含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法及系统

本发明涉及微电网群运行控制，尤其涉及一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法及系统。

背景技术：

1、随着环境污染的日益加剧以及能源需求的不断增加，以太阳能、风能为主的分布式电源(distributed generator,dg)得到了快速发展。分布式电源虽然可以有效改善传统发电方式产生的环境污染问题，但也给配电网的稳定运行带来严峻挑战。微电网作为集成新能源、储能装置、负荷的小型电网，已成为分布式电源并网的有效途径，被广泛应用于新型电力系统中。然而，单一微电网因具有容量小、抗扰动能力差等缺陷，难以满足高比例分布式电源消纳与用户的多样化需求。将地理临近的多个交、直流微电网通过电力电子设备互联，形成交直流混合微电网群，可提升系统供电能力与运行可靠性，已成为未来电网的重要发展趋势。

2、交直流混合微电网群具有并网与孤岛两种运行模式，特别地，在孤岛模式下，由于缺乏大电网提供的惯性，需要配置用于建立母线电压的控制单元。构网型单元(grid-forming units,gfms)作为一种提供电压支撑的可行方案，近年来广泛应用于孤岛系统中。gfms的控制本质为电压源控制模式(voltage control mode,vcm)，可通过调整自身输出功率为系统提供电压与频率支撑。

3、交直流混合微电网群在采用分布式协同控制策略时，网间互联变换器运行于功率调节模式，通过调整自身传输功率实现子微网间合理的能量互济。此类控制策略仅适用于系统正常运行工况，当微电网群中某子微网的构网型单元处于限功率运行或故障等异常工况时，其母线将失去电压与频率支撑，进而影响系统的稳定运行。

4、发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

5、1、在现有分布式控制方法中，子微网之间始终存在功率交互。当某子微网的本地负荷发生变化时，系统内的所有子微网将在一致性算法的作用下更新自身运行状态，微电网的自治性将无法保证；

6、2、在现有分布式控制方法中，网间互联变换器(interlinking converters,ics)通常处于功率调节模式，其控制本质为电流源控制模式(current control mode,ccm)，可视为跟网型单元。当其本地子微网处于aoc时，ics并不具备稳定的构网功能，因此该子微网母线将失去电压与频率支撑，进而影响微电网群的稳定运行。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明实施例提供了含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法及系统，本发明克服了现有技术中的不足，可为异常子微网提供电压与频率支撑，避免系统失稳风险，详见下文描述：

2、第一方面，一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，所述方法包括：

3、构建交直流混合微电网群模型，其中，基于所述交直流混合微电网群模型，分析构网型单元异常运行工况下的系统特性；

4、基于所述交直流混合微电网群模型与构网型单元异常运行工况，制定交直流微网群分层协同控制方案，其中，所述分层协同控制方案包括：子微网变换器控制方案层与网间互联变换器控制方案层；

5、基于所述子微网变换器控制方案层，设计考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略，并通过所述微电网分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制；

6、基于所述网间互联变换器控制方案层，设计基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略，并通过所述网间互联变换器分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制。

7、其中，交直流混合微电网群系统模型具体为：

8、模型由3个交流子微网(acmgs)、1个直流子微网(dcmg)与3个网间互联变换器构成，各acmg通过ics与dcmg的直流母线相连(将其命名为公共直流母线)。acmg内包含构网型单元与跟网型单元(grid-following units,gfls)两类dg；其中，以储能为主的构网型单元一般通过下垂控制参与系统的功率调节，为子微网母线提供电压与频率支撑，以光伏、储能为主的跟网型单元亦可采用下垂控制，通过调整自身功率响应母线电压变化；dcmg内包含可调度型单元(dispatchable units,dus)与功率型单元(power units,pus)，其中dus采用下垂控制支撑公共直流母线电压，pus通过采集电压信息，调整自身功率，参与系统调节；

9、模型内各单元之间的通信网络由子微网通信层与互联变换器通信层构成；子微网通信层中的各智能体与各分布式电源一一对应，互联变换器通信层中的各智能体与各ic一一对应；当本地负荷较轻时，子微网通信层的智能体通过交换信息，实现gfms与gfls间、dus与pus间的协调控制，当某子微网的gfms处于限功率运行与故障工况时，互联变换器通信层的智能体通过交换信息，判断各子微网当前运行状态，既可以实现功率缺额在子微网之间的精准、稳定分配，也保证了子微网具备一定的自治能力。

10、其中，构网型单元异常运行工况下的系统特性具体为：

11、构网型单元异常运行工况(abnormal operating condition,aoc)考虑构网型单元限功率运行与因故障退出运行两种场景：

12、(1)当子微网的本地负荷增加，进而导致构网型单元输出功率超出其最大值时(将该子微网命名为构网型单元异常子微网，即aoc-acmg)，gfms将转变为电流源控制模式(current control mode,ccm)运行，输出功率被限制为其最大值，已不具备构网功能，此时孤岛系统下的交流母线电压与频率将失去支撑(将该场景称为aoc-1)。

13、(2)当子微网内构网型单元的dgs因故障等原因退出运行时，该子微网内仅含跟网型单元与负荷，亦将失去交流母线电压与频率支撑(将该场景称为aoc-2)。

14、构网型单元一般采用电压电流的双闭环控制结构，电压环通过采集母线电压，并利用pi控制器实现对参考值的快速、准确追踪，支撑acmg的母线电压。当gfms因aoc-1而转变为ccm运行模式时，其控制结构仅含电流环，此时子微网内已无用于控制电压的单元，不具备提供电压支撑的孤岛运行能力，母线电压将会因失去支撑而异常运行，严重时导致系统失稳；当gfms因aoc-2而退出运行时，子微网内同样没有用于控制电压的单元，亦将导致上述问题的发生。

15、其中，交直流微网群分层协同控制方案具体为：

16、该控制方案由子微网变换器控制方案层与网间互联变换器控制方案层两部分构成，共同保证微电网群在正常运行工况与异常运行工况下的稳定运行；

17、(1)在子微网变换器控制方案层中，当系统处于正常运行工况时，交流子微网与直流子微网控制各dg，以实现频率恢复、功率精准分配；当系统处于构网型单元异常运行工况时，aoc-acmg的构网型单元因本地负荷增加运行于最大功率模式，或因dgs故障等原因退出运行；此时跟网型单元需与所连ic进行二次协同控制，实现子微网内跟网型单元间功率的精准分配；系统控制模式切换模块根据交流子微网内当前负荷量、电源输出功率以及电源退出运行信号，判定微电网群运行工况；

18、(2)在网间互联变换器控制方案层中，当系统处于正常运行工况时，各ic传输功率参考值设置为“0”，以保证各子微网具备一定的自治能力；当系统处于aoc时，与aoc-acmg相连的ic转换为构网模式，为aoc-acmg提供母线电压与频率支撑，同时通过与子微网内的gfls进行二次协同控制，实现子微网内跟网型单元间功率的精准分配，其余ics通过协调子微网间的传输功率以实现aoc-acmg产生的功率缺额，由其余子微网按自身剩余容量进行分配；系统控制模式切换模块用于判定ics是否进行子微网间的功率传递。

19、其中，考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略具体为：

20、在通过所述考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略时，当系统处于正常运行工况时，基于“领导者-跟随者”的一致性(leader-follower consensus,lfc)框架，将gfms与dus视为领导者，gfls与pus视为跟随者，设计了所述正常工况下的交流与直流子微网分布式协同控制策略。

21、(1)交流子微网分布式协同控制策略

22、其中gfms的控制表达式如下所示：

23、

24、

25、其中，为构网型单元gfm-ki的输出频率参考值，为acmg-k内第ki个构网型单元gfm-ki的频率额定值，为gfm-ki的输出有功功率，为gfm-ki的下垂系数，为其二次控制量，为gfm-ki的一致性控制输入，为相邻节点传递的信息，为增益，为构网型单元gfm-ki的pi控制器传递函数，为节点ki的相邻节点集，aij为通信权重；

26、gfls的控制表达式如下所示：

27、

28、

29、其中，为跟网型单元gfl-ki的输出功率参考值，为第ki个跟网型单元的输出有功功率，为gfl-ki的下垂系数，为其二次控制量，为gfl-ki的一致性控制输入，为gfl-ki的pi控制器传递函数；

30、(2)直流子微网分布式协同控制策略

31、其中dus的控制表达式如下所示：

32、

33、

34、其中，为可调度型单元du-i的输出电压参考值，为公共直流母线电压的额定值，pidc为du-i的输出有功功率，为du-i的下垂系数，为其二次控制量，为du-i的一致性控制输入，为相邻节点传递的信息，为增益，为du-i的pi控制器传递函数，为节点i的相邻节点集；

35、pus的控制表达式如下所示：

36、

37、

38、其中，pidcref为功率型单元pu-i的输出功率参考值，pidc为pu-i的输出有功功率，为pu-i的下垂系数，为其二次控制量，为pu-i的一致性控制输入，为pu-i的pi控制器传递函数；

39、所述异常工况下的交流子微网分布式协同控制策略：aoc-acmg内的gfms因aoc-1导致转变为ccm运行，处于最大功率运行模式，或因aoc-2而退出运行；此时aoc-acmg失去电压与频率支撑，gfls需与其相连的ic进行功率互动，以实现跟网型单元间功率的精准分配；此时，gfls控制表达式中的相邻节点集合将调整为ick为与aoc-acmg相连的ic序号；

40、其中，基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略具体为：

41、在通过所述基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略时，当系统处于正常运行工况时，无gfms处于aoc，各子微网有足够的容量满足本地负荷；为了保证微电网具备一定的自治能力，此时将ic传输功率参考值设置为“0”；

42、当系统处于异常运行工况时，网间互联变换器通过调动其余子微网，为aoc-acmg提供功率、母线电压与频率的支撑。

43、(1)与aoc-acmg相连的ic控制子策略：不失一般性，假设acmg-k处于aoc时，与其相连的ic-k通过调动其余子微网的传递功率满足acmg-k的功率缺额，为该子微网提供电压与频率支撑，控制策略表达式如下所示：

44、

45、

46、其中，为ic-k输出频率参考值，为ic-k传输功率，mk为ic-k的下垂系数，为其二次控制量，为ic-k的一致性控制输入，为相邻节点传递的信息，为增益，为ic-k的pi控制器传递函数，为ic-k的相邻节点集，其元素为acmg-k中与其建立通信链路的gfls；

47、此外，若系统处于aoc-1，基于上述运行状态，当acmg-k本地负荷继续增加导致gfls输出功率超出其最大值时，gfls停止与ic-k的功率互动，转为最大功率运行模式；此时ic-k的二次控制仅实现频率恢复的功能，控制策略表达式如下所示：

48、

49、(2)未与aoc-acmg相连的ic控制子策略：其余ics根据与其相连的交流子微网与直流子微网的剩余容量满足acmg-k的功率缺额，控制策略表达式如下所示：

50、

51、其中，与分别为ic-g的传输功率及其参考值，与分别为acmg-g与dcmg的剩余容量，eg为ic-g的功率不平衡量，为pi控制器传递函数，pidc为dcmg中dg的输出功率，为dcmg的本地负荷；

52、上述控制子策略仅考虑了ic的本地信息，易引发不同ic对同一子微网功率的争抢，进而引起子微网内的功率波动，影响系统的稳定运行。为解决该问题，设计了ic的二次控制方法，控制策略表达式如下所示：

53、

54、其中，σg为ic-g的二次控制量，agh为ics间的通信权重，eh为相邻节点信息，为ic-g的相邻节点集，其元素为未与aoc-acmg相连的ics中，与其建立通信链路的ics，为二次控制的pi控制器传递函数。

55、其中，系统模式切换模块具体为：

56、不失一般性，假设acmg-k的gfms因aoc-1或aoc-2而导致系统处于构网型单元异常运行工况，系统运行工况的判定条件表达式如下所示：

57、

58、其中，为acmg-k内dgs的最大输出功率之和，为acmg-k的本地负荷，θ为gfms的退出运行信号，当其为“1”时，说明gfms退出运行，反之则没有退出运行，上式表达的含义为：当本地负荷高于acmg-k内所有dg的最大值(此时gfms应限功率运行)或gfms因故障而退出运行时，系统处于“构网型单元异常运行工况”，上式成立，k1为“1”，反之，则上式不成立，k1为“0”，此时各交流子微网未发生aoc，系统处于“正常运行工况”；

59、当acmg-k处于aoc时，gfls将与ic-k进行功率互动；随着本地负荷的继续增加，超过gfls的最大输出功率时，其会切换为最大功率运行模式，为系统提供功率支撑，此时用于切换的判定条件表达式如下所示：

60、

61、其中，为gfms的最大输出功率之和，为gfls的最大输出功率之和，为ic-k当前传输功率。

62、第二方面，一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制系统，所述系统包括：

63、构建模块，用于构建交直流混合微电网群模型，其中，基于所述交直流混合微电网群模型，制定交直流微网群分层协同控制方案，其中，所述交直流混合微电网群分层协同控制方案包括：子微网变换器控制方案层与网间互联变换器控制方案层；

64、第一控制模块，用于所述子微网变换器控制方案层，设计考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略，并通过所述微电网分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制；

65、第二控制模块，用于网间互联变换器控制方案层，设计基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略，并通过所述网间互联变换器分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制。

66、第三方面，一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制系统，所述系统包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器调用存储器中存储的程序指令以使装置执行第一方面所述的方法步骤。

67、本发明提供的技术方案的有益效果是：

68、1、本发明所提含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法可在构网型单元限功率运行与故障工况下，通过互联变换器的变模式运行，为构网型单元异常子微网提供电压与频率支撑，维持孤岛交直流混合微电网群的稳定运行；

69、2、本发明所提含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法可在构网型单元限功率运行与故障工况下，保障正常子微网按自身剩余容量承担异常子微网产生的功率缺额，实现子微网间功率的合理互济。

技术特征：

1.一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流混合微电网群系统模型具体为：

3.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述构网型单元异常运行工况下的系统特性具体为：

4.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流微网群分层协同控制方案具体为：

5.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流微网群分层协同控制方案，在子微网变换器控制方案层，设计考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略，并通过所述微电网分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制步骤，包括：

6.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流微网群分层协同控制方案，在网间互联变换器控制方案层，设计基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略，并通过所述网间互联变换器分布式协同控制策略对所述交直流混合微电网群模型进行控制步骤，包括：

7.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流微网群分层协同控制方案，在网间互联变换器控制方案层，当系统处于异常运行工况时，其中，所述基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略包括与aoc-acmg相连的网间互联变换器控制子策略、未与aoc-acmg相连的网间互联变换器控制子策略，具体为：

8.根据权利要求1所述的一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，所述交直流微网群分层协同控制方案，包括系统模式切换模块，具体为：

9.一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制系统，用以执行如权利要求1至8任一项所述的交直流微网群分布式协同控制方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及微电网群运行控制技术领域，公开了一种含构网型单元的交直流微网群分布式协同控制方法及系统，方法包括：构建交直流混合微电网群模型，分析构网型单元异常运行工况的系统特性；制定交直流微网群分层协同控制方案，该方案包括子微网变换器控制方案层与网间互联变换器控制方案层；基于所述子微网变换器控制方案层，设计考虑多运行工况的微电网分布式协同控制策略，对所述交直流混合微电网群模型进行控制；基于所述网间互联变换器控制方案层，设计基于变模式运行的网间互联变换器分布式协同控制策略，对所述交直流混合微电网群模型进行控制。本发明适用于系统的多种运行工况，保证其在构网型单元异常运行工况下的不间断运行。

技术研发人员：肖迁,于浩霖,金昱,张育炜,陆文标,贾宏杰,穆云飞,田森,刘会巧,余晓丹
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23