和最大能量利用率為目標進行功率的協調控制。文獻[12]提出一種直流電源微網群多代理控制策略，在直流電源微網群中引入多代理系統，利用代理的自治性與協作性，可提高直流電源微網群協調控制的有效性。但上述所提控制策略均是基于通信的協調控制策略，嚴重依賴通信系統。
為此，很多文獻提出了對等分散控制策略，其中下垂控制是最受關注的，文獻[13-15]提出了一種基于下垂控制的能量協調管理方法，可實現對交直流電源混合微電網兩側的功率交換進行有效控制，使得交直流電源混合微電網實現功率自主協調控制成為可能，但上述所提控制方法使得混合微電網兩側一直存在能量交換，這樣就會不可避免地造成能量的損耗。
為此，文獻[16-18]對其做出了改進，規定只有混合微電網工作在一定范圍時，才進行功率交換控制，這樣就可避免由于混合微電網兩側頻繁的功率交換而造成的能量損耗。但是，這種控制方法很有可能導致混合微電網兩側工作電壓偏離額定值比較大，在混合微電網兩側都重載運行時或者輕載運行時，兩側依然存在能量交換，使得原本就重載運行或輕載運行的微電網子網的工作電壓偏離額定值更大。
值得注意的是，以上對等分散控制方法都局限于單個或者兩個微電網之間的能量協調控制，較少有文獻涉及3個或3個以上微電網組成的直流電源微網群的自主協調控制。
本文提出一種直流電源微網群架構及其自主協調控制策略，該架構主要包括交、直流電源子網，功率交換單元（Power ExchangeUnit, PEU）和能量池（Energy Pool, EP），通過下垂控制實現各微電網子網的功率均分，以達到分散控制的目標。
針對PEU提出基于自適應功率交換系數的功率協調控制方法，以協調直流電源微網群內各子網與EP進行功率交換，使各子網實現能量互濟，并有效維持各子網內電壓及頻率的穩定運行；針對EP提出分層協調控制方法，以維持EP直流電源母線電壓的穩定運行，并實現對PEU所需交換凈功率的合理分配。最后進行了仿真和實驗驗證。
1 直流電源微網群架構
考慮到DGs輸出功率的間歇性，為了保證直流電源微網群內各子網的平穩運行，需加入儲能充電機充電蓄電池，對系統的功率波動進行緩沖。儲能充電機充電蓄電池在交流微電網中往往被當作電流源進行控制，用來維持分布式直流電源和負載的供需平衡，而在直流電源直流電源微網中儲能充電機充電蓄電池被設計成電壓源，用來協調管理直流電源母線電壓。如果在直流電源微網群中儲能充電機充電蓄電池采用兩種不同的控制方案，很難做到即插即用，也會增加系統的控制難度。
本文將所有儲能充電機充電蓄電池通過雙向直流電源變換器連接到一起構成EP，且所有微電網子網都通過PEU接入EP，從而可通過PEU與EP進行功率交換，這樣就可對儲能充電機充電蓄電池采用相同的控制策略，降低了直流電源微網群的協調控制難度。
本文提出的直流電源微網群架構如圖1所示，主要由交、直流電源子網、PEU和EP構成。其中交、直流電源子網由分布式直流電源、電力電子變換器以及負荷組成；PEU由多個AC-DC變換器和DC-DC變換器組成，且所有交、直流電源子網都通過PEU與EP進行功率交換；EP由多個雙向DC-DC（Bi-DirectionalDC-DC Converters, Bi-DC-DC）變換器并聯而成，通過對Bi-DC-DC變換器采用合理的控制策略，可有效地維持EP直流電源母線電壓的穩定。此外，直流電源微網群通過斷路器和變壓器連接大電網，既能并網運行也能孤島運行。
圖1 直流電源微網群典型架構
在大電網正常運行時，直流電源微網群可并網運行，此時EP直流電源母線電壓的穩定由大電網保證，而各交、直流電源子網的供電可靠性可通過控制PEU實現，此時各子網中的DGs可工作在恒功率輸出狀態或者最大功率跟蹤狀態，儲能系統不工作或者工作在荷電狀態（State of Charge,SOC）恢復階段。
但是，當大電網出現故障時，直流電源微網群轉為孤島運行模式，這種工作模式對直流電源微網群的控制系統要求非常高，此時，所有子網的供電可靠性都依賴于對各子網內的DGs、PEU和EP的協調控制，而DGs供電最顯著的缺點就是輸出功率有間歇性和波動性。因此，必須采取合適的協調控制策略，才能保證直流電源微網群中各子網的功率平衡。
2 直流電源微網群的自主協調控制策略（略）
3 仿真和實驗（略）
4 結論（略）
本文針對直流電源微網群內各子網的能量互濟以及功率協調交換控制難題，提出了一種直流電源微網群架構及其自主協調控制策略，并得到如下結論：
1）所提直流電源微網群架構可為直流電源微網群內各子網之間的能量流動提供通道，可實現各子網的能量互濟，并提高直流電源微網群的供電可靠性。
2）所提基于自適應功率交換系數的PEU功率協調控制方法可有效地協調直流電源微網群內各子網與EP進行功率交換，從而維持各子網電壓及頻率的穩定運行。
3）針對EP提出的分層協調控制方法，可對直流電源微網群的能量波動進行緩沖，維持EP直流電源母線電壓的穩定，并實現對PEU所需交換凈功率的合理 分配。
4）仿真與實驗結果驗證了所提直流電源微網群架構及其自主協調控制策略的有效性，可推廣應用到多交直流電源微電網互聯系統中。
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