基于儲能型SNOP功率反饋控制策略的研究與仿真*

陸 旭，紀(jì)澤宇，陳 晨

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著低碳技術(shù)日益受到重視，DG、儲能以及電動汽車廣泛地接入低壓配電網(wǎng)中，使得相鄰饋線之間可能會出現(xiàn)不平衡負(fù)荷，這將會導(dǎo)致更高的電壓損耗以及電壓質(zhì)量問題[1-2]。伴隨電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及控制策略的多樣性，可以開發(fā)出一個靈活、可靠、高效的柔性開關(guān)設(shè)備，進(jìn)而提高運(yùn)行效率和配電可靠性[3]。

SNOP(Soft Normally Open Point)作為一種新型電力電子裝置，用于取代傳統(tǒng)的配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)連接饋線之間的電力潮流靈活調(diào)節(jié)[4]。SNOP“交-直-交”的運(yùn)行方式為儲能的接入提供了可能,通過在SNOP的直流側(cè)安裝儲能裝置可將SNOP擴(kuò)展為具有能量存儲的集成系統(tǒng)，當(dāng)配電網(wǎng)無法及時消納或者提供相應(yīng)的功率時，儲能裝置的加入可以有效解決此類問題[5]。

儲能型SNOP最早提出是用于減輕由于快速移動的云層覆蓋而引起的光伏系統(tǒng)功率輸出瞬變的影響[6]。通過合理的充放電控制，可以使SNOP在具備功率傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)一步具備能量儲存功能[7]。在配電網(wǎng)優(yōu)化方面，儲能的加入使各端口控制有功潮流的自由度得到提高，同時大大提升了SNOP的潮流控制能力[8-10]。現(xiàn)有的研究主要集中于兩種設(shè)備聯(lián)合接入配電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化方法，并且現(xiàn)階段研究均以大電網(wǎng)為平臺，負(fù)荷的變化對電網(wǎng)的影響相對較小，并不適用于有源微網(wǎng)。

本文在有源微網(wǎng)的基礎(chǔ)上，討論了雙端口儲能型SNOP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，在恒功率控制的基礎(chǔ)上提出了一種適用于儲能型SNOP的功率反饋控制策略，該控制策略以交流系統(tǒng)通過功率反饋環(huán)節(jié)有功功率不平衡所導(dǎo)致的頻率差值作為反饋量，控制端口變流器的有功功率傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。通過在DigSILENT/PowerFactory上搭建雙端有源微電網(wǎng)柔性互連模型，驗(yàn)證了控制策略的可行性。

1 儲能型SNOP系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

通過在傳統(tǒng)SNOP的直流側(cè)安裝儲能裝置便可構(gòu)成儲能型SNOP系統(tǒng)，用于取代傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)交流饋線間的柔性互聯(lián)。儲能型SNOP接入位置如圖1所示。它由兩個以背靠背方式布置的變流器和一個儲能裝置組成，變流器的交流側(cè)連接兩側(cè)饋線，直流側(cè)和儲能連接在公共的直流母線上。它不僅可以實(shí)現(xiàn)不同饋電線之間傳輸功率的實(shí)時調(diào)節(jié)，而且可以在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定功率波動。

圖1 儲能型SNOP的接入位置

1.2 儲能型SNOP數(shù)學(xué)模型

本文采用背靠背電壓源變流器(BTB-VSC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由兩個連接兩側(cè)交流系統(tǒng)的VSC和直流母線組成，儲能裝置可直接連接在直流側(cè)母線上。由于BTB-VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全對稱，為了簡化，對其中一個端口進(jìn)行分析，圖2所示的是儲能型SNOP單側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 儲能型SNOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將三相靜止abc坐標(biāo)系通過派克變化換成同步的旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，即可轉(zhuǎn)化為如式(1)所示的旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的兩側(cè)VSC動態(tài)微分方程:

(1)

式(1)中:k=1,2;Ukd和Ukq分別表示端口k輸出交流電壓的d軸和q軸分量；ikd和ikq分別表示端口k輸出交流電流的d軸和q軸分量；Sdk和Sdk分別表示端口k變流器開關(guān)調(diào)制函數(shù)的d軸和q軸分量；ωk為k側(cè)交流系統(tǒng)相電壓的角頻率；Udc為直流側(cè)電壓。

忽略電壓損耗，根據(jù)瞬時功率原理，當(dāng)兩側(cè)交流系統(tǒng)三相穩(wěn)定，直流側(cè)電壓恒定時，兩側(cè)VSC的輸出有功功率Pk和無功功率Qk可定義如式(2)所示：

(2)

通過控制ikd的值就可以控制k端口VSC有功功率的輸出值，通過控制ikq的值就可以控制k端口VSC無功功率的輸出值，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制有功功率和無功功率。

從直流側(cè)有功功率穩(wěn)定角度考慮，各端口VSC以及儲能裝置的有功功率輸如式(3)所示:

(3)

其中：idc1和idc2和分別表示由直流側(cè)分別流向1，2端口VSC的電流值；iE表示儲能裝置流向直流母線的電流值；PE指儲能裝置充電或放電的有功功率值。在正常情況下，忽略各變換器以及儲能裝置自身損耗，雙端口變流器以及儲能裝置的有功功率關(guān)系如式(4)所示：

PE=P1+P2

(4)

1.3 儲能型SNOP工作原理

儲能型SNOP原理圖如圖3所示，功率方向按照原理圖功率流向箭頭方向?yàn)檎?。忽略功率損耗的條件下，兩側(cè)VSC在滿足有功功率約束和容量約束的前提下，輸出的有功功率以及儲能裝置所發(fā)出的有功功率應(yīng)滿足相加之和為零的條件。VSC發(fā)出的無功功率相對獨(dú)立，需滿足雙端VSC的無功功率約束和容量約束。儲能型SNOP運(yùn)行有功功率應(yīng)滿足的條件如式(5)所示:

圖3 儲能型SNOP原理圖

(5)

由于本文所采用的儲能裝置直接連接到SNOP直流側(cè)母線，所以本身不具有功率潮流控制能力，需要由兩側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制其功率輸出。儲能裝置控制模式如下所述：

空閑模式：當(dāng)VSC1和VSC2向交流母線發(fā)出或吸收的有功功率相等(P1=P2)時，儲能裝置主要用于穩(wěn)定直流側(cè)母線的電壓，不參與有功功率調(diào)節(jié)(PE=0)。

充電模式：當(dāng)VSC1和VSC2向交流母線發(fā)出或吸收的有功功率之和大于零(P1+P2>0)時,儲能裝置在穩(wěn)定直流電壓的同時充電以吸收系統(tǒng)多余的有功功率(PE=||P1|-|P2||)。

放電模式：當(dāng)VSC1和VSC2向交流母線發(fā)出或吸收的有功功率之和小于零(P1+P2<0)時,儲能裝置在穩(wěn)定直流電壓的同時放電以補(bǔ)充系統(tǒng)缺失的有功功率(PE=||P1|-|P2||)。

2 儲能型SNOP功率反饋控制

為了滿足儲能型SNOP靈活控制潮流，本文提出一種基于儲能型SNOP功率反饋控制策略，主要由外環(huán)功率反饋控制、功率中環(huán)控制、電流內(nèi)環(huán)控制3環(huán)組成。

2.1 功率反饋控制

微電網(wǎng)中新能源出力與負(fù)荷處于實(shí)時波動狀態(tài)，且多以有功功率的方式輸入或輸出，故將會導(dǎo)致有功功率的不平衡。根據(jù)頻率-有功下垂特性，有功的變化必然會導(dǎo)致交流母線的頻率變化。為了消除這種有功功率不平衡，提出如圖4所示的功率反饋控制。

圖4 有功功率反饋控制

功率反饋控制以VSC所連交流側(cè)母線的頻率Fmeas為輸入量，將所測的頻率值與設(shè)定值Fref的差值ΔF經(jīng)過比例環(huán)節(jié)得到有功功率的設(shè)定值Pref作為功率電流環(huán)的輸入信號，進(jìn)而控制接口變換器的有功功率傳輸。反饋特性如式(6)所示：

Pref=P0+(Fmeas-Fref)KF

(6)

其中：Pref為VSC處于PQ控制模式下的有功功率設(shè)定值；Fmeas為VSC所連交流母線的測量值；P0為VSC初始輸出的有功功率值;Fref為頻率的設(shè)定值，取50 Hz;KF為頻率的功率反饋系數(shù)，如式(7)所示：

(7)

其中：Pmax為有功負(fù)荷增加時分布式電源頻率下降時允許輸出的最大功率；Fmin為分布式電源允許的最小頻率。

2.2 功率反饋控制策略

一般來說，正常情況下BTB-VSC型SNOP是在PQ-UdcQ控制模式下運(yùn)行的，一個VSC用于控制有功和無功功率，另一個用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓。穩(wěn)定的直流側(cè)電壓是SNOP中最重要同時也是最薄弱的部分，當(dāng)直流側(cè)電壓無法穩(wěn)定時，整個SNOP系統(tǒng)將崩潰。然而將儲能裝置安裝在直流側(cè)，可視作一個可控恒壓源，通過充放電控制可以維持直流側(cè)的功率平衡，從而達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓的作用。

綜上所述，儲能型SNOP兩端均采用功率反饋控制，整體控制框圖如圖5所示。外環(huán)功率反饋控制以VSC所連交流側(cè)母線的頻率Fmeas和頻率設(shè)定值Fref作為輸入量，通過外環(huán)功率反饋控制得到的有功功率設(shè)定值Pref作為輸出值，將Pref和可獨(dú)立設(shè)置的無功功率設(shè)定值Qref輸入到功率中環(huán)進(jìn)行比較，由計算得到VSC的實(shí)際發(fā)出功率p，q，并將其誤差通過PI限幅環(huán)節(jié)，得到電流內(nèi)環(huán)的參考信號id_ref和iq_ref。將參考信號與坐標(biāo)變換所得到的id和iq進(jìn)行比較，然后將其誤差通過PI環(huán)節(jié)，得到VSC調(diào)制的電壓信號，根據(jù)有功功率變化的頻率偏差值實(shí)現(xiàn)有功功率平衡。

圖5 整體控制框圖

采用功率反饋控制的SNOP，功率總是流向負(fù)荷需求更大的交流側(cè)。同時有儲能的支撐，這使得負(fù)荷波動無論發(fā)生在哪一側(cè)，兩側(cè)交流系統(tǒng)以及儲能都會協(xié)同平衡負(fù)荷的波動，達(dá)到功率平衡，從而實(shí)現(xiàn)了能源的合理利用。

3 仿真設(shè)計

本文以DigSILENT/PowerFactory作為平臺，搭建了如圖6所示的有源微網(wǎng)通過儲能型SNOP柔性互聯(lián)仿真模型。系統(tǒng)中主要仿真參數(shù)見表1。

圖6 儲能型SNOP仿真結(jié)構(gòu)圖

為了模擬新能源發(fā)電出力的隨機(jī)性以及以新能源汽車為代表的新型負(fù)荷接入配電網(wǎng)的不確定性，本文采用投切有功負(fù)荷的方式來驗(yàn)證控制策略的有效性。具體安排見表2。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)安排

按照本文提出的功率反饋控制策略，功率反饋系數(shù)KF設(shè)為10。取VSC向交流母線，儲能向直流母線傳輸?shù)墓β蕿檎较?，其中儲能荷電狀態(tài)(SOC)初始值設(shè)為0.8，仿真時長為25 s。

由圖7和圖8可以看出，5 s時，Load2并網(wǎng)，AC1側(cè)母線負(fù)荷增加0.2 MW，系統(tǒng)頻率下降至49.98 Hz，此時AC2側(cè)正處于功率平衡狀態(tài)，無法為AC1側(cè)提供相應(yīng)的有功功率，此時儲能迅速響應(yīng)，并通過VSC1向AC1側(cè)提供0.2 MW的有功功率補(bǔ)償。由圖9可以看出:此時SOC持續(xù)下降，AC1側(cè)母線達(dá)到功率平衡，實(shí)現(xiàn)了儲能放電為饋線提供有功功率的功能。

圖7 交流側(cè)母線頻率

圖8 各端口及儲能有功功率曲線

圖9 儲能荷電狀態(tài)

10 s時，Load4離網(wǎng)，AC2側(cè)母線負(fù)荷減少0.2 MW，系統(tǒng)頻率上升至5.02 Hz。多余的有功功率通過VSC2流入DC側(cè)母線，并通過VSC1輸送到AC1側(cè)母線，此時儲能進(jìn)入空閑模式，SOC保持不變，兩側(cè)交流母線達(dá)到功率平衡，實(shí)現(xiàn)了儲能退出運(yùn)行，SNOP獨(dú)自控制潮流的功能。

15 s時，Load2離網(wǎng)，AC1側(cè)母線功率恢復(fù)平衡，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至額定值，此時DC側(cè)母線正向AC1側(cè)母線吸收有功功率，故儲能迅速響應(yīng)，吸收多余的有功功率，此時SOC持續(xù)上升，使兩側(cè)母線達(dá)到功率平衡，實(shí)現(xiàn)了儲能充電吸收多余有功功率的功能。

20 s時，Load4并網(wǎng)，AC2側(cè)功率恢復(fù)平衡，兩側(cè)交流系統(tǒng)頻率恢復(fù)至額定值，儲能退出運(yùn)行，整個系統(tǒng)重新恢復(fù)到初始狀態(tài)直至25 s時仿真結(jié)束。

在整個仿真的過程中，由圖10可以看出，儲能型SNOP在進(jìn)行有功功率傳輸控制的同時，交流側(cè)母線電壓均維持在正常工作水平，同時，儲能裝置的加入也能夠?yàn)橹绷鱾?cè)母線提供穩(wěn)定的電壓支撐。

圖10 交直流母線電壓

綜上所述，功率反饋控制在當(dāng)SNOP所連饋線出現(xiàn)負(fù)荷不平衡時，可有效控制有功功率流向有功負(fù)荷需求的一側(cè)，從而維持功率平衡。當(dāng)饋線兩側(cè)無法達(dá)到功率平衡時，儲能的加入可以為其提供有效的有功功率支撐，同時也能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓，有效提高了SNOP靈活控制有功潮流的能力。

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對新能源發(fā)電出力的隨機(jī)性以及新能源汽車為代表的新型負(fù)荷接入配電網(wǎng)的不確定性，考慮了基于儲能型的SNOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，提出一種儲能型SNOP的功率反饋控制策略。根據(jù)功率不平衡所導(dǎo)致的頻率變化的差值作為反饋量，實(shí)現(xiàn)靈活控制相連饋線的有功潮流，有效控制有功潮流總是朝著負(fù)荷增大的饋線流動的目的。同時儲能的加入使SNOP高度集成為一種具有能量存儲功能的能量中轉(zhuǎn)裝置，可以在一定范圍內(nèi)緩解功率波動，增大了SNOP的調(diào)度能力。仿真結(jié)果表明：該控制策略能夠充分利用儲能實(shí)時協(xié)調(diào)饋線之間的功率平衡。

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