小容量離網(wǎng)型局域網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制策略研究

嚴(yán) 雄, 王 勃，譚琳琳

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

遠(yuǎn)離大電網(wǎng)覆蓋的島嶼、邊塞、山區(qū)、或既有供電系統(tǒng)薄弱地區(qū)，由于一次能源運(yùn)費(fèi)高昂、環(huán)境友好性差，主網(wǎng)延伸投資運(yùn)維成本高、經(jīng)濟(jì)效益低等原因，其生產(chǎn)生活用能一直是困擾各級(jí)政府，制約民生經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題。如何因地制宜的利用當(dāng)?shù)貎?yōu)越的自然資源條件，經(jīng)濟(jì)、安全、高效地使用清潔能源，是國(guó)家和政府能源工作指導(dǎo)的方向，也是新能源工作者不倦追求的目標(biāo)。離網(wǎng)型局域網(wǎng)可以有效解決上述問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，與多電力電子器件系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性有關(guān)的多源協(xié)調(diào)控制策略是目前此類(lèi)項(xiàng)目關(guān)注的重點(diǎn)，基于發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘?、供電電壓等?jí)、儲(chǔ)能逆變單元單機(jī)最大容量及源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)組網(wǎng)架構(gòu)四大要素，通常將新能源裝機(jī)容量小于1 MW、儲(chǔ)能逆變單元采用單機(jī)且功率不大于0.5 MW、采用400 V電壓直接供電、部分新能源發(fā)電單元與儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流側(cè)匯集的離網(wǎng)型局域網(wǎng)歸為小容量局域網(wǎng)，本文將對(duì)小容量離網(wǎng)型局域網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究，旨在提出一套適用于直流母線組網(wǎng)方案的小容量離網(wǎng)型局域網(wǎng)的多源協(xié)調(diào)控制策略，為離網(wǎng)型局域網(wǎng)工程的系統(tǒng)控制方式設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 離網(wǎng)型局域網(wǎng)構(gòu)成及特點(diǎn)

離網(wǎng)型局域網(wǎng)是以風(fēng)、光等新能型源融合儲(chǔ)能、配電網(wǎng)的方式，為島嶼、邊塞、山區(qū)等弱電網(wǎng)地區(qū)提供電力服務(wù)的獨(dú)立電力系統(tǒng)。局域網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能載體一般受項(xiàng)目建設(shè)周期、場(chǎng)地面積、技術(shù)成熟度、運(yùn)維難易、安全性與經(jīng)濟(jì)性等諸多因數(shù)制約，目前以電化學(xué)儲(chǔ)能方式中的磷酸鐵鋰電池為主。離網(wǎng)型局域網(wǎng)靠電化學(xué)儲(chǔ)能保證系統(tǒng)正常工作電壓和頻率，由于運(yùn)行方式多變，且沒(méi)有大電網(wǎng)作支撐，該系統(tǒng)會(huì)缺乏一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，頻率與電壓易失去穩(wěn)定性。

2 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)接線型式

根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入新能源發(fā)電系統(tǒng)時(shí)的出口電壓類(lèi)型，一般將離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)接線型式分為直流母線及交流母線兩種方案，典型接線如圖1、2所示。

圖1 直流母線典型接線方案

容量較小的局域網(wǎng)一般采用直流母線方案，交流側(cè)輸出電壓等級(jí)為400 V，光伏發(fā)電和儲(chǔ)能電池均通過(guò)相應(yīng)的電力電子功率變換器接入直流母線，直流部分采用統(tǒng)一的DC/AC變流器(系統(tǒng)變流器)接入交流母線，聯(lián)合風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)一起為負(fù)載供電。交流母線方案中風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲(chǔ)能電池均通過(guò)對(duì)應(yīng)的逆變升壓設(shè)備接入交流10 kV或35 kV母線。直流母線方案中的儲(chǔ)能DC/DC變流器及交流母線方案中的儲(chǔ)能逆變?cè)O(shè)備(PCS)均為雙向元件。儲(chǔ)能在上述兩種方案中的作用為：在系統(tǒng)中為其它發(fā)電設(shè)備提供參考電壓、維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，平滑風(fēng)光發(fā)電設(shè)備出力，削峰填谷、存儲(chǔ)電量。

圖2 交流母線典型接線方案

交、直流母線方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流母線方案系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率更高、能量損耗更小、成本相對(duì)低，控制對(duì)象僅為電壓幅值，控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但直流系統(tǒng)保護(hù)方案需進(jìn)一步研究；交流母線方案中PCS容量相對(duì)較大，可通過(guò)控制策略及依靠先進(jìn)的通信手段，使PCS群分別在一次、二次調(diào)頻過(guò)程中具有良好的“協(xié)調(diào)一致”性，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)，PCS群具備“寬范圍負(fù)載”適應(yīng)性，抗沖擊性及穩(wěn)定性能更好，交流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)和設(shè)備也相對(duì)成熟。

3 直流母線匯流方案控制策略

離網(wǎng)型局域網(wǎng)為交流負(fù)載供電時(shí)，控制核心為交流側(cè)母線電壓與頻率，解決方案是利用系統(tǒng)DC/AC變流器將交流負(fù)載與直流母線完全解耦，系統(tǒng)頻率由DC/AC變流器設(shè)定，交流電壓靠直流母線電壓及DC/AC變流器的穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)。

3.1 直流側(cè)母線電壓控制

3.1.1工作模式

光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流母線，光伏DC/DC變流器采用MPPT尋優(yōu)+限壓控制模式，在母線電壓正常范圍內(nèi)，光伏DC/DC變流器尋找光伏組件最大功率點(diǎn)，并輸出到直流母線。儲(chǔ)能DC/DC變流器按設(shè)置的電壓控制點(diǎn)及控制策略，自動(dòng)平衡光伏DC/DC變流器和DC/AC系統(tǒng)變流器的功率，穩(wěn)定直流母線電壓。光伏DC/DC變流器與儲(chǔ)能DC/DC變流器之間不需要通信連接。

3.1.2控制策略

(1) 儲(chǔ)能DC/DC變流器

小容量離網(wǎng)型系統(tǒng)供電電壓通常為400 V，供電范圍較小，傳輸線路參數(shù)中感抗與電阻接近或遠(yuǎn)小于電阻，整個(gè)離網(wǎng)型系統(tǒng)主要呈現(xiàn)阻性，相較于常規(guī)電力系統(tǒng)P與f耦合性較強(qiáng)的特性，小容量離網(wǎng)型系統(tǒng)P與V的耦合性則更強(qiáng)[1-2]。因此，在小容量離網(wǎng)型局域網(wǎng)中，儲(chǔ)能DC/DC變流器一般采用P/V下垂控制策略[3]，以實(shí)現(xiàn)無(wú)互聯(lián)通信情況下多單元并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率主動(dòng)分配。儲(chǔ)能DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及P/V控制框圖分別如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

定義Pdc為變流器實(shí)際出力，k為下垂曲線斜率，Udc-set為直流母線額定電壓值，Udc-reg為DC/DC變流器電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)，Ufeed為變流器出口電壓，α為占空比，儲(chǔ)能DC/DC變流器的控制分為電壓下垂控制與PI控制兩個(gè)環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能DC/DC逆變器 P/V下垂控制框

直流母線電壓P/V下垂計(jì)算公式為Udc-reg=Udc-set-k×Pdc，下垂曲線斜率k一般按變流器單位功率變化引起的直流額定電壓波動(dòng)進(jìn)行選取，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改。

(2) 光伏DC/DC變流器

光伏DC/DC變流器采用MPPT+限壓控制模式，在母線電壓設(shè)定值范圍內(nèi)，通過(guò)比較當(dāng)前時(shí)刻光伏功率Pk與前一控制周期的光伏功率Pk-1大小，對(duì)功率元件占空比進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使光伏出力穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)光伏的最大效率利用，光伏DC/DC變流器及控制框圖分別如圖5、6所示。

圖5 光伏DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 光伏DC/DC變流器控制框

當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC接近某一上限定值時(shí)，且光伏出力大于負(fù)載容量時(shí)，光伏DC/DC變流器退出MPPT控制模式，限功率運(yùn)行。對(duì)于小容量局域網(wǎng)系統(tǒng)，光伏限功率策略一般與MPPT策略結(jié)合后固化在光伏DC/DC變流器中。

3.2 交流側(cè)電壓及頻率控制

3.2.1V/f控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型局域網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)DC/AC變流器通常采用V/f控制方式，為局域網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓與頻率，DC/AC變流器控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下圖7所示[4-6]。其中uf(a,b,c)為負(fù)荷側(cè)電壓，u(a,b,c)為變流器橋臂輸出電壓，if(a,b,c)為變流器橋臂輸出電流，ii(a,b,c)為三相電容電流，if(a,b,c)為負(fù)荷側(cè)電流，Cdc為直流側(cè)電容，L、C為濾波電感與電容，id(q).ref與ud(q).ref分別為dq軸參考電流與參考電壓，fset與Uset分別為電壓的目標(biāo)頻率與幅值。

3.2.2控制數(shù)學(xué)模型

由自控控制原理可知，PI控制器可以實(shí)現(xiàn)直流量的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。由圖7可列出逆變器三相電路在三相靜止坐標(biāo)系(3s)下的狀態(tài)方程，經(jīng)等幅值Clarke與Park變換后，得出兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2r)下的方程如公式(1)所示，進(jìn)一步變換后如公式(2)所示。

從公式(2)可知，dq軸之間存在交叉耦合量，引入逆變器dq軸電流環(huán)的輸出、輸入?yún)⒘靠蓪?duì)其進(jìn)行解耦。當(dāng)采用PI控制時(shí)，電流環(huán)輸出、輸入控制方程如公式(3)所示[4,7]。

式中：Kip、Kii為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)；Kup、Kui為電壓外環(huán) 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)。

3.2.3雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

V/f控制方式一般采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制[6,8]，電流內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)為變流器橋臂輸出電壓u(a,b,c)，控制所需的電流參考值由電壓外環(huán)決定，而電壓外環(huán)的輸入值則包括電壓參考值與實(shí)際電壓值。從整體控制架構(gòu)來(lái)講，V/f控制方式就是用負(fù)荷側(cè)實(shí)際電壓uf(a,b,c)去控制變流器橋臂輸出電壓u(a,b,c)，而使u(a,b,c)達(dá)到電壓目標(biāo)電壓值。結(jié)合公式(3)可得到V/f電壓電流雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖，如圖8所示。

圖7 DC/AC逆變器V/f控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框

從圖7可知，V/f電流電壓雙環(huán)控制的目標(biāo)幅值與頻率均可設(shè)定；電壓控制外環(huán)負(fù)責(zé)為整個(gè)離網(wǎng)型電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和頻率的恒定控制；電流控制內(nèi)環(huán)采用逆變器橋臂的輸出電流及電壓外環(huán)輸出控制，從而可以抵御負(fù)荷擾動(dòng)帶來(lái)的影響，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，且具有較好的跟蹤性。

4 工程應(yīng)用

新疆某新型能源局域網(wǎng)項(xiàng)目位于新疆南部喀什地區(qū)，該供電系統(tǒng)是由400kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、250kW/1MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)、4×20kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、2×100kW柴油發(fā)電機(jī)及交流負(fù)載構(gòu)成，交流負(fù)載最大功率為200kW。光伏與儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流側(cè)匯流，交流側(cè)電壓等級(jí)為400V，電氣主接線如圖9所示。儲(chǔ)能125kWDC/DC變流器和250kWDC/AC系統(tǒng)變流器均為雙向元件，儲(chǔ)能變流器高壓側(cè)滿載工作電壓范圍為570～850V，系統(tǒng)變流器交流側(cè)額定電壓為380V，變壓器主要作用是隔離與濾波。

圖9 某新型能源局域網(wǎng)項(xiàng)目電氣主接線

柴油發(fā)電機(jī)為風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)退出工作時(shí)的緊急備用電源。風(fēng)機(jī)功率較小，平常處于自由發(fā)電狀態(tài)。局域網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)光伏、風(fēng)機(jī)出力之和較大時(shí)，二者通過(guò)直流母線給負(fù)載供電，同時(shí)給電池充電；當(dāng)光伏、風(fēng)機(jī)出力下降，無(wú)法滿足負(fù)載的功率要求時(shí)，DC/DC變流器釋放電池能量，補(bǔ)充光伏、風(fēng)機(jī)出力與負(fù)載的能量差；在夜晚或者光照極弱狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)出力與負(fù)載的功率差由儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)DC/DC變流器提供。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能DC/DC變流器、光伏DC/DC變流器、DC/AC系統(tǒng)變流器采用3.1節(jié)、3.2節(jié)所述的控制策略。當(dāng)負(fù)載為156.4kW，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓、電流波形如圖10所示。三相電壓波形成正弦交變狀態(tài),頻率為50Hz,相電壓最大值227V,電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

圖10 系統(tǒng)電壓和電流波形

系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷突變的響應(yīng)能力及抗沖擊性能也非常突出，圖11為負(fù)載由132kW突變至254kW時(shí)，系統(tǒng)三相電壓、電流、有功、無(wú)功的波形變化。從圖11中可以看出，DC/AC系統(tǒng)變流器有功及無(wú)功輸出功率在3.5個(gè)周波內(nèi)趨于穩(wěn)定，達(dá)到254kW的需求值，且超過(guò)DC/AC變流器的額定輸出功率；負(fù)荷變化前后，三相電壓幅值均滿足電能質(zhì)量要求，變化幅度分別僅為0.67%、0.77%、1.3%。說(shuō)明在控制策略合適與負(fù)載變化一定的前提下，電力電子器件構(gòu)成的離網(wǎng)型局域網(wǎng)其響應(yīng)速度與穩(wěn)定性不弱于常規(guī)電力系統(tǒng)，甚至更好。

圖11 負(fù)荷突變情況下的電力參數(shù)波形

5 結(jié) 論

(1) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)呈電阻性特性，系統(tǒng)功率與電壓耦合性更強(qiáng)。

(2) 利用直流側(cè)母線匯流方案時(shí)，交流側(cè)采用V/f控制策略，負(fù)載容量的變化，會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓相應(yīng)波動(dòng)，只需要采用P/V控制策略穩(wěn)定直流母線電壓即可；相較于交流母線匯流方案，可不用考慮無(wú)功、頻率等因數(shù)，控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于負(fù)載容量小、運(yùn)維技術(shù)缺乏的離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)。

(3) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)電力電子設(shè)備多，過(guò)電流倍數(shù)較低，系統(tǒng)自身無(wú)慣性、易失穩(wěn)，為提高局域網(wǎng)的抗沖擊性能，建議系統(tǒng)DC/AC變流器的容量應(yīng)基于考慮電機(jī)啟動(dòng)電流、變壓器勵(lì)磁涌流后的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果確定，可采取適當(dāng)加大變流器容量，改變電機(jī)啟動(dòng)方式、限制變壓器勵(lì)磁涌流的方式提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。