一种多微网平衡单元系统架构及控制协调方法

技术领域

本发明涉及电力系统中的微电网技术、电力电子技术领域，具体地，涉及一种运用电力电子装置实现多微网系统互联AC母线稳定控制的平衡单元架构及控制协调方法。

背景技术

微网领域的研究越来越侧重于多微网之间的相互作用与协调互联，将临近的交直流微电网实现有机互连，使其协作运行，以克服单一微电网的缺点，提高整体运行的稳定性和可靠性，减少可再生能源的波动对配电网的影响。多微网是具有发电、配电和用电环节的小型电力系统，可以在必要时为配电网提供辅助服务和支撑，同时，多微网系统也可以当作大电网中的一个柔性可调度单元，实现削峰填谷。

由于大量新能源的使用，其所具有的显著的波动性和不确定性对于多微网系统的稳定性构成严重威胁。而现有多微网架构及其平衡单元的结构和控制方法，由于不具有类似同步机的惯性和阻尼响应，不能对多微网互联母线的电压及频率的瞬时波动进行实时有效控制，如专利“一种以分功能子微网为自平衡单元的微电网组建方法”(专利号：CN110752617A)。为此，本发明提出的基于超级电容供电的虚拟同步机(VSG)和储能电池组合，作为多微网互联交流母线的独立平衡单元，由于超级电容充放电时间很短，响应速度快，因此虚拟同步机(VSG)被用来提供暂态的电压、频率特性调节，电池组则用于提供能量调度。

发明内容

本发明的目的是提出一种多微网系统平衡单元架构及其控制协调方法，该多微网系统具有双母线结构，使区域内微电网拥有多种互联方式，充分保障其供电的可靠性；便于区域内微电网进行电能交互；双母线的架构既便捷又具有很好的冗余性，与配电网既能方便互联也能有效隔离；便于对多微网系统进行集中的运行调控。多微网系统平衡单元及其控制协调方法，为多微网系统提供功率平衡和电压、频率的稳定，便于集中调控，改善有功功率、交流频率和电压的动态响应过程，提升多微网系统的稳定性，同时多微网系统平衡单元中配备蓄电池组，与基于虚拟同步机(VSG)的主变流器相配合从而能够有效改善系统的动态特性和能量优化调度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种多微网系统平衡单元架构及其控制协调方法，所述的多微网系统平衡单元存在于多微网系统的公共微网中，多微网系统包括n个用户微电网和一个公共微网，公共微网中包含社区公共柔性负荷和多微网系统平衡单元，所述的多微网系统平衡单元包括基于虚拟同步机控制的主变流器、超级电容及相应的变流器、蓄电池组及相应的变流器，其中，

多微网系统包含两条交流母线，一条即配网母线，另一条多微网互联AC母线；

多微网系统中的用户微电网通过电能路由器与配电母线和多微网互联AC母线连接；

公共微网中的多微网系统平衡单元和社区公共柔性负荷连接在多微网互联AC母线，同时包含一条连接线可与配网母线相连接；

基于虚拟同步机控制的主变流器的交流端口作为多微网系统平衡单元的输入/输出端，连接于多微网互联AC母线；

基于虚拟同步机控制的主变流器直流端口连接到公共直流母线，超级电容和蓄电池组也通过相应的DC/DC变流器连接到公共直流母线，在多微网系统平衡单元外部，公共微网中的新能源通过相应的变流器连接到公共直流母线。

所述的多微网系统平衡单元架构及其控制协调方法，其控制协调方法如下：

1)当多微网互联AC母线频率和电压偏差满足多微网系统运行要求时，通过连接到公共直流母线的新能源向超级电容和蓄电池组充电，当新能源电量不足时，超级电容则通过多微网互联AC母线进行充电，由蓄电池组控制公共直流母线的电压稳定。当超级电容充电完毕、且蓄电池组的电量也高于其最低放电阈值，如多微网互联AC母线频率和电压偏差超出允许范围，基于虚拟同步机控制的主变流器根据多微网互联AC母线的频率和电压偏差快速调整其有功和无功的输出，以保证多微网互联AC母线的频率和电压偏差保持在允许范围内；

2)虚拟同步机的功频控制器由P-f下垂控制和转子运动方程两部分组成，根据VSG的有功指令和和下垂环节得到有功参考值，与检测的实际有功输出作差后通过惯量阻尼环节得到转速差，再与额定转速相叠加得到输出角速度，在阻尼环节引入积分器，与阻尼转矩组合成PI控制器，最终达到频率恢复；

3)虚拟同步机的励磁控制器，将励磁电流控制直接替换为对电压调制波幅值的控制，同时，VSG模拟同步发电机的下垂特性进行一次调压，得到参考电动势的幅值，对具有下垂特性的VSG一次调压后出现的电压偏差，在励磁控制器中引入电压校正环节，将电压偏差通过PI调节引入无功控制环，实现幅值同步追踪。

4)基于虚拟同步机控制的主变流器控制系统中增加一个积分环节和电压校正环节，对多微网互联AC母线实施二次调频、调压，用于维持多微网互联AC母线的频率和电压稳定。

本发明的优点主要有：(1)所提出的多微网系统平衡单元架构及其控制方法便于多微网系统集中调控，同时还能为社区中公共设施供电，也可按需配备各种新能源。(2)多微网系统平衡单元的核心是采用超级电容供电的虚拟同步机，由于超级电容的充放电时间很短，所以基于虚拟同步机控制的主变流器被用来提供暂态的电压、频率特性调节(3)基于虚拟同步机控制的主变流器具备类似于同步电机的惯性和阻尼响应，能够改善有功功率和交流频率的动态响应过程，有助于提升多微网互联系统的稳定性。

附图说明

图1基于交流互联的多微网系统互联架构

图2平衡单元架构及连接方式一

图3多微网控制系统框图

具体实施方式

下面结合附图1～3及具体实施过程对本发明作进一步具体详细描述。

本发明提出的一种多微网系统平衡单元架构及其控制协调方法，多微网系统架构如图1所示，公共微网及多微网系统平衡单元结构如图2所示。

本发明提出的一种多微网系统平衡单元架构及其控制协调方法，在多微网系统中增加了一个公共微网，公共微网中包含了该多微网系统的平衡单元、公共微网社区中的柔性负荷，如电动车、照明等公共设施。

多微网系统包含两条交流母线，一条即配网母线，另一条为多微网互联AC母线。多微网系统平衡单元和多微网互联AC母线相连，多微网系统平衡单元中包括为多微网互联AC母线调节频率和电压的虚拟同步机，基于超级电容供电的虚拟同步机模拟同步发电机特性，将电力电子器件为主体的逆变器对外展现成为一个机械器件为主体的装置，从而表现出同步电机的部分特性，为多微网互联AC母线提供暂态的电压、频率特性调节，提高多微网互联AC母线的稳定性，为使多微网系统可以达到“即插即用”效果。多微网系统平衡单元还包括蓄电池组，其经过VSC连接于多微网互联AC母线，用于提供能量调度，在多微网系统的新能源出现电量盈余时，进行充电，在多微网系统缺少电量时进行放电。

用户微电网通过电能路由器进行负荷调度，负荷可在电能路由器的第一交流母线和第二交流母线选择电能供给者，第一交流母线通过交流断路器与配网母线相连，第二交流母线为多微网互联AC母线，其中用户微电网内的新能源发电单元，储能单元和电动汽车均通过直流母线经过VSC与第二交流母线相连。用户微电网通过电能路由器的控制单元，采集用户微网内部信息、多微网互联AC母线(第二交流母线)以及配网母线(第一交流母线)上的信息，综合判断之后可以改变用户微电网的运行模式，通过电能路由器对柔性负荷进行调度，选择其电能供给者。

公共微网配有的多微网系统平衡单元与多微网互联AC母线(第二交流母线)连接，主控制单元根据系统运行需要，控制公共微网内多微网系统平衡单元的工作状态，及时与多微网互联AC母线进行信息交互，便于多微网系统的集中调控。多微网系统平衡单元由基于超级电容供电的虚拟同步机控制的主变流器和蓄电池组组合。由于超级电容的充放电时间很短，所以基于虚拟同步机控制的主变流器被用来提供暂态的电压、频率特性调节，蓄电池组则用于提供能量调度。

基于虚拟同步机控制的主变流器与蓄电池组相结合对多微网系统运行进行控制，是多微网系统运行控制的核心。基于虚拟同步机控制的主变流器具备类似于同步电机的惯性和阻尼响应，因此能够改善有功功率和交流频率的动态响应过程，有助于提升多微网系统的稳定性。由于为基于虚拟同步机控制的主变流器提供电能的超级电容电量有限，在多微网系统平衡单元中配备蓄电池组，与基于虚拟同步机控制的主变流器相配合从而能够有效改善系统的动态特性和能量优化调度。

如图2所示，超级电容器、蓄电池组和新能源(光伏阵列)通过各自的DC/DC变流器用于维持公共直流母线电压，超级电容主要利用其充放电的瞬间，其优势在于高功率密度，同时结合蓄电池组的高能量密度的优势，即超级电容器的存在使得平衡单元在对多微网互联交流母线进行调压和调频时具有很快的响应速度和较高的爬坡率；蓄电池组能够缓冲功率补偿，减小直流母线电压波动。

多微网系统的控制如图3所示，公共微网控制系统与多微网系统主控单元进行信息交互，根据多微网系统采集的分布式电源出力信息、多微网互联AC母线电压和频率信息，对平衡单元的主变流器采用虚拟同步机控制、蓄电池组的电压电流双闭环控制，为多微网系统提供电压、频率调节以及能量调度。

在多微网系统正常运行时，多微网互联AC母线上的频率和电压波动均由公共微网的平衡单元的虚拟同步机进行调节，基于超级电容供电的虚拟同步机模拟同步发电机特性，将电力电子器件为主体的逆变器对外展现成为一个机械器件为主体的装置，从而表现出同步电机的部分特性，为多微网互联AC母线提供暂态的电压、频率特性调节，使多微网的互联AC母线可以达到“即插即用”效果。

虚拟同步机的励磁控制器直接借鉴同步发电机的励磁电流控制方程，将励磁电流控制直接替换为对电压调制波幅值的控制，同时，基于虚拟同步机控制的主变流器模拟同步发电机的下垂特性进行一次调压，得到参考电动势的幅值，对具有下垂特性的基于虚拟同步机控制的主变流器一次调压后出现的电压偏差，在励磁控制器中引入电压校正环节，将电压偏差通过PI调节引入无功控制环，实现幅值同步追踪。

无论多微网系统中的各个用户微电网处于何种运行状态，系统的运行控制的核心是平衡单元的控制，保证多微网互联AC母线电压和频率的稳定。不考虑调速器作用时，VSG双向AC/DC变流器的控制方程为：

其中J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，ω

基于虚拟同步机控制的主变流器与蓄电池组的组合控制策略可实现多微网系统在不同运行模式(孤岛、并网、区域内微电网与多微网和配电网同时互联)下、各种运行模式转换过程中以及多微网发生重构情况下(区域内微电网与多微网的互联状态发生变化)的运行特性调节。控制策略包含：①基于虚拟同步机控制的主变流器用于改善多微网互联AC母线的暂态特性，维持电压、频率稳定，蓄电池组电压电流双闭环控制用于稳定公共直流母线的电压；②在不需要基于虚拟同步机控制的主变流器提供支撑或电容电量不足时，通过AC/DC变流器为电容充电；③根据系统运行状态，通过模糊或自适应控制算法对基于虚拟同步机控制的主变流器、蓄电池组及各互联开关进行集中控制。

该多微网系统拥有两条交流母线，区域内微电网通过多端口电能路由器与多微网和配电网相连，可通过多微网互联AC母线进行能量交互。该结构的多微网系统，①使区域内微电网拥有多种互联方式，提高系统灵活性，充分保障其供电的可靠性；②便于区域内微电网进行电能交互；③双母线的架构既便捷又具有很好的冗余性，与配电网既能方便互联也能有效隔离；④便于对多微网系统进行集中的运行调控。