小容量離網型局域網多源協調控制策略研究

嚴 雄, 王 勃，譚琳琳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

遠離大電網覆蓋的島嶼、邊塞、山區(qū)、或既有供電系統(tǒng)薄弱地區(qū)，由于一次能源運費高昂、環(huán)境友好性差，主網延伸投資運維成本高、經濟效益低等原因，其生產生活用能一直是困擾各級政府，制約民生經濟發(fā)展的重大問題。如何因地制宜的利用當地優(yōu)越的自然資源條件，經濟、安全、高效地使用清潔能源，是國家和政府能源工作指導的方向，也是新能源工作者不倦追求的目標。離網型局域網可以有效解決上述問題，在實際應用過程中，與多電力電子器件系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性有關的多源協調控制策略是目前此類項目關注的重點，基于發(fā)電系統(tǒng)總容量、供電電壓等級、儲能逆變單元單機最大容量及源-網-荷-儲組網架構四大要素，通常將新能源裝機容量小于1 MW、儲能逆變單元采用單機且功率不大于0.5 MW、采用400 V電壓直接供電、部分新能源發(fā)電單元與儲能系統(tǒng)在直流側匯集的離網型局域網歸為小容量局域網，本文將對小容量離網型局域網多源協調控制策略進行研究，旨在提出一套適用于直流母線組網方案的小容量離網型局域網的多源協調控制策略，為離網型局域網工程的系統(tǒng)控制方式設計提供借鑒。

1 離網型局域網構成及特點

離網型局域網是以風、光等新能型源融合儲能、配電網的方式，為島嶼、邊塞、山區(qū)等弱電網地區(qū)提供電力服務的獨立電力系統(tǒng)。局域網系統(tǒng)中儲能載體一般受項目建設周期、場地面積、技術成熟度、運維難易、安全性與經濟性等諸多因數制約，目前以電化學儲能方式中的磷酸鐵鋰電池為主。離網型局域網靠電化學儲能保證系統(tǒng)正常工作電壓和頻率，由于運行方式多變，且沒有大電網作支撐，該系統(tǒng)會缺乏一定的轉動慣量，頻率與電壓易失去穩(wěn)定性。

2 離網型局域網系統(tǒng)接線型式

根據儲能系統(tǒng)接入新能源發(fā)電系統(tǒng)時的出口電壓類型，一般將離網型局域網系統(tǒng)接線型式分為直流母線及交流母線兩種方案，典型接線如圖1、2所示。

圖1 直流母線典型接線方案

容量較小的局域網一般采用直流母線方案，交流側輸出電壓等級為400 V，光伏發(fā)電和儲能電池均通過相應的電力電子功率變換器接入直流母線，直流部分采用統(tǒng)一的DC/AC變流器(系統(tǒng)變流器)接入交流母線，聯合風力發(fā)電、柴油發(fā)電機一起為負載供電。交流母線方案中風力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能電池均通過對應的逆變升壓設備接入交流10 kV或35 kV母線。直流母線方案中的儲能DC/DC變流器及交流母線方案中的儲能逆變設備(PCS)均為雙向元件。儲能在上述兩種方案中的作用為：在系統(tǒng)中為其它發(fā)電設備提供參考電壓、維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，平滑風光發(fā)電設備出力，削峰填谷、存儲電量。

圖2 交流母線典型接線方案

交、直流母線方案各有優(yōu)缺點，直流母線方案系統(tǒng)轉化效率更高、能量損耗更小、成本相對低，控制對象僅為電壓幅值，控制環(huán)節(jié)簡單易實現，但直流系統(tǒng)保護方案需進一步研究；交流母線方案中PCS容量相對較大，可通過控制策略及依靠先進的通信手段，使PCS群分別在一次、二次調頻過程中具有良好的“協調一致”性，從而實現多機并聯，PCS群具備“寬范圍負載”適應性，抗沖擊性及穩(wěn)定性能更好，交流系統(tǒng)保護技術和設備也相對成熟。

3 直流母線匯流方案控制策略

離網型局域網為交流負載供電時，控制核心為交流側母線電壓與頻率，解決方案是利用系統(tǒng)DC/AC變流器將交流負載與直流母線完全解耦，系統(tǒng)頻率由DC/AC變流器設定，交流電壓靠直流母線電壓及DC/AC變流器的穩(wěn)定控制實現。

3.1 直流側母線電壓控制

3.1.1工作模式

光伏及儲能系統(tǒng)接入直流母線，光伏DC/DC變流器采用MPPT尋優(yōu)+限壓控制模式，在母線電壓正常范圍內，光伏DC/DC變流器尋找光伏組件最大功率點，并輸出到直流母線。儲能DC/DC變流器按設置的電壓控制點及控制策略，自動平衡光伏DC/DC變流器和DC/AC系統(tǒng)變流器的功率，穩(wěn)定直流母線電壓。光伏DC/DC變流器與儲能DC/DC變流器之間不需要通信連接。

3.1.2控制策略

(1) 儲能DC/DC變流器

小容量離網型系統(tǒng)供電電壓通常為400 V，供電范圍較小，傳輸線路參數中感抗與電阻接近或遠小于電阻，整個離網型系統(tǒng)主要呈現阻性，相較于常規(guī)電力系統(tǒng)P與f耦合性較強的特性，小容量離網型系統(tǒng)P與V的耦合性則更強[1-2]。因此，在小容量離網型局域網中，儲能DC/DC變流器一般采用P/V下垂控制策略[3]，以實現無互聯通信情況下多單元并聯運行時的功率主動分配。儲能DC/DC變流器拓撲結構及P/V控制框圖分別如圖3所示。

圖3 儲能DC/DC變流器拓撲結構

定義Pdc為變流器實際出力，k為下垂曲線斜率，Udc-set為直流母線額定電壓值，Udc-reg為DC/DC變流器電壓調節(jié)目標，Ufeed為變流器出口電壓，α為占空比，儲能DC/DC變流器的控制分為電壓下垂控制與PI控制兩個環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 儲能DC/DC逆變器 P/V下垂控制框

直流母線電壓P/V下垂計算公式為Udc-reg=Udc-set-k×Pdc，下垂曲線斜率k一般按變流器單位功率變化引起的直流額定電壓波動進行選取，需根據實際情況進行更改。

(2) 光伏DC/DC變流器

光伏DC/DC變流器采用MPPT+限壓控制模式，在母線電壓設定值范圍內，通過比較當前時刻光伏功率Pk與前一控制周期的光伏功率Pk-1大小，對功率元件占空比進行自動調節(jié)，使光伏出力穩(wěn)定在最大功率點處，實現光伏的最大效率利用，光伏DC/DC變流器及控制框圖分別如圖5、6所示。

圖5 光伏DC/DC變流器拓撲結構

圖6 光伏DC/DC變流器控制框

當儲能電池SOC接近某一上限定值時，且光伏出力大于負載容量時，光伏DC/DC變流器退出MPPT控制模式，限功率運行。對于小容量局域網系統(tǒng)，光伏限功率策略一般與MPPT策略結合后固化在光伏DC/DC變流器中。

3.2 交流側電壓及頻率控制

3.2.1V/f控制拓撲結構

離網型局域網運行時，系統(tǒng)DC/AC變流器通常采用V/f控制方式，為局域網提供穩(wěn)定的電壓與頻率，DC/AC變流器控制拓撲結構圖如下圖7所示[4-6]。其中uf(a,b,c)為負荷側電壓，u(a,b,c)為變流器橋臂輸出電壓，if(a,b,c)為變流器橋臂輸出電流，ii(a,b,c)為三相電容電流，if(a,b,c)為負荷側電流，Cdc為直流側電容，L、C為濾波電感與電容，id(q).ref與ud(q).ref分別為dq軸參考電流與參考電壓，fset與Uset分別為電壓的目標頻率與幅值。

3.2.2控制數學模型

由自控控制原理可知，PI控制器可以實現直流量的無靜差調節(jié)。由圖7可列出逆變器三相電路在三相靜止坐標系(3s)下的狀態(tài)方程，經等幅值Clarke與Park變換后，得出兩相旋轉坐標系(2r)下的方程如公式(1)所示，進一步變換后如公式(2)所示。

從公式(2)可知，dq軸之間存在交叉耦合量，引入逆變器dq軸電流環(huán)的輸出、輸入參量可對其進行解耦。當采用PI控制時，電流環(huán)輸出、輸入控制方程如公式(3)所示[4,7]。

式中：Kip、Kii為電流內環(huán)PI調節(jié)器的比例和積分系數；Kup、Kui為電壓外環(huán) 調節(jié)器的比例和積分系數。

3.2.3雙環(huán)控制結構框圖

V/f控制方式一般采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制[6,8]，電流內環(huán)的控制目標為變流器橋臂輸出電壓u(a,b,c)，控制所需的電流參考值由電壓外環(huán)決定，而電壓外環(huán)的輸入值則包括電壓參考值與實際電壓值。從整體控制架構來講，V/f控制方式就是用負荷側實際電壓uf(a,b,c)去控制變流器橋臂輸出電壓u(a,b,c)，而使u(a,b,c)達到電壓目標電壓值。結合公式(3)可得到V/f電壓電流雙環(huán)控制器結構框圖，如圖8所示。

圖7 DC/AC逆變器V/f控制拓撲結構

圖8 雙環(huán)控制器結構框

從圖7可知，V/f電流電壓雙環(huán)控制的目標幅值與頻率均可設定；電壓控制外環(huán)負責為整個離網型電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電壓，實現對電壓和頻率的恒定控制；電流控制內環(huán)采用逆變器橋臂的輸出電流及電壓外環(huán)輸出控制，從而可以抵御負荷擾動帶來的影響，提高系統(tǒng)動態(tài)性能，且具有較好的跟蹤性。

4 工程應用

新疆某新型能源局域網項目位于新疆南部喀什地區(qū)，該供電系統(tǒng)是由400kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、250kW/1MWh儲能系統(tǒng)、4×20kW風力發(fā)電系統(tǒng)、2×100kW柴油發(fā)電機及交流負載構成，交流負載最大功率為200kW。光伏與儲能系統(tǒng)在直流側匯流，交流側電壓等級為400V，電氣主接線如圖9所示。儲能125kWDC/DC變流器和250kWDC/AC系統(tǒng)變流器均為雙向元件，儲能變流器高壓側滿載工作電壓范圍為570～850V，系統(tǒng)變流器交流側額定電壓為380V，變壓器主要作用是隔離與濾波。

圖9 某新型能源局域網項目電氣主接線

柴油發(fā)電機為風光儲系統(tǒng)退出工作時的緊急備用電源。風機功率較小，平常處于自由發(fā)電狀態(tài)。局域網運行過程中，當光伏、風機出力之和較大時，二者通過直流母線給負載供電，同時給電池充電；當光伏、風機出力下降，無法滿足負載的功率要求時，DC/DC變流器釋放電池能量，補充光伏、風機出力與負載的能量差；在夜晚或者光照極弱狀態(tài)下，風機出力與負載的功率差由儲能系統(tǒng)通過DC/DC變流器提供。

實際運行過程中，儲能DC/DC變流器、光伏DC/DC變流器、DC/AC系統(tǒng)變流器采用3.1節(jié)、3.2節(jié)所述的控制策略。當負載為156.4kW，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的電壓、電流波形如圖10所示。三相電壓波形成正弦交變狀態(tài),頻率為50Hz,相電壓最大值227V,電能質量滿足規(guī)范要求。

圖10 系統(tǒng)電壓和電流波形

系統(tǒng)對負荷突變的響應能力及抗沖擊性能也非常突出，圖11為負載由132kW突變至254kW時，系統(tǒng)三相電壓、電流、有功、無功的波形變化。從圖11中可以看出，DC/AC系統(tǒng)變流器有功及無功輸出功率在3.5個周波內趨于穩(wěn)定，達到254kW的需求值，且超過DC/AC變流器的額定輸出功率；負荷變化前后，三相電壓幅值均滿足電能質量要求，變化幅度分別僅為0.67%、0.77%、1.3%。說明在控制策略合適與負載變化一定的前提下，電力電子器件構成的離網型局域網其響應速度與穩(wěn)定性不弱于常規(guī)電力系統(tǒng)，甚至更好。

圖11 負荷突變情況下的電力參數波形

5 結 論

(1) 離網型局域網系統(tǒng)呈電阻性特性，系統(tǒng)功率與電壓耦合性更強。

(2) 利用直流側母線匯流方案時，交流側采用V/f控制策略，負載容量的變化，會導致直流母線電壓相應波動，只需要采用P/V控制策略穩(wěn)定直流母線電壓即可；相較于交流母線匯流方案，可不用考慮無功、頻率等因數，控制策略相對簡單，有利于負載容量小、運維技術缺乏的離網型局域網系統(tǒng)的組網。

(3) 離網型局域網系統(tǒng)內電力電子設備多，過電流倍數較低，系統(tǒng)自身無慣性、易失穩(wěn)，為提高局域網的抗沖擊性能，建議系統(tǒng)DC/AC變流器的容量應基于考慮電機啟動電流、變壓器勵磁涌流后的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結果確定，可采取適當加大變流器容量，改變電機啟動方式、限制變壓器勵磁涌流的方式提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。