儲能型SNOP電壓支撐控制策略研究與仿真

陸 旭，郭家虎，吳冬暉，紀澤宇

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

1 引言

隨著分布式電源急劇增長，以及以電動汽車充電樁為主的新一代負荷的大規(guī)模接入，導(dǎo)致微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，負荷類型日益多樣，已造成了廣泛而深遠的影響。柔性開關(guān)設(shè)備SNOP(Soft Normally Open Point)是一種基于功率變換裝置的柔性互聯(lián)設(shè)備，可替換傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，通過控制所連饋線的潮流流向改善系統(tǒng)的能量分布，為解決這些問題提供了新的思路。

儲能型SNOP作為SNOP的拓展，利用兩側(cè)變流器可實現(xiàn)儲能元件的充放電控制，從而使SNOP進一步具備了能量存儲功能，可用于減輕由于分布式電源或者可變負荷所引起的功率輸出的瞬變。文獻[5]中儲能通過DC/DC變換器雙有源電橋連接到SNOP的直流側(cè)，介紹了一種儲能型SNOP的全局控制策略，實現(xiàn)儲能充放電的獨立控制，雖然增加了儲能型SNOP的靈活性，也增加控制的復(fù)雜程度。文獻[6]討論了儲能型SNOP接入配電網(wǎng)的運行優(yōu)化問題，結(jié)果表明儲能型SNOP在降低損耗、改善電壓分布以及適應(yīng)高DG穿透力等方面具有顯著的優(yōu)勢。SNOP出現(xiàn)的初衷是用于靈活控制所連交流系統(tǒng)的潮流流向，但對于有源微網(wǎng)而言，從安全性和系統(tǒng)可靠性的角度來看，異常和故障情況下的運行也非常重要。在故障恢復(fù)方面，現(xiàn)有研究通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)或使用SNOP，通過改變潮流流向的方式對失電負荷進行恢復(fù)，然而對配電網(wǎng)網(wǎng)重構(gòu)，整個系統(tǒng)的運行特性和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時以上研究均以大電網(wǎng)為背景，故障的出現(xiàn)對系統(tǒng)影響相對較小，并不適用于有源微網(wǎng)。

本文針對有源微網(wǎng)柔性互聯(lián)系統(tǒng)，通過在柔性互聯(lián)設(shè)備SNOP的直流側(cè)加入儲能裝置，并通過在協(xié)調(diào)兩側(cè)變流器的有功功率輸出值討論了儲能裝置的充放電控制，隨后在恒功率控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)P-F和Q-U下垂特性曲線，提出了一種電壓支撐控制策略，可有效解決失電負荷的供電恢復(fù)問題。最后在DigSILENT上搭建了兩端口有源微電網(wǎng)柔性互連模型，仿真結(jié)果驗證了控制策略的有效性。

2 儲能型SNOP數(shù)學(xué)模型

2.1 系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)的SNOP是由兩個背靠背布置的電壓源型變流器(VSC)組成，用于實現(xiàn)“AC-DC-AC”變換。SNOP的運行方式為儲能的靈活接入提供了可能，儲能更容易接入直流側(cè)，且損耗更小，將儲能連接到SNOP的直流側(cè)，使SNOP成為高度集成的能量轉(zhuǎn)換裝置，它不僅可以實時調(diào)節(jié)所連饋電線之間功率傳輸，還可以在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定功率波動，增強SNOP的調(diào)度能力。圖1顯示了兩個有源微網(wǎng)之間的儲能型SNOP的接入位置。

圖1 儲能型SNOP的接入位置

2.2 BTB-VSC數(shù)學(xué)模型

本文所采用背靠背電壓源變流器(BTB-VSC)拓撲結(jié)構(gòu)，它由兩個連接到兩個饋線的VSC和一個DC總線組成，每個變流器可以相互獨立的控制以實現(xiàn)不同的控制需求，同時兩側(cè)交流系統(tǒng)通過直流環(huán)節(jié)實現(xiàn)了解耦，能夠隔離兩側(cè)饋線的故障。圖2所示的是儲能型SNOP拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2 儲能型SNOP拓撲結(jié)構(gòu)

將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)通過派克變化換成同步的旋轉(zhuǎn)d-q坐標系，即可轉(zhuǎn)化為如式的旋轉(zhuǎn)d-q坐標系下的兩側(cè)VSC動態(tài)微分方程

(1)

式中：

U

1、

U

1、

U

2、

U

2分別表示端口1和2電壓的

d

-

q

軸分量，

i

1、

i

1、

i

2、

i

2分別表示端口1和2輸出電流的

d

-

q

軸分量，

S

1、

S

1、

S

2、

S

2分別表示端口變流器開關(guān)調(diào)制函數(shù)的

d

-

q

軸分量，

w

和

w

為兩側(cè)母線相電壓的角頻率，

U

為直流母線電壓。

根據(jù)瞬時功率原理，當(dāng)兩側(cè)交流母線三相穩(wěn)定，直流母線電壓恒定時，變流器的有功和無功輸出可定義為

(2)

由式(2)可知，通過控制

i

的值就可以控制端口變流器有功功率的輸出值，通過控制

i

的值就可以控制端口變流器無功功率的輸出值。

第二句的“假象”實指第一句“亂人心神”的甜美果實和“美麗的陷阱”，“蒙蔽”“沉醉”“不可自拔”“沉淪”等詞語則對應(yīng)于第一句“毒性”“陷阱”，寫作上是一氣呵成。

2.3 直流側(cè)數(shù)學(xué)模型

從直流側(cè)有功功率守恒角度考慮，各端口變流器以及儲能裝置的有功功率輸出滿足以下式子

(3)

式中：

i

1和

i

2和分別表示由直流側(cè)流向1和2端口變流器的電流值，

i

表示儲能裝置流向直流母線的電流值，其中

P

指儲能輸出有功功率值。當(dāng)

U

保持恒定時，直流側(cè)電流關(guān)系滿足

i

=

i

1+

i

2，忽略各變換器以及儲能裝置自身損耗，端口變流器以及儲能裝置的有功功率滿足

P

=

P

+

P

(4)

由式(4)此可知，通過控制兩側(cè)變流器的有功功率輸出值，便可有效控制儲能裝置的有功功率輸出。當(dāng)

P

+

P

> 0時，儲能工作在放電模式，向系統(tǒng)發(fā)出能量；當(dāng)

P

+

P

< 0時，儲能裝置工作在充電模式，吸收系統(tǒng)的能量；當(dāng)

P

+

P

=0時，儲能裝置進入空閑模式，不參與能量調(diào)節(jié)。

3 儲能型SNOP控制策略

正常情況下BTB-VSC型SNOP在PQ-UQ控制模式下運行，一個VSC用于控制有功傳輸，另一個用于平衡直流側(cè)電壓側(cè)。穩(wěn)定的直流電壓是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。將儲能安裝在直流側(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，從而達到穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓的作用。故儲能型SNOP的有功功率控制可以具有兩個自由度，即兩側(cè)端口VSC均可工作在恒功率控制(PQ控制)模式下。且由于直流側(cè)的隔離，兩個端口的無功功率控制互不影響，每個端口的無功功率可根據(jù)給定值自由控制。

另外，VSC變流器還需要采用有源逆變的方式來處理由于發(fā)生故障時斷路器跳閘所導(dǎo)致的孤島運行，下垂控制(Droop控制)由于控制結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速等優(yōu)點常被用做孤島情況下首選控制策略，但由于下垂固有特性，無法實現(xiàn)真正的無差調(diào)節(jié)。當(dāng)所連饋線發(fā)生故障導(dǎo)致電源退出運行時，工作在恒壓恒頻控制(V/F控制)式下的變換器可為失電負荷提供穩(wěn)定的電源支撐，此時變流器需要根據(jù)給定的交流電壓設(shè)定值(Uref)和頻率設(shè)定值(Fref)工作，為失電負荷提供穩(wěn)定的交流電源。結(jié)合式(3)表明了VSC輸出功率大小與dq軸電流分量之間存在線性關(guān)系，在此理論基礎(chǔ)上，本文建立了如圖3所示的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖3 雙閉環(huán)控制框圖

3.1 外環(huán)控制

根據(jù)P-F和Q-U特性曲線，頻率和電壓的控制可通過調(diào)節(jié)變流器有功功率和無功功率的輸出值實現(xiàn)，使得交流側(cè)母線頻率和電壓值保持在某一恒定值附近，采用V/F控制一般需要具有較大的可調(diào)容量或者具有容量較大的儲能作為支撐，故該控制策略可有效應(yīng)用在儲能型SNOP裝置上。V/F控制外環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其控制方程滿足：

(5)

式中：

P

和

Q

表示有功和無功功率的給定值，

p

，

q

表示變流器有功和無功功率的實際輸出值，

U

和

F

表示所連交流母線的電壓和頻率測量值，

U

和

F

為頻率和電壓的給定值。

K

、

K

、

K

、

K

和

T

、

T

、

T

、

T

表示各

PI

環(huán)節(jié)的比例積分系數(shù)。

圖4 V/F控制外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

V/F

外環(huán)控制系統(tǒng)由頻率電壓控制和

PQ

控制構(gòu)成，各個控制環(huán)節(jié)均采用

PI

控制器用于消除動態(tài)誤差。其中，若是以獨立設(shè)定的給定值

P

和

Q

輸入

PQ

控制模塊中，此時變流器工作在恒功率模式。頻率控制中，通過測量得到交流側(cè)母線實際頻率

F

與給定值

F

作比較后對其誤差通過

PI

和限幅環(huán)節(jié)進行修正得到有功功率新的給定值

P

輸入到

PQ

控制環(huán)節(jié)。

PQ

控制環(huán)節(jié)下可實現(xiàn)對給定的有功功率值進行跟蹤控制，通過計算與實際輸出有功功率

p

與給定值進行比較，通過

PI

和限幅環(huán)節(jié)消除了給定值和實際值之間的誤差，輸出參考信號

i

＿提供給電流內(nèi)環(huán)作為給定值，補償或吸收有功差額達到保持交流母線頻率穩(wěn)定的目的。電壓控制同理。

3.2 內(nèi)環(huán)控制

(6)

式中：

u

、

u

、

i

、

i

分別為表示變流器端口測量得到的電壓和電流的

d

-

q

軸分量，

i

＿和

i

＿和表示外環(huán)控制輸出的

d

-

q

軸電流信號給定值，

P

和

P

表示輸出的脈沖寬度調(diào)制參數(shù)

d

-

q

軸分量。

K

、

K

和

T

、

T

分別表示

PI

環(huán)節(jié)的比例積分系數(shù)。

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

控制器的輸入電壓和電流是由全局參考系通過參考角

cosref

，

sinref

變換得到，將

i

和

i

與參考信號

i

＿和

i

＿比較，輸出差值通過

PI

環(huán)節(jié)修正，對參考電流信號進行無差跟蹤，再通過前饋解耦得到控制信號

P

和

P

，使用同樣的參考角轉(zhuǎn)換回全局參考系得到變流器各相橋臂開關(guān)的SVPWM信號，達到控制變流器輸出的目的。

4 仿真驗證

為了驗證儲能裝置的充放電控制以及故障情況下的電壓支撐策略，本文在DigSILENT上搭建了如圖6所示的儲能型SNOP柔性互聯(lián)仿真模型，其中交直流電壓為：

U

=0

.

4

kV

，

U

=1

kV

，逆變器額定容量為

S

=1

MVA

，儲能容量為

C

=1

Ah

。負荷1和負荷2分別為0.1MW和0.2MW。

圖6 儲能型SNOP柔性互聯(lián)模型

VSC控制框架如圖7所示。主要包括PQ控制模塊，頻率控制模塊，電壓控制模塊以及switch模塊等。其中PQ控制模塊用于將有功和無功功率給定值Pref、Qref與交流側(cè)母線實際有功和無功實際值p、q作為輸入量，id＿ref和iq＿ref作為輸出量到VSC電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)有功和無功功率控制。頻率控制模塊和電壓控制模塊分別以交流側(cè)母線頻率和電壓的測量值Fmeas、u和給定值Fref、Uref作為輸入量，通過對其差值進行無差修正得出PQ控制模塊的有功和無功功率給定值，從而實現(xiàn)V/F控制模式。switch模塊用于切換控制模式，當(dāng)s=1時，PQ控制模塊以PQ設(shè)定值P＿ref＿PQ和Q＿ref＿PQ作為輸入量，此時變流器工作在恒功率模式下；當(dāng)s=2時，以頻率控制模塊和電壓控制模塊輸出的給定值P＿ref＿VF和Q＿ref＿VF作為輸入量，此時變流器工作在恒壓恒頻控制模式下。

圖7 VSC控制復(fù)合模型

4.1 儲能充放電控制

正常情況下，兩側(cè)VSC均工作在PQ模式下，為了觀察儲能充放電的情況，以階躍信號的方式對兩側(cè)VSC的有功功率給定值進行設(shè)置，仿真開始時設(shè)置P=0.1 MW，P=-0.1 MW；1 s時，令P=0.1 MW；2 s時，令P=-0.1 MW，P=-0.1 MW；3 s時，令P=0.1 MW。其中儲能荷電狀態(tài)(SOC)初始值設(shè)為0.5，設(shè)定總仿真時間為4 s，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 儲能充放電仿真曲線

從圖(a)可以看出，兩側(cè)VSC的有功功率輸出可以快速跟蹤設(shè)定值，仿真開始后，有功功率由AC2側(cè)流向AC1側(cè)，P=P，儲能工作在空閑模式，此時SOC保持不變；1 s時，P+P> 0，儲能工作在放電模式，提供缺額的有功功率補償，此時SOC逐漸下降；2 s時，P+P< 0，儲能充電，吸收系統(tǒng)多余的有功功率，SOC持續(xù)上升；3 s時，有功功率由AC1側(cè)流向AC2側(cè)，儲能進入空閑模式，SOC保持恒定直至仿真結(jié)束。直流側(cè)電壓波形如圖(c)所示，在直流側(cè)安裝儲能可以更好地維持直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，使各端口VSC以及儲能在進行功率傳輸?shù)耐瑫r保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提升了SNOP的潮流控制能力。

4.2 故障恢復(fù)控制

有源微網(wǎng)中的分布式電源可能會因為發(fā)生故障而退出運行，為了滿足重要負荷的不間斷供電，此時端口VSC將以V/F控制模式工作。仿真開始時，兩側(cè)VSC均工作在PQ模式下，其中兩側(cè)VSC的初始值設(shè)定為P=0.1 MW，P=-0.1 MW，此時儲能處于空閑模式。假設(shè)5 s時AC1饋線出現(xiàn)故障，斷路器S1跳閘導(dǎo)致分布式電源DG1退出運行，設(shè)定總仿真時間為10 s，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 單側(cè)故障仿真曲線

由圖(a)可以看出，當(dāng)DG1退出運行后，VSC1側(cè)迅速響應(yīng)，為AC1側(cè)提供穩(wěn)定的電源支撐，同時儲能放電為失電負荷提供有功功率，由圖(b)可以看出此時SOC持續(xù)下降，同時VSC2的有功輸出始終保持不變。AC1側(cè)母線頻率和電壓如圖(c)和(d)所示，大約在0.7 s內(nèi)恢復(fù)到正常值。由此可以看出，儲能型SNOP在應(yīng)對由于故障導(dǎo)致饋線失電的情況時，在保證另一側(cè)交流系統(tǒng)正常運行的同時，可在儲能容量范圍內(nèi)為故障側(cè)負荷提供穩(wěn)定的電源支撐。

5 結(jié)論

本文在SNOP的直流側(cè)加入儲能，通過控制兩側(cè)變流器的有功輸出可靈活對儲能進行充放電控制，提升了SNOP的潮流控制能力。并充分利用儲能提出了儲能型SNOP的電壓支撐策略，通過仿真驗證，該控制策略能夠在保持非故障側(cè)正常傳輸功率的同時為失電負荷提供穩(wěn)定的電壓支撐。