本發(fā)明屬于交直流混合微電網(wǎng)裝置級控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種交直流混合微電網(wǎng)雙向DC-AC互聯(lián)裝置智能控制方法。

背景技術(shù)：

交直流混合微電網(wǎng)作為一種新的需求側(cè)供用電形式，能更加高效地接納本地交/直流型新能源發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能單元，為本地負(fù)荷提供高可靠性供電。聯(lián)網(wǎng)型交直流混合微電網(wǎng)還可積極參與本地電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、無功控制和調(diào)壓、電能質(zhì)量治理等輔助服務(wù)，以進(jìn)一步提高微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率，并有助于改善本地電網(wǎng)供電電能質(zhì)量[1-3]。交直流混合微電網(wǎng)主要包含交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)及雙向DC-AC互聯(lián)裝置三部分，當(dāng)交直流微電網(wǎng)互聯(lián)容量較大或交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)間存在多個(gè)互聯(lián)通道時(shí)，則往往需要通過多個(gè)DC-AC互聯(lián)。雙向DC-AC作為交直流混合微電網(wǎng)中的關(guān)鍵裝置之一，在交直流混合微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下，其控制策略對交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)間的相互影響和相互支撐至關(guān)重要[4]。

交直流混合微電網(wǎng)可工作在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式和獨(dú)立運(yùn)行模式。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下，交直流混合微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)，其交流母線電壓和頻率將由大電網(wǎng)決定。通常情況下，交直流互聯(lián)雙向DC-AC控制直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定，直流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間的互聯(lián)功率由直流微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源輸出、儲(chǔ)能充放電控制需求以及負(fù)荷來決定[5]。在交直流混合微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行模式下，如何通過交直流混合微電網(wǎng)內(nèi)的分布式電源、儲(chǔ)能單元以及雙向DC-AC互聯(lián)裝置的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)電壓/頻率穩(wěn)定及直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，是交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的首要任務(wù)。通常交直流混合微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行模式可主要分為以下三種工作狀態(tài)：1)交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)自治控制模式，即交流微電網(wǎng)電壓和頻率以及直流微電網(wǎng)母線電壓分別由其各自系統(tǒng)內(nèi)的可控型分布式電源或儲(chǔ)能單元來控制，此時(shí)雙向DC-AC一般工作在PQ控制模式[6]；2)交流微電網(wǎng)支撐直流微電網(wǎng)控制模式，即交流微電網(wǎng)電壓和頻率由其系統(tǒng)內(nèi)可控型分布式電源或儲(chǔ)能單元來控制，雙向DC-AC工作在直流電壓控制模式，可使交流微電網(wǎng)作為直流微電網(wǎng)的支撐單元[7]；3)直流微電網(wǎng)支撐交流微電網(wǎng)控制模式，即直流微電網(wǎng)母線電壓由其系統(tǒng)內(nèi)可控型分布式電源或儲(chǔ)能單元來控制，雙向DC-AC工作在交流電網(wǎng)電壓和頻率控制模式，可使直流微電網(wǎng)作為交流微電網(wǎng)的支撐單元[8]。

上述文獻(xiàn)所提出的方法主要針對某種特定的交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行方式，無法適應(yīng)交直流混合微電網(wǎng)多運(yùn)行模式之間無縫切換和穩(wěn)定控制需求。本發(fā)明中提出一種適用于交直流混合微電網(wǎng)的雙向DC-AC互聯(lián)裝置智能控制方法，保證雙向DC-AC能自適應(yīng)交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)變化，快速實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定以及子微電網(wǎng)之間的相互支撐。

參考文獻(xiàn)

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[5]X.Liu,P.Wang,and P.C.Loh.A Hybrid AC/DC Microgrid and Its Coordination Control[J].IEEE Trans.Smart Grid,2011,2(2):278–286.

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種適用于交直流混合微電網(wǎng)的雙向DC-AC互聯(lián)裝置智能控制方法，主要包含交直流互聯(lián)功率自治控制和交流電壓/頻率控制。為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種交直流混合微電網(wǎng)雙向DC-AC互聯(lián)裝置智能控制方法，包含交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)和交流電壓/頻率控制系統(tǒng)，其特征在于：

(1)定義交流微電網(wǎng)平衡單元額定容量P_{acB_s}和直流微電網(wǎng)平衡單元額定容量P_{dcB_s}滿足比例＝P_{acB_s}:P_{dcB_s}＝K，定義交流微電網(wǎng)中平衡單元輸出有功功率和頻率穩(wěn)態(tài)特性，以及直流微電網(wǎng)中平衡單元輸出功率和直流電壓穩(wěn)態(tài)特性如下：

式中ω_ac、ω_ac^*、P_ac^*和P_{ac_s}分別表示交流微電網(wǎng)實(shí)際輸出頻率、頻率參考值、交流微電網(wǎng)平衡單元有功功率參考及實(shí)際輸出有功功率；u_dc、U_dc^*、P_dc^*和P_{dc_s}分別表示直流微電網(wǎng)母線電壓、直流電壓參考值、直流微電網(wǎng)平衡單元功率參考及實(shí)際輸出功率；k_ac和k_dc分別為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)下垂系數(shù)。

(2)基于比例控制和超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)相結(jié)合的交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)，其表達(dá)形式如下：

式中P_set為交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)輸出結(jié)果，其作為交流電壓和頻率控制系統(tǒng)的有功功率設(shè)定值；η為比例控制參數(shù)；τ_l和τ_d分別為超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)的超前和滯后時(shí)間常數(shù)。

(3)基于下垂特性和模擬慣性環(huán)節(jié)的交流電壓/頻率控制系統(tǒng)，其有功功率---頻率下垂控制和無功功率---電壓幅值下垂控制方式分別用如下公式(3)和(4)來描述：

式(3)中P_IC為DC-AC注入交流微網(wǎng)的有功功率，以注入交流微網(wǎng)功率方向?yàn)檎较颍沪?sub>ref、ω_set和Δω分別為DC-AC實(shí)際輸出頻率值、頻率設(shè)定值和頻率偏差；K_p和H_p分別表示有功功率---頻率下垂控制的下垂系數(shù)和慣性參數(shù)。

式(4)中Q_set為無功功率設(shè)定值；Q_IC為DC-AC注入交流微網(wǎng)的無功功率，以注入交流微網(wǎng)功率方向?yàn)檎较?；E_ref、E_set和ΔE分別為DC-AC實(shí)際輸出電壓幅值參考、設(shè)定值和電壓偏差；K_q和H_q分別表示無功功率---電壓幅值控制的下垂系數(shù)和慣性參數(shù)。

本發(fā)明可以保證雙向DC-AC能適應(yīng)交直流混合微電網(wǎng)多運(yùn)行模式之間無縫切換和穩(wěn)定控制需求，快速實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定以及子微電網(wǎng)之間的相互支撐。

附圖說明

圖1雙向DC-AC智能控制方法；

圖2交直流混合微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)；

圖3交直流互聯(lián)功率自治控制仿真工況。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)說明書附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)表述。

如圖1所示，交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)中，均包含平衡單元(如能量型儲(chǔ)能、可控型分布式電源等)和功率單元(如新能源發(fā)電、負(fù)荷等)。交直流混合微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行模式下，交流微電網(wǎng)中平衡單元輸出有功功率和頻率穩(wěn)態(tài)特性，以及直流微電網(wǎng)中平衡單元輸出功率和直流電壓穩(wěn)態(tài)特性均滿足如下下垂特性：

式中ω_ac、ω_ac^*、P_ac^*和P_{ac_s}分別表示交流微電網(wǎng)實(shí)際輸出頻率、頻率參考值、交流微電網(wǎng)平衡單元有功功率參考及實(shí)際輸出有功功率；u_dc、U_dc^*、P_dc^*和P_{dc_s}分別表示直流微電網(wǎng)母線電壓、直流電壓參考值、直流微電網(wǎng)平衡單元功率參考及實(shí)際輸出功率；k_ac和k_dc分別為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)下垂系數(shù)。

定義交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)平衡單元額定容量比

K＝P_{acB_s}:P_{dcB_s} (2)

式中K表示為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)平衡單元額定容量比；P_{acB_s}和P_{dcB_s}分別為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)中平衡單元額定容量。

在(1)和(2)基礎(chǔ)上，定義交直流平衡單元功率誤差ΔP_s：

ΔP_s＝P_{ac_s}-KP_{dc_s}＝[P_ac^*+k_ac(ω_ac^*-ω_ac)]-K[P_dc^*+k_dc(U_dc^*-u_dc)] (3)

然后設(shè)計(jì)出一種基于比例控制和超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)相結(jié)合的交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)，如圖2所示，其具體實(shí)施方式如下：

式中P_set為交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)輸出結(jié)果，其作為交流電壓和頻率控制系統(tǒng)的有功功率設(shè)定值；η為比例控制參數(shù)；τ_l和τ_d分別為超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)的超前和滯后時(shí)間常數(shù)。

在上述基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出基于下垂特性和模擬慣性環(huán)節(jié)的交流電壓和頻率控制系統(tǒng)，如圖1所示，其有功功率---頻率下垂控制和無功功率---電壓幅值下垂控制的工作原理可分別用如下公式(5)和(6)來描述：

式(5)中P_set為有功功率設(shè)定值，由交直流互聯(lián)功率自治控制系統(tǒng)獲得；P_IC為DC-AC注入交流微網(wǎng)的有功功率(以注入交流微網(wǎng)功率方向?yàn)檎较?；ω_ref、ω_set和Δω分別為DC-AC實(shí)際輸出頻率值、頻率設(shè)定值和頻率偏差；K_p和H_p分別表示有功功率---頻率下垂控制系統(tǒng)的下垂系數(shù)和慣性參數(shù)。

式(6)中Q_set為無功功率設(shè)定值；Q_IC為DC-AC注入交流微網(wǎng)的無功功率(以注入交流微網(wǎng)功率方向?yàn)檎较?；E_ref、E_set和ΔE分別為DC-AC實(shí)際輸出電壓幅值參考、設(shè)定值和電壓偏差；K_q和H_q分別表示無功功率---電壓幅值控制系統(tǒng)的下垂系數(shù)和慣性參數(shù)。

如圖1所示，在獲得電壓參考值E_ref和頻率參考值ω_set后，可以生成電壓瞬時(shí)值閉環(huán)控制系統(tǒng)三相瞬時(shí)值電壓參考值e_a,ref，e_b,ref和e_c,ref，具體實(shí)施方式如下：

電壓瞬時(shí)值閉環(huán)控制系統(tǒng)為成熟的比例-諧振(proportional resonant，PR)控制器，可描述如下：

式中，v_a,ref，v_b,ref和v_c,ref，分別為三相電壓瞬時(shí)值閉環(huán)輸出結(jié)果，u_a，u_b和u_f分別為DC-AC三相輸出電壓瞬時(shí)值，為電壓環(huán)PR控制器，k_p、k_i分別為其比例和諧振增益系數(shù)；ω_c為截至頻率；ω₀為諧振角頻率，對于三相逆變器輸出電壓控制來說，該諧振角頻率通常設(shè)置為逆變器輸出電壓額定頻率(即工頻為314rad/s)。

為驗(yàn)證本發(fā)明中所提出的圖1所示的雙向DC-AC互聯(lián)裝置智能控制方法的有效性，在PSCAD仿真軟件中搭建了如圖2所示仿真算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體仿真系統(tǒng)構(gòu)成如下：1)交流微電網(wǎng)包含一個(gè)平衡單元和功率單元，其中平衡單元由直流電壓源和DC-AC構(gòu)成，其頻率和輸出有功功率存在如圖1所示的下垂關(guān)系；功率單元由直流電壓源和DC-AC構(gòu)成，采用常規(guī)PQ控制模式，用于模擬交流電網(wǎng)內(nèi)分布式電源出力或負(fù)荷變化；2)直流微電網(wǎng)包含一個(gè)平衡單元和功率單元，其中平衡單元由直流電壓源和雙向DC-DC構(gòu)成，其直流電壓和輸出功率存在如圖1所示的下垂關(guān)系；功率單元由直流電壓源和雙向DC-DC構(gòu)成，采用常規(guī)功率控制模式，用于模擬直流電網(wǎng)內(nèi)分布式電源出力或負(fù)荷變化。圖3所示交直流混合微電網(wǎng)平衡單元輸出功率以及兩雙向DC-AC互聯(lián)裝置輸出功率波形。暫態(tài)前運(yùn)行狀態(tài)為(t<0.5s)：直流側(cè)功率單元注入直流母線功率P_{dc_p}＝50kW(標(biāo)幺值為0.25)，交流側(cè)功率單元注入交流母線有功功率P_{ac_p}＝-100kW(標(biāo)幺值為-0.5)；t＝0.5s，兩互聯(lián)DC-AC啟動(dòng)運(yùn)行；t＝1.5s，直流側(cè)功率單元注入直流母線功率P_{dc_p}變化為150kW(標(biāo)幺值為0.75)；t＝2.5s，交流側(cè)功率單元注入交流母線有功功率P_{ac_p}變化為-200kW(標(biāo)幺值為-1)。仿真結(jié)果表明本發(fā)明所提出的智能控制方法能滿足多雙向DC-AC即插即用，保證雙向DC-AC能自適應(yīng)交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)變化，快速實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定以及子微電網(wǎng)之間的相互支撐。