储能应用

微电网分布式控制理论与方法

2020-06-09 08:51:46 科学出版社

开发利用可再生能源有助于解决当前面临的能源和环境双重危机,是推动能源革命和实现能源可持续发展的重要技术之一。然而大规模可再生分布式电源直接并网使电网的稳定性面临新的挑战:一方面,风光等间歇性新能源的输出功率具有波动性和随机性,简单并网将对用户造成功率冲击;另一方面,分布式电源的接入改变了电网单向潮流的格局,使传统电网的运行模式难以适应新的控制需求。

● 微电网是由多种分布式电源、储能、负载以及相关监控保护装置构成的能够实现自我控制和管理的区域自治型电力系统,现有研究和实践表明,分布式电源以微电网形式接入配电网,是发挥分布式电源效能的最有效途径。近年来世界各国都加大了对分布式发电以及微电网技术的关注和发展力度,微电网技术正在快速发展,成果也在大力推广应用过程中。

图1 微电网结构图

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与传统电力系统相比,微电网内分布式电源种类繁多、运行模式多样、控制策略各异、可控程度不同,恰当有效的多源协调控制是实现系统稳定、可靠、高效运行的关键,也是解决优化配置、继电保护等其它问题的前提。分布式协同控制兼顾传统集中式和分散式控制的优势,基于局部信息交互促成类全局信息共享,以稀疏通讯方式实现本地控制决策的全局优化,适应于微电网运行对实时性、灵活性和可靠性的更高要求以及“即插即用”的控制需求,由此受到了国内外微电网领域专家学者的广泛关注与深入研究。

《微电网分布式控制理论与方法》首先介绍了微电网基础内容,包括分布式电源建模、微电网分层控制结构和逆变器控制方法等,对现有技术系统地进行了总结。在此基础上,就微电网分布式控制理论与方法的重点和难点展开介绍,具体包括分布式协同控制策略、通讯拓扑和控制器参数优化、分布式智能控制三大部分。

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分布式控制是以一致性协同理论为基础,各分布式电源通过与相邻分布式电源进行信息交互并调整状态,最终所有状态趋于一致,从而实现全局协同控制。根据有无预设控制目标可分为分布式平均一致性控制和分布式牵制一致性控制,分布式平均一致性控制实现无中央控制器的控制决策本地类全局优化,适应微电网控制对可靠性、实时性和扩展性的更高要求;分布式牵制一致性控制,通过选择性地对部分分布式电源施加牵制控制,其他分布式电源基于通信耦合关联向牵制分布式电源搜寻同步,最终全局达到预设目标值。

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布式控制结构和分布式控制器参数优化是分布式控制策略优化的两个重要部分。分布式控制结构优化(稀疏通信拓扑优化)以提高动态收敛性和通信延时裕度、提升协同性能、降低链路数目为目标,优化拓扑较普通拓扑可显著提高微电网控制的动态性能和延时鲁棒性。分布式控制器参数优化分别基于线性二次调节法和临界特征根跟踪法设计控制器参数,提升动态收敛的一致性,并对其在微电网分布式控制策略应用中的实际指导意义进行分析。

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分布式智能控制策略将智能控制方法引入常规一致性控制策略,以提高系统动态性能为目的在理论算法和实施方式上展开进一步的研究和探索。分布式预测一致性控制,通过对未来时间断面的微电网运行状况进行预测,优化控制决策,避免控制量过控、误控或欠控等问题。在分布式一致性控制中加入辅助预测项,提出了基于辅助预测项的分布式线性预测控制,通过可调参数预测项提高控制过程的收敛速度和不同控制周期的鲁棒性;针对分布式预测一致性中未考虑逆变器的非线性动态特性,进一步提出了基于输入输出反馈线性化的分布式非线性预测控制。

以上内容构建了多目标、多层次、多属性的微电网分布式控制理论与方法,可为微电网安全可靠、经济高效运行提供支撑,为其他学科应用分布式控制方法提供案例借鉴。本书力求对这一领域的若干重要研究成果进行较为完整的概括和总结,从第二章、第三章的分布式电源建模、微电网分层控制结构和逆变器控制方法入手,着重围绕第六章微电网分布式协同控制理论、第七章分布式控制策略优化、第八章微电网智能分布式控制策略和第九章分布式策略仿真验证等核心内容展开,以层层递进的结构、简洁的语言进行描述。读者仅需掌握基本的电力系统和自动控制系统知识,便可把握微电网分布式控制理论与方法发展的总体脉络。

《微电网分布式控制理论与方法》一书的工作得到了国家863计划(含分布式电源的微电网关键技术研发,2011AA05A107)、国家重点研发计划(分布式可再生能源发电集群实时仿真和测试技术,2016YFB0900404)和国家自然科学基金(基于源荷储分散式协同的自治电力系统紧急控制研究,51477029;冷热电联供型微电网高效运行的建模和优化方法,51277027)等项目的支持,获得了其他科研院校和实际生产部门许多专家的大力帮助。本书得以成稿,需要感谢课题组研究生陈明、曹戈、洪灏灏、杨权、史文博、盛丽娜、曹阳、薛帅等的辛勤付出。同时,特别感谢天津大学王成山教授、清华-伯克利深圳学院许银亮教授、东南大学窦晓波教授、吴在军教授、全相军老师在本书研究和写作过程中的帮助和支持。在本书写作过程中,一直得到科学初版社相关领导和编辑的鼓励和支持,他们为本书顺利初版做了大量细致而辛苦的工作,在此一并表示感谢。

本书工作是作者课题组在微电网分布式控制领域近10年科研成果的总结,希望对广大同行有一定的参考作用。写作过程持续了3年,期间几易其稿,但由于微电网运行控制涉及面广,作者水平有限,本书内容中可能存在不妥之处,恳请各位专家和读者批评指正。


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