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郑州大学科研团队提出直流微电网新型分布式二次控制策略

作者:中国储能网新闻中心 来源:电气新科技 发布时间:2022-01-09 浏览:

中国储能网讯:基于下垂控制的直流微电网初级控制存在稳态母线电压偏差和电流难以准确分配的缺点,传统采用集中式或分布式的二次控制策略虽然可以实现直流微电网母线电压恢复和电流均分,但并没有考虑各分布式发电单元的发电成本。

为提高直流微电网的稳定性和运行效率,基于分布式一致理论,郑州大学电气工程学院的研究人员李忠文、程志平 等,在2021年第21期《电工技术学报》上撰文,设计了分布式平均母线电压恢复控制算法和分布式最优负荷分配算法,并基于上述算法设计了直流微电网新型分布式二次控制策略。该控制策略可以在二次控制层同时实现母线电压恢复和经济调度,从而提高微电网的运行效率。另外,该控制策略完全分布式实施具有更好的灵活性、鲁棒性和可扩展性。

随着能源需求的增长和对环保问题的重视,可再生能源的开发利用得到越来越多的关注。微电网技术的发展可以提高可再生能源在电网的渗透率,促进传统电网的现代化和智能化。近年来,直流型负荷(电动汽车、电子设备等)和直流分布式电源(光伏电站、储能系统等)的数量在电网中日益增加。

与交流微电网相比,直流微电网可以更灵活和高效地接入上述直流负荷和电源,而不需要AC-DC、DC-AC转换模块。另外,直流微电网不存在交流微电网中的频率和无功调节问题。因此,直流微电网技术得到了日益广泛的研究和关注。与传统电网类似,直流微电网通常也采用分层控制结构。

直流微电网分布式分层控制结构如图1所示,分层控制结构通常包括初级控制、二次控制和三次控制(图中未画出),并且从下层到上层时间尺度依次增加。初级控制通常采用下垂控制策略,并通过控制各电源的输出电压和电流,实现负荷在各电源间的初级分配。二次控制通常负责微电网系统级的稳定控制,如通过集中式或分布式的方式实现微电网母线电压的恢复控制。三次控制通常负责管理微电网的优化运行,如经济调度。

图1 直流微电网分布式分层控制结构

对于直流微电网中的可控分布式电源(Distributed Generator, DG),通常采用电压-功率下垂控制策略。下垂控制策略可以提高微电网的电压稳定性,并降低并联运行DG间的环流。然而,下垂控制是一种有差控制,存在稳态电压偏差。另外,由于受线路阻抗影响,很难实现功率的准确分配。因此,需要二次控制策略以恢复母线电压并改善功率分配。

直流微电网二次控制可以采用集中式控制策略或分布式控制策略。对于集中式控制策略,通常需要中央控制器处理所有相关的通信和控制任务。因此,集中式控制策略扩展性差,并容易受单点故障影响。分布式控制策略可以将复杂的计算和控制任务分解,并在各分布式控制器中并行处理。因此,分布式控制策略具有灵活性、可扩展性和不易受单点故障影响的优点。

关于直流微电网分布式控制,近年来已有诸多成果。然而,相关控制策略均以实现母线电压恢复或负荷的比例分配为目标,没有考虑各电源的发电成本。

针对直流微电网经济调度问题,近年来提出了一些分布式经济调度策略。有学者基于有限步一致性算法设计了交直流混合微电网分布式经济调度策略。然而,该控制策略没有考虑交直流混合微电网的电压、频率二次调节。有学者提出一种直流微电网分布式分层控制策略:在其三次控制层,通过分布式一致算法调整下垂控制的虚拟阻抗以实现经济调度;在二次控制层,通过分布式一致算法生成下垂控制的电压补偿量以实现电压恢复。然而,三次优化调度层的时间尺度大于二次电压恢复控制层,无法在同一小时间尺度下对微电网进行控制与优化,从而无法进一步提高直流电网运行效率。此外,虚拟阻抗的大范围实时调整给系统的电压稳定控制带来挑战。

郑州大学电气工程学院的研究人员设计了分布式二次控制策略,以同时实现直流微电网的母线电压恢复和经济调度,从而提高微电网的稳定性和运行效率。该二次控制策略旨在控制直流微电网中的可控分布式电源,例如燃料电池、超级电容、微型燃气轮机、柴油发电机等。

但是,直流微电网中的光伏、风力发电等新能源发电单元是不可控电源,通常运行在最大功率点跟踪模式,以按照其最大出力发电。当新能源发电及负荷波动引起系统功率不平衡时,需要调整可控电源的出力来维持系统功率平衡。虽然通过初级下垂控制可以调整可控电源的出力以维持系统功率平衡,然而,下垂控制没有考虑可控电源的发电成本,无法实现经济调度。微电网中随机性新能源发电比例高,且新能源发电量和负荷在大时间尺度下的预测误差较大。

图2 分布式二次控制原理

尽管,可以像传统电力系统那样,在三次控制(大时间尺度)实现微电网的经济调度。但是,大时间尺度下的预测误差会降低经济调度的性能。另外,微电网中具有大量的电力电子接口微电源,其系统惯性比传统电力系统小,需要在更小时间尺度下实现经济调度。因此,研究人员在二次控制层考虑了各可控电源的发电成本,通过可控电源在小时间尺度下的经济调度,降低直流微电网系统运行成本。

研究人员指出,该控制策略不需要中央控制器,只需要为微电网中可控分布式电源分配一个智能体。各智能体利用本地信息并与有限的相邻智能体通信即可实现控制任务,从而提高了系统的灵活性、可扩展性以及应对单点故障的鲁棒性。仿真结果验证了该控制策略在负荷波动、智能体故障、电源切换情景下均具有良好的控制性能。

本文编自2021年第21期《电工技术学报》,论文标题为“考虑经济调度及电压恢复的直流微电网分布式二次控制”,作者为李忠文、程志平 等。

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关键字:微电网

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