為提高直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率,基于分布式一致理論,鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員李忠文、程志平 等,在2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,設(shè)計(jì)了分布式平均母線電壓恢復(fù)控制算法和分布式最優(yōu)負(fù)荷分配算法,并基于上述算法設(shè)計(jì)了直流微電網(wǎng)新型分布式二次控制策略。該控制策略可以在二次控制層同時(shí)實(shí)現(xiàn)母線電壓恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度,從而提高微電網(wǎng)的運(yùn)行效率。另外,該控制策略完全分布式實(shí)施具有更好的靈活性、魯棒性和可擴(kuò)展性。
隨著能源需求的增長和對(duì)環(huán)保問題的重視,可再生能源的開發(fā)利用得到越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以提高可再生能源在電網(wǎng)的滲透率,促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的現(xiàn)代化和智能化。近年來,直流型負(fù)荷(電動(dòng)汽車、電子設(shè)備等)和直流分布式電源(光伏電站、儲(chǔ)能系統(tǒng)等)的數(shù)量在電網(wǎng)中日益增加。
與交流微電網(wǎng)相比,直流微電網(wǎng)可以更靈活和高效地接入上述直流負(fù)荷和電源,而不需要AC-DC、DC-AC轉(zhuǎn)換模塊。另外,直流微電網(wǎng)不存在交流微電網(wǎng)中的頻率和無功調(diào)節(jié)問題。因此,直流微電網(wǎng)技術(shù)得到了日益廣泛的研究和關(guān)注。與傳統(tǒng)電網(wǎng)類似,直流微電網(wǎng)通常也采用分層控制結(jié)構(gòu)。
直流微電網(wǎng)分布式分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,分層控制結(jié)構(gòu)通常包括初級(jí)控制、二次控制和三次控制(圖中未畫出),并且從下層到上層時(shí)間尺度依次增加。初級(jí)控制通常采用下垂控制策略,并通過控制各電源的輸出電壓和電流,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在各電源間的初級(jí)分配。二次控制通常負(fù)責(zé)微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)的穩(wěn)定控制,如通過集中式或分布式的方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)母線電壓的恢復(fù)控制。三次控制通常負(fù)責(zé)管理微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行,如經(jīng)濟(jì)調(diào)度。
圖1 直流微電網(wǎng)分布式分層控制結(jié)構(gòu)
對(duì)于直流微電網(wǎng)中的可控分布式電源(Distributed Generator, DG),通常采用電壓-功率下垂控制策略。下垂控制策略可以提高微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性,并降低并聯(lián)運(yùn)行DG間的環(huán)流。然而,下垂控制是一種有差控制,存在穩(wěn)態(tài)電壓偏差。另外,由于受線路阻抗影響,很難實(shí)現(xiàn)功率的準(zhǔn)確分配。因此,需要二次控制策略以恢復(fù)母線電壓并改善功率分配。
直流微電網(wǎng)二次控制可以采用集中式控制策略或分布式控制策略。對(duì)于集中式控制策略,通常需要中央控制器處理所有相關(guān)的通信和控制任務(wù)。因此,集中式控制策略擴(kuò)展性差,并容易受單點(diǎn)故障影響。分布式控制策略可以將復(fù)雜的計(jì)算和控制任務(wù)分解,并在各分布式控制器中并行處理。因此,分布式控制策略具有靈活性、可擴(kuò)展性和不易受單點(diǎn)故障影響的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)于直流微電網(wǎng)分布式控制,近年來已有諸多成果。然而,相關(guān)控制策略均以實(shí)現(xiàn)母線電壓恢復(fù)或負(fù)荷的比例分配為目標(biāo),沒有考慮各電源的發(fā)電成本。
針對(duì)直流微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,近年來提出了一些分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。有學(xué)者基于有限步一致性算法設(shè)計(jì)了交直流混合微電網(wǎng)分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。然而,該控制策略沒有考慮交直流混合微電網(wǎng)的電壓、頻率二次調(diào)節(jié)。有學(xué)者提出一種直流微電網(wǎng)分布式分層控制策略:在其三次控制層,通過分布式一致算法調(diào)整下垂控制的虛擬阻抗以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度;在二次控制層,通過分布式一致算法生成下垂控制的電壓補(bǔ)償量以實(shí)現(xiàn)電壓恢復(fù)。然而,三次優(yōu)化調(diào)度層的時(shí)間尺度大于二次電壓恢復(fù)控制層,無法在同一小時(shí)間尺度下對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行控制與優(yōu)化,從而無法進(jìn)一步提高直流電網(wǎng)運(yùn)行效率。此外,虛擬阻抗的大范圍實(shí)時(shí)調(diào)整給系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定控制帶來挑戰(zhàn)。
鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了分布式二次控制策略,以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的母線電壓恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度,從而提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。該二次控制策略旨在控制直流微電網(wǎng)中的可控分布式電源,例如燃料電池、超級(jí)電容、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等。
但是,直流微電網(wǎng)中的光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電單元是不可控電源,通常運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤模式,以按照其最大出力發(fā)電。當(dāng)新能源發(fā)電及負(fù)荷波動(dòng)引起系統(tǒng)功率不平衡時(shí),需要調(diào)整可控電源的出力來維持系統(tǒng)功率平衡。雖然通過初級(jí)下垂控制可以調(diào)整可控電源的出力以維持系統(tǒng)功率平衡,然而,下垂控制沒有考慮可控電源的發(fā)電成本,無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。微電網(wǎng)中隨機(jī)性新能源發(fā)電比例高,且新能源發(fā)電量和負(fù)荷在大時(shí)間尺度下的預(yù)測誤差較大。
圖2 分布式二次控制原理
盡管,可以像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)那樣,在三次控制(大時(shí)間尺度)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。但是,大時(shí)間尺度下的預(yù)測誤差會(huì)降低經(jīng)濟(jì)調(diào)度的性能。另外,微電網(wǎng)中具有大量的電力電子接口微電源,其系統(tǒng)慣性比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)小,需要在更小時(shí)間尺度下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。因此,研究人員在二次控制層考慮了各可控電源的發(fā)電成本,通過可控電源在小時(shí)間尺度下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,降低直流微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本。
研究人員指出,該控制策略不需要中央控制器,只需要為微電網(wǎng)中可控分布式電源分配一個(gè)智能體。各智能體利用本地信息并與有限的相鄰智能體通信即可實(shí)現(xiàn)控制任務(wù),從而提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性以及應(yīng)對(duì)單點(diǎn)故障的魯棒性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略在負(fù)荷波動(dòng)、智能體故障、電源切換情景下均具有良好的控制性能。
本文編自2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度及電壓恢復(fù)的直流微電網(wǎng)分布式二次控制”,作者為李忠文、程志平 等。
原標(biāo)題: 鄭州大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出直流微電網(wǎng)新型分布式二次控制策略