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光儲(chǔ)柴獨(dú)立微電網(wǎng)中的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略 2018-01-03 09:56:29

摘要：微網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、交流變換器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。作為一種新型高效的能源利用形式，微網(wǎng)既能并網(wǎng)運(yùn)行，也能孤島運(yùn)行。

  合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院、陽(yáng)光電源股份有限公司的研究人員石榮亮、張興、徐海珍、胡超、余勇撰文，針對(duì)由可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組(DGS)和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的獨(dú)立微網(wǎng)，提出一種適合微網(wǎng)在孤島模式下穩(wěn)定運(yùn)行的虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制策略。

　　首先，建立DGS在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并分析其輸出電壓和轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)特性;其次，在充分考慮DGS和VSG不同控制特性的基礎(chǔ)上，提出一種適應(yīng)獨(dú)立微網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制的改進(jìn)型VSG策略;然后，在基本VSG控制器中增加虛擬阻抗環(huán)節(jié)，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)諧波的抑制;最后，建立一套包含2臺(tái)100kV˙AVSG及1臺(tái)440kWDGS并聯(lián)的獨(dú)立微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所述控制策略的正確性與有效性。
　　微網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、交流變換器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1,2]。作為一種新型高效的能源利用形式，微網(wǎng)既能并網(wǎng)運(yùn)行，也能孤島運(yùn)行。含多分布式電源(DistributedGeneration，DG)的獨(dú)立微網(wǎng)能夠有效提高系統(tǒng)的供電可靠性和電能質(zhì)量并降低成本，是解決和改善高原、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)分散電力需求的一種有效途徑[3,4]。
　　然而，由于獨(dú)立微網(wǎng)失去了大電網(wǎng)的支撐，且大多數(shù)微源經(jīng)電力電子接口接入微網(wǎng)，造成微網(wǎng)的慣性很弱，導(dǎo)致擾動(dòng)發(fā)生后系統(tǒng)頻率與電壓快速變化，加上風(fēng)電、光伏的隨機(jī)性出力和負(fù)荷的不可預(yù)測(cè)性及多變性，使得微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的頻率與電壓控制具有一定的挑戰(zhàn)性[5]。
　　柴油發(fā)電機(jī)組(DieselGeneratorSet，DGS)因具有獨(dú)立供電、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在獨(dú)立微網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用。但是，由于DGS較小的慣性及其較慢的動(dòng)態(tài)性能，在帶動(dòng)具有較高動(dòng)態(tài)變化率的負(fù)載時(shí)其輸出頻率和電壓會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，造成其暫態(tài)供電質(zhì)量較差[6]。
　　另外，拖動(dòng)無(wú)功負(fù)載時(shí)會(huì)造成DGS的有效帶載能力顯著下降，而帶非線性負(fù)載時(shí)也會(huì)降低其供電質(zhì)量及效率?；贒GS的上述特性，造成微網(wǎng)系統(tǒng)難以滿(mǎn)足較高的供電質(zhì)量要求。儲(chǔ)能可以克服微網(wǎng)慣性小、抗擾動(dòng)能力弱的問(wèn)題，消減DG單元的間歇性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并使微網(wǎng)具有一定的可預(yù)測(cè)性和可調(diào)度性[4]。
　　在此背景下，圍繞含DGS、儲(chǔ)能等多DG的獨(dú)立微網(wǎng)控制研究在全球范圍內(nèi)日益廣泛和深入。
　　借鑒大電網(wǎng)的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化方案，通過(guò)外加有源電力濾波器[7]、靜止無(wú)功發(fā)生器[8]及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[9]等功率補(bǔ)償裝置來(lái)改善供電系統(tǒng)的性能，但會(huì)增加系統(tǒng)成本。為此，文獻(xiàn)[10]采用儲(chǔ)能單元補(bǔ)償DGS的無(wú)功和動(dòng)態(tài)有功功率的聯(lián)合供電方案，以提高柴儲(chǔ)混合系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量，但無(wú)法為系統(tǒng)提供電壓支撐。
　　文獻(xiàn)[11]提出了獨(dú)立微網(wǎng)中DGS和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制方法，使得儲(chǔ)能單元具備電壓支撐能力，而DGS與儲(chǔ)能雙主源之間的切換存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[12,13]利用基于下垂控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)電壓與頻率的調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)的不間斷供電，然而下垂控制并不具備虛擬慣量，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率供需不平衡時(shí)，微網(wǎng)頻率也會(huì)快速波動(dòng)。
　　針對(duì)該問(wèn)題，在下垂控制的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[14-16]提出通過(guò)改變儲(chǔ)能單元的控制方法，向系統(tǒng)注入虛擬的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其模擬出類(lèi)似同步發(fā)電機(jī)(SynonousGenerator，SG)所具有的旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼特性，即虛擬同步發(fā)電機(jī)(VirtualSG，VSG)的控制策略，以提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。
　　文獻(xiàn)[17-19]提出自適應(yīng)虛擬慣量的VSG技術(shù)，根據(jù)VSG的加速度和滑差選取不同的虛擬慣量，均在不同程度上仿真驗(yàn)證了其相比于傳統(tǒng)下垂控制算法在提高微網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[20]也驗(yàn)證了所提VSG控制策略相比于傳統(tǒng)電流和下垂控制策略在提高光儲(chǔ)柴獨(dú)立微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。
　　然而，上述幾種方案均沒(méi)有綜合考慮DG的不同動(dòng)態(tài)性能、系統(tǒng)電壓和頻率調(diào)節(jié)的層次性、系統(tǒng)負(fù)荷的非線性等因素對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及供電質(zhì)量帶來(lái)的影響。
　　本文以含有DGS和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的獨(dú)立微網(wǎng)為例，提出一種適合微網(wǎng)在孤島模式下穩(wěn)定運(yùn)行的VSG控制策略。
　　首先，建立DGS在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并分析階躍負(fù)載對(duì)其輸出電壓和頻率的影響。其次，在充分考慮DGS和VSG不同動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)尺度的基礎(chǔ)上，提出一種適應(yīng)獨(dú)立微網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制的改進(jìn)型VSG策略。然后，利用引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)的VSG控制方案，解決非線性負(fù)載惡化微網(wǎng)系統(tǒng)供電質(zhì)量的問(wèn)題。最后，建立一套包含2臺(tái)100kV˙A-VSG及1臺(tái)440kW-DGS并聯(lián)的獨(dú)立微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證本文提出控制策略的正確性與有效性。
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圖1微網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)
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圖11光儲(chǔ)柴微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
　　結(jié)論
　　針對(duì)光儲(chǔ)柴獨(dú)立微網(wǎng)中DGS動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且系統(tǒng)的頻率與電壓易受負(fù)載干擾的問(wèn)題，本文提出了一種適合獨(dú)立微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的VSG控制策略，該策略利用VSG快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓頻率與幅值波動(dòng)的抑制，并利用虛擬阻抗控制回路對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行靈活抑制。
　　通過(guò)對(duì)所提策略在光儲(chǔ)柴微網(wǎng)平臺(tái)上的驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：
　　1)適應(yīng)獨(dú)立微網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制的改進(jìn)型VSG策略，兼顧了VSG快速的動(dòng)態(tài)性能與DGS較慢的動(dòng)態(tài)性能，兼容了VSG的有差調(diào)節(jié)特性與DGS的無(wú)差調(diào)節(jié)特性，解決了階躍負(fù)載條件下DGS輸出電壓頻率與幅值波動(dòng)的問(wèn)題。
　　2)采用虛擬阻抗控制可以靈活設(shè)計(jì)VSG的等效輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)諧波進(jìn)行不控、抑制及拒絕3種模式的選擇性抑制。
　　3)通過(guò)DGS獨(dú)立運(yùn)行及VSG與DGS并聯(lián)運(yùn)行條件下的負(fù)載階躍對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)型VSG控制策略可快速補(bǔ)償系統(tǒng)功率，抑制系統(tǒng)頻率與電壓的波動(dòng)。
　　4)通過(guò)2臺(tái)100kV˙AVSG并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的非線性負(fù)載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了引入虛擬阻抗的VSG可靈活并有效實(shí)現(xiàn)不控、抑制及拒絕3種系統(tǒng)諧波抑制模式?！峨姽ぜ夹g(shù)學(xué)報(bào)》