本發(fā)明屬于直流微電網(wǎng)功率群功率協(xié)調(diào)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于隔離雙向DC-DC互聯(lián)的直流微電網(wǎng)群功率協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

以直流微電網(wǎng)形式為未來智能家庭、商業(yè)樓宇，甚至工業(yè)園區(qū)等提供高可靠性和高電能質(zhì)量供電，實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)柔性接入和高效應(yīng)用，是未來分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢，是未來智能交直流混合配用電系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。多個(gè)鄰近直流微電網(wǎng)如能以集群的形式互聯(lián)和運(yùn)行，各子微電網(wǎng)間通過直流微電網(wǎng)群能量調(diào)度與協(xié)調(diào)控制進(jìn)行相互支撐[3-4]。正常情況下，通過子微電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)群經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，能更大限度地提高分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能單元的能效；2)緊急情況下，若系統(tǒng)中某個(gè)微電網(wǎng)因主電源故障或可再生能源出力出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，鄰近微電網(wǎng)可對其進(jìn)行緊急功率支撐，增強(qiáng)系統(tǒng)供電可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

通常具有相同直流電壓等級的直流微電網(wǎng)可通過線路和直流斷路器直接互聯(lián)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求，其互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可采用輻射狀或網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)形式。由于各子網(wǎng)之間功率協(xié)調(diào)控制與直流微電網(wǎng)正常直流電壓控制系統(tǒng)存在相互耦合和影響，不僅會(huì)降低互聯(lián)直流微電網(wǎng)之間傳輸功率的控制靈活性，也不利于直流微電網(wǎng)及其控制系統(tǒng)的即插即用[3-4]。此外，互聯(lián)直流微電網(wǎng)之間無電氣隔離，若系統(tǒng)內(nèi)直流母線任意某處地方發(fā)生故障，即使直流斷路器能快速隔離故障點(diǎn)，該故障仍將不可避免會(huì)對直流微電網(wǎng)群整體的可靠運(yùn)行造成影響，且故障消除后也不利于系統(tǒng)的快速恢復(fù)供電[5]。為實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的多直流微電網(wǎng)之間柔性互聯(lián)與靈活功率控制，各直流微電網(wǎng)可通過電力電子變流器接口裝置進(jìn)行網(wǎng)間互聯(lián)[6-7]。采用隔離型電力電子互聯(lián)裝置還可實(shí)現(xiàn)多直流微電網(wǎng)之間的電氣隔離[8]，可有效隔離局部故障，提高直流微電網(wǎng)群供電可靠性。

參考文獻(xiàn)

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種適用于隔離雙向DC-DC柔性互聯(lián)的直流微電網(wǎng)群功率協(xié)調(diào)控制方法。本發(fā)明提供的控制方法，既可實(shí)現(xiàn)多直流微電網(wǎng)群在正常運(yùn)行狀態(tài)下的區(qū)域子微網(wǎng)間互聯(lián)功率自治控制，提高直流微電網(wǎng)群內(nèi)平衡單元利用效率，也可實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)群不同運(yùn)行狀態(tài)間的運(yùn)行模式無縫切換，保證直流微電網(wǎng)群緊急工況下的暫態(tài)穩(wěn)定。技術(shù)方案如下：

一種直流微電網(wǎng)群功率協(xié)調(diào)控制方法，由直流微電網(wǎng)功率自治控制系統(tǒng)和隔離雙向DC-DC通用功率控制系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在于：

(1)每個(gè)直流微電網(wǎng)均含有獨(dú)立的功率自治控制系統(tǒng)，功率單元采用恒功率控制模式，平衡單元由二次控制即直流電壓恢復(fù)、直流電壓下垂控制和電壓/電流雙閉環(huán)控制構(gòu)成，設(shè)m為直流微電網(wǎng)的標(biāo)號，m＝i，j和k，

功率單元所采用的恒功率控制方式如下：

d_{p_m}＝(k_{p_m}+k_{i_m}/s)(P_{pref_m}/u_{dcp_m}-i_{Lp_m})

式中；d_{p_m}為功率單元變流器占空比；k_{p_m}和k_{i_m}分別表示比例和積分系數(shù)；P_{pref_m}、u_{dcp_m}和i_{Lp_m}分別表示該功率單元的功率參考值、輸入端直流電壓及電感電流；

平衡單元的控制方式如下：

由二次控制和直流電壓下垂控制可得電壓電流雙閉環(huán)控制中的電壓環(huán)電壓參考值u_{ref_m}：

u_{ref_m}＝u_{set_m}+(P_{s_m}^*-P_{s_m})/k_{dc_m}+(u_{0_m}-u_{dc_m})(k_{ps_m}+k_{is_m}/s)/(1+T_{d_m}s)

式中U_{set_m}為直流電壓設(shè)定初值；P_{s_m}^*、P_{s_m}和k_{dc_m}分別為直流微電網(wǎng)#m下垂控制特性曲線的平衡單元功率設(shè)定值、實(shí)際輸出功率以及下垂系數(shù)；u_{0_m}為期望電壓恢復(fù)參考值，u_{dc_m}表示直流微電網(wǎng)#m母線電壓；k_{ps_m}和k_{is_m}分別比例和積分控制參數(shù)；時(shí)間常數(shù)T_{d_m}用于描述二次控制延時(shí)；

電壓/電流雙閉環(huán)控制方式如下：

d_{s_m}＝(k_{pi_m}+k_{ii_m}/s)[(k_{pu_m}+k_{iu_m}/s)(u_{ref_m}-u_{dc_m})-i_{Ls_m}]

式中d_{s_m}為平衡單元變流器占空比；k_{pu_m}和k_{iu_m}分別表示電壓環(huán)比例和積分系數(shù)；k_{pi_m}和k_{ii_m}分別表示電流環(huán)比例和積分系數(shù)；i_{Lp_m}為該平衡單元電感電流；

(2)定義直流微電網(wǎng)#i、直流微電網(wǎng)#j和直流微電網(wǎng)#k中平衡單元額定容量分別為P_{os_i}、P_{os_j}和P_{os_k}，且其容量比滿足P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1，隔離雙向DC-DC通用功率控制系統(tǒng)，包含兩部分：

a)外環(huán)控制為互聯(lián)功率自治控制，通過與兩互聯(lián)直流微電網(wǎng)二次控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取其下垂控制特性參數(shù)，然后實(shí)際測量兩側(cè)直流母線電壓，經(jīng)過運(yùn)算可得互聯(lián)功率誤差信號，然后經(jīng)過PI控制器得到內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)功率參考值P_{ref_ik}和P_{ref_jk}，控制方式如下：

式中P_{ref_ik}和P_{ref_jk}分別為隔離雙向DC-DC#ik和#jk的功率參考值；k_{po_ik}、k_{po_jk}和k_{io_ik}、k_{io_jk}分別比例和積分控制參數(shù)；

b)內(nèi)環(huán)控制為功率閉環(huán)控制，控制方式如下：

式中d_ik和d_jk分別為隔離雙向DC-DC#ik和#jk的控制信號；k_{p_ik}、k_{p_jk}和k_{i_ik}、k_{i_jk}分別比例和積分控制參數(shù)；P_ik和P_jk分別隔離雙向DC-DC#ik和#jk的實(shí)際輸出功率；T_{f_ik}和T_{f_jk}為低通濾波時(shí)間常數(shù)，用以濾除隔離雙向DC-DC輸出功率中的高頻分量。

附圖說明

圖1直流微電網(wǎng)群柔性互聯(lián)及功率協(xié)調(diào)控制方法；

圖2直流微電網(wǎng)功率自治控制系統(tǒng)；

圖3PSCAD仿真結(jié)果,(a)～(c)分別為直流微電網(wǎng)群內(nèi)功率單元、平衡單元及隔離DC-DC的輸出功率波形；(d)為三個(gè)直流微電網(wǎng)內(nèi)的直流電壓波形；(e)為三個(gè)直流微電網(wǎng)中二次電壓恢復(fù)控制系統(tǒng)輸出結(jié)果，即各底層直流電壓下垂控制中直流電壓設(shè)定值。

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。

由直流微電網(wǎng)功率自治控制系統(tǒng)和隔離雙向DC-DC通用功率控制系統(tǒng)構(gòu)成。各直流微電網(wǎng)均采用基于分層控制體系的功率自治控制策略，其中底層平衡單元采用直流電壓下垂控制和電壓電流雙閉環(huán)控制，二次控制主要功能為實(shí)現(xiàn)直流電壓恢復(fù)。隔離雙向DC-DC采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的通用功率控制系統(tǒng)，通過與互聯(lián)直流微電網(wǎng)二次控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取其下垂控制特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出通用功率控制系統(tǒng)。

本實(shí)施例所針對的應(yīng)用場景如圖1所示基于隔離雙向DC-DC變流器的多直流微電網(wǎng)群柔性互聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含三個(gè)直流微電網(wǎng)(即DCMG#i，DCMG#j和DCMG#k)，通過兩隔離雙向DC-DC變流器進(jìn)行柔性互聯(lián)。各直流微電網(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)。此處每個(gè)直流微電網(wǎng)均采用一個(gè)平衡單元和功率單元，且均由直流電壓源和常規(guī)雙向buck-boost DC-DC變流器構(gòu)成。

每個(gè)直流微電網(wǎng)均含有獨(dú)立的功率自治控制系統(tǒng)，具體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中標(biāo)號m＝i，j和k)，其中功率單元采用恒功率控制模式，平衡單元的控制系統(tǒng)由二次控制(即直流電壓恢復(fù))、直流電壓下垂控制和電壓電流雙閉環(huán)控制構(gòu)成。

功率單元所采用的恒功率控制具體實(shí)施方案如下：

d_{p_m}＝(k_{p_m}+k_{i_m}/s)(P_{pref_m}/u_{dcp_m}-i_{Lp_m}) (1)

式中d_{p_m}為功率單元變流器占空比；k_{p_m}和k_{i_m}分別表示比例和積分系數(shù)；P_{pref_m}、u_{dcp_m}和i_{Lp_m}分別表示該功率單元的功率參考值、輸入端直流電壓及電感電流。

平衡單元的控制系統(tǒng)包含二次控制(即直流電壓恢復(fù))、直流電壓下垂控制及電壓電流雙閉環(huán)控制三部分。由二次控制和直流電壓下垂控制可得電壓電流雙閉環(huán)控制中的電壓環(huán)電壓參考值u_{ref_m}，具體實(shí)施方案如下：

u_{ref_m}＝u_{set_m}+(P_{s_m}^*-P_{s_m})/k_{dc_m}+(u_{0_m}-u_{dc_m})(k_{ps_m}+k_{is_m}/s)/(1+T_{d_m}s) (2)

式中U_{set_m}為直流電壓設(shè)定初值；P_{s_m}^*、P_{s_m}和k_{dc_m}分別為直流微電網(wǎng)#m下垂控制特性曲線的平衡單元功率設(shè)定值、實(shí)際輸出功率以及下垂系數(shù)；u_{0_m}為期望電壓恢復(fù)參考值，u_{dc_m}表示直流微電網(wǎng)#m母線電壓；k_{ps_m}和k_{is_m}分別比例和積分控制參數(shù)；時(shí)間常數(shù)T_{d_m}用于描述二次控制系統(tǒng)延時(shí)。

電壓/電流雙閉環(huán)控制的具體實(shí)施方式如下：

d_{s_m}＝(k_{pi_m}+k_{ii_m}/s)[(k_{pu_m}+k_{iu_m}/s)(u_{ref_m}-u_{dc_m})-i_{Ls_m}] (3)

式中d_{s_m}為平衡單元變流器占空比；k_{pu_m}和k_{iu_m}分別表示電壓環(huán)比例和積分系數(shù)；k_{pi_m}和k_{ii_m}分別表示電流環(huán)比例和積分系數(shù)；i_{Lp_m}為該平衡單元電感電流。

假定直流微電網(wǎng)#i、直流微電網(wǎng)#j和直流微電網(wǎng)#k中平衡單元額定容量分別為P_{os_i}、P_{os_j}和P_{os_k}，且其容量比滿足P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1。當(dāng)各直流微電網(wǎng)中的平衡單元與功率單元均處于正常工作狀態(tài)時(shí)，期望通過隔離雙向DC-DC變流器控制保證直流微電網(wǎng)#i、直流微電網(wǎng)#j和直流微電網(wǎng)#k中平衡單元的實(shí)際輸出功率P_{s_i}、P_{s_j}和P_{s_k}能夠按照其容量比(即α:β:1)來運(yùn)行，以充分提高直流微電網(wǎng)群內(nèi)平衡單元利用效率，能有效減小各自微電網(wǎng)中備用容量。

本發(fā)明首先定義直流微電網(wǎng)#i、直流微電網(wǎng)#j和直流微電網(wǎng)#k中平衡單元功率誤差ΔP_ik和ΔP_jk如下：

由于各直流微電網(wǎng)中平衡單元的實(shí)際輸出功率P_{s_m}滿足(1)，因此(3)中各功率誤差又可分別表示為：

ΔP_ik＝[P_{s_i}^*+k_{dc_i}(U_{dc_i}^*-u_{dc_i})]-α[P_{s_k}^*+k_{dc_k}(U_{dc_k}^*-u_{dc_k})] (5)

ΔP_jk＝[P_{s_j}^*+k_{dc_j}(U_{dc_j}^*-u_{dc_j})]-β[P_{s_k}^*+k_{dc_k}(U_{dc_k}^*-u_{dc_k})] (6)

基于(4)和(5)，設(shè)計(jì)出應(yīng)用于隔離雙向DC-DC的通用控制系統(tǒng)，如圖1所示。隔離雙向DC-DC通用控制系統(tǒng)包含兩部分：1)外環(huán)控制系統(tǒng)為互聯(lián)功率自治控制，通過與兩互聯(lián)直流微電網(wǎng)二次控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取其下垂控制特性參數(shù)，然后實(shí)際測量兩側(cè)直流母線電壓，經(jīng)過運(yùn)算可得互聯(lián)功率誤差信號(4)和(5)，然后經(jīng)過PI控制器得到內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)功率參考值P_{ref_ik}和P_{ref_jk}，具體實(shí)施方案如下：

式中k_{po_ik}、k_{po_jk}和k_{io_ik}、k_{io_jk}分別比例和積分控制參數(shù)。

2)內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)為功率閉環(huán)控制，其具體實(shí)施方式如下：

式中k_{p_ik}、k_{p_jk}和k_{i_ik}、k_{i_jk}分別比例和積分控制參數(shù)；T_{f_ik}和T_{f_jk}為低通濾波時(shí)間常數(shù)，主要目的是濾除隔離雙向DC-DC輸出功率中的高頻分量；d_ik和d_jk分別為隔離雙向DC-DC#ik和#jk的控制信號。

為驗(yàn)證本發(fā)明中所提出的圖1所示的功率協(xié)調(diào)控制方法的有效性，在PSCAD仿真軟件中搭建了如圖1所示仿真算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)中直流微電網(wǎng)#i、#j和#k母線電壓額定值(亦即各直流微電網(wǎng)電壓基準(zhǔn)值)分別為400V、400V和800V，其平衡單元額定容量比P_{os_i}:P_{os_j}:P_{os_k}＝α:β:1＝1:1:1，功率值為100kW。直流微電網(wǎng)群主回路參數(shù)主回路參數(shù)、各子系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制參數(shù)及平衡單元二次控制與下垂控制系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)分別如表1、表2和表3所示。

在多直流微電網(wǎng)群正常運(yùn)行過程中，模擬直流微電網(wǎng)#i平衡單元故障退出，采用本發(fā)明控制策略后，直流微電網(wǎng)群動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果如圖3所示。暫態(tài)前運(yùn)行狀態(tài)(t<1.0s)：直流微電網(wǎng)#i、#j和#k功率單元輸出功率分別為P_{p_i}＝-40kW、P_{p_j}＝-30kW和P_{p_k}＝20kW(標(biāo)幺值分別為-0.4、-0.3和0.2)；各直流微電網(wǎng)平衡單元及兩隔離雙向DC-DC變流器采用本發(fā)明控制策略，由圖可知各直流微電網(wǎng)平衡單元實(shí)現(xiàn)均流，直流電壓均保持為額定值1恒定。t＝1.0s～1.6s：t＝1.0s時(shí)刻模擬直流微電網(wǎng)#i平衡單元故障退出運(yùn)行，但直流微電網(wǎng)#i二次控制仍正常工作；從圖中可以看出，直流微電網(wǎng)群實(shí)現(xiàn)了暫態(tài)穩(wěn)定，正常直流微電網(wǎng)內(nèi)平衡單元仍保持均流目標(biāo)，隔離雙向DC-DC變流器#ik輸出功率與直流微電網(wǎng)#i內(nèi)功率單元輸出功率大小相等、方向相反，且各直流微電網(wǎng)母線電壓均能維持額定值1恒定，上述結(jié)果表明隔離雙向DC-DC變流器#ik在沒有進(jìn)行控制策略切換的情況下，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了控制功能的無縫切換，即從功率自治無縫切換至直流電壓控制模式，支撐直流微電網(wǎng)#i。t＝1.6s～3.0s：在t＝1.6s和t＝2.4s時(shí)刻，直流微電網(wǎng)#i和#k功率單元輸出功率P_{p_i}和P_{p_k}分別變化為20kW和-60kW(標(biāo)幺值分別為0.2和-0.6)；從圖中可以看出，本發(fā)明控制方法能夠有效應(yīng)對直流微電網(wǎng)群內(nèi)各種正常功率擾動(dòng)。