PDF《Aalborg Universitet》

Aalborg Universitet Wang, Haojie;

Han, Minxiao;

Guerrero, Josep M.

;

Luan, Wenpeng Published in: Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao Publication date:

2016 Document Version Tidlig version ogs? kaldet pre-print Link to publication from Aalborg University Citation for published version (APA): Wang, H., Han, M., Guerrero, J. M., &

Luan, W. (2016). . Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao. General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. ? Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. ? You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain ? You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us at [email protected] providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from vbn.aau.dk on: 26,

2019 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 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 100192) Optimization Design of DC Micro-grid Stability Controller Based on the Autonomous Decentralized System Haojie Wang1 , Minxiao Han1 , Josep M. Guerrero2 , Wenpeng Luan3 (1. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2. Department of Energy Technology, Aalborg University 9220, Denmark;

3. China Electric Power Research Institute, 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 is 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;

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(DC Micro-grid 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,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,再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, 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

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 [1-4] . 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[5-6]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[7]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[8]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[9-10]认 为直流微电网中,包括储能在内的各个单元可以通 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 基金项目:国家国际科技合作专项 (2014DFG72620). This work was supported by International S&

T Cooperation Program of China (2014DFG72620). 析直流微网的构成以及各种运行模式的基础上,文献[11]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[12-14]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[15]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,则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.

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 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. 图1直流微电网架构 Fig.

1 DC microgrid architecture 图2三相交错 DC/DC 换流器 Fig.2 Three-phase interleaved DC/DC converter (a) SC 控制框图 (b) 下垂环节特性 图3SC 下垂控制策略 Fig.3 SC droop control strategy 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 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[10] , 图 中选取电压分层切换点的门槛电压分别为 0.02 和0.05.

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[16] , 其中?为能量传递效率, i 为换流器的输出电流,容易看出?、i 之间存在以 i 为自变量、?为因变量的函数关系,其中 iex 为?(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. 图4SC 效率曲线 Fig.4 SC efficiency curve 根据 SC 效率特性容易得到 SC 放电时的损耗 (1) 其中 Udc 为直流母排电压, i 为放电电流. 由于 SC 正常工作时直流母排电压波动很小,因此可以 将Udc 看作定值,并用下式表示其损耗 (2) 根据函数的曲线特性不难得出对于任意正整 数k,都存在 iOPk>

iex,使(3) 其中 (4) 设k台工作在放电状态下的 SC 输出总电流为 io,结合图 4,由(2)、(3)、(4)可知当 iokiOPk 时,有(6) 由此可以得到 SC 全局优化的原则:若直流微 电网中有 k 台SC 投入运行且输出的总电流为 io, 当io 升高至 kiOPk 时, 运行数量需增加至 k+1 台;

当io 降低至(k-1)iOPk-1 时,运行数量需减少至 k-1 台. 2.2 SC 下垂特性调节 由1.1 可知当 SC 工作在放电状态时, Iref 与Udc 的下垂特性可以用下式描述 (7) 其中 kc 为下垂系数,Uref 为直流电压参考值即 电压下垂曲线与 Udc 轴的交点.当SC 工作在放电 区域时,Uref 的变化规律如图

5 所示,其中

1 到n为投入运行 SC 的数量, UN 为直流母排电压额定值. 由图可知,对于任意 k 台并联运行的 SC,每台 SC 的直流电压参考值 Uref 相同,结合(3)可以得到 (8) 其中 iOP0 为SC 定充电电流值的大小,即iOP0=|ict|;

根据 2.1 可知, 若输出的总电流增加至 kiOPk, 则第 k+1 台SC 投入运行,每台 SC 的输出电流由 iOPk 变为 kiOPk/(k+1);

若总电流减小至(k-1)iOPk-1,则第k台SC 退出运行,每台 SC 的输出电流由 (k-1)iOPk-1/k 变为 iOPk-1.当运行台数发生变化时,结合(8)可以求得相应的直流电压参考值 Uref,运行的 SC 按照新的 Uref 调节各台 SC 的下垂特性,从而优 化SC 的放电效率. 当k台SC 投入运行时,由(7)、(8)和图

5 可知 若每台 SC 输出电流为 iOPk,则直流母排电压为 (9) 因此可以得到,若直流母排电压降低至 uk,则第k+1 台SC 投入运行,且各直流电压参考值调整 为Urefk+1;

若直流母排电压升高至 uk-1,则第 k 台SC 退出运行,且各直流电压参考值调整为 Urefk-1. 不管运行的 SC 数量........