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1.2直流微电网稳定控制面临的关键问题
针对图1,未来复杂直流微电网的稳定控制将主要面临如下挑战:
1)母线电压控制问题。直流微电网内大量分散式的可再生能源发电单元、负荷等具有明显的随机波动性,这类波动功率尤其是短时功率冲击将可能对直流母线电压造成冲击,若不采取合适的控制措施极易导致整个直流微电网系统的崩溃。
2)多源协调控制问题。随着直流微电网规模的不断扩大,为保证系统的可靠性,直流微电网内多个DC-AC双向变流器、分布式储能单元、可控型分布式电源,甚至风、光等分布式随机间歇性电源,均有可能作为主电源主动参与直流母线电压调节,如何实现多源高可靠性和经济性的协调稳定控制将是直流微电网稳定控制研究的难点。
3)多运行模式切换问题。通常直流微电网有3种工作模式:①联网运行模式:即交流电网正常情况下,由交直流双向变流器控制直流母线电压恒定;②联网限流模式:当交流电网和直流系统之间的交换功率超过交直流双向变流器的最大功率,或交流电网发生故障导致交流母线电压跌落,从而使双向变流器输出功率受限时,系统进入联网限流模式;③独立运行模式:直流系统彻底断开与交流电网的连接,由直流系统内分布式电源或储能单元控制直流母线电压。如何利用较少的信息和低带宽通信,实现直流系统直流母线电压控制模式的平滑切换,是研究的重点。
4)稳定性问题。用户侧大量分布式接入的可再生能源发电单元、电动汽车等负荷,均通过DC-DC等变流器接入直流微电网,具有明显的恒功率负荷特性,且构成了多变流器接入环境,其随机性波动功率不仅会给直流母线电压带来冲击,还极易诱发系统谐振,影响直流微电网稳定性。
以下将从上述4个方面对直流微电网稳定控制研究现状进行综述。
2直流微电网稳定控制研究现状
2.1母线电压控制
依据直流母线电压稳定控制方式不同,直流微电网可分为主从控制模式和对等控制模式。在主从控制模式下,直流微电网内通常只有一个单元来控制直流母线电压,见图2(a)。直流微电网主从控制模式中控制直流母线电压的单元称为主控制单元,系统稳定性、可靠性完全依赖于该控制单元,该单元一旦出现故障,将有可能导致直流系统崩溃,因此主从控制模式可靠性较差。
通常主从控制结构更适用于简单直流微电网,为解决复杂直流微电网母线电压控制中对单一主控制单元的依赖,可以采用基于下垂和对等控制方式的多主控制单元结构,见图2(b)。这些参与直流母线电压控制的单元均称为主控制单元,在控制上具有对等的地位,通常选择P - Udc下垂控制方法来实现对等控制策略。每个主控制单元均只依赖于自身的输出功率和本地直流电压等信息进行控制,共同承担直流微电网内分布式电源输出功率波动或负荷扰动。与主从控制模式相比,在对等控制模式中采用下垂控制的交直流变流器接口或分布式电源可以自动参与输出功率的分配,易于即插即用。
以上从直流微电网系统级控制层面分析了主从控制和对等控制2种直流微电网母线电压控制策略。不管采用何种控制策略,直流微电网内分布式电源输出功率波动或负荷的扰动均由直流母线电压控制单元来平衡。在系统遭遇大扰动冲击下,有可能导致直流母线电压过压或欠压保护动作,因此对直流母线电压控制单元来说,具备强鲁棒性和抗扰能力的直流母线电压控制策略对于直流微电网的稳定运行及直流负载供电质量的保证十分关键。为提高抗扰能力和动态响应,基于扰动电流或功率前馈的直流母线电压/电流双环控制方法得到广泛应用。为消除基于公共直流母线的光/储直流微电网内暂态下直流母线电压冲击和波动,文献[14-15]提出基于稳态功率平衡和动态一阶微分环节相结合的前馈补偿方法。当主电源变流器采用电流或功率扰动前馈控制进行直流母线电压控制时,如果需要通过额外的电流传感器实时获取系统中的扰动功率信息,则不利于直流微电网内分布式电源或负荷的扩展和即插即用。如何快速跟踪直流侧各分布式电源的输出功率突变等冲击或扰动信息,成为直流母线电压控制的关键。为解决上述问题,文献[10-11]提出基于现今值状态观测器的测量方法来设计最小拍观测器,对扰动电流进行虚拟测量。但上述观测方法基于纯微分操作,对高频干扰信号敏感。文献[16]设计出一种非线性干扰观测器,能够利用本地直流母线电压及主电源变流器瞬时输出功率信息,实现对直流母线上功率扰动的快速跟踪,在此基础上采用前馈控制能够同时提高直流母线电压控制系统的稳定裕度和动态响应。
直流微电网母线电压控制是直流微电网稳定运行的基础,在对等控制模式下,上述文献所提出的抑制直流母线电压冲击的控制方法是否仍然有效,均未进行深入研究和探讨。
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