基于电储能的微电网控制关键技术研究及应用
发布时间：2020-10-20
摘要：微网的控制是一项多目标的复杂系统工程，需要考虑不同技术领域，在不同时间阶段及不同物理层面的各种问题。微网的控制系统旨在为各种运行模式(如与大电网相连接的模式、孤岛模式，以及介于两者之间的过渡阶段)的微网提供控制、管理和优化服务。对于微网的协调控制有两类主要的架构，集中式和分散式。集中式依赖于中央控制器进行数据采集、计算并确定各控制单元的控制行为，对系统的检测、控制精度、运算速度和通讯的可靠性有很高的要求。
关键词：分层控制;微电网;电储能;下垂控制
1微电网概述及特点
微电网，顾名思义，也就是小型电网的意思，它与传统大规模的电网相比就是规模较小，然而功能并不差，微电网的概念没有明确的统一，各国根据本国的实际情况提出了不同的微电网概念。微电网一般都包括分布式电源、负荷、储能装置、控制装置等几个部分组成，并能实现孤岛(直接连接用户)、并网(连接大电网)两种运行模式，还可以在这两种模式中平滑切换。同时微电网还具有微型、清洁、自治、友好四种基本特点，这些特点决定了微电网具有电压等级低、能源综合利用率高、能够实现电力供应的自平衡以及大大减少大规模分布式电源接入电网时带来的冲击等优点。从系统层面上来看，微电网是一种把设备、装置组合在一起的现代电力电子技术;从大规模的电网来讲，微电网就是一个微型、可控制的小电网，其具有很高的灵敏性，能够迅速的对其他装置和设备进行控制;从用户的角度来说，微电网则可以满足用户的许多要求，包括降低电能损耗、节约成本、提高电压稳定性等，都可以通过微电网技术来实现。
2分层控制关键技术
2.1一次控制策略
2.1.1内环控制
内环控制的研究基于三种坐标系dq旋转坐标系、αβ静止坐标系、abc自然坐标系。相对而言αβ静止坐标系和自然坐标系更适用于三相非平衡系统。基本的控制算法有比例积分(PI)控制、比例谐振(PR)控制、重复控制、非线性控制(滑模控制、滞环控制、无差拍控制)等。
2.1.2外环控制
1)下垂控制。微电网的线路阻抗模型尤其是低压网络可能呈现阻感性，甚至阻性。如果采用传统基于感性的下垂控制，会引入有功和无功功率的耦合，使系统不能稳定运行。除此之外，不同容量逆变器之间的功率分配受不同线路阻抗的影响，线路上会产生不同的电压降，导致无功功率很难实现均分，很小的电压降差异会引起很大的无功误差，造成变流器过流。解耦技术被用来解决上述问题，包括虚拟阻抗技术和线性变换技术。虚拟阻抗技术通过引入感性虚拟感性阻抗或虚拟负电阻，改变线路阻感比，修正逆变器的等效输出阻抗为感性，实现功率解耦和均分，抑制系统环流。由虚拟阻抗重塑过的阻抗特性可能会受到电压、电流和线路阻抗动态变化的影响。因此，可以实时整定的自适应虚拟阻抗是虚拟阻抗技术发展的一个趋势。此外，随着越来越多单相负载和非线性负载被接入微网系统，仅采用传统下垂控制已无法实现功率的负载合理分配。复合式的虚拟阻抗等概念也逐渐被学者们提出并应用。线性变换技术是针对微电网线路阻抗比的不同而引起的功率耦合问题通过坐标旋转正交变换矩阵，实现功率解耦控制，使传统高压电网的下垂策略应用到低压微网中。
2)虚拟同步发电机(VSG)。为了模拟同步发电机的阻尼和惯性环节，虚拟同步发电机技术应运而生并被应用于变流器控制。虚拟同步机的控制同样需解决输出阻抗和线路阻抗差异引起的功率分配问题和系统稳定问题。通过分析了VSG功率精确分配的条件，提出一种基于电压补偿的改进无功控制方法，同时，为平抑负荷响应波动，重新设计基于准谐振控制器的底层双环控制结构。采用脉冲响应分析法对线路进行阻抗辨识，通过精确计算线路压降，解决VSG控制的电压补偿问题，实现了各并联逆变器线路阻抗不匹配下的无功均分。
2.2二次控制策略
2.2.1电压频率无差调节和功率精确分配
频率和电压的稳定以及精确合理的有功和无功分配是微网重要的性能指标。常规的二次控制很难同时满足电压调节和功率均分的要求。在增加系统可靠性、鲁棒性的同时实现多并联变流器之间精准的有、无功的合理分配成为二次控制一个主要的研究方向。将模型预测控制应用于频率和电压的二次调节，将DG的状态空间模型作为精确的预测模型，获得电压和频率的控制变量，作为二次调节量补偿到电压和频率中，实现无功功率的精确分配，减小电压偏差，并将频率始终维持在额定值。基于分布式内模设计方法设计了微电网二次协调电压和频率控制策略，使微电网频率和电压恢复参考值，同时保证各分布式电源按照设计的下垂特性分配有功功率。
2.2.2电能质量改善
微网电能质量研究一般包括两个方面：一是解决微网大量单相负荷接入引起的不平衡问题;二是谐波抑制问题。有学者提出基于微网系统二次调整的PCC的不平衡电压补偿方法，根据PCC的电压不平衡度计算出补偿系数，下发给逆变器进行负序电压控制，实现对PCC不平衡电压的补偿，但忽略了逆变器端口电压的不平衡问题。在此研究的基础上，给出一种兼顾逆变器端口和PCC电压不平衡度的补偿方法，参与不平衡电压补偿控制的各台逆变器优先补偿本机的端口电压，在本机端口电压不平衡度达到供电标准要求，并且有剩余补偿能力的情况下，再根据本机端口电压的不平衡度和微网中央控制器(MGCC)下发的PCC电压不平衡度，综合计算出新的负序电压参考值，控制逆变器端口负序电压，实现同时对逆变器端口和PCC电压进行补偿。关于谐波抑制问题。针对单相多并联变流器微网提出了二次控制进行谐波补偿、无功分配和电压频率恢复。提出了一种基于一致性算法动态调节虚拟阻抗的分布式谐波功率均分控制方法。该方法通过应用多智能体理论设计了一致性算法来自适应调整谐波虚拟阻抗，从而消除线路阻抗不匹配带来的影响，实现了分布式发电单元按容量精确分配负荷谐波，极大地降低了公共连接点的电压谐波含量。
2.3三次控制
2.3.1并网转孤岛切换
目前研究的焦点在于当电网发生故障的非计划情况下，微网如何平滑地从并网转向孤岛模式，实现不间断供电。提出一种适用于储能并网逆变器的广义控制算法，利用被控制对象逆模型、二自由度控制原理，将储能系统部分传函“单位化”，消除微网不同运行模式下控制层的结构差异，实现储能输出电流所含有害扰动量的动态全补偿。提出一种基于控制器状态跟随的并行切换方法，即PQ控制的电流源模式和VSG控制的电压源模式的相位和电流指令都实时跟踪，为PQ/VSG控制模式间的无缝切换奠定基础。
2.3.2孤岛转并网切换
针对分散式结构，提出利用VSG进行无通信的预同步控制方法，并通过引入电流限幅环节解决环流问题。提出了基于电压频率恢复控制的微电网预同步控制方法。由MGCC获取系统内的电压和频率信息，计算出电压频率和幅值的反馈量，反馈量与参考值之差通过二次调频控制算法计算后得到总调节功率，再按照各分布式电源逆变器的分配系数分配给各分布式电源，参与调频的分布式电源按照MGCC下发的功率调节量调节下垂曲线。提出一种基于虚拟功率和电压频率二次控制的预同步单元，实现带载离/并网切换。
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3结语
全球能源危机、环境恶劣的背景下，微电网作为一种新能源发电模式，具有长久的经济、技术、环境和社会效益。越来越受到各国的重视，并会投入更多的研究，随着微电网技术的不断提高和体系的完善，微电网将会快速的发展下去，有着开阔的前景。以后微电网把各分布式电源相互连接起来，并得到大规模的应用，越来越多的用户也会由此而受益。——论文作者：曹瑞林 宋学强 马成林
