一种单相、三相混合微电网结构及其能量协调控制方法

为此,本文提出基于下垂控制的能量协调控制方法对PSU的有功功率交换进行控制,考虑到尽量减少PSU工作于额定工作状态附近时频繁的能量交换而造成不必要的损失,对有功功率交换设定一个启动阈值,其下垂控制方程表达式如下：

式中：P为PSU输出至ESU侧的有功功率,若P>0,表明混合微电网通过PSU输出有功功率至ESU侧,若P<0,表明混合微电网通过PSU从ESU侧吸收有功功率;kp为有功功率交换系数,由微电网的容量决定;f°th为有功功率交换启动阈值,由实际工程应用需求决定。根据f°th可以把单相-三相混合微电网的工作状态分为两种：

1）状态1：当f°满足0≤|f°|

2）状态2：当f´满足|f°|>f°th时,表明此时该相微电网的工作频率偏移量已经超出了文中设定的有功功率交换启动阈值f°th,PSU启动功率交换,对混合微电网的有功功率进行协调控制,从而抑制三相功率不平衡。

按照式(2)对PSU的有功功率交换进行控制,可实现对混合微电网的能量协调控制,但是也容易出现PSU的输出抖动问题,当微电网工作频率满足条件|f°|>f°th时,PSU启动有功功率交换,随后因为进行了有功交换导致|f°|变小,这样就可能会重新触发0≤|f°|

为此,本文在式(2)的基础上加入滞环比较环节,得到下垂控制曲线如图3所示,图中f′′th=f′th−εf″th=f′th−ε,通过改变εε可以调节滞环比较的门限宽度,通常取一个比较小的值。加入滞环比较环节后,由于比较门限的存在,可有效避免PSU的输出发生抖动。

图3加入滞环比较后的下垂控制曲线

按照图3可有效地对PSU有功功率交换进行控制,并达到很好的控制效果,但前提是直流侧母线电压保持恒定,这就要求ESU中储能电池的额定容量无限大,保证ESU可以完全吸收PSU输出至ESU的有功功率或提供PSU所需的有功功率,但实际上储能电池的额定容量通常是有限的,储能电池不一定能完全吸收或释放PSU所需交换的能量,从而引起直流侧母线电压波动,进而影响对混合微电网电压波动和三相功率不平衡的抑制效果,因此必须根据ESU的工作状态来协调PSU的有功功率输出。

从图1可知,单相微电网中的不平衡功率可以由ESU和三相微电网共同消纳,而不平衡功率有正有负,当不平衡功率为正时,即DG出力过剩,若储能电池的剩余容量(stateofge,SOC)充足,不平衡功率可完全由储能电池吸收,但是若储能电池SOC不足,为了避免直流侧母线电压抬升,必须降低PSU输出至ESU侧的有功功率,而剩下的不平衡功率由三相微电网消纳;当不平衡功率为负时,即DG出力不足,若储能电池储能充足,不平衡功率可完全由储能电池提供,但是若储能电池储能不足,为了避免直流侧母线电压跌落,必须降低PSU从ESU侧吸收的有功功率,剩下的不平衡功率由三相微电网提供。

为此,本文提出了引入功率传输系数λ来协调限制PSU的实际输出有功功率P°,将图3得到的有功功率P乘以功率传输系数λ作为后续控制的有功指令值,即：

根据ESU中储能电池的总剩余容量,将其分为3个区间,分别如下：

1）区间1：0≤SOCsum≤SOClow。

2）区间2：SOClow

3）区间3：SOCup≤SOCsum≤1。

其中,SOClow为总剩余容量的下限阈值,SOCup为总剩余容量的上限阈值,SOCsum为系统总剩余容量,计算公式如下：

式中：n为储能电池的组数;SOCi为第i组储能电池的剩余容量。

在区间1内,表明此时储能电池SOCsum不足,若PSU输出有功功率P为正,则必须降低PSU的功率传输系数λ,以免直流侧母线电压抬升,剩下的不平衡功率通过三相微电网消纳;若PSU输出有功功率P为负,由于此时储能电池储能充足,PSU的功率传输系数λ取值为1,可得计算公式如下：

在区间2内,表明此时储能电池处于良好的工作状态,不管PSU是吸收有功功率还是输出有功功率,ESU都能够很好的对其进行消纳,因此,PSU的功率传输系数λ取值为1。

在区间3内,表明此时储能电池SOCsum充足,若PSU输出有功功率P为正,则PSU的功率传输系数λ取值为1,若PSU输出有功功率P为负,由于此时储能电池储能不足,必须降低PSU的功率传输系数λ,以免直流侧母线电压跌落,剩下的不平衡功率由三相微电网提供,可得计算公式如下：

此外,从需求(4)可知PSU还应该具备一定的无功补偿能力,在母线电压跌落时,可以支撑混合微电网的母线电压,抑制电压波动,本文提出基于下垂控制的方法计算混合微电网所需补偿的无功功率,具体计算公式如式(8)所示：

式中：kq为无功功率交换系数;USN为混合微电网额定工作电压幅值;US为混合微电网各相实际工作电压幅值。当Q>0时,表明混合微电网无功过剩,需要通过PSU输出部分无功功率至ESU侧;当Q<0时,表明混合微电网无功不足,需要通过PSU补偿部分无功功率。