基于改進下垂控制的儲能提升孤島微網(wǎng)頻率暫態(tài)穩(wěn)定性的研究

李衛(wèi)國，劉新宇，劉宏偉，楊智茗

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.松花江水利發(fā)電有限責任公司，吉林 南山 134500)

近年來，風機、光伏等分布式能源的比重越來越大[1-3]，在其接入以同步發(fā)電機為主的交流微電網(wǎng)或島嶼電網(wǎng)后，由于小型同步發(fā)電機的慣性較低，新能源發(fā)電的波動與負荷的擾動對頻率穩(wěn)定產(chǎn)生了一定威脅且頻繁的頻率變化也增加了同步機的調頻負擔.

為了解決包含同步發(fā)電機為主要調頻單元的交流微電網(wǎng)系統(tǒng)內的頻率調節(jié)及頻率穩(wěn)定，現(xiàn)有許多研究均是利用儲能系統(tǒng)作為輔助單元，發(fā)揮其精準控制及快速響應的優(yōu)勢，研究表明，持續(xù)充/放電時間為15 min的電池儲能，其調頻效率約為水電機組的1.4倍，燃氣機組的2.2倍，燃煤機組的24倍，使其在調頻領域的應用潛力巨大.儲能系統(tǒng)一般以集中式或分布式的方法參與系統(tǒng)內的頻率調節(jié)，關于儲能系統(tǒng)輔助調頻的集中式方法主要關注的是儲能系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結果，更多的是為了減輕一部分同步機的穩(wěn)態(tài)功率負擔[4].輔助調頻的一大特征便是利用通信手段分擔同步電機的穩(wěn)態(tài)功率，文獻[5]利用通信獲得電力系統(tǒng)頻率和發(fā)電機節(jié)點功率信息，計算系統(tǒng)頻率偏差和系統(tǒng)有功不平衡指標，并根據(jù)所設計的模糊邏輯策略得到儲能的功率指令，調整儲能出力參與調頻.文獻[6]中提出利用儲能同時用于減小棄風與參與電網(wǎng)二次調頻的策略，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本質也是從穩(wěn)態(tài)功率出發(fā)調整儲能出力.文獻[7]設計了一種PWMFC等效儲能裝置并提出考慮蓄電池SOC改進下垂控制策略用于微電網(wǎng)的一次調頻.文獻[8]從提升區(qū)域電網(wǎng)所能承受的負荷擾動最大值出發(fā)，提出一種考慮儲能電池SOC因素的調頻自適應控制策略.在上述的儲能輔助調頻中，均是從穩(wěn)態(tài)層面考慮利用儲能分擔同步機或其他主電源的功率負擔(即穩(wěn)態(tài)功率分配)，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，但是穩(wěn)態(tài)功率的分配無法很好的兼顧在儲能暫態(tài)過程中對系統(tǒng)動態(tài)性能的改善，且由于目前多數(shù)輔助調頻方法均需要高速通信[9]，通信的故障將大大影響儲能系統(tǒng)參與調頻的特性，所以從暫態(tài)的動態(tài)性能而言，儲能的控制方法采用就地的手段更為合理，本文也是著重討論儲能系統(tǒng)就地控制的方法，也即分布式控制方法[10-12].

在小型交流系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的分布式控制方法目前主要可分別兩類.第一類是下垂控制[13-14]，下垂控制也可單獨帶載運行，無需同步發(fā)電機，所以當工作在下垂控制的儲能系統(tǒng)與同步發(fā)電機并聯(lián)運行時，即使發(fā)電機故障退出運行，儲能系統(tǒng)也能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，但傳統(tǒng)的下垂控制只有在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時才能實現(xiàn)功率按比例分配的效果[15]，且在正常運行時，下垂控制的儲能系統(tǒng)可控參數(shù)僅有下垂系數(shù)，所以對系統(tǒng)的暫態(tài)調頻效果也是有限的；第二類是虛擬同步機(VSG)控制[16-20]，此類控制具備可調節(jié)的慣性系數(shù)與阻尼系數(shù)，但其本質仍是下垂控制的一種，相當于在下垂控制中增加了一個低通濾波環(huán)節(jié)，暫態(tài)功率的輸出大小仍然是受限的，暫態(tài)的調頻效果也欠佳.如何使儲能系統(tǒng)在暫態(tài)過程中更好地發(fā)揮作用參與調頻，使暫態(tài)調頻效果可控，便是本文的一個目標.

受現(xiàn)有思路的啟發(fā)，本文在常規(guī)下垂控制中增加了一個積分器，該積分器可使儲能系統(tǒng)的暫態(tài)功率輸出可控，進而更好的參與同步發(fā)電機的調頻，實現(xiàn)暫態(tài)的輔助調頻.在本文控制方法下的儲能，相比常規(guī)的下垂控制多出一個可調的靈活度，即積分參數(shù)，所以在調節(jié)時也能達到更好的調頻效果，且在該控制方法下，儲能也能接受上層的調度指令，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的經(jīng)濟運行，又不失暫態(tài)的輔助調頻效果；同時積分器加入限幅環(huán)節(jié)，當同步發(fā)電機故障時能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)的支撐，維持頻率與電壓的穩(wěn)定運行.

1 系統(tǒng)結構與同步機控制

本文所研究的系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)中同步發(fā)電機作為系統(tǒng)內的主要電源，額定的線電壓為380 V，額定頻率為50 Hz，該同步發(fā)電機為可進行頻率恢復的機組，風機或光伏發(fā)電可通過DC-AC或AC-AC接入交流母線，本文中不考慮他們的調頻作用，可將他們等效為系統(tǒng)內存在的恒功率源，同時由新能源發(fā)電輸出功率變化帶來的頻率波動體現(xiàn)在交流母線上的功率流動在暫態(tài)過程中可以等效為負荷擾動，這樣可以將問題簡化，方便下文進行仿真分析驗證.文中選取的儲能裝置為蓄電池(可多個配置)，相較于其他儲能裝置，蓄電池應用靈活，響應速度快，并且不受地理條件限制，具有更快速的功率支撐效果，通過DC-AC接入到交流系統(tǒng).系統(tǒng)內的功率擾動或新能源的功率波動可能使系統(tǒng)頻率跌落或上升，由于同步發(fā)電機的動態(tài)特性是根據(jù)自身的機械特性決定的，所以當系統(tǒng)對頻率動態(tài)性能提出一定的要求時，僅依靠同步發(fā)電機是不能完成的，而電力電子化的儲能系統(tǒng)作為本文的研究重點，可控性較強，可通過適當?shù)目刂品绞絹硗瓿上到y(tǒng)的需求.在本文中期望它的主要作用是提高頻率的穩(wěn)定性，當發(fā)生功率擾動時降低頻率的變化速率及跌落大小，同時作為能量型儲能的蓄電池來說可作為系統(tǒng)內的備用電源，防止當同步機組故障時，系統(tǒng)內無維持交流母線頻率的單元而造成系統(tǒng)崩潰.常規(guī)狀態(tài)下能降低頻率跌落與頻率變化速度，故障狀態(tài)下能維持系統(tǒng)的頻率，這兩個主要功能的兼?zhèn)浔闶潜疚牡闹饕紤]的問題.

圖1 系統(tǒng)結構框圖

同步發(fā)電機的控制框圖如圖2所示，圖中Rd為一次調頻的下垂系數(shù)，TG、FHP、TRH、TCH與TRH為調速器與原動機內的時間系數(shù).H與D為同步發(fā)電機的慣量與阻尼系數(shù).

圖2 同步發(fā)電機控制框圖

根據(jù)圖2可以推導出同步發(fā)電機控制的數(shù)學表示式為

(1)

公式中：kp，sg與ki，sg為同步發(fā)電機頻率恢復的比例系數(shù)與積分系數(shù).

2 改進下垂儲能控制方法

2.1 儲能控制方法

本文中儲能的作用主要是提升頻率的穩(wěn)定性，降低頻率跌落與變化速率，然后還考慮了同步發(fā)電機故障下對交流系統(tǒng)的支撐.基于以上考慮，本文在常規(guī)下垂控制方法下加入帶限幅器的積分環(huán)節(jié)，其拓撲結構與控制框圖如圖3所示.圖3中，uabc表示三相相電壓，iabc表示三相相電流，Pb，pu與Qb，pu表示儲能系統(tǒng)流出的實際有功與無功功率標幺值，Pref，b與Qref，b表示有功與無功的設定值，kp，b與ki，b表示儲能系統(tǒng)功率環(huán)PI控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)，ωset，b與Vset，b表示頻率與交流電壓的設定值，ω0與V0表示基準的角速度與交流電壓.

圖3 儲能系統(tǒng)控制框圖

儲能系統(tǒng)在上述控制下，相比常規(guī)的下垂控制，積分器可以調節(jié)儲能系統(tǒng)在動態(tài)過程中調節(jié)功率響應的時間與大小，功率動態(tài)的變化必將對頻率動態(tài)產(chǎn)生影響，這將在下文的理論分析中予以說明；并且環(huán)節(jié)的一個重要作用是它可以保證儲能系統(tǒng)在動態(tài)過程后能夠回到功率參考值.如果同步發(fā)電機發(fā)生故障致使發(fā)電機退出運行，此時系統(tǒng)內要保證有頻率調節(jié)的單元，而儲能系統(tǒng)的積分環(huán)節(jié)加入限幅器則可保證當頻率跌落或上升到一定大小，積分環(huán)節(jié)進入限幅，整個PI環(huán)節(jié)將可等效成為一個固定的下垂系數(shù)，使儲能系統(tǒng)能夠工作在下垂控制特性下，保證系統(tǒng)內的頻率的穩(wěn)定，防止系統(tǒng)崩潰.

2.2 系統(tǒng)數(shù)學模型

根據(jù)圖3可知，儲能系統(tǒng)的頻率與電壓的表達式為

(2)

公式中：kqp，b、kqi，b為無功功率PI控制環(huán)的比例系數(shù)與積分系數(shù)；ωref，b、Vref，b為儲能系統(tǒng)控制的頻率參考與電壓參考標幺值.上式中可以看出，在系統(tǒng)正常運行下，加入積分環(huán)節(jié)的下垂控制能夠在系統(tǒng)動態(tài)過程結束后將將儲能系統(tǒng)的有功功率維持在參考值.

由于常規(guī)運行下頻率控制由同步發(fā)電機完成，儲能系統(tǒng)的頻率必將與交流系統(tǒng)一致，在實際的動態(tài)過程中，二者的功率變化由動態(tài)下的功角差決定，二者之間的矢量圖如圖4所示.

圖4 統(tǒng)矢量關系圖

Vb與Vac分別為儲能變流器出口的相電壓幅值與交流母線的相電壓幅值，如圖4所示.由于交流電壓內部控制較快，在獲得變流器出口電壓時，可近似將無功控制環(huán)路得到的交流電壓Vb作為變流器出口電壓.θb與θac分別為儲能變流器出口與交流母線相電壓矢量與三相靜止坐標系的夾角，根據(jù)功率計算可知，儲能變流器與交流母線之間的功率大小為

(3)

公式中：Xl為儲能變流器出口到交流母線之間的線路電抗；PN為系統(tǒng)的基準功率；Pb，pu為儲能有功功率標幺值.根據(jù)公式(3)可得功率在穩(wěn)定點的線性化模型為

(4)

公式中：“Δ”表示變化量，Vb，s、Vac，s、θb，s與θac，s均表示相應物理量線性點的穩(wěn)態(tài)值.由圖3可推導出Δθb的關系式為

(5)

同時母線的Δθac滿足：

(6)

結合公式(4)～公式(6)則可推導出儲能有功功率與頻率動態(tài)之間的關系為

(7)

由于儲能系統(tǒng)有功功率的注入，此時同步發(fā)電機的頻率特性將變?yōu)閳D5所示.

圖5 加入儲能系統(tǒng)后的頻率動態(tài)

再將公式(7)與公式(1)式整合，則可獲得系統(tǒng)內頻率動態(tài)與儲能系統(tǒng)有功功率的動態(tài)方程為

(8)

通過分析該傳遞函數(shù)中儲能變流器的參數(shù)變化對頻率動態(tài)及其自身功率的影響，則可對參數(shù)的選擇進行指導.

3 儲能控制參數(shù)的分析

3.1 數(shù)學模型有效性驗證

本文系統(tǒng)中的同步發(fā)電機以及儲能的主要參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)參數(shù)

將上述參數(shù)代入公式(8)后，可以看出小信號數(shù)學模型與系統(tǒng)仿真模型的比對結果如圖6所示.

圖6 數(shù)學模型的對比驗證

在t=70 s處投入了0.2 MW的有功功率負荷，如圖6所示.從圖6的結果中可以看出，小信號數(shù)學模型與系統(tǒng)仿真結果基本吻合，驗證了數(shù)學模型的正確性，也保證了后續(xù)參數(shù)分析的準確性.

3.2 儲能參數(shù)分析

(1)儲能參數(shù)對頻率動態(tài)的影響

儲能控制的比例與積分系數(shù)變化時對頻率階躍響應動態(tài)的影響如圖7所示，其中圖7(a)為kp，b=0.05時，不同ki，b時的頻率動態(tài)，圖7(b)為ki，b=0.001時，不同kp，b下的頻率動態(tài).

圖7 儲能控制參數(shù)對頻率動態(tài)的影響

圖8 儲能控制參數(shù)對自身功率動態(tài)的影響

從圖7(a)中可以看出，儲能控制中的ki，b參數(shù)越大，頻率跌落的幅值越大，這說明減小ki，b可降低頻率的跌落，利于頻率的穩(wěn)定，但是從圖中也可看出，ki，b的增大會縮短頻率的恢復時間，所以在降低頻率跌落與動態(tài)調節(jié)時間上要綜合考慮，ki，b參數(shù)不宜過大.圖7(b)表明了當kp，b變大時，頻率跌落的幅值也越來越大，說明kp，b的增加不利于降低頻率跌落，所以在選擇kp，b時應選擇較小值.

(2)儲能參數(shù)對儲能有功功率的影響

儲能控制參數(shù)對自身有功功率的影響如圖8所示.其中圖8(a)為kp，b=0.05時，不同ki，b時的有功功率動態(tài)，圖8(b)為ki，b=0.001時，不同kp，b下的有功功率動態(tài).

通過圖8(a)可以看出，當kp，b一定時ki，b參數(shù)的增大會降低儲能功率響應的幅值，但是較大的ki，b則會使功率的動態(tài)恢復時間加快，而較小的ki，b則會增大儲能系統(tǒng)在動態(tài)過程中的有功出力，更好的支撐頻率變化，同時也能看出較大的ki，b值會提高系統(tǒng)的動態(tài)恢復速度，所以ki，b不宜過大，這和上文分析是一致的；圖8(b)表明，當ki，b一定時，kp，b的增大則會降低儲能有功功率的響應速度，同時也會降低功率響應的幅值，減少儲能系統(tǒng)動態(tài)的有功出力，這是不利于儲能系統(tǒng)暫態(tài)出力來支撐頻率動態(tài)的，所以kp，b系數(shù)在選擇時不宜過大.綜合上述分析，為提高儲能蓄電池暫態(tài)輸出功率，同時減少頻率跌落的幅值，通過理論分析對比選取kp，b=0.05，ki，b=0.001為系統(tǒng)控制參數(shù).

4 仿真驗證

本文選取蓄電池為儲能裝置，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型如圖1所示，模型包括分布式電源，一臺同步發(fā)電機，一套儲能蓄電池裝置(仿真主要參數(shù)如表1所示).70 s前系統(tǒng)處于無負荷擾動穩(wěn)定運行階段，同步發(fā)電機作為主要電源為系統(tǒng)提供功率支撐，在70 s處系統(tǒng)加入0.2 MW負荷擾動，仿真結果如下分析.

工況1：選取比例參數(shù)kp，b=0.05，積分參數(shù)ki，b=0.001，系統(tǒng)交流母線頻率、同步發(fā)電機輸出功率、儲能裝置輸出功率如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)仿真圖

圖9中可以看出系統(tǒng)在70 s受到負荷擾動時，交流母線頻率下降到0.993 pu，此時同步發(fā)電機進行功率調節(jié)，儲能系統(tǒng)快速響應，輔助同步發(fā)電機進行調頻，提供暫態(tài)的支撐功率，緩沖負荷帶來的頻率沖擊，待交流母線頻率恢復后，儲能系統(tǒng)功率恢復至設定值.

工況2：分別選取比例參數(shù)kp，b=0.1，積分參數(shù)ki，b=0.002與比例參數(shù)kp，b=0.05，積分參數(shù)ki，b=0.001，系統(tǒng)交流母線頻率、同步發(fā)電機輸出功率、儲能裝置輸出功率仿真對比圖如圖10所示.

圖10 參數(shù)對比分析圖

從圖10中可以看出比例參數(shù)kp，b=0.1，積分參數(shù)ki，b=0.002時，圖10(c)中儲能暫態(tài)輸入功率減少0.045 MW，抑制了儲能在頻率恢復暫態(tài)過程中的出力，沒有更好地體現(xiàn)儲能的作用.圖10(b)中同步發(fā)電機輸出功率增加0.06 MW，且圖10(a)中顯示交流系統(tǒng)頻率幅值跌落至0.989 pu，跌落幅值增大不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，且增加了暫態(tài)過程中系統(tǒng)頻率的恢復速度，仿真結果驗證了上文的理論分析準確性.

工況3：在60 s時模擬同步發(fā)電機因故障切除，系統(tǒng)的仿真結果如圖11所示.

從圖11中可以看出，在60 s同步發(fā)電機因故障退出運行時，系統(tǒng)頻率瞬時跌落至0.993 pu，此時儲能裝置可以快速切換到下垂控制模式穩(wěn)定輸出功率來維持系統(tǒng)頻率，減緩暫態(tài)過程中交流母線頻率的跌落速率.在90 s處對系統(tǒng)施加0.2 MW的負荷擾動后，儲能系統(tǒng)增加輸出功率穩(wěn)定在0.27 MW同時進入到限幅環(huán)節(jié)，防止了頻率進一步惡化，交流母線頻率穩(wěn)定在0.978 pu，進入穩(wěn)定狀態(tài)，這也驗證了本文控制方法的正確性與有效性.

圖11 同步機故障切除系統(tǒng)仿真圖

5 結束語

本文針對交流微網(wǎng)孤島運行模式時儲能參與同步發(fā)電機調頻的問題，提出了一種提高頻率穩(wěn)定性的控制方法，在常規(guī)下垂控制的基礎上加入一帶限幅環(huán)節(jié)的積分器.通過理論分析與仿真表明對儲能參數(shù)的合理調整可以改變儲能系統(tǒng)在暫態(tài)上的動態(tài)表現(xiàn)，可根據(jù)具體要求進行調整，且該方法可以使儲能系統(tǒng)在正常運行時工作在期望的功率值，在負荷擾動時輸出暫態(tài)功率，輔助發(fā)電機調頻，也能在發(fā)電機故障時維持系統(tǒng)內的功率平衡、電壓與頻率的穩(wěn)定，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)整體的運行可靠性.