孤島運行微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性及儲能控制方案設(shè)計

馬平，王點

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)都得到了高度重視。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中發(fā)揮的作用日益凸顯。微電網(wǎng)中的儲能裝置形式多樣，安裝位置靈活，在合理的控制下可以對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供一定的支撐。

微電網(wǎng)孤島運行時，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量較小，風力發(fā)電等可再生能源又具有很強的隨機性。在有大量異步風力發(fā)電機（asynchronous wind turbines，簡稱AWT）接入的微電網(wǎng)中，AWT的運行狀況會給微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量帶來一定的負面影響。研究表明，當微電網(wǎng)線路參數(shù)和系統(tǒng)短路容量確定時，AWT等分布式發(fā)電裝置的功率波動成為影響系統(tǒng)電壓和頻率變化的主要因素［1］。針對上述問題，本文將探討在微電網(wǎng)孤島運行時，如何合理的利用儲能系統(tǒng)來減小AWT運行時的功率波動對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。

本文分析儲能功率控制器在使用鎖相環(huán)技術(shù)時遇到的一些問題，并采用無鎖相環(huán)技術(shù)解決這些問題。在此基礎(chǔ)上，建立了一種基于頻率跟蹤的儲能功率控制策略。通過仿真算例研究微電網(wǎng)孤島運行時在陣風擾動情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 蓄電池儲能主電路結(jié)構(gòu)與運行分析

本文應(yīng)用的微電網(wǎng)快速儲能系統(tǒng)由儲能元件蓄電池組、儲能變換電路、濾波電路、檢測電路、控制系統(tǒng)等部分組成［2］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲能結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)濾波電路中等效電阻為R，等效電感為L，直流側(cè)的電壓為Vdc。在abc坐標系下電路滿足以下關(guān)系［3］:

式中VN

abc、iabc、Vabc分別代表儲能逆變器輸出三相電壓、輸出三相電流以及儲能裝置接入點三相電壓。將式（1）變換至d－q坐標系下，整理得到:

儲能控制系統(tǒng)包括電流控制器和功率控制器。功率控制器生成有功/無功電流參考值idref、iqref，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，功率控制器采用了無鎖相環(huán)技術(shù)來得到坐標變換需要的相角值φ。

圖2 功率控制器

儲能有功功率Pout、無功功率Qout滿足［4］:

2 基于無鎖相環(huán)技術(shù)的功率控制器設(shè)計

傳統(tǒng)的功率控制器在實現(xiàn)電壓、電流的有功分量和無功分量的解耦時，常使用鎖相環(huán)實時檢測來得到需要的相角值φ［5］，但是該方法存在功率計算比較復雜的缺點。本文采用無鎖相環(huán)技術(shù)來得到相角值φ。

如圖3所示，設(shè)矢量us的模為Um。需要得到的相角值φ是旋轉(zhuǎn)的d軸和靜止的α軸之間的夾角，且有φ=ωt。在使用PLL測量時只要測量A相電壓的相角就可以得到φ的值。圖中:d，q軸和矢量us均以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，如果把角θ的值賦給φ，相當于令Ud=Um，Uq=0。θ的計算公式為:

圖3 相角計算示意圖

儲能的Pout、Qout滿足以下關(guān)系:

使用式（5）計算儲能的有功功率、無功功率比式（3）更加簡潔。采用無鎖相環(huán)計算法得到的相角θ和d、q軸電壓的圖形分別如圖4和圖 5所示。

圖4 采用計算法得出A相電壓相角圖

圖5 采用計算法時電壓解耦圖

由圖4可知，采用計算法得出的相角值在工頻周期內(nèi)線性增加，精確地描述出了相角值的實際變化。由圖 5可知，采用計算法后Ud=Um，Uq=0，符合分析結(jié)果。

圖6 采用計算法儲能并網(wǎng)處A相電壓和電流波形圖

由圖6可知，儲能并網(wǎng)的濾波電感電流在兩個工頻周期的時間內(nèi)即可跟蹤上指令要求，反應(yīng)靈敏。由圖 7可知，儲能功率得到了完全解耦，且有功/無功功率值分別受有功/無功電流控制，儲能輸出功率同樣可以在兩個工頻周期內(nèi)跟蹤上指令值。

圖7 采用計算法時儲能功率解耦圖

3 基于微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的儲能控制方案

儲能控制系統(tǒng)包含電流控制器和功率控制器，如圖8所示。該系統(tǒng)應(yīng)用了電壓前饋控制來增強控制器的抗擾動能力。由于采用計算法時Uq=0，電壓前饋控制中，只有Ud的前饋控制。

由于低壓微電網(wǎng)線路的阻抗比?1，如果忽略線路中的濾波電感，則輸電線路可近似為純阻性。微電網(wǎng)的頻率主要受系統(tǒng)中無功功率的影響?；谝陨戏治觯瑢鹘y(tǒng)的基于功率跟蹤的儲能控制方案進行了改進，使儲能的無功功率直接跟蹤系統(tǒng)頻率。圖9描述了這兩種功率控制器結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)功率控制器（圖9左）:假設(shè)微電網(wǎng)在某一恒定風速下保持穩(wěn)定運行，儲能裝置與風機共同向微電網(wǎng)提供功率為Pref/Qref，風速擾動時儲能可對風機輸出功率波動進行快速緩沖，儲能與風機這個整體共同向系統(tǒng)提供的功率Pref/Qref保持不變，兩者可以視為一個有功/無功功率輸出穩(wěn)定的DG［6－7］。儲能控制的目的是抑制DG有功/無功功率波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖8 儲能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于頻率跟蹤的功率控制器（圖 9右）:該控制的有功功率調(diào)

節(jié)方式與傳統(tǒng)功率控制一致，無功功率輸出則跟隨系統(tǒng)交流母線上頻率frms的變化，將frms與頻率參考值fref的差值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器后的輸出值作為儲能的無功功率輸出參考值［8］。當frms低于fref時，儲能向微電網(wǎng)輸出部分無功功率來提高frms，否則儲能將吸收部分無功功率。儲能控制的目標是抑制交流母線上的頻率波動，改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖9 傳統(tǒng)功率控制器和基于頻率跟蹤控制器結(jié)構(gòu)圖

4 仿真結(jié)果與分析

微電網(wǎng)采用電纜線路，單位阻抗為 0.4487+j0.07（Ω/km），儲能裝置采用基于頻率跟蹤的功率控制方案。設(shè)風機穩(wěn)態(tài)風速為12 m/s，微電網(wǎng)孤島運行。圖10～12分別描述了t=5 s出現(xiàn)陣風干擾時風速變化和儲能的有功、無功功率響應(yīng)情況（儲能以吸收功率為正方向，儲能配置于PCC處）。由仿真結(jié)果可知:

圖10 風速變化曲線圖

（1）在5 s～10 s之間時，風速低于穩(wěn)態(tài)風速，風機輸出的有功功率小于Pref，吸收的無功功率也小于Qref。儲能裝置輸出有功功率，同時吸收無功功率，其吸收/輸出功率的大小隨風速的變化而變化，風速變化越大，儲能裝置吸收/輸出功率越大。

圖11 儲能有功功率響應(yīng)曲線圖

（2）在10 s～20 s之間時，風速高于穩(wěn)態(tài)風速，風機輸出的有功功率大于Pref，并且吸收的無功功率大于Qref。儲能裝置吸收有功功率，輸出無功功率。風速變化越大，儲能裝置吸收/輸出功率越大。

（3）20 s～25 s之間的分析與（1）一致。

圖12 儲能無功功率響應(yīng)曲線

可見，在出現(xiàn)陣風擾動時，采用本文提出的基于頻率跟蹤的儲能控制方案，可以較快的跟蹤系統(tǒng)的功率波動，并且分別對系統(tǒng)的有功和無功功率波動進行緩沖。

圖13 未配置儲能

圖13～15分別為系統(tǒng)（交流母線）頻率在無儲能和儲能采用不同控制方案下的波動曲線圖。

圖14 儲能采用傳統(tǒng)功率控制

可以看出，系統(tǒng)未配置儲能時頻率波動較顯著，最大頻率偏差達到2.4%;配置儲能后，有效地抑制了交流母線上的頻率波動。在使用傳統(tǒng)功率控制策略時最大頻率偏差0.8%，頻率恢復時間由無儲能時的10 s縮短至5 s。在使用基于頻率跟蹤的功率控制時頻率的最大偏差為0.4%，頻率恢復時間由無儲能時的10 s縮短為1 s。

圖15 儲能采用基于頻率跟蹤功率控制

5 結(jié)束語

微電網(wǎng)孤島運行時，可以通過配置快速儲能裝置來平滑系統(tǒng)的功率波動，從而減少AWT運行時對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性造成的不利影響。在陣風擾動時，儲能無論采用傳統(tǒng)功率控制還是采用基于頻率跟蹤的功率控制都可以達到有效抑制交流母線上功率波動，減小交流母線上的頻率偏差，縮短頻率恢復時間的效果，從而改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。儲能采用基于頻率跟蹤的功率控制方案時對頻率波動的抑制效果優(yōu)于傳統(tǒng)功率控制方案，頻率的恢復時間也比采用傳統(tǒng)功率控制方案時要短。

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