交直流混合微網功率控制技術是指對交流子微網、直流子微網以及交直流互聯變換器功率進行合理分配以確保各台變換器協調運行的一種管理策略。
基本介紹
- 中文名：交直流混合微網功率控制技術
- 外文名：Power control technology of AC / DC hybrid microgrid
- 目的：確保各台變換器協調運行
- 背景：直流型電源和負荷的廣泛套用
- 所屬學科：電力電子及電氣傳動
- 研究內容：交直流子微網及交直流互聯變換器
背景,子微網通用功率控制技術研究,基於高速通信的控制技術,無互聯通信控制技術,基於低速通信的控制技術,子微網特定控制策略研究,適用於交流子微網的控制策略研究,適用於直流子微網的控制策略研究,交直流互聯變換器控制策略研究,展望,
背景
自“微網”的概念被CERTS 提出以來，歐美、日本、中國等先後針對交流微網展開了控制方案和運行特性的研究以及示範性工程的建設。相較之下，直流微網的研究起步較晚，然而隨著直流型電源和負荷的廣泛套用，直流微網在新一代電網中的優勢逐漸突顯。實際中，採用直流微網的配電形式已在數據中心、船用系統、電動汽車等領域得到成功套用，均體現出直流微網系統效率高、供電可靠性高、經濟性高等優點。由於我國當前配電網仍以交流為主，交流型負荷仍占有相當比重，因此在未來一段時間內，兼備上述2 種微網特點的交直流混合微網將成為微網技術的主流方向。
交直流混合微網結構中，分散式電源(distributed generations，DGs)通過電力電子變換器分別接至交流母線和直流母線，2 條母線將整體微網系統分為3 個部分，分別是交流子微網、直流子微網以及交直流互聯變換器。在微網系統中，電力電子變換器通常呈並聯結構，為此，如何對其功率進行合理分配以確保各台變換器協調運行，始終是微網控制的基本目標。針對交直流混合微網，功率控制技術需要考慮2方面因素：一方面，需要同時保證交流子微網和直流子微網單獨運行的要求，即變換器在各自子微網中按照自身容量特性承擔相應功率；另一方面，需要確定交直流互聯變換器的控制策略，使功率在子微網間合理地雙向流動，實現交直流混合微網系統的協調運行。
根據交直流混合微網功率控制的目標，國內外學術界和工業界已從不同角度展開了研究，但至今仍欠缺對其中關鍵技術進行系統的概括與總結。為全面展示功率控制技術的研究成果，以下分別從交流子微網、直流子微網以及交直流互聯變換器3 個方面對已有文獻研究現狀進行梳理評述。值得注意的是，在對交流子微網、直流子微網功率管理策略進行綜述時，通過類比歸納方法，對二者通用之處和各自的特點分別進行詳盡的概括。
子微網通用功率控制技術研究
對於交流子微網和直流子微網而言，功率控制目標都是合理配置各自變換器所分配的功率，因此二者許多控制方法在本質上是相同的。以下將對子微網通用的功率控制技術進行歸納分類並評述。
基於高速通信的控制技術
在微網發展初期，學者們通常以系統尺度小作為前提條件進行研究和實驗，因此對於變換器間的高速通信互聯來說，實現起來相對簡單。目前，基於高速通信的控制技術主要包括集中控制技術、主從控制技術以及電流鏈控制技術。
圖1
一種適用於交流子微網和直流子微網的集中控制方法，控制框圖如圖1所示。集中控制技術由集中式控制器和本地控制器構成。集中式控制器對總負載電流進行測量，根據並聯變換器數量N及各台變換器容量，計算出各變換器輸出電流環的參考值，其中Σki=1(i=1, 2…,N)，並利用高速通信線傳送至各台變換器。本地控制器測量各自變換器的輸出電流，對高速通信線提供的參考值進行比較和跟蹤。
圖2
區別於集中控制，主從控制技術中不存在集中式控制器，且各台變換器的功能不盡相同。主從控制技術的控制框圖如圖2 所示，系統中包含一台主變換器及剩餘若干從變換器。其中主變換器工作於電壓源模式，控制目標是將輸出電壓穩定於參考值；其餘從變換器都工作於電流源模式，控制目標是讓自身輸出電流跟蹤主變換器的輸出電流，最終各台輸出電流相同，實現電流(等效於功率)合理分配的目的。
電流鏈控制也稱為3C(circular chain control)控制，其控制框圖如圖3 所示。在電流鏈技術控制中，每台變換器包含電壓控制外環和電流控制內環，各電壓環目的均是將輸出電壓穩定於額定值；電流環則是控制自身變換器輸出電流跟蹤上一台變換器輸出電流，控制系統呈現環狀連線結構。
圖3
上述基於高速通信設計的控制策略，可以快速精確地實現子微網內部功率分配，並確保系統參數工作於額定值。然而在微網向大尺度系統發展的過程中，過於依賴高速通信會引起系統的可靠性問題，並導致投資成本上升。
無互聯通信控制技術
目前，關於採用高速通信控制方法的研究已經比較成熟。但隨著微網規模的擴大，互聯高速通信線會導致系統冗餘性下降，成本大幅提升，“即插即用”性能較差，限制了微網的擴展。為此，學者們又提出了無需通信網路的解決方案，在此類方案中，變換器僅需利用各自本地信息即可實現系統功率控制。
1、下垂控制技術
下垂控制是目前套用最為廣泛的微網功率控制方法，其滿足了可再生能源分散式接入需求，易於實現“即插即用”，同時，冗餘程度較高，且降低了系統成本。交流子微網下垂控制模擬了發電機靜態特性，採用P-f(有功功率-頻率)和Q-U(無功功率-電壓)下垂曲線分別實現有功功率和無功功率分配。當變換器輸出阻抗與線路阻抗之和為純感性時，有功功率和無功功率可以表達為
其中：Pn、Qn分別為變換器n 輸出的有功功率和無功功率；En代表輸出電壓；U 代表母線電壓；fn是輸出電壓與母線電壓之間的夾角；Xn則表示輸出感抗。由式(1)(2)可以看出，當fn足夠小時，有功功率的流動主要由功率角fn決定，而無功功率的流動則主要由變換器輸出電壓En決定。因此，交流子微網中的功率分配管理方法可以表示為
其中：Erated、frated 分別代表變換器輸出電壓和頻率的額定值；mP和nQ分別為有功和無功的下垂係數。
對於不同子微網，下垂控制器均由2部分組成：外環是將反饋的本地信息(電流或功率)代入至預設的下垂曲線，產生輸出電壓的參考量；內環是常規電壓電流環，實現對電壓參考量快速準確跟蹤。下垂控制之所以能實現無通信網路下的功率管理，本質上是利用電氣參數本身(電壓、頻率)作為變換器相互“溝通”的平台。然而下垂控制需以變換器本地信息(電壓、頻率)相等作為前提條件。在非理想條件下，上述假設並不成立，從而導致功率分配精度不足和母線電壓跌落等問題。
2、小信號注入技術
在下垂控制中，由於無法確保電壓信息處處相等，可能會產生功率分配精度下降等問題。為此，Tuladhar 等人採用小幅值交流信號的頻率作為變換器統一的通信信息，分別針對交流系統和直流系統提出了小信號注入技術。不失一般性，設需要合理分配的電氣參數為G(分別對應交流子微網中的無功功率Q，直流子微網中的輸出電流I)，變換器注入的小信號頻率
的表達式為
其中
是注入小信號的額定頻率，BG為對應係數。當微網中對應參數G 分配不均時，由上式可知各變換器輸出小信號的頻率不同。由小信號頻率不同引起的有功功率流動記為pG，變換器根據各自測的pG 給定輸出電壓的幅值U，如下式所示。
圖4
圖4為小信號注入技術的控制框圖。該技術巧妙地採用小信號頻率為通信信息，不會受到線路阻抗等問題的影響。然而，這種方法的測量與實現較為複雜，同時注入的小信號還會降低電能質量，增加線路損耗。
基於低速通信的控制技術
上文圍繞基於高速通信的控制技術和無互聯通信控制技術進行了歸納和評述。2 種技術均存在弊端：高速通信會降低系統冗餘，但捨棄通信網路又會引起精度的不足。為此，學者們又提出基於低速通信的控制技術。該技術對控制精度和系統冗餘進行折中，旨在不過於依賴通信網路的同時，確保微網的準確運行。基於低速通信控制一般採用Josep M. Guerrero提出的分層控制結構。在該結構下，底層控制(primary control，通常為下垂控制)僅使用本地信息，這是為了確保通信出現故障時，系統仍能履行基本的功率控制職能；第2層控制(secondary control)針對底層控制的不足，藉助低速通信獲取更多信息以對底層控制進行補償；第3層控制(tertiary control)主要實現對外部調度指令的回響並支持經濟性運行。
分層控制套用到微網之初，相關文獻中普遍採用集中式第2 層控制(centralized secondary control，CSC)的結構。在CSC 結構中，各台變換器將各自信息傳遞至統一的中央控制器，再由中央控制器根據收到的信息和相應的算法，把補償信號下發至各台變換器的底層控制器，整體控制框圖如圖5所示。其中，參數信息和控制信號的傳輸均通過低速通信網路實現。然而CSC 結構的分層控制依賴於中央控制器，一旦中央控制器出現問題，整個第2層控制都會失效，因此專家們又提出分散式第2 層控制(distributed secondary control，DSC)的結構[35]，如圖6 所示。在DSC 結構里，第2 層控制被嵌入到變換器控制中，每台變換器都可以視為微網系統中一個相對獨立的分散式智慧型體(agent)。不同的網路拓撲(全局網路結構和局部網路結構)被套用到DSC 分層控制中，其目的都是給所有智慧型體傳遞目標參數(電壓、頻率、電流、功率)的系統平均值(global averages)，再根據相應算法向底層提供補償信號。
圖5
圖6
子微網特定控制策略研究
雖然交流子微網和直流子微網的大多數功率控制技術在本質上是相通的，但兩者間仍存在一些明顯差異。下文將圍繞交流和直流系統固有差異，對不同子微網的特定控制策略進行歸納評述。
適用於交流子微網的控制策略研究
1、傳統下垂控制的變形
在交流系統中通常認為線路阻抗呈強感性，因此傳統採用P-f/Q-U 的下垂控制實現功率分配。然而在低壓微網中，線路阻抗往往是呈阻性的，有功功率、無功功率表達式為：
2、基於同步觸發的控制技術
圍繞交流子微網中無功功率分配問題，採用低速通信定時為各台變換器提供同步信號，對Q-U下垂控制進行了修正補充，式(12)為第k 次同步周期變換器的控制方程。其中，方程中第3 項的執行，可以降低無功功率分配誤差。然而上述操作雖然減小了分配誤差，但同時也導致PCC電壓幅值的降低，因此需引入第4 項對電壓進行補償。如果變換器輸出的電壓均保持在合理範圍內，則Gi=0，即不進行電壓補償操作；一旦某台變換器輸出電壓低於設定值時，電壓補償操作被觸發，則Gi=1，即所有變換器的輸出電壓將同時增加ΔE 以促使PCC 電壓上升。
還可以採用低速通信同步觸發技術解決無功功率問題。該方法分為2 個階段進行：第1 階段，未接收到同步信號，變換器採用傳統的下垂控制，與此同時不斷計算更新有功功率的平均值(PAVE)以便第2 階段使用；第2 階段，接收到同步信號，所有變換器的補償模組開始工作，PAVE停止更新並保持不變，通過注入有功功率擾動實現了無功功率誤差的預測，具體表達式如下所示：
其中：KC是積分增益，所有變換器選值相同；G 為同步增益，在第1 階段等於0，第2 階段等於1(啟動、停止時均採用斜坡）。同步信號觸發時，上式中加入了無功下垂項(nQ∙Qn)作為補償，無功功率之間的誤差會導致變換器輸出頻率的差異，進而引起有功功率的擾動，而該擾動則會促進式中積分項對輸出電壓進行相應調節，如圖7所示。
圖7
3、虛擬同步發電機技術
由於沒有模擬同步發電機的慣性環節，下垂控制呈現小慣性的特點，當功率供需出現缺口時，無法像同步發電機一樣利用自身轉子的轉動慣量抑制功率波動。為此，國內外學者在下垂控制的基礎上，加入了虛擬慣性環節，提出了虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)技術。VSG機械方程可表示為
其中：J為VSG 的轉動慣量；
為電氣角速度；
為電網同步角速度；Te、Tm和Td分別為VSG 的電磁、機械和阻尼轉矩。電磁轉矩Te的表達式為：
式中ex和ix分別對應VSG 的電勢及輸出電流。另外VSG 電磁方程表達式如下式所示，其中：
式中：L 為VSG 的同步電感；R 為同步電阻；ux對應機端電壓。事實上，變換器輸出濾波電感可以等效為VSG 的同步電感，濾波電感和功率器件的等效電阻可以視為同步電阻，變換器橋臂輸出電壓可認為是VSG的暫態電勢。
有功功率調節是通過對VSG 虛擬機械轉矩Tm的調節實現，其由機械轉矩指令T0和頻率偏差反饋指令ΔT這2 部分組成。
其中：Pref 為有功指令；f 為VSG 端電壓頻率；f0為電網基準頻率；kf為調頻係數。
VSG 中加入了J，使得變換器在功率和頻率動態過程中具有了慣性環節；另外由於D 的存在，變換器也具備了阻尼功率振盪的能力。
4、虛擬阻抗技術
虛擬阻抗是微網套用的重要技術，主要實現方式是將輸出電流經過特定增益反饋至電壓環，表達式如下所示：
通過虛擬阻抗修正變換器在基波域等效的輸出阻抗，進而降低線路阻抗阻感比對下垂控制的消極作用，同時減小了因輸出阻抗差異造成功率分配誤差的影響。然而上述方法加大了系統等效輸出的阻抗，進而加重了母線電壓的壓降。
近年來，越來越多單相負載和非線性負載被接入微網系統，僅採用傳統下垂控制已無法實現負載合理分配。為此，負序虛擬阻抗、諧波次虛擬阻抗以及複合式虛擬阻抗等概念也逐漸被學者們提出並套用。
適用於直流子微網的控制策略研究
1、DBS (DC Bus signaling)技術
2、虛擬阻抗技術
虛擬阻抗技術也在直流子微網中得到了套用。但與交流子微網不同，直流系統中採用的I-U 曲線下垂係數本身就是虛擬阻抗。
可以分別採用中央控制器、分散式控制器以及模糊控制器，根據儲能單元SOC實時調節虛擬阻抗，使SOC較大的單元提供更多有功功率，而SOC 較小的單元承擔小部分功率，實現SOC 在分散式儲能單元之間的合理分配。
交直流互聯變換器控制策略研究
上文總結概括的控制策略可以完成子微網各自的功率控制，而為了實現交直流混合微網系統的協調運行，專家們圍繞交直流互聯變換器展開了相應的研究。交直流互聯變換器是連線子微網的紐帶，Poh Chiang Loh 教授首先提出了基於標麼化的交直流互聯變換器自治運行控制策略。該方法對交流子微網頻率(交直流互聯變換器交流側頻率)和直流子微網電壓(交直流互聯變換器直流側電壓)進行了標麼化，公式如下：
實現標麼化後，交流子微網和直流子微網的不同下垂曲線就可以共用同一坐標系，如圖9 所示。為實現各子微網輸出功率相同，即fp.u.=Udc,p.u.，該方法將二者差值經過PI控制器，得到互聯變換器有功功率的指令。然而多台交直流互聯變換器並聯時，採用PI控制會得到若干數值解，不一定能按照自身容量實現功率分配。因此，文獻利用下垂特性解決上述問題，如圖10 所示。圖中，縱軸代表頻率和電壓標麼值的差值ek,p.u.，範圍是(-eB,eB)，分別對應互聯變換器逆變、整流工況的最大功率。對於交直流互聯變換器無功功率的管理，同樣採用下垂控制，通過測量交流電壓幅值Uk 計算出無功功率指令值。與交流子微網下垂控制不同的是，當有功功率從交流子微網流向直流子微網時，交直流互聯變換器不提供無功，控制方程表達式為
圖9
圖10
其中：帶*號表示功率指令值；gk為第k台變換器的有功下垂係數；nk為無功下垂係數。控制系統框圖如圖11 所示。然而，交直流互聯變換器始終處於工作狀態以確保交流子微網和直流子微網的功率相同，這會造成沒必要的功率損耗。為提高系統效率，Poh Chiang Loh又提出一種改進的控制算法。在此改進算法控制下，交直流互聯變換器僅工作於有且只有一個子微網過載的情況。
圖11
展望
為適應能源發展計畫，下一代電網將呈現分散式電源種類多、分散式負荷類型多以及電力電子變換器數量多等特點。其中，交直流混合微網是未來智慧型電網的重要組成部分。
從技術角度介紹了交直流混合微網功率控制的關鍵技術，同時總結比較了各種控制方法的優點與不足，如表1 所示。表1中的控制方法根據各自特徵大致可以分為分散式控制、集中式控制以及分散式控制3類。不難看出，現今還沒有一種解決方案可以同時克服所有的不足。分散式控制無需任何互聯通信線，變換器僅使用本地信號進行控制，具有擴展性好、可靠性高等優點，但這都是以犧牲電壓、頻率的控制精度作為代價，並且容易受到線路參數的影響。
集中式控制的中央控制器將所有相關信息進行統一處理，因此能夠取得精確的控制效果，但是中央控制器一旦出現故障會導致整個系統的癱瘓，另外這種全局網路結構也不利於微網系統的擴展。分散式控制中信息只在變換器單元間傳遞，避免了中央控制器引起的單點故障，同時也保證了較高的控制精度；特別是採用局部網路的分散式控制，最大限度降低對通信的依賴，滿足了微網中分散式電源“即插即用”的要求。可以預見，採用局部網路的分散式控制憑藉上述優點會成為未來微網功率控制技術的主要趨勢。然而分散式控制技術至今仍受互聯通信線以及收斂速度的約束，在交直流混合微網向大規模發展的過程中，還有許多關鍵技術需要被完善和提出：
1）在採用分散式控制的微網系統中，各智慧型體僅以最佳化本地信息作為控制目標，因此多智慧型體協調運行時，尤其是在通信延遲大、測量有誤差等非理想情況下，需要對系統運行的收斂速度以及穩定裕度進行深入分析和準確估定。
2）微網中功率控制技術的工作性能仍然掣肘於通信技術。如何同時實現微網通信系統的低成本和高可靠性是亟待解決的關鍵技術。同時，融合了電力電子變換技術與通信技術的能源路由器將成為能源網際網路中的重要課題。
3）如何研製魯棒性高、效率高、功率密度高、自治能力強且具備即插即用功能的模組化電力電子設備，是需要學術界和工業界共同研究的微網核心技術。
4）目前，功率控制技術主要還是依據變換器的額定容量進行功率分配。然而在源-網-荷-儲都更加複雜的未來微網系統中，進行功率管理時還需要考慮運行成本、效率、壽命、排放懲罰以及獎勵政策等眾多因素。
5）要實現交直流混合微網大規模接入未來智慧型電網，其必備條件是制定專用的控制、通信標準。目前IEEE 1547已經為交流子微網系統提供了較為完備的標準框架，但是針對直流系統的標準EmergeAlliance，IEEE DC@Home，Rebus以及IEC SG 至今仍在發展之中，有待進一步完善。
