基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略.pdf

第 4 期为满足大规模新能源接入与用户对电能质量以及可靠性的需求袁需要将多个子微网组成多微网系统袁进行统一管理与协调袁但是在并联运行过程中袁需要对多微网并联运行磁场定向控制遥当前袁有较多学者进行了这方面的研究袁其中袁文献1研究了考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法袁分析了通信延迟问题袁提出了考虑通信延迟的并联虚拟同步发电机分布式控制策略袁并分析影响通信的关键因素袁 设计典型通信拓扑和运行工况曰文献2研究了微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法袁其对相邻虚拟同步机技术间互阻尼控制袁改善其动态特性袁抑制功率振荡曰文献3针对风机尧光伏等可再生能源出力和负荷需求的不确定性袁采用基于 Pareto 支配策略的改进非线性收稿日期院2020鄄10鄄21曰录用日期院2021鄄04鄄12基金项目院内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目渊NJSC14239冤Project Supported by the Inner Mongolia Autonomous RegionHigher Education Research Project渊NJSC14239冤基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略刘小琦渊内蒙古师范大学青年政治学院信息工程系袁呼和浩特 010051冤摘要院原有方法对多微网并联运行磁场定向控制具有延迟的问题袁导致多微网并联运行磁场定向控制的效果较差袁因此袁设计了一种新型多微网并联运行磁场定向控制策略遥 首先设定多微网并联运行磁场定向控制指标遥 然后确定多微网并联运行磁场定向控制影响因素袁并建立并网方案中的分配系数袁采用分层控制的方法对多微网并联运行磁场进行定向控制袁以此完成多微网并联运行磁场定向控制的优化设计遥最后进行仿真分析袁验证所提控制策略的电压调节速度尧功率稳定性以及功率调节正确性遥 所得结果验证了所提多微网并联运行磁场定向控制策略的有效性遥关键词院多微网曰并联运行曰运行磁场控制曰分层控制曰定向控制Field鄄oriented Control Strategy for Multi鄄microgrid ParallelOperation Based on Hierarchical ControlLIU Xiaoqi渊Department of Information Engineering,Youth College of Political Science,Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010051,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 Due to the delay in the field鄄oriented control of multi鄄microgrid parallel operation when using theexisting method,the effect of field鄄oriented control is poor.Therefore,a novel type of field鄄oriented control strategy formulti鄄microgrid parallel operation is designed.First,an index for the field鄄oriented control of multi鄄microgrid paralleloperation is formulated.Then,the corresponding influencing factors are determined and the distribution coefficient in agrid鄄connected scheme is established,and a hierarchical control method is adopted to perform a directional control ofmagnetic field during the multi鄄microgrid parallel operation,thus completing an optimization design of the field鄄orientedcontrol of multi鄄microgrid parallel operation.Finally,simulation analysis is carried out to verify the voltage regulationspeed,power stability and power regulation under the proposed control strategy.Results show that the proposed field鄄oriented control strategy for multi鄄microgrid parallel operation is effective.Keywords:multi鄄microgrid;parallel operation;control of operating magnetic field;hierarchical control;directionalcontrolDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.115中图分类号院TK81文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月电源学报第 21 卷图 2母线关系简图Fig.2 Simplified diagram of relationship between buses图 1多微网并联运行网络拓扑结构Fig.1 Topology of multi鄄microgrid paralleloperation network多目标布谷鸟算法求出 Pareto 最优解集袁并利用多目标灰靶决策从 Pareto 最优解集中选择出满意方案曰文献4提出了一种新型的微电网分层控制体系袁一层控制采用分散控制的方法袁有利于实现孤立微电网的功率灵活调控和稳定运行遥 此外袁关于多微网系统控制技术最常用的控制方式包括院集中控制尧主从控制尧分散逻辑控制以及下垂特性控制等袁其中袁集中控制能够有效抑制输出电流差袁从而达到消除环流的目的5曰主从控制通过发出指令模块袁以调整电流为基础来实现静态均流6曰分散逻辑控制使得多微网内的负荷具有较大的动态性能袁从而在最大程度上完成多微网并联运行电源的自治和自主决策7曰下垂特性控制以输出的有功和无功功率为调整基础袁通过调节输出功率的下垂特性在并联运行中实现均流8遥尽管上述研究均能够起到一定的控制作用袁但是仍存在控制效果差的问题袁为此袁本文设计一种基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略遥 分层控制综合集中控制和分散控制的特点袁由上至下的控制指令越来越详细袁由下至上的反馈信息也越来越精炼袁 使得各层级之间存在隶属关系袁分工明确袁从而更好地对多微网并联运行磁场进行定向控制遥 同时袁由于本文设定多微网并联运行磁场定向控制指标袁确定并分析多微网并联运行磁场定向控制影响因素袁 建立并网方案中的分配系数袁采用分层控制方法实现对多微网并联运行磁场的定向控制袁因此满足磁场定向控制的需求袁能够有效提高多微网并联运行磁场的定向控制能力遥通过仿真分析验证多微网并联运行磁场定向控制策略的有效性袁得到结果表明袁本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略进行电压调节时能够使电压在 0.5 s 内达到稳定袁 联络线功率在 10 s 内达到稳定袁保证了多微网并联运行磁场定向控制的正确性遥1多微网并联运行磁场定向控制指标在对多微网并联运行磁场定向控制前袁设定多微网并联运行磁场定向控制指标袁以微网群的经济性与可再生能源的最大化利用为目标袁向微网控制器内发送子微网间 min 级渊假设周期为 T冤的平均交换功率袁在保证多微网运行安全尧可靠和稳定的前提下尽可能执行该值遥其多微网并联运行网络拓扑结构如图 1 所示遥基于图 1袁 为保证多微网并联运行的安全稳定袁将控制目标设置如下遥渊1冤以母线电压偏差最小为目标袁其具体表达式为minVD=渊Ui-Uci冤2姨渊1冤式中院VD为母线电压偏差曰Ui为母线的电压幅值曰Uci为母线电压幅值参考值遥渊2冤将多微网并联运行安全性指标引入多微网并联运行控制中袁 以评估多微网群母线电压安全性遥 图 2 为多微网群中群母线和网母线的关系遥图 2 中院Ur尧Uj分别为群母线电压幅值和微网电压幅值曰Rj尧Xj分别为两母线之间的电阻和电抗曰Pj尧Qj分别为微网输出的有功功率与无功功率遥多出口路由器核心交换机用户网络接入设备链路汇合交换机接入交换机数据中心接入交换机数据中心核心交换机UjPj+Qj微网母线XjRjUr微网群母线左116第 4 期刘小琦院基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略图 3多微网并联运行磁场定向控制策略Fig.3 Field鄄oriented control strategy for multi鄄microgrid parallel operation对于图 2袁存在关系式Uj-UrRj+jXj=Pj-jQjUj渊2冤渊3冤以最小化偏离群能量管理系统的结果为控制目标袁保证多微网运行的可控性9袁则控制指标W 表示为W=Pit-x/u姨渊3冤式中院Pi为多微网运行时交换的有功功率平均值曰u为多微网运行时实时交换的有功功率遥依据上述过程完成多微网并联运行磁场定向控制指标的建立遥2多微网并联运行磁场定向控制影响因素确定在上述多微网并联运行磁场定向控制指标建立完成的基础上袁分析多微网并联运行磁场定向控制影响因素遥 当多微网并联运行时袁可能存在较大的电压幅值差10袁由于较大的电压差会引起冲击电压进入袁从而对多微网系统产生较大的影响遥 除此之外袁 影响多微网并联运行的因素还有电压频率差尧相差角等11鄄12袁因此将其作为考虑内容袁推导出多微网并联运行的理想条件院 多微网电压频率相同袁电压幅值大小相同袁并网开关合闸时多微网相角差为 0遥 但在实际多微网并联运行过程中袁会受到不同因素的影响导致电压频率尧电压幅值等存在一定的差值遥同时袁在实际运行时袁根据多微网公共连接点的开合状态13袁通过微电网不同取值划分微电网的运行状态14作为影响因素分析的依据遥 假设储能单元运行的最小容量为 S袁最大功率输出的有功功率为 Pm袁则分析影响因素曲线表达式为Pi=Pim-ki渊Ui-Uih冤渊4冤ki=PimUimax-Uik减功率输出0最大功率输出扇墒设缮设渊5冤式中院Pim为第 i 个间接性微网的最大输出功率曰ki为反下垂系数曰Uih为第 i 个间歇性单元减少功率输出时的初始电压遥依据上述计算分析主要影响因素袁为多微网并联运行磁场定向控制提供基础遥3多微网并联运行磁场定向控制策略在上述多微网并联运行磁场定向控制指标建立与多微网并联运行磁场定向控制影响因素分析的基础上袁对多微网并联运行磁场定向控制15遥 整体的控制策略如图 3 所示遥基于上述影响因素的分析与控制指标的建立袁采用分层控制策略对多微网并联运行磁场定向控制遥 本文中并网控制方案中分配系数16的表达式为琢A=驻PA驻PA+驻PB渊6冤茁A=驻QA驻QA+驻QB渊7冤琢B=1-琢A渊8冤茁B=1-茁A渊9冤驻PA=PAn-PA0渊10冤驻QA=QAn-QA0渊11冤驻PB=PBn-PB0渊12冤驻QB=QBn-QB0渊13冤式中院琢A尧茁A和 琢B尧茁B分别为储能蓄电池 A 和 B 的分配系数曰PAn尧QAn和 PA0尧QA0及 驻PA尧驻QA分别为储能蓄电池 A 的额定有功尧 无功功率和初始有功尧无功功率及其有功尧无功的差值曰PBn尧QBn和 PB0尧QB0及功率设定值测量模块判断模块控制器收发信模块联络线实测功率功率设定值测量模块判断模块控制器收发信模块联络线实测功率-+-+117电源学报第 21 卷表 1主回路拓扑结构参数Tab.1 Topological parameters of main circuit图 4电压调节速度对比Fig.4 Comparison of voltage regulation speed驻PB尧驻QB分别为储能蓄电池 B 的额定有功尧无功功率和初始有功尧无功功率及其有功尧无功的差值17遥若 2 个储能电池都达到上限还是不能将电压和相位调到预定值18袁则需要对多微网系统内的负荷和其他电源进行相应的调节袁 重新选择并网时间19遥 则功率控制公式为P=k+kP_A驻PK2/r渊14冤式中院P 为功率设定值曰PK2为微网联络线 2 的功率实际值曰kP_A为储能蓄电池 A 的功率调节信号曰r 为功率协调控制信号遥根据多微网间的串联和并联组网结构袁 设计串尧 并联不同结构的多微网系统两级分层控制方案遥 以多微网系统允许出现的有效运行状态为基础袁依据其当前状态和触发事件制定微网运行状态的转换袁针对多微网系统的联络线功率控制尧并网和孤岛模式切换袁本文提出串尧并联结构的多微网中央控制器之间的控制策略遥该策略可以满足多微网并联运行的主动同步要求袁实现主动并网同步并且能够加快主动同步的速度袁保证控制后的电压稳定性袁以此完成多微网并联运行磁场定向控制遥4仿真分析为验证所提出的多微网并联运行磁场定向控制策略的有效性袁在 Matlab/Simulink 环境下进行仿真分析遥 Simulink 与 Matlab 相集成袁在 Simulink 中将 Matlab 算法融入模型袁利用这种可视化的仿真工具进行连续测试和验证袁分析在控制后微网的动态特定遥 同时袁为保证仿真分析的严谨性袁将传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法渊文献1方法冤尧 微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法渊文献2方法冤与本文研究算法作对比袁分析 3 种算法的控制效果遥 微网仿真模型参数设置如下遥渊1冤柴油发电机参数院额定功率 PN鄄diesel=15 kW袁额定电压 VN鄄diesel=380 V遥渊2冤风力发电机参数院额定功率为 10 kW袁额定电压为 380 V遥渊3冤蓄电池 A 参数院容量为 500 kW 窑 h袁额定电压为 380 V袁直流电压为 800 V遥渊4冤光伏发电系统参数院额定功率为 15 kW袁额定电压为 380 V遥渊5冤蓄电池 B 参数院容量为 300 kW窑 h袁额定电压为 380 V袁直流电压为 800 V遥渊6冤变压器参数院额定容量为 100 kV窑 A袁额定电压为 10.5 kV袁短路容量为 20 MV 窑 A遥其仿真实验中袁 主回路拓扑结构参数如表 1所示遥依据上述实验条件进行仿真分析袁具体的分析结果如下遥4.1 电压调节速度对比结果及分析传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法尧微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法与本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略的电压调节速度对比结果如图 4 所示遥通过分析图 4 可知袁采用本文所提算法进行多微网并联运行磁场定向控制后袁 电压能够在 0.5 s内达到稳定袁可见本文所提算法的电压调节速度较快曰 而传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG参数数值交流电压/V380电网频率/Hz50滤波电感/H0.02额定容量/渊MV 窑 A冤1直流电压/V700开关频率/kHz340.540.039.539.038.538.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10t/s本文方法文献1方法文献2方法118第 4 期图 5微网联络线功率发生变化后功率稳定性对比Fig.5 Comparison of power stability after powerchange of microgrid tie line图 6并联多微网联络线功率调节Fig.6 Power regulation of tie line in parallelmulti鄄microgrid控制方法调节速度较慢袁 在 0.7 s 左右才能够达到稳定曰微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法稳定速度也比较慢袁这 2 种传统的控制方法均低于本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略遥 这表明本文所提方法电压调节速度较快袁有效降低了因磁场引起的电压不稳定的情况遥4.2 微网联络线功率发生变化后功率稳定性对比结果及分析假定蓄电池输出功率保持不变袁在 t=60 s 时微网联络线功率发生变化袁本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略与传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法尧 微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法的功率稳定性对比结果如图 5 所示遥通过分析图 5 可知袁采用本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略控制后袁联络线功率在 10 s内达到稳定袁能够跟随控制指令保持不变袁只是变化过程长曰而传统考虑通信延迟的独立微电网并联VSG 控制方法与微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法达到稳定的时间都比本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略稳定时间相对较长遥 结果表明袁本文所提算法实现了对多微网并联运行磁场的定向控制袁降低了其对电压电流的影响袁进而实现了功率快速稳定遥4.3 功率调节正确性对比结果及分析设定多微网系统处于并网状态袁传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法尧 微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法在并联结构微网的联络线功率调节情况对比结果如图 6 所示遥通过分析图 6 可知袁采用本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略时袁 联络线功率从 20 kW下降到 10 kW袁证明本文所提控制策略具有调节正确性袁并且在 7 s 左右就实现了功率调节袁保证了本文所提算法对多微网并联运行的有效控制曰而采用传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG控制方法控制后袁功率变化情况不大袁最低下降到15 kW袁并且控制时间较长曰采用微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法控制后袁联络线功率由 20 kW 下降到 17 kW 左右袁并且控制时间要高于本文研究算法的控制时间袁在 7.5 s左右才能够保证功率的稳定性袁 控制效果要差于本文所提方法遥由此表明袁分层控制的方法可以有效降低多微网并联运行磁场定向控制的错误几率袁从而提高调节精度遥综上所述袁本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略能够在短时间内对多微网并联运行控制袁功率达到稳定值袁并能够正确对并联多微网联络线功率进行调节曰相较于传统考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制方法尧 微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制方法袁电压调节速度较快袁联络线功率在 10 s 内达到稳定袁能够保证功率的稳定性遥 原因在于本文所提算法设定控制指标袁并分析多微网并联运行磁场定向控制时的影响因素袁从而满足提高多微网并联运行磁场定向控制策略的控制需求遥刘小琦院基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略403020100102030405060708090t/s文献1方法本文方法文献2方法10.09.59.08.58.07.57.06.56.05.5t/s252015105文献1方法本文方法文献2方法119电源学报第 21 卷5结语为满足更多的控制需求袁提高对多微网并联运行磁场定向控制的控制效果袁本文提出了一种分层的定向控制策略袁并经过仿真验证本文所提多微网并联运行磁场定向控制策略的有效性遥通过仿真验证袁本文所提算法更加适用于多微网并联运行磁场定向控制的现状袁无论是间歇性波动还是负荷突然变动的情况下袁本文所提控制策略都能够对多微网并联运行进行有效控制袁也能保证多微网并联运行的稳定性遥本文所提方法虽然在控制策略上做了一些优化袁但仍存在较多的方面或因素没有涉及和考虑袁比如能量优化尧潮流计算尧多微网运行保护等方面在研究中并没有涉及到袁因此袁在后续研究过程中需要对这些方面进行深入研究袁以进一步提高磁场定向控制效果遥参考文献院1 刘炜,郑天文,孙起鹿,等.考虑通信延迟的独立微电网并联 VSG 控制J.可再生能源,2018,36渊8冤:1174鄄1180.Liu Wei,Zheng Tianwen,Sun Qilu,et al.Distributed con鄄sensus control considering communication time delays inisolated microgrid with parallel鄄connected virtual syn鄄chronous generator J.Renewable Energy Resources,2018,36渊8冤:1174鄄1180 渊in Chinese冤.2 洪灏灏,顾伟,黄强,等.微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制J.中国电机工程学报,2019,39渊21冤:6247鄄6255.Hong Haohao,Gu Wei,Huang Qiang,et al.Power oscilla鄄tion damping control for microgrid with multiple VSG 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