脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制研究

李 洋，王春明，侯朋飛，王金全，徐 曄

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制研究

李 洋，王春明，侯朋飛，王金全，徐 曄

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

隨著信息化技術(shù)發(fā)展，裝備數(shù)字化已成必然趨勢(shì)，負(fù)載功率脈沖特性日益顯著。脈沖負(fù)載的典型特點(diǎn)是峰值功率大、平均功率小，與常規(guī)負(fù)載不同，對(duì)電網(wǎng)的影響也有顯著差別。微電網(wǎng)充分利用綠色可再生能源，將其就地轉(zhuǎn)換為電能向負(fù)載供電，成為電力系統(tǒng)重要的發(fā)展方向之一。采用基于虛擬慣量的直流側(cè)儲(chǔ)能電池功率控制方法，平抑脈沖功率擾動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)的影響?；谀：壿嬕?guī)則，提出儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制策略，并搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析儲(chǔ)能電池工作前后微電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)。結(jié)果表明在直流側(cè)配置儲(chǔ)能后，直流母線電壓跌落幅度明顯減小，同時(shí)，交流側(cè)電壓畸變程度與頻率波動(dòng)幅度均降低。

脈沖負(fù)載；微電網(wǎng)；儲(chǔ)能；虛擬慣量；控制

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以相控陣?yán)走_(dá)、通信設(shè)備為代表的負(fù)載包含了大量的電力電子開關(guān)器件，這類負(fù)載工作周期通常為毫秒級(jí)，消耗功率并不恒定，呈典型的脈沖特性，表現(xiàn)為平均功率低、峰值功率大，因此被稱作脈沖負(fù)載。不同于常規(guī)負(fù)載啟動(dòng)或停止時(shí)單次沖擊的特點(diǎn)，脈沖負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的作用是周期性連續(xù)擾動(dòng)。以大容量、大機(jī)組為主要特征的公用電網(wǎng)，因其容量近似無(wú)窮大，系統(tǒng)慣性大，負(fù)載突變的功率擾動(dòng)并不會(huì)引起電網(wǎng)電壓和頻率發(fā)生大幅度波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的影響很??；而在容量較小的微電網(wǎng)中，情況則明顯不同，由于微電網(wǎng)的慣性小，機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不能及時(shí)滿足脈沖負(fù)載對(duì)瞬時(shí)功率需求，造成微電網(wǎng)抵御負(fù)載擾動(dòng)的能力差，給脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)運(yùn)行特性分析與控制帶來(lái)困難。

如何增大微電網(wǎng)的慣性，使之具備調(diào)頻能力，成為目前微電網(wǎng)穩(wěn)定研究的熱點(diǎn)之一。增大慣量的方法有兩種：一是增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從物理特性上提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)通常是固定的，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)難以改變；二是通過(guò)控制提高同步發(fā)電機(jī)虛擬慣量，人為改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在脈沖負(fù)載峰值功率來(lái)臨時(shí)刻，短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以釋放出更多的動(dòng)能，虛擬出更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率短時(shí)間內(nèi)下降較大，將影響其他交流負(fù)載正常工作，因此，調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)組的虛擬慣量對(duì)于提高脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)運(yùn)行特性是不可行的。

為實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)組的慣性響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性及調(diào)壓特性，侍喬明等人[1]提出了一種適用于風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)控制研究的模擬同步發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)方法；呂志鵬等人[2]建立了逆變器用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案的數(shù)學(xué)模型，研究了基于虛擬轉(zhuǎn)矩和虛擬勵(lì)磁的并網(wǎng)有功、無(wú)功調(diào)節(jié)方案；丁明等人[3]基于虛擬同步機(jī)概念研究了離網(wǎng)和并網(wǎng)時(shí)逆變器的工作特性；此外，基于虛擬同步機(jī)技術(shù)，LUNG C等人[4]對(duì)分布式發(fā)電離網(wǎng)和并網(wǎng)平滑轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，BANJO等人[5]研究了逆變器獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)，SAKIMOTO等人[6]研究了逆變器并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)。此外，SAKIMOTO K[7]對(duì)虛擬同步機(jī)控制的分布式發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。針對(duì)多級(jí)并聯(lián)運(yùn)行的逆變器，SHINTAI T等人[8]研究了振蕩阻尼特性，TORRES M等人[9]分析了大規(guī)模太陽(yáng)能電站逆變器運(yùn)行情況。上述文獻(xiàn)表明，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是控制變流器的一種方法，目的是使微電源與變流器級(jí)聯(lián)系統(tǒng)具有同步發(fā)電機(jī)的功率控制和調(diào)頻調(diào)壓能力，核心之一就是虛擬慣量控制。

儲(chǔ)能設(shè)備在微電網(wǎng)中占有重要地位，它能夠根據(jù)電源與負(fù)載的功率需求釋放或吸收功率，起到“削峰填谷”、平滑功率波動(dòng)的作用，克服新能源發(fā)電易受自然資源限制而出現(xiàn)輸出功率波動(dòng)的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以緩解負(fù)荷隨機(jī)開關(guān)或變化而導(dǎo)致的用電功率波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與直流電源類似，虛擬同步機(jī)技術(shù)同樣適用于控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，如研究較多的功率控制系統(tǒng)(Power Control System, PCS)[10]。正如前文所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)電源側(cè)，可提高風(fēng)電場(chǎng)慣量，參與風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻和調(diào)壓過(guò)程，但是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的慣量尚缺乏研究。

事實(shí)上，任何物體都有慣性，在非零狀態(tài)下均具備一定大小的慣量，儲(chǔ)能系統(tǒng)也是如此。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠根據(jù)電源和負(fù)載的功率差和控制指令，進(jìn)行能量的釋放或吸收，即通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)的能量交換，以平抑微電網(wǎng)功率的波動(dòng)，進(jìn)而穩(wěn)定微電網(wǎng)頻率，這本身就是一種“慣量控制”的表現(xiàn)。現(xiàn)有文獻(xiàn)涉及儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量控制技術(shù)研究集中于交流側(cè)[11]，特別是風(fēng)電場(chǎng)，在交流側(cè)配置儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能裝置通過(guò)逆變器連接于交流母線，通常是假定儲(chǔ)能系統(tǒng)具有無(wú)窮大的功率和能量。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置在直流側(cè)時(shí)通常直接并聯(lián)于直流母線[12]，限制了儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬更大的慣性。事實(shí)上，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與雙向DC-DC變換器結(jié)合后再并入直流母線，也可采用虛擬慣量控制策略，根據(jù)負(fù)載運(yùn)行特性，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)與雙向DC-DC變換器系統(tǒng)輸出功率，就地補(bǔ)償負(fù)載功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬慣量控制[13]。然而，儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬慣量控制與儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率特性密切相關(guān)，研究和利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬慣量控制必須深入研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的功率特性。

1 儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制

微電網(wǎng)直流母線電壓變化的根本原因是系統(tǒng)能量不平衡，利用儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償系統(tǒng)中的不平衡能量，可以有效地降低系統(tǒng)中的不平衡能量，有效地降低系統(tǒng)電壓的變化率。如果要產(chǎn)生與同容量同步發(fā)電機(jī)相同的虛擬慣量效果，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要在與發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)相近的時(shí)間內(nèi)釋放同步發(fā)電機(jī)慣量作用釋放的能量。為了使得儲(chǔ)能裝置在系統(tǒng)發(fā)生電壓突變時(shí)迅速和電網(wǎng)交換能量，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直流側(cè)電壓偏差和電壓變化率信號(hào)，采用如圖1所示的模糊推理的方法確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率。

圖1 模糊控制方法

采用反饋系統(tǒng)電壓偏差經(jīng)過(guò)微分控制器或者比例-積分-微分(PID)控制器來(lái)控制儲(chǔ)能功率輸出，即：

PESS=-Kdu/dt

(1)

(2)

1.1 儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制

為了降低模糊邏輯復(fù)雜度，分別設(shè)計(jì)電壓及電壓變化率、電流及電流變化率的模糊邏輯推理控制器。

電壓及電壓變化率模糊邏輯推理控制器的輸入與輸出關(guān)系如圖2所示，其中輸入為直流母線處的電壓偏差(-30～+30 V)和電壓變化率(-6～+6 V/s)，輸出為儲(chǔ)能裝置的功率指令值(-1～+1 pu，放電為正，充電為負(fù))。

圖2 慣量控制儲(chǔ)能功率響應(yīng)圖

該控制器根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整儲(chǔ)能的有功輸出，動(dòng)態(tài)模擬同步發(fā)電機(jī)的下垂特性和慣量響應(yīng)特性，有效補(bǔ)償了系統(tǒng)的虛擬慣量。其輸入變量的隸屬度函如圖3所示，其中NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)分別表示7個(gè)模糊子集；輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖3所示，包含NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)7個(gè)模糊子集。

圖3 輸入變量隸屬度函數(shù)

模糊邏輯推理結(jié)果決定了儲(chǔ)能裝置的功率輸出指令，不同的模糊邏輯推理規(guī)則會(huì)導(dǎo)致不同的儲(chǔ)能控制效果。為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置與系統(tǒng)的快速能量交換，使得儲(chǔ)能裝置按照類梯形形式輸出有功功率，其基本的推理規(guī)則如表1所示：當(dāng)系統(tǒng)電壓偏差較大或者是電壓偏差變化率較大時(shí)，盡可能增大儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)交換能量；而系統(tǒng)電壓偏差較小并且電壓變化率接近零時(shí)，盡可能減小儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)交換能量，使得電壓恢復(fù)穩(wěn)定。

表1 模糊邏輯推理表

同理，也可獲得電流及電流變化率的模糊邏輯推理控制器。

1.2 虛擬慣量控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程

虛擬慣量控制的實(shí)現(xiàn)方法是在儲(chǔ)能有功參考值上附加一個(gè)與系統(tǒng)電壓微分信號(hào)(即電壓變化率du/dt)成比例的分量。在此基礎(chǔ)上，還可以在儲(chǔ)能有功參考值上再附加一個(gè)與電壓偏移量(Δu)成比例的分量。

儲(chǔ)能虛擬慣量控制過(guò)程如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能虛擬慣量控制過(guò)程

(1)電壓事件的檢測(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)量測(cè)直流母線電壓Ue，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大負(fù)荷擾動(dòng)(脈沖負(fù)載接入和切出)時(shí)，若電壓u超出死區(qū)范圍(記為[UL,UH])，則儲(chǔ)能系統(tǒng)開始虛擬慣量控制過(guò)程。

(2)虛擬慣量控制過(guò)程。若儲(chǔ)能電壓在安全允許范圍內(nèi)并且控制持續(xù)時(shí)間小于設(shè)定值，則儲(chǔ)能進(jìn)行虛擬慣量控制，儲(chǔ)能虛擬慣量控制模塊產(chǎn)生有功參考增量為ΔP。

(3)充電過(guò)程，恢復(fù)電池電壓。若虛擬慣量控制過(guò)程中電壓超出安全允許范圍或者虛擬慣量控制持續(xù)時(shí)間大于設(shè)定值，則儲(chǔ)能系統(tǒng)開始電壓恢復(fù)過(guò)程，其中ub0為系統(tǒng)電壓變化前儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓，電壓恢復(fù)模塊所產(chǎn)生的有功參考增量為ΔPrec。

經(jīng)過(guò)上述步驟，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電壓突變后完成了一次完整的虛擬慣量控制過(guò)程。

2 系統(tǒng)仿真分析

本文建立了由柴油發(fā)電機(jī)組模型、整流器模型、脈沖負(fù)載仿真模型、儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模塊構(gòu)成的系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

啟動(dòng)仿真，對(duì)比分析儲(chǔ)能系統(tǒng)工作前后系統(tǒng)交流電壓和電流、直流電壓和電流、電網(wǎng)頻率、勵(lì)磁電壓、電網(wǎng)電流等參數(shù)的變化趨勢(shì)。交流相電壓和相電流的波形如圖6所示。

圖6 交流電壓電流對(duì)比圖

直流側(cè)電壓和電流的波形如圖7所示。

圖7 直流電壓電流對(duì)比圖

由圖7可知，直流電壓波動(dòng)幅度明顯降低，且在脈沖負(fù)載工作期間，電流也變得比較穩(wěn)定，即提高了脈沖負(fù)載供電質(zhì)量。

頻率變化對(duì)比、勵(lì)磁電壓對(duì)比分別如圖8和圖9所示。

圖8 頻率變化對(duì)比圖

圖9 勵(lì)磁電壓變化對(duì)比圖

由圖8和圖9可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)投入后，頻率波動(dòng)和勵(lì)磁電壓波動(dòng)均降低。

脈沖負(fù)載峰值來(lái)臨時(shí)，電流變化最為明顯。在儲(chǔ)能系統(tǒng)投入前，補(bǔ)償電流由濾波電容提供。在一個(gè)脈沖內(nèi)，電源輸出電流、儲(chǔ)能系統(tǒng)電流和電容電流的對(duì)比如圖10所示。

圖10 電路電流對(duì)比圖

由圖10可知，在脈沖來(lái)臨初始，儲(chǔ)能系統(tǒng)慣量響應(yīng)，使系統(tǒng)開始輸出電流，此時(shí)負(fù)載電流由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供，輸出電流比較穩(wěn)定，一段時(shí)間后，電源電流在微電網(wǎng)控制器作用下逐漸增大，與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同作用向負(fù)載供電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)投入后，電池電壓和電流的變化如圖11所示。

圖11 電池電壓和電流變化

由圖11可知，電池端電壓和輸出電流比較穩(wěn)定，表明在虛擬慣量控制作用下電池工作穩(wěn)定。

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)投入工作后，直流側(cè)電壓波形質(zhì)量得到明顯改善，波動(dòng)率明顯降低；交流側(cè)頻率波動(dòng)率、電壓相對(duì)偏差率等指標(biāo)也有所下降。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行后，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓變化規(guī)律較為明顯，且變化幅度縮小。上述指標(biāo)的變化表明儲(chǔ)能系統(tǒng)投入運(yùn)行后微電網(wǎng)運(yùn)行特性得到改善，即在脈沖負(fù)載峰值功率來(lái)臨時(shí)刻，儲(chǔ)能系統(tǒng)在虛擬慣量的控制下瞬時(shí)釋放出更大的能量以滿足負(fù)載需求，實(shí)現(xiàn)了將儲(chǔ)能電池與雙向DC-DC變換器結(jié)合虛擬為大電容的目標(biāo)，有效降低了脈沖負(fù)載對(duì)微電網(wǎng)的影響程度，且在脈沖功率持續(xù)期間，負(fù)載電流波形比較平穩(wěn)，表明直流側(cè)電能質(zhì)量得到顯著提高，有利于負(fù)載穩(wěn)定工作。

3 結(jié)論

隨著高技術(shù)裝備和信息化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的負(fù)載表現(xiàn)出脈沖特性，脈沖負(fù)載已成為電力負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)。而微電網(wǎng)充分利用綠色可再生能源就近組網(wǎng)并向負(fù)載供電，成為電力系統(tǒng)重要發(fā)展方向，特別是對(duì)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)和特種工程與裝備供電保障難題具有重要意義。為此，本文著重研究脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)運(yùn)行控制方法，尋求抑制脈沖負(fù)載影響的補(bǔ)償控制措施，以提高脈沖負(fù)載條件下微電網(wǎng)安全運(yùn)行可靠性。根據(jù)儲(chǔ)能電池特性，本文提出了選擇儲(chǔ)能電池的補(bǔ)償方法，基于模糊邏輯規(guī)則，提出儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬慣量控制策略。對(duì)比分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)投入前后微電網(wǎng)運(yùn)行特性。結(jié)果表明在直流側(cè)配置儲(chǔ)能電池采用虛擬慣量控制后，直流母線電壓跌落幅度明顯降低，同時(shí)交流側(cè)電壓畸變程度和頻率波動(dòng)幅度均降低，電能質(zhì)量得到大大改善。

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Virtual inertia control of energy storage battery in microgrid with pulsed loads

Li Yang, Wang Chunming, Hou Pengfei, Wang Jinquan, Xu Ye

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007, China)

With the fast development of information technology, the digitized equipments has become an inevitable trend, the power characteristic of load become increasingly significant. There are typical characteristics of pulsed loads, e.g., the peak value of power is large but the mean value is small. Hence, the influence of pulsed load on power system is different from the common loads. Microgirds are becoming a realistic scenario in which distributed energy resources, energy storage systems and power loads can be connected and integrated into grid. The virtual side of the DC-based energy storage battery power control method is used to stabilize the impact on microgrid from the pulse power perturbation. The virtual moment of inertia control strategy to the energy-storage battery has been proposed based on fuzzy logical rule. Then the operating characteristic reactor change of microgrid has been researched by the system simulation. It turned that the DC bus voltage drops amplitude decreases obviously, and the distortion in voltage and frequency fluctuation in the AC side also have reduced.

pulsed load; microgrid; storage; virtual inertial; control

TM743

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.026

李洋，王春明，侯朋飛，等.脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)儲(chǔ)能電池虛擬慣量控制研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：92-96,100.

2017-03-22)

李洋(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)及智能微電網(wǎng)控制技術(shù)。

王春明(1966-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)技術(shù)。

侯朋飛(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)。