交直流混合微网接口变换器广义直流电动势控制策略.pdf
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1、农业生物环境与能源工程交直流混合微网接口变换器广义直流电动势控制策略孙宇新,夏文彬,施凯,杜怿,徐培凤,陈煜洋,刘梦阳(江苏大学电气信息工程学院,镇江212013)摘要:随着“双高”特征日趋明显,农村交直流混合微电网的源荷呈现多电力电子化,双向接口变换器(bidirectionalinterfaceconverter,BIC)的低惯性和阻尼问题较为突出。针对此问题,该研究提出一种基于广义直流电动势(generalizeddirectcurrentelectromotiveforce,G-DCEMF)的 BIC 控制策略。采用虚拟电阻对直流和交流子网间有功功率的缺额或盈余状态进行判定,根据判定结
2、果通过 BIC 对功率进行分配控制,在多 BIC 并联运行时也更易实现功率分配。通过虚拟电感来提高惯性,以减少交流母线频率或交直流子网电压波动的影响,有效地提高了交直流混合微电网的抗干扰特性和动态性能。分析虚拟电阻和虚拟电感的取值,讨论电阻和电感参数影响控制效果的规律。最后通过PSCAD/EMTDC 仿真研究验证了所提出的 G-DCEMF 控制策略的有效性,混合微电网初始状态:直流母线电压为0.75kV,交流母线频率为 50Hz,系统在额定状态下运行。在运行时间 t=1.5s 时,投入 0.1MW 的交流负载。分别取虚拟电感为0、0.02、0.05H,但随着虚拟电感增大,BIC 的抗扰动能力增
3、强,结果证明了 G-DCEMF 控制在可以实现BIC 的功率双向流动的同时,提高系统惯性,改善动态响应和抗扰性能,提高微电网的稳定性。关键词:电源;控制;可再生能源;交直流混合微电网;广义直流电机电动势;虚拟阻抗doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304148中图分类号:TM464;S21文献标志码:A文章编号:1002-6819(2023)-15-0189-11孙宇新,夏文彬,施凯,等.交直流混合微网接口变换器广义直流电动势控制策略J.农业工程学报,2023,39(15):189-199.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2023041
4、48http:/www.tcsae.orgSUNYuxin,XIAWenbin,SHIKai,etal.GeneralizedDCelectromotiveforcecontrolstrategyforAC/DChybridmicrogridinterface converterJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(15):189-199.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-681
5、9.202304148http:/www.tcsae.org0引言分布式电源具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等诸多优点,将作为新能源应用的主要形式1,因此国家“十三五”规划采取以分布式开发、就地消纳为主的新能源发展目标。“十四五”现代能源体系规划明确指出以加强低碳转型、提高能源系统效率为发展目标,因地制宜,积极推动乡村能源变革。微电网作为分布式消纳的主要方式,既能解决新能源就地消纳,提高电力保障,还能有助于与大电网兼容互补,促进能源系统变革,加快智能电网建设进程2。因此,建设农村微电网可更好地利用分布式电源,是推动乡村能源变革和保障农村电力供应的重要举措3。与传统的交流微电网相
6、比,直流微电网具有应用范围广、可控性高等优点。但是由于交流电源和负载的广泛存在,直流微电网数量的不断增加会增加交直流转换的功率损耗4。为了提高电力利用效率,提出了交直流混合微电网,以满足交、直流负载的需求,并促进能源管理5-6。交直流混合微电网结合了交直流网络的优点,近年来已成为广泛关注的分布式电力系统结构7。而农村分布式电源和负荷的分布零散和多样性,更决定了农村微电网系统的复杂性8,因此交直流混合微电网应用于农村可以发挥更好的作用与效果,对农村交直流混合微电网开展深入研究具有非常重要的现实意义9。与单个交流微电网或直流微电网相比,交直流混合微电网需要更复杂的协调控制模式10-11。双向接口变
7、换器(bidirectionalinterfaceconverter,BIC)连接交流和直流母线,并控制子网之间的能量转换和传输。因此,它是交直流混合微电网的枢纽,在维持系统稳定运行方面举足轻重12。在 BIC 控制中,要实现交、直流子网间功率合理分配应考虑直流电压和交流频率对电力传输的影响13。文献 14 提出了一种混合微网 BIC 双向下垂控制方法,该方法按照直流侧有功-电压(P-U)和交流侧有功-频率(P-f)控制模型测量交流子网和直流子网的功率需求度,并确定 BIC 传输功率的方向和大小。在文献 15-16 中,将直流电压和交流频率归一化,通过比较两个归一化值,从而实现交、直流微电网之
8、间的功率分配。此外,还有学者从功率管理方面,根据交直流侧下垂关系提出多级功率管理策略实现混合微电网功率分级管理等17。通过这些 BIC 控制策略,交流子网和直流子网被变换器紧密连接,实现功率共享,提高能源利用率。然而,随着微电网中源荷侧电力电子装置的增多,系统惯性普遍不足,来自一个子网的功率波动将影响整个混合微电网的稳定性。交直流混合微电网的惯性主要分别体现在交流母线频率和直流母线电压的稳定18。近收稿日期:2023-04-19修订日期:2023-05-19基金项目:国家自然科学基金项目(52177045)作者简介:孙宇新,博士,教授,研究方向为交、直流微网接口变换器控制技术及新能源发电系统并
9、网控制技术。Email:通信作者:施凯,博士,教授,博士生导师,研究方向为交、直流微网接口变换器控制技术及电力化电力系统稳定控制方法与应用。Email:第39卷第15期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.152023年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug.2023189年来,文献 19-20 分别提出了虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator,VSG)控制和虚拟直流电机控制来解决交流和直流微电网中惯性不足的问题。在文献 21中,针对孤岛模式下的交直流混合微电网,改进了 BI
10、C 的VSG 控制策略。该方案改善了交流子网的频率稳定,但没有考虑到直流子网电压的稳定。基于同步器和虚拟直流机(virtualdirectcurrentmachine,VDCM),文献 22提出了一种自适应协调控制策略。该控制方法包括功率共享控制器、自适应虚拟惯性调节器和虚拟调速器。本质上,光储直流微电网通过 DC/DC 变换器连接到公共直流母线,与 AC/DC 变换器协同控制。文献 23 中提出了一种用于低惯量 AC/DC 混合微电网的增强型动态稳定控制(enhanceddynamicstabilitycontrol,EDSC)方案,该方案协调多个分布式储能系统(energystorages
11、ystem,ESS)以共享瞬态功率扰动。在文献 24-25 中,对各种分布式发电采用了综合惯性控制策略,以提高混合微电网的全局稳定性。这些提出的控制策略,均对混合交直流微网的动态响应有所改善,提高了系统的稳定性能。然而,为了给系统提供惯性,大多数控制策略都需要结合其他部件或环节进行系统控制,例如子网中的分布式电源(distributedgenerators,DGs),控制非常复杂,容易导致系统失稳。本文通过分析双下垂控制的局限性,基于直流电机电动势方程,提出了一种广义直流电机电动势(generalizeddcelectromotiveforce,G-DCEMF)控制策略,该方法拥有与传统双向下
12、垂控制相同的稳态特性的同时,比传统双向下垂控制更加简略,能更好地控制 BIC 的功率双向流动,为 BIC 提供了惯性,减弱不同子网之间功率波动的相互影响。采用 PSCAD/EMTDC 仿真对一个交直流混合微电网的算例进行了仿真分析,验证了 G-DCEMF 控制策略的正确性和有效性。1BIC 的双向下垂控制交直流混合微电网主要由直流子微网、交流子微网以及连接交直流母线的一个或多个 BIC 组成,混合流微电网的典型结构如图 1 所示。在直流微电网中,储能单元和分布式电源与直流母线之间通过DC/DC变换器连接,可以直接供电给本地直流负荷;交流子网中,直流电源通过DC/AC变换器接入交流母线,交流电源
13、通过 AC/DC/AC 变换器接入交流母线,可以直接给本地交流负荷供电。直流母线和交流母线,由一个或多个互联 BIC 连接起来,按需协调子网间功率的双向传输。公共电网通过在公共连接点(pointofcommoncoupling,PCC)处的断路器与交流子网中交流母线连接,运行在孤岛模式时将该断路器断开。本文主要研究交直流混合微电网在孤岛模式下双向 BIC 的控制。对于直流微电网,直流母线电压的变动反映了子网内部的功率平衡,即子网中负载增加或电源功率减少时,直流母线电压会降低或升高,直流子网可能存在功率缺额;对于交流微电网,交流母线频率的变动反映了子网内部的功率平衡,即子网中负载增加或电源功率减
14、少时,交流母线频率会降低,交流子网可能存在功率缺额。如图 2 反应了交、直流子网的整体下垂特性。DCDCDCDC直流电源储能单元直流负载交流负载ACDC直流电源交流大电网直流子网交流子网直流母线交流母线PCC交流电源双向接口变换器.ACDCACDCBICBIC图 1交直流混合微电网结构图Fig.1StructurediagramofhybridAC/DCmicrogrida.直流子网电压下垂特性a.Voltage droopcharacteristics of DC subnetUdcUHH0LU0ULPdcPacb.交流子网频率下垂特性b.Frequency droopcharacteris
15、tics of AC subnet10.7460.7470.7480.7490.7500.7510.7520.75349.8049.8549.9049.9550.0050.0550.1050.15直流电压DC voltage/kV直流侧功率DC power/MW交流侧功率AC power/MW交流频率AC frequency/Hz00.020.080.060.040.100.120.140.1600.010.040.030.020.050.060.070.08注:Udc是直流母线电压;1是交流母线频率;Pdc、Pac分别是交、直流侧的功率;H、0、L 分别为高值、给定值、低值。Note:Udc
16、istheDCbusvoltage;1istheACbusfrequency;PdcandPacarerespectivelythepoweroftheACandDCside;H,0andLarehighvalue,givenvalueandlowvaluerespectively.图 2交、直流子网整体下垂特性曲线Fig.2DroopcharacteristiccurveofACandDCsubnet因此,根据直流母线电压和交流母线频率的变化,可以判断直流子网和交流子网哪一侧需要更多的功率,并控制交直流母线间的 BIC 功率传输。1.1双向下垂控制原理同时考虑直流母线电压和交流母线频率变化的
17、一类双向下垂控制策略如图 3 所示26-27。UdcP0功率电流双闭环控制/PWM调制PrefQrefSaSbScfPuPfkukfUdcN+fN注:Pref、Qref分别为交流子网的有功功率和无功功率参考值;Pf、Pu分别是交、直流有功功率参考分量;P0为平衡状态有功初始值;Udc、UdcN分别表示直流电压测量值和额定值;f、fN分别是交流频率测量值与额定值;kf、ku分别是交、直流侧下垂系数Note:PrefandQrefaretheactivepowerandreactivepowerreferencevaluesoftheACsubnet,respectively;PfandPuare
18、ACandDCactivepowerreferencecomponentsrespectively.P0istheinitialvalueofactivepowerinequilibriumstate.UdcandUdcNrepresentDCvoltagemeasurementandratingrespectively.fandfNarethemeasuredvalueandratedvalueofACfrequencyrespectively;kfandkuareACandDCsidesagcoefficientsrespectively图 3双向下垂控制框图Fig.3Bidirectio
19、naldroopcontroldiagramP0PuPf由图可知,有功功率初始值、直流有功功率参考分量、交流有功功率参考分量共同确定 BIC 的190农业工程学报(http:/www.tcsae.org)2023年PrefQrefPref有功参考值。无功功率参考值可按需给定,一般为 0,与有功参考值一同经过功率电流双闭环控制,实现变换器给定功率的双向传输。双向下垂控制策略表达式如下式所示:Pu=ku(UdcNUdc)Pf=kf(fN f)Pref=P0+PfPu(1)UdcNfNkukfP0P0式中为直流电压额定值,V;为交流频率额定值,Hz;为直流侧 P-U 下垂系数,kW/V;交流侧 P-
20、f 下垂系数,kW/Hz。为直流子网和交流子网工作在平衡状态时 BIC 有功功率的初始值,kW。当 BIC 的交直流侧功率达到平衡时,表示交流和直流子网不存在功率缺额和功率过剩现象。此时,两个子网之间一般不需要电力传输,所以通常将设为 0kW。PfPrefPuPrefP0当交流微电网存在功率缺额时,交流有功功率参考分量和有功参考值会随着交流母线频率的降低而增大,控制着 BIC 增加流向交流微电网的功率。另一方面,当直流微电网存在功率缺额时,直流有功功率参考分量会随着直流母线电压的降低而增大,而有功参考值则会减小,控制着 BIC 增加流向直流微电网的功率。相反,当交流微电网功率过剩时,由 BIC
21、 流向交流微电网的功率将减小;当直流微电网功率过剩时,由BIC 流向交流微电网的功率将增大。一般为 0,此时BIC 工作模式如表 1 所示。表1BIC 工作模式Table1BICworkingmode(P0=0)工作模式Workingmode交流有功功率参考分量ReferencecomponentofACactivepowerPf直流有功功率参考分量ReferencecomponentofDCactivepowerPu有功参考值ActivepowerreferencevaluePref逆变模式Modeofinversion000000整流模式Modeofrectification00000通过
22、 BIC 的双向下垂控制,混合微电网的能量总是流向功率缺额更大、负荷需求更大的子网一侧。当微电网中负荷发生变动时,交、直流子网共同承担,实现能源的合理利用。ku,kfSNP0=0SN双向下垂控制系数的值与 BIC 的额定容量有关,当时,可得:SN=|Pref|max=PumaxPf min,Pref 0(2)Pumax=Pf max=Pumin=Pf min(3)式中,Pumax和 Pumin为直流子网功率波动的最大值和最小值,Pfmax和 Pfmin为交流子网功率波动的最大值和最小值。直流母线电压、交流母线频率允许波动范围为|UdcUdc0|Mu|f f0|Mf(4)|UdcUdc0|式中,
23、为直流母线电压和直流电压给定之差的|f f0|绝对值,kV;Mu直流母线电压波动限幅,kV;交流母线频率和交流母线频率给定之差的绝对值,Hz;Mu交流母线频率波动限幅,Hz。ku,kf因此可以确定双向下垂控制的系数:ku=PumaxPuminUdcmaxUdcmin=SN2Mukf=Pf maxPf minfmax fmin=SN2Mf(5)UdcmaxUdcminfmaxfmin式中,和为直流母线电压的最大值和最小值,和为交流母线频率的最大值和最小值。1.2双向下垂控制的局限性应用双向下垂控制的 BIC 将直流微电网和交流微电网紧密结合在一起实现了子网间功率共享。然而,交直流微电网的紧密结合
24、也使得单侧负荷波动能够影响整个混合微网的稳定性。为解释双向下垂控制的局限性,本文以单个 BIC 为例,分析混合微电网负荷波动时的交流母线频率和直流母线电压的响应。PL假定直流微电网满足 P-U 下垂关系,交流微电网满足 P-f 下垂关系,BIC 采用双向下垂控制。因此,负荷功率的变化量可以表达为PL=kdcUdckacfac(6)kdckacfacUdcPL式中,为直流微电网分布式电源的 P-U 下垂系数,MW/kV;为交流微电网分布式电源的 P-f 下垂系数MW/Hz;(Hz)和(kV)分别是由(MW)引起的交流频率和直流电压的变化量。PLac当交流子网发生负荷波动时,负荷功率的变化量满足式
25、(7)。PLac=kacfac+Pbic=kacfackdcUdc(7)Pbic式中为 BIC 功率的变化量。由(1)可得:Pref kuUdckffac(8)在电流功率双闭环控制中,出于简化计算,可将有功环传递函数简化为Pbic1sT+1Pref1sT+1(kuUdckffac)(9)T式中为负荷功率波动在子网间传输中的综合延迟常数;s 为复频率。结合式(7)(9),可得:Udckfkacku+kdckf+kackdc(sT+1)PLac(10)TPLacUdc由于电力电子器件缺乏惯性,响应速度快,值较小。因此,直流母线电压能够立即对交流微电网发生的负荷波动产生响应,发生直流侧电压波动。同样
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- 直流 混合 接口 变换器 广义 电动势 控制 策略
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