Hybrid Local-global Power-sharing Scheme for Droop-free Controlled Microgrids
非下垂控制微电网的局部-全局混合功率分配方案
| DOI: 10.35833/MPCE.2023.000652
| 作者 左坤雨,吴磊
为什么需要进行非下垂功率分配控制?
随着配电网系统中可变且不确定的分布式能源的增加,将它们构建为稳定的微电网变得尤为重要。这些微电网能够在孤岛模式下保证正常运行,且能在并网模式下与主电网进行稳定的电力交换。目前,分布式控制系统可在一次控制层中配置下垂控制模块,以满足这些要求。下垂控制可使分布式资源模拟传统发电机组的下垂特性,通过感知和调整频率和电压偏差,控制网络中的功率分布。
下垂控制是一种无需通信的分散控制框架。但是对于线路阻抗不均衡的微电网,这种分散式协调会导致有功、无功和谐波功率分配出现偏差,甚至造成稳定性问题。此外,基于频率偏差协调的下垂控制器会不可避免地引发频率问题,如显著噪声和系统频率偏移。
非下垂控制是一种基于稀疏通信的分布式控制方案。得益于与相邻资源直接交换功率信息,非下垂控制能够在有功、无功、谐波和不平衡功率中精准地协调功率分配。此外,系统的平均频率在控制过程中保持在额定值,有效地避免控制过程中的系统频率下降和过度扰动。因能解决上述问题,非下垂控制备受关注。
非下垂功率分配控制的挑战?
目前,非下垂控制研究专注于全局一致性的功率分配策略,即对于微电网中任何大小和位置的扰动,所有分布式资源同时响应并收敛至全局目标。例如,将功率扰动平均分配至所有可调分布式资源,基于额定功率将扰动按容量分配至各可调分布式资源,通过边际成本函数调整追求最经济的功率分配。
非下垂控制通过稀疏通信,达成全局一致性共识消耗的时间长,并且会随着分布式资源数量的增加而显著增长。为此,本文提出了一种新的非下垂功率分配控制设计方案,根据可调资源的容量和系统运行条件有效地把扰动限制在局部,显著加速非下垂控制的协调过程。
同时,设计方案可以依据功率扰动大小动态地选定可调资源的数量和局部范围,以实现在最小范围内平衡系统功率扰动。在出现大扰动的极端情况,设计方案能够将局部范围扩展到自适应的全局范围,以调用全局资源进行响应。
局部-全局混合的非下垂功率分配控制设计目标?
具体而言,以图1中节点3的分布式资源为例,局部-全局混合的非下垂功率分配控制需要达成以下目标。
1) 就地响应:附近资源能够充分平衡功率扰动,如绿线分布
2) 远端响应:局部功率分配范围外的资源基本不受功率扰动影响,如蓝线分布。
3) 限制响应:达到最佳功率区间上限的资源,限制使用,如黄线分布。
4) 恢复响应:当扰动减小时,亦遵循局部功率分配优先,如紫线分布。
5) 全局响应:当所有资源达到了最佳使用区间上线时,转入全局功率分配模式。
图1 局部-全局混合控制下的功率分分配目标
如何设计局部-全局混合的非下垂功率分配控制?
为满足上述设计目标,局部-全局混合的非下垂功率分配控制框架图如图2所示。蓝色控制回路是经典非下垂功率分配控制方案。为了实现局部功率分配,控制回路中配置有:① 局部补偿器和补偿控制器(图2中的黄色模块),记录用以描绘扰动位置和大小的补偿信号,以促进局部功率平衡共识;② 饱和控制器,以将平衡功率限制在最佳功率范围;③ 抗饱和环节,以消除局部补偿器中的过量控制信号,促进恢复响应时满足局部功率分布。此外,当所有饱和器达到上限,相同的局部平衡信号将在稀疏通信网络中被抵消,此时,控制系统将退化成经典非下垂功率分配控制方案。
图2 混合功率分配控制的框架
局部-全局混合的非下垂功率分配控制效果如何?
在理论上,系统特征值分析和李雅普诺夫直接法证明了系统的稳定性。在仿真模拟中,采用所提混合控制方案的微电网在应对扰动时表现稳定,系统有效地将扰动功率分配在适宜的范围。重载情况下,系统稳定地将分布式资源功率限制在最佳运行范围内。在数值上,设计中推导的控制参数选取结果被验证为准确高效;相比于全局分配,混合分配显著提升了系统的收敛速度;同时,所提出的方案表现出了良好的抗通信延迟的能力。相关结果如图3和图4所示。
图3 局部功率分配
图4 重载情况下的功率分布
引文信息
K. Zuo and L. Wu. Hybrid local-global power-sharing scheme for droop-free controlled microgrids [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2024, 12(5): 1520-1534.
作者介绍
ABOUT THE AUTHORS
左坤雨
博士研究生,美国斯蒂文斯理工学院,主要研究方向为:可再生能源微电网解决方案和分布式控制。
吴 磊
博士,教授,博士生导师,美国斯蒂文斯理工学院,主要研究方向为:电力系统运行与规划、能源经济学。
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