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如何实现外界扰动下孤立交大功率直流电源混合微电网功率的自主平衡,并提高系统应对扰动冲击的抵御能力?

为实现外界扰动下孤立交大功率直流电源混合微电网系统功率的自主平衡,其双向AC/DC换流器的控制应同时考虑交流侧频率和大功率直流电源侧电压的运行状态,现有研究尚未阐明全网功率成比例分配时,交流频率和大功率直流电源电压与双向AC/DC换流器传输功率需满足的平衡关系。与此同时,在孤立混合微电网系统中,母线电压由于没有大电网的支撑而易于受到功率扰动的影响。因此,研究适用于双向AC/DC换流器的内外环控制策略,可以实现外界扰动下孤立交大功率直流电源混合微电网功率的自主分配,并显著提高系统应对扰动冲击的抵御能力。

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论文所解决的问题及意义 

本文通过对孤立混合微网中双向AC/DC换流器交流侧和大功率直流电源侧的有功功率下垂控制方程进行整合,将功率分配原则扩展至整个交大功率直流电源混合微网中,提出了基于全网功率成比例分配原则的双向AC/DC换流器外环功率控制策略,实现了孤立混合微电网功率的自主平衡;同时在对双向AC/DC换流器进行电压波动分析的基础上,提出了抑制电压波动的双向AC/DC换流器改进内环控制策略,在无需额外传感器的情况下快速跟踪系统的等效电流干扰并进行抑制,增强了系统抗外界干扰的能力。

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论文重点内容  

(1)孤立交大功率直流电源混合微电网双向AC/DC换流器外环功率控制策略


在采用下垂控制的混合微电网中,对于通过双向AC/DC换流器连接到交大功率直流电源母线上的交流和大功率直流电源子微网来说,可以分别将其看作为“交流整合电源”和“大功率直流电源整合电源”(如图1所示),与其余并联在母线上的分布式电源一样,所整合电源通过双向AC/DC换流器根据交流频率/大功率直流电源电压来确定其向对侧子微网传输有功功率的大小(流入或流出)。


如何实现外界扰动下孤立交大功率直流电源混合微电网功率的自主平衡,并提高系统应对扰动冲击的抵御能力?

图1 孤立混合微电网等效模型


进而可以推导出全网功率成比例分配的平衡关系式为:


基于该平衡关系式的双向AC/DC换流器有功控制策略可以在外界扰动下充分发挥交大功率直流电源两侧功率的快速支撑能力,无论功率波动发生在交流还是大功率直流电源侧,所有分布式电源共同参与功率平衡以避免单个电源过载情况的发生。同时该策略自主调节交流和大功率直流电源母线间有功功率的流动方向,无需在多种控制方式之间切换,可以满足不同运行方式的需求。


(2)孤立交大功率直流电源混合微电网双向AC/DC换流器电压扰动抑制策略

在双向AC/DC换流器常规双环控制中,内环参考电流由外环功率的参考值给出。当发生外界功率突变引起换流器母线电压产生偏差后,功率的参考值才会相应地变化以调整其传输功率的大小,因而会对换流器电压造成较大的冲击。可推导得出如下的换流器电压响应方程:


利用干扰观测环节(DOL)可以估计输出电流的扰动大小,其应用无需增加额外传感器以及其他分布式电源或负载的电气信息,减少了设备投资和通信成本,便于分布式电源的即插即用功能。扰动电流的观测方程为:


通过增加扰动观测环节来快速跟踪系统的等效负载电流干扰,进而提出了基于扰动补偿的交大功率直流电源混合微电网双向AC/DC换流器的内环电压波动抑制策略,控制框图如图2所示。


如何实现外界扰动下孤立交大功率直流电源混合微电网功率的自主平衡,并提高系统应对扰动冲击的抵御能力?

图2 基于扰动补偿的双向AC/DC换流器改进内环控制策略

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结论

本文针对孤立运行的交大功率直流电源混合微电网,提出了基于全网功率成比例分配原则的双向AC/DC换流器外环控制策略,以及抑制电压波动的改进内环控制策略,得出的结论如下:

(1)本文提出的双向AC/DC换流器外环功率控制策略以交流频率和大功率直流电源电压为输入,充分发挥了外界扰动下交大功率直流电源两侧功率的快速支撑能力,实现了混合微电网的功率平衡和自主分配;

(2)本文提出的改进内环控制可以在无需额外传感器的情况下快速跟踪系统的等效电流干扰并对其进行抑制,在保证理想稳态性能的同时提高了外界干扰冲击下微电网的动态性能;

(3)本文所提出的双向AC/DC换流器功率控制策略依据各分布式电源的额定容量进行功率分配,针对未来热电联供的复杂微电网能源系统,考虑发电效率、制热效率、环境惩罚以及市场政策等众多因素对系统功率进行综合管控,是下一步的研究方向。

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