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环形直流微电网运行控制及其稳定性分析

李玉梅  
【摘要】:由于直流微电网的控制无需考虑同步和无功问题,不同分布式发电单元之间的协调控制相对简单,效率和可靠性也优于交流微电网,因此,近年来直流微电网受到越来越多的关注。其中,环网形结构的直流微电网具有更多的供电路径,更适合于供电可靠性要求高的场合,但由于其网络结构复杂,运行控制和稳定性分析困难,制约了其发展。本文对环形直流微电网的负荷功率分配控制以及负荷端电压补偿控制、各分布式发电单元之间的协调控制、稳定性分析等方面展开研究。本文研究成果对环形直流微电网的运行控制及稳定性设计具有理论指导意义和实际应用价值,具体研究内容如下:首先,在传统直流电网潮流计算方法的基础上,推导了采用电压下垂控制的环形直流微电网潮流计算的改进算法;针对线路阻抗引起的环形直流微电网负荷功率分配不精确和负荷端电压波动问题,研究了基于潮流计算的改进下垂控制方法,以负荷功率分配比和负荷端电压期望值为约束条件,通过离线求解参数潮流方程得出平移量与P节点功率之间的线性关系曲线,拟合建立线性关系函数表达式,在线运行时利用函数表达式实时计算各下垂曲线平移量以保持负荷功率和可再生能源发电功率变化时的负荷功率分配比和负荷端电压的恒定;进一步,通过引入负荷端电压和变换器输出电流闭环反馈控制来校正线路阻抗测量误差和函数关系式拟合误差造成的控制偏差,实现负荷分配比和负荷端电压的自适应控制。仿真结果验证了该方法的有效性。其次,建立了环形直流微电网经济运行的目标函数,基于此分析了环形直流微电网的11种工作模式;为了实现环形直流微电网的经济可靠运行、不同模式间的无缝切换和负荷端电压的补偿控制,研究了一种改进分层协调控制策略,通信系统正常时为遥控模式,由上层控制完成基于经济运行的模式选择、潮流计算、下垂控制参数计算、负荷端电压补偿控制、极端情况下的光伏变换器工作模式切换以及负荷减载和恢复;通信系统故障时切换为本地控制模式,为了最大限度地保证直流微电网的供电可靠性,由本地控制器完成工作模式的自动切换,包括:储能节点的本地控制器充电、放电和待机模式切换,光伏节点本地控制器的MPPT和CV模式切换,负载节点本地控制器的自动加减载功能。不同工况下的仿真结果和实验结果验证了所提出的分层协调控制策略的可行性和有效性。最后,基于李雅普诺夫稳定性分析理论,建立了 4端口环形直流微电网的23阶全阶小信号线性化模型,分析了负荷节点电容值和恒功率负荷对系统稳定性的影响;通过特征值灵敏度分析找出了电容值和恒功率负荷变化时系统稳定性的主导特征值;通过分析线路阻抗对双向AC/DC变换器和双向DC/DC变换器稳定性的影响,建立了反映主导特征值变化的简化等效电路模型;进而通过分析简化模型下两台变换器并联以及环形结构对主导特征值的影响得出直流微电网的小信号稳定性判据;案例计算和仿真结果验证了以上理论分析的正确性。


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