直流微电网分布式一致性控制及其小信号稳定性研究

发布时间：2020-07-14 16:31

【摘要】：微电网技术代表了分布式能源技术的发展趋势,是未来配用电系统重要的组成部分。与交流微电网相比,直流微电网转换效率高,便于分布式发电单元与消费类电子产品接入,有着广阔的发展前景。近年来,尽管在直流微电网分布式一致性控制研究领域已取得不少成果,但多考虑的是纯直流单母线系统,有一定的局限性。随着直流微电网在更多领域的应用,对系统的兼容性、可靠性、智能化控制等提出了更高的要求,这就使得分布式一致性控制的直流微电网面临许多新的问题,诸如:如何对交/直流微源混联的系统进行小信号稳定性分析、如何分析一致性控制信息层参数的改变对系统小信号稳定性的影响、如何实现多母线结构直流微电网的分布式一致性控制,又如何制定更完善的系统“即插即用”协议等等,着眼于上述问题,论文开展了如下工作:1)在交流微源线性化模型以及直流微源阻抗模型的基础上,建立了以风力发电单元为例的交流微源阻抗模型。分析计算同步旋转坐标系下直驱永磁风力发电机电压源变换器小信号模型以及各状态变量之间的传递函数,得到电压/电流双闭环控制下的风力发电单元d、q轴小信号控制模型以及输出阻抗特性表达式,同时推导了具有典型控制环节的直流微源、负载阻抗特性表达式,并基于此分析了不同系统参数对各单元阻抗特性的影响。结果表明,在系统各关键参数发生变化时,对不同类型微源以及负载阻抗特性均有不同程度的影响,从而影响整体系统各个频段的小信号稳定性。2)研究了一致性协议在交/直流微源混联直流微电网中的应用以及对系统小信号稳定性的影响。由于一致性协议对于微源设备层控制器的作用等效为下垂控制系数自适应的改变,而在交/直流微源混联的直流微电网中,系统整体的阻抗特性将变得复杂。为此,论文建立了基于一致性控制的交/直流微源混联直流微电网系统阻抗模型,研究一致性控制过程中,一致性控制信息层参数改变对系统内各单元阻抗特性的影响,并利用阻抗分析方法对所研究系统小信号稳定性得出了规律性结论。分析结果表明,系统内交/直流微源变换器互连时,不同边界权值参数引起的振荡收敛过程会增大源变换器等效输出阻抗变化范围,从而影响组网后微源、负载的阻抗比特性,对系统的小信号稳定性造成负面影响,应在设计一致性协议参数时予以重视。3)研究了传统分布式控制平台的改进方法。分布式控制平台是一致性协议的载体,其执行效率直接影响控制算法性能,传统分布式控制平台由于不具备多线程特性和网络物理接口,具有一定的局限性。论文应用Simulink、Java代理开发框架(Java Agent Development Framework,JADE)以及基于JADE扩展包的多代理控制组件(Multi-Agent Control for Simulink with JADE Extension,MACSimJX)搭建混合仿真实验平台来实现直流微电网的分布式控制,在详细阐述各单元控制策略实现的基础上,提出一种基于消息模板的状态信息接收方法,改善了一致性控制性能,并在局域网三个虚拟机终端中搭建具有五个直流微电网单元节点的仿真实验环境,验证了直流微电网分布式一致性控制以及协同控制的有效性。4)研究了分组一致性协议在双母线结构直流微电网中的应用。考虑代理间异步通信的特点,以及分组一致性协议较单目标一致性协议在性能上的理论优势,采用离散分组一致性协议,实现双母线结构直流微电网高、低压母线子网分布式二次电压、电流控制。同时,构建与之对应的分布式控制仿真实验平台,对比验证了控制策略的有效性。结果表明,高、低压母线边界节点通信可以改善离散分组一致性协议的收敛性能,使各功率节点更快地获取最新的全网平均电压差及电流参数,从而优化控制策略的整体性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM712
【图文】：

网结构,单母线,母线,电压等级

DCDC图1.1 典型单母线直流微电网结构a)基于双 DC/DC 变换器 b)基于电压平衡器图1.2 双极三线制直流微电网结构多母线结构直流微电网如图 1.3、图 1.4 所示。不同电压等级多母线结构的直流微电网，母线间采用直流变压器连接，其能量可以双向流动，母线之间可通过其进行能量互补，提高系统的可靠性。而相同电压等级的多母线结构可以灵活的从外部电网获取电能，可靠性更高。微网群结构依赖于高效可靠的互联及支撑方式，联络开关虽然成本低，但只能连接相同电压等级的直流微电网，并且没有电气隔离，故障时会造成全网供电质量下降甚至断电，因此有学者提出利用隔离双

网结构,三线制,双极,母线

图1.1 典型单母线直流微电网结构a)基于双 DC/DC 变换器 b)基于电压平衡器图1.2 双极三线制直流微电网结构多母线结构直流微电网如图 1.3、图 1.4 所示。不同电压等级多母线结构的直流微电网，母线间采用直流变压器连接，其能量可以双向流动，母线之间可通过其进行能量互补，提高系统的可靠性。而相同电压等级的多母线结构可以灵活的从外部电网获取电能，可靠性更高。微网群结构依赖于高效可靠的互联及支撑方式，联络开关虽然成本低，但只能连接相同电压等级的直流微电网，并且没有电气隔离，故障时会造成全网供电质量下降甚至断电，因此有学者提出利用隔离双

网结构,双母线,主从控制

向DC/DC变换器代替联络开关，可以实现微网簇之间的快速隔离、可靠互联以及灵活支撑。图1.3 双母线直流微电网结构ACDC............ACDC12ij图1.4 多母线直流微电网结构已有学者对直流微电网控制策略做了大量的理论研究工作，但由于网内可控单元多且分散，加之源、负载配置的复杂性，对不同工况下各单元变换器的协调控制策略还需深入研究。现有的直流微电网控制方法大致分为以主从控制为代表的集中式控制方法，以及以对等控制和多层控制为代表的分布式控制方法。1) 直流微电网主从控制研究现状主从控制下的直流微电网内各单元，需建立主微源控制器与从微源控制器之间点对多点的强通信网络连接，从控制器不具备自主功能，完全依赖主控制器下发的控制指令来调整对应从控制器的运行状态。从控制器发生故障时，会被强制退出运行，而当主控制器发生故障或通信发生故障时，整个系统将无法正常运行。除此之外

【参考文献】