儲能型SNOP電壓支撐控制策略研究與仿真

陸 旭，郭家虎，吳冬暉，紀澤宇

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

隨著分布式電源急劇增長，以及以電動汽車充電樁為主的新一代負荷的大規模接入，導致微電網的結構日趨復雜，負荷類型日益多樣，已造成了廣泛而深遠的影響。柔性開關設備SNOP(Soft Normally Open Point)是一種基于功率變換裝置的柔性互聯設備，可替換傳統電力系統中的聯絡開關，通過控制所連饋線的潮流流向改善系統的能量分布，為解決這些問題提供了新的思路。

儲能型SNOP作為SNOP的拓展，利用兩側變流器可實現儲能元件的充放電控制，從而使SNOP進一步具備了能量存儲功能，可用于減輕由于分布式電源或者可變負荷所引起的功率輸出的瞬變。文獻[5]中儲能通過DC/DC變換器雙有源電橋連接到SNOP的直流側，介紹了一種儲能型SNOP的全局控制策略，實現儲能充放電的獨立控制，雖然增加了儲能型SNOP的靈活性，也增加控制的復雜程度。文獻[6]討論了儲能型SNOP接入配電網的運行優化問題，結果表明儲能型SNOP在降低損耗、改善電壓分布以及適應高DG穿透力等方面具有顯著的優勢。SNOP出現的初衷是用于靈活控制所連交流系統的潮流流向，但對于有源微網而言，從安全性和系統可靠性的角度來看，異常和故障情況下的運行也非常重要。在故障恢復方面，現有研究通過網絡重構或使用SNOP，通過改變潮流流向的方式對失電負荷進行恢復，然而對配電網網重構，整個系統的運行特性和結構發生改變，可能會影響整個系統的穩定性。同時以上研究均以大電網為背景，故障的出現對系統影響相對較小，并不適用于有源微網。

本文針對有源微網柔性互聯系統，通過在柔性互聯設備SNOP的直流側加入儲能裝置，并通過在協調兩側變流器的有功功率輸出值討論了儲能裝置的充放電控制，隨后在恒功率控制的基礎上，根據P-F和Q-U下垂特性曲線，提出了一種電壓支撐控制策略，可有效解決失電負荷的供電恢復問題。最后在DigSILENT上搭建了兩端口有源微電網柔性互連模型，仿真結果驗證了控制策略的有效性。

2 儲能型SNOP數學模型

2.1 系統簡介

傳統的SNOP是由兩個背靠背布置的電壓源型變流器(VSC)組成，用于實現“AC-DC-AC”變換。SNOP的運行方式為儲能的靈活接入提供了可能，儲能更容易接入直流側，且損耗更小，將儲能連接到SNOP的直流側，使SNOP成為高度集成的能量轉換裝置，它不僅可以實時調節所連饋電線之間功率傳輸，還可以在一定范圍內穩定功率波動，增強SNOP的調度能力。圖1顯示了兩個有源微網之間的儲能型SNOP的接入位置。

圖1 儲能型SNOP的接入位置

2.2 BTB-VSC數學模型

本文所采用背靠背電壓源變流器(BTB-VSC)拓撲結構，它由兩個連接到兩個饋線的VSC和一個DC總線組成，每個變流器可以相互獨立的控制以實現不同的控制需求，同時兩側交流系統通過直流環節實現了解耦，能夠隔離兩側饋線的故障。圖2所示的是儲能型SNOP拓撲結構圖。

圖2 儲能型SNOP拓撲結構

將三相靜止坐標系轉通過派克變化換成同步的旋轉d-q坐標系，即可轉化為如式的旋轉d-q坐標系下的兩側VSC動態微分方程

(1)

式中：

U

1、

U

1、

U

2、

U

2分別表示端口1和2電壓的

d

-

q

軸分量，

i

1、

i

1、

i

2、

i

2分別表示端口1和2輸出電流的

d

-

q

軸分量，

S

1、

S

1、

S

2、

S

2分別表示端口變流器開關調制函數的

d

-

q

軸分量，

w

和

w

為兩側母線相電壓的角頻率，

U

為直流母線電壓。

根據瞬時功率原理，當兩側交流母線三相穩定，直流母線電壓恒定時，變流器的有功和無功輸出可定義為

(2)

由式(2)可知，通過控制

i

的值就可以控制端口變流器有功功率的輸出值，通過控制

i

的值就可以控制端口變流器無功功率的輸出值。

第二句的“假象”實指第一句“亂人心神”的甜美果實和“美麗的陷阱”，“蒙蔽”“沉醉”“不可自拔”“沉淪”等詞語則對應于第一句“毒性”“陷阱”，寫作上是一氣呵成。

2.3 直流側數學模型

從直流側有功功率守恒角度考慮，各端口變流器以及儲能裝置的有功功率輸出滿足以下式子

(3)

式中：

i

1和

i

2和分別表示由直流側流向1和2端口變流器的電流值，

i

表示儲能裝置流向直流母線的電流值，其中

P

指儲能輸出有功功率值。當

U

保持恒定時，直流側電流關系滿足

i

=

i

1+

i

2，忽略各變換器以及儲能裝置自身損耗，端口變流器以及儲能裝置的有功功率滿足

P

=

P

+

P

(4)

由式(4)此可知，通過控制兩側變流器的有功功率輸出值，便可有效控制儲能裝置的有功功率輸出。當

P

+

P

> 0時，儲能工作在放電模式，向系統發出能量；當

P

+

P

< 0時，儲能裝置工作在充電模式，吸收系統的能量；當

P

+

P

=0時，儲能裝置進入空閑模式，不參與能量調節。

3 儲能型SNOP控制策略

正常情況下BTB-VSC型SNOP在PQ-UQ控制模式下運行，一個VSC用于控制有功傳輸，另一個用于平衡直流側電壓側。穩定的直流電壓是SNOP中最重要同時也是最薄弱的部分，當直流側電壓無法穩定時，整個SNOP系統將崩潰。將儲能安裝在直流側，可視作一個可控恒壓源，通過充放電控制可以維持直流側的功率平衡，從而達到穩定直流側母線電壓的作用。故儲能型SNOP的有功功率控制可以具有兩個自由度，即兩側端口VSC均可工作在恒功率控制(PQ控制)模式下。且由于直流側的隔離，兩個端口的無功功率控制互不影響，每個端口的無功功率可根據給定值自由控制。

另外，VSC變流器還需要采用有源逆變的方式來處理由于發生故障時斷路器跳閘所導致的孤島運行，下垂控制(Droop控制)由于控制結構簡單、響應迅速等優點常被用做孤島情況下首選控制策略，但由于下垂固有特性，無法實現真正的無差調節。當所連饋線發生故障導致電源退出運行時，工作在恒壓恒頻控制(V/F控制)式下的變換器可為失電負荷提供穩定的電源支撐，此時變流器需要根據給定的交流電壓設定值(Uref)和頻率設定值(Fref)工作，為失電負荷提供穩定的交流電源。結合式(3)表明了VSC輸出功率大小與dq軸電流分量之間存在線性關系，在此理論基礎上，本文建立了如圖3所示的雙閉環控制系統。

圖3 雙閉環控制框圖

3.1 外環控制

根據P-F和Q-U特性曲線，頻率和電壓的控制可通過調節變流器有功功率和無功功率的輸出值實現，使得交流側母線頻率和電壓值保持在某一恒定值附近，采用V/F控制一般需要具有較大的可調容量或者具有容量較大的儲能作為支撐，故該控制策略可有效應用在儲能型SNOP裝置上。V/F控制外環結構如圖4所示。其控制方程滿足：

(5)

式中：

P

和

Q

表示有功和無功功率的給定值，

p

，

q

表示變流器有功和無功功率的實際輸出值，

U

和

F

表示所連交流母線的電壓和頻率測量值，

U

和

F

為頻率和電壓的給定值。

K

、

K

、

K

、

K

和

T

、

T

、

T

、

T

表示各

PI

環節的比例積分系數。

圖4 V/F控制外環控制結構

V/F

外環控制系統由頻率電壓控制和

PQ

控制構成，各個控制環節均采用

PI

控制器用于消除動態誤差。其中，若是以獨立設定的給定值

P

和

Q

輸入

PQ

控制模塊中，此時變流器工作在恒功率模式。頻率控制中，通過測量得到交流側母線實際頻率

F

與給定值

F

作比較后對其誤差通過

PI

和限幅環節進行修正得到有功功率新的給定值

P

輸入到

PQ

控制環節。

PQ

控制環節下可實現對給定的有功功率值進行跟蹤控制，通過計算與實際輸出有功功率

p

與給定值進行比較，通過

PI

和限幅環節消除了給定值和實際值之間的誤差，輸出參考信號

i

＿提供給電流內環作為給定值，補償或吸收有功差額達到保持交流母線頻率穩定的目的。電壓控制同理。

3.2 內環控制

(6)

式中：

u

、

u

、

i

、

i

分別為表示變流器端口測量得到的電壓和電流的

d

-

q

軸分量，

i

＿和

i

＿和表示外環控制輸出的

d

-

q

軸電流信號給定值，

P

和

P

表示輸出的脈沖寬度調制參數

d

-

q

軸分量。

K

、

K

和

T

、

T

分別表示

PI

環節的比例積分系數。

圖5 電流內環控制結構圖

控制器的輸入電壓和電流是由全局參考系通過參考角

cosref

，

sinref

變換得到，將

i

和

i

與參考信號

i

＿和

i

＿比較，輸出差值通過

PI

環節修正，對參考電流信號進行無差跟蹤，再通過前饋解耦得到控制信號

P

和

P

，使用同樣的參考角轉換回全局參考系得到變流器各相橋臂開關的SVPWM信號，達到控制變流器輸出的目的。

4 仿真驗證

為了驗證儲能裝置的充放電控制以及故障情況下的電壓支撐策略，本文在DigSILENT上搭建了如圖6所示的儲能型SNOP柔性互聯仿真模型，其中交直流電壓為：

U

=0

.

4

kV

，

U

=1

kV

，逆變器額定容量為

S

=1

MVA

，儲能容量為

C

=1

Ah

。負荷1和負荷2分別為0.1MW和0.2MW。

圖6 儲能型SNOP柔性互聯模型

VSC控制框架如圖7所示。主要包括PQ控制模塊，頻率控制模塊，電壓控制模塊以及switch模塊等。其中PQ控制模塊用于將有功和無功功率給定值Pref、Qref與交流側母線實際有功和無功實際值p、q作為輸入量，id＿ref和iq＿ref作為輸出量到VSC電流內環，實現有功和無功功率控制。頻率控制模塊和電壓控制模塊分別以交流側母線頻率和電壓的測量值Fmeas、u和給定值Fref、Uref作為輸入量，通過對其差值進行無差修正得出PQ控制模塊的有功和無功功率給定值，從而實現V/F控制模式。switch模塊用于切換控制模式，當s=1時，PQ控制模塊以PQ設定值P＿ref＿PQ和Q＿ref＿PQ作為輸入量，此時變流器工作在恒功率模式下；當s=2時，以頻率控制模塊和電壓控制模塊輸出的給定值P＿ref＿VF和Q＿ref＿VF作為輸入量，此時變流器工作在恒壓恒頻控制模式下。

圖7 VSC控制復合模型

4.1 儲能充放電控制

正常情況下，兩側VSC均工作在PQ模式下，為了觀察儲能充放電的情況，以階躍信號的方式對兩側VSC的有功功率給定值進行設置，仿真開始時設置P=0.1 MW，P=-0.1 MW；1 s時，令P=0.1 MW；2 s時，令P=-0.1 MW，P=-0.1 MW；3 s時，令P=0.1 MW。其中儲能荷電狀態(SOC)初始值設為0.5，設定總仿真時間為4 s，系統的仿真結果如圖8所示。

圖8 儲能充放電仿真曲線

從圖(a)可以看出，兩側VSC的有功功率輸出可以快速跟蹤設定值，仿真開始后，有功功率由AC2側流向AC1側，P=P，儲能工作在空閑模式，此時SOC保持不變；1 s時，P+P> 0，儲能工作在放電模式，提供缺額的有功功率補償，此時SOC逐漸下降；2 s時，P+P< 0，儲能充電，吸收系統多余的有功功率，SOC持續上升；3 s時，有功功率由AC1側流向AC2側，儲能進入空閑模式，SOC保持恒定直至仿真結束。直流側電壓波形如圖(c)所示，在直流側安裝儲能可以更好地維持直流側母線電壓穩定，使各端口VSC以及儲能在進行功率傳輸的同時保證整個系統的穩定運行，提升了SNOP的潮流控制能力。

4.2 故障恢復控制

有源微網中的分布式電源可能會因為發生故障而退出運行，為了滿足重要負荷的不間斷供電，此時端口VSC將以V/F控制模式工作。仿真開始時，兩側VSC均工作在PQ模式下，其中兩側VSC的初始值設定為P=0.1 MW，P=-0.1 MW，此時儲能處于空閑模式。假設5 s時AC1饋線出現故障，斷路器S1跳閘導致分布式電源DG1退出運行，設定總仿真時間為10 s，系統的仿真結果如圖9所示。

圖9 單側故障仿真曲線

由圖(a)可以看出，當DG1退出運行后，VSC1側迅速響應，為AC1側提供穩定的電源支撐，同時儲能放電為失電負荷提供有功功率，由圖(b)可以看出此時SOC持續下降，同時VSC2的有功輸出始終保持不變。AC1側母線頻率和電壓如圖(c)和(d)所示，大約在0.7 s內恢復到正常值。由此可以看出，儲能型SNOP在應對由于故障導致饋線失電的情況時，在保證另一側交流系統正常運行的同時，可在儲能容量范圍內為故障側負荷提供穩定的電源支撐。

5 結論

本文在SNOP的直流側加入儲能，通過控制兩側變流器的有功輸出可靈活對儲能進行充放電控制，提升了SNOP的潮流控制能力。并充分利用儲能提出了儲能型SNOP的電壓支撐策略，通過仿真驗證，該控制策略能夠在保持非故障側正常傳輸功率的同時為失電負荷提供穩定的電壓支撐。