飛輪鋰電池混合儲能系統的VSG控制策略

薛 易, 李天意, 吳立涵, 龍騰飛

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著新能源的不斷并網,在新能源發(fā)電中對功率、電壓和頻率的穩(wěn)定方面迎來了新的挑戰(zhàn)。在實際運行中風電場的波動很大。大范圍的風電并網,明顯影響了電力系統發(fā)展的穩(wěn)定性。為了保證電網在運行過程當中具有一次調頻的功能,虛擬同步發(fā)電機控制策略在電網調頻中起到了非常重要的應用。VSG在并網運行時,需要先建立機端電壓,并通過預同步單元和電網同步來實現。當VSG的機端電壓與并網電壓相等時,再進行合閘并網,這一策略步驟較為復雜。王琳等[1]提出優(yōu)化設計方法,面向頻率穩(wěn)定的虛擬同步化微電網,調節(jié)虛擬慣量和阻尼參數,以提升系統頻率穩(wěn)定性。渠省委[2]提出經最優(yōu)阻尼比的VSG。實現的方法是結合VSG的轉子運動方程,分析其轉動慣量和阻尼對整個系統的影響。白長云[3]指出新型在虛擬慣量與阻尼的基礎上形成的模糊輔助控制策略,通過對頻率與功率的變化設定相應的模糊規(guī)則。薛易等[4]提出改進的交直流混合電網VSG協調控制策略,對比分析了交流微電網的VSG控制策略。侯倩[5]研究了一種風電場功率通過小波包分解,得到目標功率和儲能系統的補償功率,利用雙層模糊控制優(yōu)化充放電指令控制策略。聶職穎等[6]通過對不同頻率的風電進行不同儲能類別的控制,采用儲能系統的壽命作為限制條件,獲得超級電容和電池儲能的混合儲能最佳配置方案。樊千惠等[7]提出有關強化VSG虛擬慣性的控制策略,通過分析VSG及飛輪的相關狀態(tài),調節(jié)虛擬慣量的大小。畢亮[8]在儲能輔助風電參與電網一次調頻的基礎上,研究了常規(guī)控制策略。上述研究并未提及VSG對混合儲能系統綜合控制達到波動平抑效果的應用。

筆者主要對VSG通過飛輪蓄電池綜合控制,實現對頻率波動和電壓波動的調節(jié)。

1 直流微電網結構

典型的直流微電網結構如圖1所示。在直流微電網中,直流母線通過交變裝置和風電場與電網相連接。飛輪蓄電池儲能系統分別通過變換器和直流母線連接,實現波動的調節(jié)。

圖1 直流微電網結構Fig. 1 DC microgrid structure

2 VSG數學模型

VSG的模型存在4個部分:定子電氣方程、勵磁控制環(huán)節(jié)、轉子運動方程、原動機調節(jié),數學模型為

Ud=Ed-Rid+ωLid,

Uq=Eq-Riq-ωLid,

式中:ω——角速度;

J——轉動慣量;

Tm、Te——機械轉矩和電磁轉矩;

D——阻尼系數;

R——定子電阻;

L——定子電感;

θ——輸出電角度;

ω0——VSG額定角速度;

ωg——電網電壓角速度;

Eq、Ed——三相內電勢;

Ud、Uq——三相機端電壓dq分量;

id、iq——定子電流的dq分量。

機械轉矩Tm能夠對原動機調節(jié),其表達式為

式中:Kf——調頻系數;

Pref——有功功率指令。

Ed通過勵磁控制環(huán)節(jié)計算為

式中:E0——空載電勢;

KPQ、KIQ——無功閉環(huán)PI參數;

Qref——指令值;

Q——VSG無功功率;

Ku——調壓系數;

Uref——額定機端電壓;

Um——機端電壓幅值。

2.1 改進定子電氣方程

傳統VSG采用三相輸出電流的dq分量,根據上述進行定子電氣方程的輸入,但需要三相電流傳感器采集ia、ib、ic的值,提高運行成本。改進的定子電氣方程利用系統穩(wěn)態(tài)時外環(huán)輸出dq指令,作為定子電氣方程的輸入電流[9]。

式中:KPV、KIV——電壓外環(huán)PI參數;

idref、iqref——PI調節(jié)器輸出電流。

通過這些數據能夠得出,有功功率和無功功率的計算公式為

綜上,在對VSG控制框圖進行修改時,不需要采集并網電流,僅需采樣三相電網電壓。輸出參數不是很復雜,只需要準備VSG模型生成的電流指令和角度,可實現VSG的獨立運行,且僅采集電網電壓可跟蹤頻率。如果電網中的頻率以及VSG中頻率達到一致,這時有功功率和無功功率指令需要為0,實現對電壓相位的跟蹤。定子電氣控制與轉子運動控制如圖2和3所示。

圖2 定子電氣控制Fig. 2 Stator electrical control

圖3 轉子運動控制Fig. 3 Rotor motion control

2.2 穩(wěn)定性

VSG輸出的有功功率為

(1)

式中:Ug——電網電壓幅值;

Z——虛擬定子阻抗;

α——虛擬定子阻抗角。

Z和α滿足關系可以表示為

(2)

式(2)中,有功功率在δ處進行小信號擾動,可以得到以下關系:

(3)

因為在實際運算過程當中,Δδ通常很小,所以近似可以認為sin Δδ=Δδ,cos Δδ=1,所以根據式(1)～(3)可得:

(4)

根據圖3和式(4),將原動機的變化量ΔPm為輸入,將ΔP作為輸出,得到VSG小信號分析模型,如圖4所示。

圖4 VSG小信號分析模型Fig. 4 VSG small signal analysis model

令ωg與ωn相等,可以得到VSG小信號分析模型傳遞函數為

2.3 控制策略

考慮到實際應用中飛輪儲能參與一次調頻的作用時間短,蓄電池參與一次調頻作用時間長,基于此,將蓄電池參與一次調頻,飛輪參與調壓過程,仿真過程當中,蓄電池作用于低頻分量,飛輪作用于高頻分量,為達到將高低頻分量分離效果,使蓄電池盡可能參與一次調頻,所以在VSG中加裝一階高通濾波器,通過濾波,使高頻分量由飛輪承擔并參與調壓任務,低頻分量由蓄電池承擔,參與一次調頻。

3 飛輪儲能系統

飛輪儲能具有能量密度和轉換效率高、耐用、充電快、耐溫度變化,具有可深度放電等特點,快速響應電網電壓。飛輪儲能在波動時提供瞬時能量支撐,且在穩(wěn)態(tài)下與外界無能量交換,因此是更佳的選擇[10]。

飛輪能量儲存系統通過控制與飛輪相連的永磁同步電機,以實現能量儲存在旋轉剛性塊上進而加速或減速。保障完成能量的轉換,實現能量的儲存和釋放。旋轉的飛輪儲存的能量的表達式為

(5)

式中:Jf——飛輪轉動慣量;

ωf——飛輪角速度。

由式(5)可知,飛輪儲能單元在運行的過程中,存儲能量的高低與否,通常和飛輪角速度平方存在一定的聯系,兩者之間成正比例關系,并且和對應的飛輪旋轉慣量,同樣成正比例關系。如果飛輪電機轉矩在整個過程中,和飛輪旋轉的方向相同,這時,飛輪的旋轉速度會進一步加快,將電能改變成對應的動能進行儲存,也就是所謂的充電;相反,如果和飛輪旋轉方向不一致,飛輪的旋轉速度就會減慢,把動能改變成對應的電能,也就是所謂的放電。

當飛輪角速度變化在最小轉速ωfmin達到最大轉速ωfmax相互變換時,飛輪最大吸收和釋放能量為

(6)

4 蓄電池儲能系統

鋰電池被分為兩種類型,鋰離子電池和鋰聚合物電池,鋰聚合物電池能量高,但需加保護板,適用范圍較小。鋰離子電池則能量/比功率高、自放電率小、壽命長、環(huán)保,常用的有鈷酸鋰、鎳鈷錳鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰,其中,磷酸鐵鋰原料豐富、價格成本低、比容量高、環(huán)保性能高以及安全性高,文中選用該鋰電池。

鋰電池儲能可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。文獻[11]驗證了該模型用于電網調頻的有效性,因此,文中采用其策略,其傳遞函數為

(7)

式中,TB——鋰電池慣性時間常數。

5 仿真與結果分析

利用仿真平臺搭建如圖1所示的混合微電網模型,其中,直流母線電壓1 500 V,濾波電感1 mH,額定線電壓690 V,濾波電容20 μF,開關頻率16 kHz,蓄電池額定容量40 Ah,阻尼電阻0.5 Ω。

工況一:從0 s仿真開始,電網頻率在1～2 s內上升0.5 Hz,2 s電網頻率恢復,仿真結果如圖5所示。工況二:從0 s仿真開始,電網頻率在1～2 s內下降0.5 Hz,2 s電網頻率恢復,仿真結果如圖6所示。工況三:從0 s仿真開始,電網電壓在1～2 s內上升1%,2 s電網電壓恢復,仿真結果如圖7所示。工況四:0 s仿真開始,電網電壓在1～2 s內下降1%,2 s電網電壓恢復,仿真結果如圖5～8所示。

圖5 頻率上升0.5 HzFig. 5 Frequency rise 0.5 Hz

由圖5可以看出,電網頻率1～2 s內上升0.5 Hz,電網為了維持頻率恒定,圖5a是蓄電池參與一次調頻,蓄電池輸出功率50 kW,來平衡電網頻率下降帶來的暫態(tài)影響。圖5b中飛輪由于不參與一次調頻,由于慣性的影響,飛輪有一個短期的功率響應環(huán)節(jié),維持在穩(wěn)定狀態(tài)。圖5c為風電場輸送功率,其中取恒風速11 m/s。圖5d中是網側功率的變化圖,由圖5可知,當1～2 s時,由于頻率短時間的變化,有短暫的功率波動,最終趨于穩(wěn)定。

圖6 頻率下降0.5 HzFig. 6 Frequency drop 0.5 Hz

圖7 電壓上升10%Fig. 7 Voltage rise 10%

由圖6可以看出,電網頻率1～2 s內下降0.5 Hz,電網為了維持頻率恒定,圖6a是蓄電池參與一次調頻,蓄電池吸收功率50 kW,來平衡電網頻率下降帶來的暫態(tài)影響。圖6b為飛輪不參與一次調頻,由于慣性的影響,飛輪有一段短期的功率響應環(huán)節(jié),最終維持在穩(wěn)定狀態(tài)。圖6c為風電場輸送功率,其中取恒風速11 m/s。圖6d是網側功率的變化圖,由圖可知,當1～2 s時,由于頻率短時間的變化,有短暫的功率波動,最終趨于穩(wěn)定。

由圖7可以看出,電網電壓上升10%,圖7a、b分別是并網側電壓電流的波動變化,1～2 s,電壓上升,電流下降。圖7c為風電場輸送功率。圖7d是網側無功功率, 1～2 s內,電壓上升,為了維持電壓穩(wěn)定,系統輸出無功功率105Var,2 s時,電壓趨于穩(wěn)態(tài),無功功率恢復正常。

圖8 電壓下降10%Fig. 8 Voltage drop 10%

由圖8可以看出,電網電壓下降10%,圖8a、b分別是并網側電壓電流的波動變化,1～2 s,電壓下降,電流上升,圖8c為風電場輸送功率。圖8d是網側無功功率, 1～2 s內,電壓下降, 為了維持電壓穩(wěn)定,系統吸收無功功率105Var,2 s時,電壓趨于穩(wěn)態(tài),無功功率恢復正常。

6 結 論

(1)在頻率調節(jié)方面,當系統的頻率上升0.5 Hz和下降0.5 Hz的工況下,蓄電池在1～2 s之內有效地進行了功率輸出和吸收,分別輸出和吸收了50 kW,2 s之后的頻率為49.995 Hz,在誤差0.5 Hz范圍之內,實現了頻率的良好平抑。

(2)在調壓方面,當系統的電壓上升10%和下降10%的工況下,飛輪在1～2 s之內有效地進行了功率輸出和吸收,分別輸出和吸收了105 Var,2 s之后的電壓為545 V,在誤差10%范圍之內,實現了電壓的良好平抑。充分發(fā)揮了飛輪和蓄電池的綜合響應的優(yōu)勢,結果表明,該策略具有良好的響應特性。