基于自律分散系统的直流微电网稳定控制器优化设计_王皓界
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
L 直 D1 流 母 D4 排 T4 T6 T2 D6 C D3 D5 L1 L1 L3 D2 电池 T1 T3 T5
图2
三相交错 DC/DC 换流器
1/(Ls)
Fig. 2 Three-phase interleaved DC/DC converter
Iref + PI U* ref PWM Uo + Idc R Udc
下垂控制环节
G-VSC
G-VSC
750 V DC DC/DC DC/DC 110 V DC 光伏 直流负载 储能 SC
直流断 路器
750 V DC SC 储 能 DC/AC DC/AC
220 V AC 交流负载 风力发电
图1 Fig. 1
直流微电网架构
DC microgrid architecture
autonomous decentralized system; droop control; efficiency optimization; logical operation iterative algorithm 摘要： 基于储能的直流微电网稳定控制器(stability controller, SC)在直流微电网中发挥重要作用，但是在孤网轻载条件下 多台 SC 同时运行会引起较大的换流损耗。为了提高多 SC 并联运行时的全局效率， 提出了基于自律分散系统的优化方 案，各 SC 通过逻辑运算迭代算法得到全局 SC 信息，再结
(a) SC 控制框图
Iref/A 最大放电 电流Icm 放 电 区 U*dc/pu 域 0.95 定电流充 电电流Ict 0.98 1.00 1.02 充 电 区 最大充电 域 电流Idcm 1.05
第3部分 第2部分
第1部分
第2部分 第3部分
1 SC 的拓扑与控制
典型的直流微电网系统如图 1 所示，交流主网
Optimization Design of DC Micro-grid Stability Controller Based on the Autonomous Decentralized System
WANG Haojie1, HAN Minxiao1, Josep M. Guerrero2, LUAN Wenpeng3
io，结合图 4，由式(2)—(4)可知当 io<kiOPk 时，有 i i Q0 ( o ) < Q0 ( o ) k k +1
当 io>kiOPk 时，有
(5)
i i Q0 ( o ) > Q0 ( o ) k k +1
(6)
2 SC 第一层优化
2.1 SC 优化原则 DC/DC 换流器效率大小与工作电流有关， 典型 的效率曲线如图 4 所示[18]， 其中μ为能量传递效率， i 为换流器的输出电流，容易看出μ、i 之间存在以 i 为自变量、μ为因变量的函数关系，其中 iex 为μ(i) 的极大值点。随着直流微电网容量的扩大，储能设 备及相应的 SC 数量也会随之增加。可以根据效率 曲线特性调节 SC 工作数量以实现第一层优化，使 运行的 SC 都工作在效率最高点附近，从而实现效 率的全局优化。
(1. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Department of Energy Technology, Aalborg University 9220, Denmark; 3. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China) ABSTRACT: DC Micro-grid stability controller (SC) which is connected with storage plays an important role in DC micro-grid. However, the converter losses will be increased when the load is light under the condition of island operation while multi SCs are parallel operating. In order to increase the efficiency when multi SCs parallel operating, the optimization scheme based on the autonomous decentralized system was proposed. Every SC can receive the other SCs information by logical operation iterative algorithm, thus binding local voltage detection the quantity and droop characteristic of operating SC can be real time regulated. Ensuring micro-grid steady operation under the condition of grid connected and the condition of island, all the running SCs efficiency will approximate to maximum and the globe efficiency optimization can be realized. Based on optimizing, every SC can self adaptively regulate its droop characteristic, and the optimization effect will be more obvious as the load decreases. KEY WORDS: DC micro-grid; stability controller; 合本地直流母排电压信息调节 SC 运行数量及其下垂曲线特 性， 在保证直流微电网并网、 孤网条件下稳定运行的同时对 各换流器输出电流进行实时调节，使运行的 SC 都工作在效 率最高点附近， 实现 SC 效率的全局优化。 通过优化， 各 SC 能够根据直流母排电压自适应调节其下垂特性， 并且负载越 轻，优化效果越明显。 关键词：直流微电网；稳定控制器；自律分散系统；下垂控 制；效率优化；逻辑运算迭代算法
361
通过检测直流母排电压调整自身工作方式，在没有 相互通信的情况下实现直流微电网的稳定运行。在 分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上， 文献[12-13]提出了电压分层协调控制策略，各换流 器独立工作， 无需相互通信， 可简化控制系统结构， 并使直流微网具备“即插即用”的功能。 当直流微电网由并网转为孤网时，微电网中的 储能往往需要向直流微电网输出功率，通过自身有 限的电能支撑起直流微电网电压，因此，在放电状 态下对储能电池换流效率的全局优化就显得至关 重要。文献[14-16]提出了一种分级下垂控制，在较 少通信的基础上，通过对各个换流器下垂特性的调 节，实现各换流器间的相互配合与优化，以保证直 流母排电压稳定。在此基础上，文献[17]提出了一 种基于多代理系统的优化控制策略，各供电单元通 过动态一致性算法得到全局电流信息并重新分配 电流，使得各个换流器运行效率得到优化。 本文对直流微电网储能电池在放电状态下的 换流效率进行了全局优化，使换流损耗显著降低。 储能电池通过 DC/DC 换流器与直流微电网相连， 其主要作用是稳定直流微电网电压，因此本文称这 种换流器为直微电网稳定控制器 (DC micro-grid stability controller，SC)。由于在孤网轻载条件下多 台 SC 同时运行会引起较大的换流损耗，当系统中 配置一定数量的 SC 并向外输出功率时，可以根据 SC 效率特性调节 SC 的工作数量，使运行的 SC 都 工作在效率最高点附近。 与集中分层控制相比，自律分散系统每个单元 都具有自律决策能力， 某一单元出现故障不会影响到 整个系统， 但是在集中分层控制系统中， 如果控制系 统出现故障会导致整个系统无法正常运行；除此之 外， 若集中分层控制系统某一端子与控制中心的通信 发生中断， 则该端子将无法得到全局信息， 而自律分 散系统中即使某一通信线路发生中断， 只要整个系统 节点连通， 各单元依然可以得到全局信息， 可靠性更 好，因此本文提出了基于自律分散系统的优化方案， 各 SC 通过逻辑运算迭代算法得到全局 SC 信息，并 结合本地直流母排电压信息调节 SC 运行数量及其下 垂曲线特性， 在保证直流微电网并网、 孤网条件下稳 定运行的同时对各换流器输出电流进行实时调节， 降 低总的换流损耗，实现效率的全局优化。
360
第 36 卷 第 2 期 2016 年 1 月 20 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.36 No.2 Jan.20, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 71
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.02.006
(b) 下垂环节特性
图3
SC 下垂控制策略
Fig. 3 SC droop control strategy
362
中
国
电
机
工
程
学
报
第 36 卷
排电压， Idc 为 SC 的充放电电流， Iref 为其参考电流， L 为输出侧的滤波电感，R 为负载侧等效电阻。Iref 与 U*dc (标幺值)的下垂特性如图 3(b)所示，根据直 流电压的变化量可以将下垂曲线分为三部分[12]， 图 中选取电压分层切换点的门槛电压分别为 0.02 和 0.05。
0 引言
以可再生能源为主的分布式发电方式为缓解 环境压力、应对能源紧张提供了一种有效的途径。 但是直接将分布式电源接入主网可能会对主网的 稳定性和电能质量造成影响。实践和研究表明，微 电网是利用分布式发电供能的最有效方式，并且与 交流微电网相比，直流微电网的优势更加明显[1-5]。 储能作为直流微电网的重要组成单元，能够在 交流主网无法为直流微网提供电压支撑时起到稳 定直流微电网电压的作用。文献[6-7]搭建了一个直 流微网物理平台，证实了直流微电网在孤网状态下 能够正常运行，但是没有考虑孤网与并网的相互转 换。文献 [8] 提出了一种基于多代理系统的控制策 略，在大量通信的基础上实现了直流微网能量的分 层管理。文献[9]提出了一种多层微电网结构，结合 相应的控制策略最终可以通过储能电池与光伏电 池的配合实现可再生能源的充分利用。文献[10-11] 认为直流微电网中，包括储能在内的各个单元可以
文章编号：0258-8013 (2016) 02-0360-08
wk.baidu.com
基于自律分散系统的直流微电网稳定 控制器优化设计
王皓界 1，韩民晓 1，Josep M. Guerrero2，栾文鹏 3
(1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206；2．奥尔堡大学能源技术系，丹麦 9220； 3．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
通过双向并网换流器(grid voltage source converter, G-VSC)与直流微电网相连， 在并网条件下为直流微 电网提供电压支撑。储能电池通过 SC 与直流母排 相连，当 G-VSC 无法为直流微电网提供电压支撑 时，SC 将会起到稳定直流电压的作用。SC 是一个 经过三重化处理的双向 DC/DC 换流器，其拓扑如 图 2 所示。 SC 采用双闭环控制，内环为电流控制环，外 环采用直流电压下垂控制，其控制框图如图 3(a)所 示，其中 Uo 为 SC 母排侧电容电压，Udc 为直流母
基金项目：国家国际科技合作专项(2014DFG72620)。 Supported by International S&T Cooperation Program of China (2014DFG72620).
第2期
王皓界等：基于自律分散系统的直流微电网稳定控制器优化设计
S1 10 kV AC S2 10 kV AC
图2
三相交错 DC/DC 换流器
1/(Ls)
Fig. 2 Three-phase interleaved DC/DC converter
Iref + PI U* ref PWM Uo + Idc R Udc
下垂控制环节
G-VSC
G-VSC
750 V DC DC/DC DC/DC 110 V DC 光伏 直流负载 储能 SC
直流断 路器
750 V DC SC 储 能 DC/AC DC/AC
220 V AC 交流负载 风力发电
图1 Fig. 1
直流微电网架构
DC microgrid architecture
autonomous decentralized system; droop control; efficiency optimization; logical operation iterative algorithm 摘要： 基于储能的直流微电网稳定控制器(stability controller, SC)在直流微电网中发挥重要作用，但是在孤网轻载条件下 多台 SC 同时运行会引起较大的换流损耗。为了提高多 SC 并联运行时的全局效率， 提出了基于自律分散系统的优化方 案，各 SC 通过逻辑运算迭代算法得到全局 SC 信息，再结
(a) SC 控制框图
Iref/A 最大放电 电流Icm 放 电 区 U*dc/pu 域 0.95 定电流充 电电流Ict 0.98 1.00 1.02 充 电 区 最大充电 域 电流Idcm 1.05
第3部分 第2部分
第1部分
第2部分 第3部分
1 SC 的拓扑与控制
典型的直流微电网系统如图 1 所示，交流主网
Optimization Design of DC Micro-grid Stability Controller Based on the Autonomous Decentralized System
WANG Haojie1, HAN Minxiao1, Josep M. Guerrero2, LUAN Wenpeng3
io，结合图 4，由式(2)—(4)可知当 io<kiOPk 时，有 i i Q0 ( o ) < Q0 ( o ) k k +1
当 io>kiOPk 时，有
(5)
i i Q0 ( o ) > Q0 ( o ) k k +1
(6)
2 SC 第一层优化
2.1 SC 优化原则 DC/DC 换流器效率大小与工作电流有关， 典型 的效率曲线如图 4 所示[18]， 其中μ为能量传递效率， i 为换流器的输出电流，容易看出μ、i 之间存在以 i 为自变量、μ为因变量的函数关系，其中 iex 为μ(i) 的极大值点。随着直流微电网容量的扩大，储能设 备及相应的 SC 数量也会随之增加。可以根据效率 曲线特性调节 SC 工作数量以实现第一层优化，使 运行的 SC 都工作在效率最高点附近，从而实现效 率的全局优化。
(1. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Department of Energy Technology, Aalborg University 9220, Denmark; 3. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China) ABSTRACT: DC Micro-grid stability controller (SC) which is connected with storage plays an important role in DC micro-grid. However, the converter losses will be increased when the load is light under the condition of island operation while multi SCs are parallel operating. In order to increase the efficiency when multi SCs parallel operating, the optimization scheme based on the autonomous decentralized system was proposed. Every SC can receive the other SCs information by logical operation iterative algorithm, thus binding local voltage detection the quantity and droop characteristic of operating SC can be real time regulated. Ensuring micro-grid steady operation under the condition of grid connected and the condition of island, all the running SCs efficiency will approximate to maximum and the globe efficiency optimization can be realized. Based on optimizing, every SC can self adaptively regulate its droop characteristic, and the optimization effect will be more obvious as the load decreases. KEY WORDS: DC micro-grid; stability controller; 合本地直流母排电压信息调节 SC 运行数量及其下垂曲线特 性， 在保证直流微电网并网、 孤网条件下稳定运行的同时对 各换流器输出电流进行实时调节，使运行的 SC 都工作在效 率最高点附近， 实现 SC 效率的全局优化。 通过优化， 各 SC 能够根据直流母排电压自适应调节其下垂特性， 并且负载越 轻，优化效果越明显。 关键词：直流微电网；稳定控制器；自律分散系统；下垂控 制；效率优化；逻辑运算迭代算法
361
通过检测直流母排电压调整自身工作方式，在没有 相互通信的情况下实现直流微电网的稳定运行。在 分析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上， 文献[12-13]提出了电压分层协调控制策略，各换流 器独立工作， 无需相互通信， 可简化控制系统结构， 并使直流微网具备“即插即用”的功能。 当直流微电网由并网转为孤网时，微电网中的 储能往往需要向直流微电网输出功率，通过自身有 限的电能支撑起直流微电网电压，因此，在放电状 态下对储能电池换流效率的全局优化就显得至关 重要。文献[14-16]提出了一种分级下垂控制，在较 少通信的基础上，通过对各个换流器下垂特性的调 节，实现各换流器间的相互配合与优化，以保证直 流母排电压稳定。在此基础上，文献[17]提出了一 种基于多代理系统的优化控制策略，各供电单元通 过动态一致性算法得到全局电流信息并重新分配 电流，使得各个换流器运行效率得到优化。 本文对直流微电网储能电池在放电状态下的 换流效率进行了全局优化，使换流损耗显著降低。 储能电池通过 DC/DC 换流器与直流微电网相连， 其主要作用是稳定直流微电网电压，因此本文称这 种换流器为直微电网稳定控制器 (DC micro-grid stability controller，SC)。由于在孤网轻载条件下多 台 SC 同时运行会引起较大的换流损耗，当系统中 配置一定数量的 SC 并向外输出功率时，可以根据 SC 效率特性调节 SC 的工作数量，使运行的 SC 都 工作在效率最高点附近。 与集中分层控制相比，自律分散系统每个单元 都具有自律决策能力， 某一单元出现故障不会影响到 整个系统， 但是在集中分层控制系统中， 如果控制系 统出现故障会导致整个系统无法正常运行；除此之 外， 若集中分层控制系统某一端子与控制中心的通信 发生中断， 则该端子将无法得到全局信息， 而自律分 散系统中即使某一通信线路发生中断， 只要整个系统 节点连通， 各单元依然可以得到全局信息， 可靠性更 好，因此本文提出了基于自律分散系统的优化方案， 各 SC 通过逻辑运算迭代算法得到全局 SC 信息，并 结合本地直流母排电压信息调节 SC 运行数量及其下 垂曲线特性， 在保证直流微电网并网、 孤网条件下稳 定运行的同时对各换流器输出电流进行实时调节， 降 低总的换流损耗，实现效率的全局优化。
360
第 36 卷 第 2 期 2016 年 1 月 20 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.36 No.2 Jan.20, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 71
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.02.006
(b) 下垂环节特性
图3
SC 下垂控制策略
Fig. 3 SC droop control strategy
362
中
国
电
机
工
程
学
报
第 36 卷
排电压， Idc 为 SC 的充放电电流， Iref 为其参考电流， L 为输出侧的滤波电感，R 为负载侧等效电阻。Iref 与 U*dc (标幺值)的下垂特性如图 3(b)所示，根据直 流电压的变化量可以将下垂曲线分为三部分[12]， 图 中选取电压分层切换点的门槛电压分别为 0.02 和 0.05。
0 引言
以可再生能源为主的分布式发电方式为缓解 环境压力、应对能源紧张提供了一种有效的途径。 但是直接将分布式电源接入主网可能会对主网的 稳定性和电能质量造成影响。实践和研究表明，微 电网是利用分布式发电供能的最有效方式，并且与 交流微电网相比，直流微电网的优势更加明显[1-5]。 储能作为直流微电网的重要组成单元，能够在 交流主网无法为直流微网提供电压支撑时起到稳 定直流微电网电压的作用。文献[6-7]搭建了一个直 流微网物理平台，证实了直流微电网在孤网状态下 能够正常运行，但是没有考虑孤网与并网的相互转 换。文献 [8] 提出了一种基于多代理系统的控制策 略，在大量通信的基础上实现了直流微网能量的分 层管理。文献[9]提出了一种多层微电网结构，结合 相应的控制策略最终可以通过储能电池与光伏电 池的配合实现可再生能源的充分利用。文献[10-11] 认为直流微电网中，包括储能在内的各个单元可以
文章编号：0258-8013 (2016) 02-0360-08
wk.baidu.com
基于自律分散系统的直流微电网稳定 控制器优化设计
王皓界 1，韩民晓 1，Josep M. Guerrero2，栾文鹏 3
(1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206；2．奥尔堡大学能源技术系，丹麦 9220； 3．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
通过双向并网换流器(grid voltage source converter, G-VSC)与直流微电网相连， 在并网条件下为直流微 电网提供电压支撑。储能电池通过 SC 与直流母排 相连，当 G-VSC 无法为直流微电网提供电压支撑 时，SC 将会起到稳定直流电压的作用。SC 是一个 经过三重化处理的双向 DC/DC 换流器，其拓扑如 图 2 所示。 SC 采用双闭环控制，内环为电流控制环，外 环采用直流电压下垂控制，其控制框图如图 3(a)所 示，其中 Uo 为 SC 母排侧电容电压，Udc 为直流母
基金项目：国家国际科技合作专项(2014DFG72620)。 Supported by International S&T Cooperation Program of China (2014DFG72620).
第2期
王皓界等：基于自律分散系统的直流微电网稳定控制器优化设计
S1 10 kV AC S2 10 kV AC