運(yùn)用下垂控制的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)慣量阻尼特性分析

修連成,熊連松,康志亮,宋漢梁

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,611130,成都;2.南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院,211167,南京;3.香港理工大學(xué)電機(jī)工程系,999077,香港)

近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電網(wǎng)中的電力電子裝備占比急劇提高,越來(lái)越多的電能需要經(jīng)過(guò)變流器處理。與此同時(shí),傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)(RSG)的裝機(jī)比例逐漸降低,以低慣量、弱阻尼為特征的分布式能源在電網(wǎng)中的比例不斷增加,給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患[1-4]。所以,現(xiàn)在的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)控制將不能只考慮并網(wǎng)變流器系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性(自穩(wěn)性),也需要并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)友好互動(dòng),在輔助提升電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下獲得自身穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境,即必須具備輔助電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力(致穩(wěn)性)[5]。為此,學(xué)者們提出利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑系統(tǒng)功率波動(dòng),增強(qiáng)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性,同時(shí)等效地提高電力系統(tǒng)的慣量水平與阻尼能力。

圖1 下垂控制的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

為了充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定電網(wǎng)的性能,現(xiàn)有的致穩(wěn)性控制策略主要分為頻率下垂控制、虛擬慣量控制和虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制。仿照RSG一次調(diào)頻原理,并網(wǎng)變流器需要頻率下垂控制,使并網(wǎng)變流器系統(tǒng)主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻需求。頻率下垂控制具有較高的可靠性和靈活性,所以在并網(wǎng)變流器系統(tǒng)控制中獲得廣泛使用[6-11]。虛擬慣量控制通常在一次能源供電側(cè)進(jìn)行控制,而并網(wǎng)變流器采用電壓雙閉環(huán)控制直流側(cè)電容電壓[12-14]。但是,在虛擬慣量控制的作用下,并網(wǎng)變流器的物理特性與現(xiàn)行電網(wǎng)的發(fā)電主體RSG有著明顯的差別,并網(wǎng)變流器依然不具備RSG固有的大慣量、強(qiáng)阻尼特性,不能輔助提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性。VSG控制是基于一次能源調(diào)度算法和并網(wǎng)變流器的控制策略,使得并網(wǎng)變流器系統(tǒng)從外特性上模擬RSG的大慣量、強(qiáng)阻尼特性[15-18]。為了響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻需求,VSG控制一般不能獨(dú)立運(yùn)行,需要增加頻率下垂控制環(huán)節(jié)[19]。

由于并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析涉及系統(tǒng)很多變量,所以文獻(xiàn)[20]提出了將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間尺度特征劃分為交流電流時(shí)間尺度、直流電壓時(shí)間尺度、機(jī)械轉(zhuǎn)速時(shí)間尺度3類(lèi)來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題。其中,直流電壓時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)應(yīng)于同步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)械時(shí)間尺度。文獻(xiàn)[21]使用直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)模型,發(fā)現(xiàn)下垂控制和VSG控制具有相似性,均可等效地模擬慣性效應(yīng),但該文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)頻率下垂控制的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)慣性、阻尼以及同步特性的影響參數(shù)及規(guī)律進(jìn)行分析,因此在改善電網(wǎng)慣量、阻尼特性方面仍不能充分利用頻率下垂控制。此外,文獻(xiàn)[22]提出了靜止同步發(fā)電機(jī)(SSG)模型,分析了電壓電流雙閉環(huán)控制的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的慣性、阻尼以及同步特性。文獻(xiàn)[23-24]構(gòu)建并網(wǎng)變流器的直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)模型,利用SSG模型分析了鎖相環(huán)對(duì)并網(wǎng)變流器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[25]使用SSG模型,提出了慣性效應(yīng)可調(diào)的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)控制方法。

本文構(gòu)建了并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)模型,利用SSG模型,分析了下垂控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性特性、阻尼效應(yīng)以及同步能力,揭示了影響上述動(dòng)態(tài)特性的內(nèi)在機(jī)制、主要參數(shù)及影響規(guī)律。本文DC/DC變換器使用頻率下垂控制策略從物理本質(zhì)上對(duì)應(yīng)了原動(dòng)機(jī)的下垂控制特征,研究結(jié)果將有助于并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1 基于下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文以圖1所示的兩級(jí)式并網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,分析下垂模式下的儲(chǔ)能系統(tǒng)慣量、阻尼特性。該并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)能裝置、DC/DC變換器以及并網(wǎng)逆變器等。其中,DC/DC變換器工作于下垂控制模式,等效于常規(guī)發(fā)電機(jī)組中的原動(dòng)機(jī)系統(tǒng),并網(wǎng)逆變器工作于經(jīng)典的電壓電流雙閉環(huán)控制模式,等效于常規(guī)發(fā)電機(jī)組中的RSG。Ub是儲(chǔ)能裝置的等效輸出電壓;Usk(k為a、b、c)是并網(wǎng)逆變器機(jī)端電壓,對(duì)應(yīng)SSG的勵(lì)磁電勢(shì);Ugk是電網(wǎng)側(cè)三相電壓;L、R分別是濾波電感和線(xiàn)路電阻;ik是并網(wǎng)逆變器輸出電流;udc是直流電容電壓。

1.1 DC/DC變換器控制策略

在SSG模型中,儲(chǔ)能裝置可以視作常規(guī)發(fā)電機(jī)組中的一次能源(水力、燃煤、核能),DC/DC變換器對(duì)應(yīng)于原動(dòng)機(jī)(水輪機(jī)或者汽輪機(jī)),并網(wǎng)逆變器對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)RSG,直流側(cè)電容對(duì)應(yīng)同步發(fā)電機(jī)RSG的轉(zhuǎn)子部分。因此,根據(jù)SSG模型的視角,圖1所示的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖2所示的簡(jiǎn)化模型。

圖2 并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)化圖

圖2中,定義并網(wǎng)逆變器的輸出電壓為Us;δ是并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角差。在忽略等效電阻的前提下,定義并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出阻抗與線(xiàn)路阻抗之和為X。本文使用電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[26],如圖3所示。

圖3 dq坐標(biāo)系下的矢量圖

將電壓、電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,Park變換矩陣定義為

Tabc/dq=

(1)

則并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的電磁功率和無(wú)功功率分別表示為

(2)

(3)

根據(jù)圖2、式(2)和式(3),可得并網(wǎng)逆變器輸出的電磁功率、無(wú)功功率分別為

(4)

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)可知,調(diào)節(jié)δ、Us、Ug和X都可以改變電磁功率Pe,而由于無(wú)功功率Q主要由電壓Us決定,接入電網(wǎng)的電壓Ug一般為定值,阻抗X為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),不方便改變,因此主要通過(guò)調(diào)節(jié)功角δ改變電磁功率Pe。并網(wǎng)逆變器輸出的電磁功率Pe和輸入功率Pin成正比關(guān)系,且在穩(wěn)態(tài)時(shí)近似相等。顯然,電網(wǎng)在額定角頻率ω0下運(yùn)行時(shí),功率Pin輸出為額定功率P0。由此可得經(jīng)典的頻率下垂特性曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 經(jīng)典頻率下垂特性曲線(xiàn)

圖4所示的頻率下垂控制可描述為

ω=ω0-Dp(Pin-P0)

(6)

式中:Dp為頻率下垂系數(shù)。因此,并網(wǎng)逆變器的輸入功率為

(7)

若儲(chǔ)能裝置的能量足夠充足,那么可參考電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻過(guò)程,利用DC/DC變換器的快速響應(yīng)特性,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的無(wú)差控制。根據(jù)式(7),在經(jīng)典的頻率控制環(huán)中加入積分控制器,即可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)靜差控制,如圖5所示。顯然,圖1中的DC/DC變換器使用圖5所示的頻率下垂控制之后,并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)從物理本質(zhì)上對(duì)應(yīng)了常規(guī)調(diào)頻機(jī)組的下垂控制特性和二次調(diào)頻特性。

在圖5所示的頻率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制策略中,電流內(nèi)環(huán)的帶寬一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頻率下垂外環(huán)。對(duì)于頻率下垂的外環(huán)控制過(guò)程而言,電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程在直流電壓時(shí)間尺度下可以忽略不計(jì),即

(8)

因此,考察直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí),根據(jù)式(8)和控制框圖5所示的控制策路,得

(9)

式中:Di為頻率控制環(huán)的積分系數(shù)。

1.2 并網(wǎng)逆變器控制策略

并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的DC/AC電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制來(lái)穩(wěn)定直流電容電壓,如圖6所示。

恒壓控制環(huán)的作用是輸出指令電流使直流電容電壓穩(wěn)定,電流控制環(huán)的作用是按恒壓控制環(huán)輸出的指令電流進(jìn)行快速跟蹤。并網(wǎng)逆變器的恒壓控制環(huán)采用PI控制,在控制策略中引入電壓負(fù)反饋,實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制。此外,可以根據(jù)不同控制目標(biāo)分別給出無(wú)功電流指令?？紤]到本文研究的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要提供有功功率支撐,因此可以令q軸電流指令為0。

同理,在直流電壓控制時(shí)間尺度下,圖6所示的控制過(guò)程可描述為

(10)

式中:Kp為恒壓控制環(huán)比例控制增益;Ki為恒壓控制環(huán)積分控制增益。

2 并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

文獻(xiàn)[22]的研究表明:并網(wǎng)逆變器與常規(guī)RSG具有等效的動(dòng)態(tài)模型、特征參數(shù)和能量傳遞過(guò)程,并據(jù)此得到了適用于并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的靜止同步發(fā)電機(jī)模型,即SSG模型。

根據(jù)SSG模型可知,并網(wǎng)逆變器直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過(guò)程可用下式描述

(11)

式中

(12)

仿照電力系統(tǒng)中經(jīng)典的電氣轉(zhuǎn)矩分析模型,式(11)可以改寫(xiě)成下述標(biāo)準(zhǔn)模型

(13)

式中:TJ為SSG的等效慣性系數(shù);TD為SSG的等效阻尼系數(shù);TS為SSG的等效同步系數(shù)。

上述3個(gè)參數(shù)分別表征了SSG的慣性水平、阻尼效應(yīng)和同步能力。

本文將基于SSG模型的逆變器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析方法推廣到了并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng),并對(duì)基于下垂控制模式的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。

首先,根據(jù)圖2、圖3可知

(14)

在直流電壓時(shí)間尺度下,根據(jù)式(10)、式(14),可得

(15)

圖5 改進(jìn)型頻率下垂控制框圖

圖6 并網(wǎng)逆變器恒壓控制框圖

對(duì)于小干擾穩(wěn)定性分析而言,一般僅考慮變量之間的增量關(guān)系。因此,將式(15)線(xiàn)性化后,可得

sKΔδ=(sKp+Ki)Δudc

(16)

根據(jù)圖1可知,DC/DC變換器輸出功率的增量關(guān)系為

ΔPin=UbΔIb

(17)

將式(4)線(xiàn)性化之后,與式(16)、式(17)共同代入式(11),可得

(18)

將式(18)重新整理為式(13)所示的標(biāo)準(zhǔn)模型,即可得下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的SSG模型

(19)

根據(jù)式(19),可得到下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的Phillips-Heffron模型,其結(jié)構(gòu)與RSG完全一致,如圖7所示。

圖7 改進(jìn)型頻率下垂控制的Phillips-Heffron模型

由此可知,基于下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流電壓時(shí)間尺度上的運(yùn)行機(jī)理與常規(guī)旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)RSG在機(jī)電時(shí)間尺度上的運(yùn)行機(jī)理非常相似,均具有慣量效應(yīng)、阻尼能力以及同步特性,且并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性系數(shù)TJ、阻尼系數(shù)TD、同步系數(shù)TS分別為

(20)

由式(20)可知,下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng),其慣量效應(yīng)、阻尼能力以及同步特性由結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)以及穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)同時(shí)決定。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直流側(cè)電容C、電網(wǎng)等效電感X、儲(chǔ)能裝置內(nèi)電勢(shì)Ub以及接入電網(wǎng)電壓Ug等;控制參數(shù)包括DC/DC變換器頻率控制環(huán)、DC/AC變換器電壓控制環(huán)的控制參數(shù);穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)包括穩(wěn)態(tài)功角δ0、穩(wěn)態(tài)直流側(cè)電容電壓Udc、逆變器等效內(nèi)電勢(shì)US等。

從目前最受關(guān)注的慣量、阻尼特性在線(xiàn)控制的角度來(lái)看,調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制參數(shù)顯然是最容易實(shí)施的慣量、阻尼特性控制方法。由式(20)可知:Dp和Kp即可等效調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性效應(yīng),同時(shí)調(diào)節(jié)直流側(cè)電容及其額定電壓都可以等效調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性系數(shù)。例如,當(dāng)增大直流側(cè)電容時(shí),系統(tǒng)增大了對(duì)外來(lái)干擾的緩沖作用,提高了系統(tǒng)的慣性水平。調(diào)節(jié)頻率控制環(huán)和電壓控制環(huán)中的PI控制器都可等效調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。綜上所述,通過(guò)頻率控制環(huán)和電壓控制環(huán)PI參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),即可等效改變系統(tǒng)的慣性效應(yīng)和阻尼特性。

此外,由式(20)還可得到下述結(jié)論:若Dp、Di、Kp和Ki同時(shí)為正數(shù),則TJ、TD、TS也將同時(shí)為正數(shù),即儲(chǔ)能系統(tǒng)必然具有一定的慣性效應(yīng)和阻尼水平,因此儲(chǔ)能系統(tǒng)自身是小干擾穩(wěn)定的,對(duì)應(yīng)閉環(huán)控制論中的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。顯然,頻率控制環(huán)節(jié)和電壓控制環(huán)節(jié)的PI控制器是儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性效應(yīng)與阻尼效應(yīng)的主要來(lái)源,同時(shí)慣性與阻尼效應(yīng)受到多個(gè)等效參數(shù)共同影響。需要特別說(shuō)明的是,式(20)表明并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣量系數(shù)包括了和控制參數(shù)完全無(wú)關(guān)的組成成分,且該部分僅由系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)決定。由此說(shuō)明,并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)天然地自帶慣性效應(yīng),“儲(chǔ)能系統(tǒng)自身不具備慣量效應(yīng)”這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。

3 仿真驗(yàn)證

本文基于MATLAB/Simulink仿真軟件來(lái)證明下垂控制模式下的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)模擬慣性效應(yīng)、阻尼水平和同步能力的有效性。仿真電路的拓?fù)淙鐖D1所示,主電路參數(shù)如表1所示,且電網(wǎng)在0.3 s時(shí)產(chǎn)生了10 Hz的頻率變化擾動(dòng),使系統(tǒng)經(jīng)歷了一次擾動(dòng)調(diào)整過(guò)程。

表1 并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要電路參數(shù)

3.1 阻尼特性驗(yàn)證

由式(20)可知,阻尼特性受到頻率控制環(huán)和恒壓控制環(huán)的PI控制器影響。在仿真實(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)Di時(shí),并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)阻尼特性的影響規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖8 Di對(duì)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律

仿真結(jié)果表明:隨著Di的增加,直流側(cè)電容電壓udc的振蕩幅度增大,振蕩衰減變慢,即阻尼作用越來(lái)越弱,雖然結(jié)果中摻雜有同步系數(shù)變化的影響,但依然可以看到,Di越小并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)udc振蕩的阻尼能力就越強(qiáng),與式(20)得出的結(jié)論一致。由于調(diào)節(jié)Dp、Kp、Ki都可等效調(diào)節(jié)阻尼特性,同調(diào)節(jié)Di結(jié)果一致,所以不再贅述。

3.2 慣性特性驗(yàn)證

根據(jù)式(20)可知,系統(tǒng)的慣性系數(shù)受到Dp和Kp影響。Dp變化對(duì)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)抵御外界擾動(dòng)的能力如圖9所示。

圖9 Dp對(duì)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律

仿真結(jié)果表明:隨著Dp的減小,udc振蕩的幅度也減小了,并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的抵御能力(即慣性能力)增強(qiáng),雖然有阻尼效應(yīng)不同的干擾,但是仍然可以觀察到,Dp越小并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)抵御外部擾動(dòng)的能力就越強(qiáng),與式(20)得出的結(jié)論一致。較高的慣性水平有利于系統(tǒng)直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,避免在外部隨機(jī)擾動(dòng)作用下出現(xiàn)直流側(cè)電容電壓波動(dòng)過(guò)大,引起頻率振蕩。

在仿真實(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)Kp時(shí),并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)抵御外界擾動(dòng)的能力影響規(guī)律如圖10所示。

仿真結(jié)果表明:隨著Kp的增大,振蕩回歸平衡時(shí)間變短,udc振蕩的幅度減小,并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的抵御能力增強(qiáng)。仿真結(jié)果同時(shí)表明,Kp越大,udc的阻尼水平越大。由此可知,Dp不僅影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性效應(yīng),也影響其阻尼水平。綜上所述,當(dāng)Kp值越大時(shí),并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性水平和阻尼能力就越強(qiáng),與式(20)得出的結(jié)論一致。這表明Dp和Kp都可以等效調(diào)節(jié)慣性系數(shù)。

3.3 同步特性驗(yàn)證

由式(20)可知,調(diào)節(jié)Di和Ki,即可等效調(diào)節(jié)同步系數(shù)。Ki變化對(duì)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)同步水平的影響規(guī)律如圖11所示。

圖11 Ki對(duì)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律

仿真結(jié)果表明:隨著Ki的增大,振蕩回歸平衡時(shí)間變短,并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的同步能力增強(qiáng),雖然有阻尼能力不同的干擾,但是仍然可以觀察到,Ki增大并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)同步能力就越強(qiáng),udc越能快速地恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值,與式(20)得出的結(jié)論一致。圖11顯示,無(wú)論Ki怎么變化,udc的慣性效應(yīng)幾乎不變。由此可知,Ki幾乎不影響系統(tǒng)的慣性效應(yīng),與式(20)得出的結(jié)論一致。調(diào)節(jié)Di和Ki,即可等效調(diào)節(jié)同步系數(shù),結(jié)果與調(diào)節(jié)Ki一致。

綜上所述,在不同的Dp、Di、Kp和Ki參數(shù)組合下,雖然udc的動(dòng)態(tài)特性不一致,但最終均能穩(wěn)定在設(shè)定值(750 V)附近,且偏差小于0.3%。主要原因是,下垂控制環(huán)節(jié)和恒壓控制環(huán)節(jié)的PI控制器為并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了正的阻尼作用、正向的慣性效應(yīng)和同步能力,因此并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)能保持小干擾穩(wěn)定。

3.4 仿真驗(yàn)證

(a)有下垂控制

(b)無(wú)下垂控制

本文使用MATLAB/Simulink軟件對(duì)下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)建模,導(dǎo)入基于RT-LAB的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,向電網(wǎng)輸出的功率為11 kW,隨后電網(wǎng)產(chǎn)生一個(gè)50°的角變化。圖12和圖13為并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)有下垂控制時(shí)和無(wú)下垂控制時(shí)的直流側(cè)電容電壓和有功功率對(duì)比。顯然,有下垂控制時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的udc可以在發(fā)生擾動(dòng)后快速地到達(dá)平衡點(diǎn)(750 V),振蕩衰減速度也明顯快于無(wú)下垂控制時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。無(wú)下垂控制時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率在擾動(dòng)后振蕩衰減較慢,見(jiàn)圖13b,有下垂控制時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)可以較為快速地達(dá)到新的平衡點(diǎn),見(jiàn)圖13a。

(a)有下垂控制

(b)無(wú)下垂控制

圖14 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形

圖15 系統(tǒng)在功角變化擾動(dòng)時(shí)的頻率波形

圖14表示下垂控制的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形。圖15給出了下垂控制的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在功角變化擾動(dòng)時(shí)的頻率變化。不難發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)能系統(tǒng)在一個(gè)較大的功角變化后,頻率可在兩個(gè)周期內(nèi)達(dá)到平衡點(diǎn)。結(jié)果表明:在參數(shù)設(shè)計(jì)合理的前提下,直流母線(xiàn)電壓udc在擾動(dòng)過(guò)后可以快速地穩(wěn)定在設(shè)定值(750 V);并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出也可以快速地穩(wěn)定在新的穩(wěn)定點(diǎn)上。綜上所述,下垂控制模式可以使并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)快速地到達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)。

4 結(jié) 論

增強(qiáng)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性效應(yīng)、阻尼水平及同步能力,有利于提高新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。本文通過(guò)構(gòu)建并網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流電壓時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)模型,利用SSG模型分析了影響并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性效應(yīng)和阻尼水平的內(nèi)在機(jī)制、主要參數(shù)及其影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:下垂控制模式的并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣量效應(yīng)、阻尼能力以及同步特性由結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)以及穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)同時(shí)決定,且并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性和阻尼效應(yīng)的主要來(lái)源是頻率控制環(huán)節(jié)和電壓控制環(huán)節(jié)。顯然,改變頻率控制和電壓控制中的相關(guān)參數(shù)就能等效地在線(xiàn)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性、阻尼以及同步效應(yīng)。此外,本文儲(chǔ)能系統(tǒng)中的DC/DC變換器與常規(guī)RSG發(fā)電系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)性,DC/DC變換器中的頻率下垂控制使得并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)具備了常規(guī)RSG發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力。