計及二次調頻獨立型微電網快速調頻策略

嚴偉，徐光福，侯煒，朱皓斌，陳俊，王政，王晨

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211106；2.東南大學電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

獨立型微電網不依賴于外部大電網，具有可再生能源就地發(fā)電、就地消納的優(yōu)點，可以有效解決高、海、邊、無等地區(qū)供電問題。然而獨立型微電網缺少大電網提供的頻率、電壓支撐，加之系統(tǒng)慣性弱、功率波動性強、負荷與電源的雙重波動加劇了微電網調頻的壓力，頻率穩(wěn)定控制更加困難。微電網頻率穩(wěn)定按照遭遇擾動的程度一般可分為小擾動和大擾動[1]。微電網系統(tǒng)發(fā)生大擾動后，出現較大的有功功率不平衡，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復到允許范圍內的能力稱為暫態(tài)頻率穩(wěn)定[2-4]。

微電網控制模式分為對等控制、主從控制和分層控制。對等控制有利于分布式電源（distributed generation，DG）即插即用，每個DG 根據接入點電壓和頻率的就地信息進行下垂控制，共同支撐系統(tǒng)的頻率電壓穩(wěn)定，但是由于多DG 下垂并聯控制策略存在功率分配不均、環(huán)流、振蕩等問題[5-6]，應用還十分困難，因此目前工程上一般應用主從控制或分層控制模式。獨立型微電網主從控制或分層控制一般采用一個（或少量幾個）DG 或儲能作為主控電源（以下簡稱“主電源”）承擔微電網調頻調壓角色，遭遇大擾動時，可能存在調頻容量不足進而引起系統(tǒng)頻率失穩(wěn)的問題，研究獨立型微電網暫態(tài)頻率穩(wěn)定控制具有重要意義。

文獻[7]提出將分布式電源采用改進型下垂控制，并將這些下垂微電源整體作為主控部分，其余的微電源采用恒功率控制（簡稱PQ 控制）作為從控部分，較傳統(tǒng)的主從控制具有更好的適應性和穩(wěn)定性。文獻[8]提出了一種新型自適應下垂控制方案，針對低壓微電網抗干擾能力差，引入頻率、電壓補償環(huán)節(jié)在自適應下垂控制中來提高系統(tǒng)魯棒性。文獻[9]提出了一種提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的虛擬同步發(fā)電機（VSG）控制策略，利用VSG 可模擬同步發(fā)電機轉動慣量與阻尼的能力及其快速的動態(tài)響應特性，實現對系統(tǒng)頻率波動的抑制。文獻[10]提出一種兩層控制結構，初級控制由傳統(tǒng)的功率-頻率下垂改進為功率-增量因子下垂，第2 層控制采用一致性協(xié)議以分布式方式實現頻率同步、頻率無差、功率優(yōu)化目標。文獻[11]針對低壓微電網提出了一種自適應調節(jié)下垂系數的改進下垂控制方法，實現了微源功率解耦和頻率電壓無靜差控制，改善了低壓微電網的頻率及電壓水平。上述文獻主要集中在對主電源變流器控制和基于分層的一次、二次調頻控制研究，對于提高小擾動情況下頻率穩(wěn)定控制和頻率無差控制性能具有積極的作用，但是難以解決大擾動時主電源調頻容量不足引起的暫態(tài)頻率穩(wěn)定問題。

出現大擾動導致微電網內功率嚴重不平衡時，常見的控制手段是采取低頻減載和高頻切機緊急措施[12-13]，卻忽略了微電網內PQ 源的快速調節(jié)能力[14-15]，導致過多的負荷或電源被切除，此外關于低頻減載和高頻切機的頻率整定均未考慮獨立型微電網頻率運行區(qū)間受二次調頻的影響。

本文針對大擾動下的暫態(tài)頻率控制問題，分析獨立型微電網運行頻率特征，基于對微電網內PQ源快速調節(jié)潛力的挖掘，并考慮二次調頻影響，提出一種快速調頻策略并研制了微網協(xié)調控制器（microgrid coordinated controller，MGCC），最后通過RTDS 硬件在環(huán)試驗驗證所提策略的有效性。

1 獨立型微電網大擾動下控制及頻率特征分析

由于電力電子系統(tǒng)的非線性和復雜性，微電網本質上是一個典型的非線性動態(tài)系統(tǒng)，基于線性化的數學模型只能描述一定控制方式下的小干擾穩(wěn)定性問題[16-17]，對于本文所討論的大干擾暫態(tài)穩(wěn)定性問題并不適用，目前針對微電網大擾動下的暫態(tài)過程研究尚十分有限[1]，定量分析極其困難，本節(jié)主要通過原理和仿真進行定性分析，得出一般結論。

本文以圖1 所示光儲典型獨立型微電網系統(tǒng)結構為研究對象，儲能1 作為主電源采用VF 下垂控制；儲能2、光伏1、光伏2 采用PQ 控制。

圖1 典型獨立型微電網系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of typical independent micro grid system

1.1 主電源一/二次調頻特性分析

采用VF 下垂控制的主電源為獨立型微電網提供頻率參考值，當發(fā)生功率擾動時，主電源通過P-f下垂控制調節(jié)有功輸出維持系統(tǒng)內功率平衡，此過程為一次調頻，其中P-f曲線見圖2，P、f關系為

圖2 主電源調頻曲線Fig.2 Frequency modulation curve of main power source

式中：Kp為有功-頻率下垂系數；P0為額定頻率fn下對應的參考有功功率（以下稱“參考功率”）。

假設儲能最大允許放電功率為Pdischrg_max、最大允許充電功率為Pchrg_max，代入式（1）得到頻率運行下限flim_l、上限flim_h分別為

式（2）表明獨立型微電網在主電源一次調頻控制下，頻率理論運行在[flim_l，flim_h]區(qū)間內。

一次調頻屬于頻率有差調節(jié)，在運行過程中為了減小頻率偏差，需要再采用二次調頻[18-21]，即通過改變參考功率P0值，使得下垂曲線整體平移，進而調節(jié)系統(tǒng)頻率更接近額定頻率fn。而當二次調頻參考功率點由圖2 中A 點移向B 點（或C 點），頻率[flim_l，flim_h]區(qū)間發(fā)生偏移，會造成低頻減載或高頻切機頻率定值難以兼顧，進而引起拒動、誤動。

1.2 大擾動下控制及頻率特征仿真

為了進一步研究大擾動下控制行為及頻率特征，采用Matlab/Simulink 對圖1 建模，進行負荷突增仿真分析。假設儲能1 具備500 ms 短時1.1 倍過載能力，超時過流保護跳閘，Kp=0.25×10-2Hz/kW，Pdischrg_max、Pchrg_max均為200 kW，P0=0。根據式（2），微電網頻率理論上運行在[49.5 Hz，50.5 Hz]內。

初始狀態(tài)光伏1、2 發(fā)電功率均為50 kW、儲能2 功率為-40 kW（充電）、120 kW 負荷3 投入運行。

微電網頻率與儲能1 有功輸出曲線見圖3。1）0.5 s前儲能1 放電功率約60 kW，系統(tǒng)頻率運行在49.84 Hz。2）0.5 s 時，投入100 kW 負荷2，儲能1 通過增加輸出電流從而提高輸出有功至160 kW，系統(tǒng)達到新的平衡，受下垂控制作用，頻率下降并穩(wěn)定在49.6 Hz。3）1.0 s 時，投入60 kW 負荷1，儲能1 仍然迅速通過增加輸出電流從而提高有功輸出，電流到達1.1 倍額定后變流器電流控制環(huán)進入飽和限流狀態(tài)[22]，輸出功率達到200 kW，頻率運行于49.5 Hz，持續(xù)500 ms 后，主電源儲能1 過流跳閘，失去主電源，全系統(tǒng)失電。

圖3 頻率與主電源功率仿真波形Fig.3 Simulation waveform of frequency and power of main power source

仿真發(fā)現，微電網遭遇功率大擾動時，基于下垂特性的主電源在幾十毫秒內首先完成一次調頻，如果功率擾動值小于主電源最大可調節(jié)功率，則微電網進入一個新的穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)頻率值由下垂曲線決定；反之，如果功率擾動值大于主電源最大可調節(jié)功率，主電源一次調頻后電流控制環(huán)將進入飽和限流狀態(tài)，輸出功率達到或超過最大允許充/放電值，頻率運行在[flim_l，flim_h]邊界，接下來主電源可能出現過流保護跳閘，也可能與其他電源之間失去穩(wěn)定[22-23]。

2 計及二次調頻獨立型微電網快速頻率控制策略

2.1 獨立型微電網快速調頻策略

前文分析了當微電網頻率運行在理論區(qū)間邊界時，主電源可能已經進入飽和限流狀態(tài)或輸出功率接近最大允許充/放電值，處于非安全穩(wěn)定狀態(tài)。而獨立型微電網遭遇大的功率擾動時，僅靠主電源緊急調頻，可能會出現因容量不足引起系統(tǒng)崩潰的問題，此外，二次調頻引起頻率正常運行區(qū)間偏移，傳統(tǒng)低頻減載或高頻切機頻率定值整定難以兼顧，引起拒動、誤動。針對上述問題，本文提出的快速調頻策略主要思想是實時計算理論頻率運行區(qū)間，監(jiān)測到當前微電網頻率運行在理論區(qū)間邊界時，優(yōu)先快速調節(jié)包含儲能和光伏在內的PQ 源有功代替?zhèn)鹘y(tǒng)切機切負荷，輔助主電源進行緊急調頻，避免因主電源調頻容量不足引起的系統(tǒng)崩潰。

快速調頻策略邏輯見圖4，為了確保頻率運行在[flim_l，flim_h]區(qū)間內并留有安全裕量，首先MGCC 根據當前P0值和下垂系數、最大允許充/放電功率，采用式（4）實時計算快速調頻動作門檻下限值fsafe1_l和快速調頻動作門檻上限值fsafe1_h。

圖4 獨立型微電網快速頻率控制邏輯圖Fig.4 Logic diagram of fast frequency control for independent microgrid

式中，Δfsafe1和Δfsafe2為頻率安全裕量。

式（2）代入式（3），得到公式為

測量系統(tǒng)頻率f，若f∈[fsafe_l，fsafe_h]，則不執(zhí)行調頻操作；若f?[fsafe_l，fsafe_h]，MGCC 則立即調節(jié)PQ 儲能或光伏有功，具體過程：1）若f＞fsafe_h，采用PI 算法控制PQ 儲能逐步減少放電功率或增加充電功率，直到f≤fsafe_h。如果PQ 儲能功率到達充電功率上限，仍然f＞fsafe_h，則采用PI 算法逐步減小光伏發(fā)電功率，直到f≤fsafe_h。2）若f＜fsafe_l，控制PQ 儲能逐步增加放電功率或減小充電功率，直到f≥fsafe_l。如果PQ 儲能功率到達放電功率上限，則進行輪次切負荷控制，直到f≥fsafe_l。

2.2 PQ源功率控制響應速度測試

對PQ 源實施毫秒級控制是實現快速調頻的關鍵，在UAPC（unified advanced platform for protection and control）平臺研制的MGCC 上開發(fā)了本文提出的策略。如圖1 所示，采用GOOSE 協(xié)議與PQ 儲能變流器、光伏逆變器通信，通信延時＜2 ms[24]。

采用MGCC 分別對實際工程中500 kW 儲能（1臺500 kW 儲能變流器，采用PQ 控制）和1.5 MWp 光伏（3 臺500 kW 光伏逆變器）進行功率控制響應速度測試。圖5（a）為MGCC 控制儲能由額定放電功率階躍至額定充電功率時響應曲線，自MGCC 發(fā)送功率指令（t=0.2 s 時）至儲能實際功率輸出響應時間約15 ms；圖5（b）為MGCC 控制光伏輸出功率由800 kW 階躍至100 kW 時響應曲線，響應時間約55 ms?？梢姴捎肕GCC 控制PQ 儲能和光伏均能在百毫秒內完成功率目標值的調節(jié)，快于主電源電流飽和后保護動作時間，滿足頻率暫態(tài)穩(wěn)定控制響應要求。

圖5 PQ源功率響應曲線Fig.5 Power response curve of PQ source

3 硬件在環(huán)試驗驗證

圖6 為微電網RTDS 硬件在環(huán)試驗平臺，采用圖6 硬件在環(huán)試驗方案搭建了由實時數字仿真器（RTDS）與儲能變流器控制器、光伏逆變器控制器、MGCC 組成的微電網試驗平臺，系統(tǒng)一次結構及光伏、儲能、負荷額定容量如圖1 所示。主電源儲能1具備500 ms 短時1.1 倍過載能力，下垂系數Kp=0.5×10-2Hz/kW，Pdischrg_max、Pchrg_max均為200 kW，頻率安全裕量Δfsafe1=0.2 Hz，Δfsafe2=0.2 Hz。

圖6 微電網RTDS硬件在環(huán)試驗平臺Fig.6 In-loop test platform of RTDS hardware of micro grid

試驗分為3 個場景，驗證降功率調頻、升功率調頻和二次調頻影響下的動作行為，其中場景1 和場景2 二次調頻參考功率P0=0，場景3P0=60 kW。

為了與傳統(tǒng)低頻減載作對比，設定傳統(tǒng)低頻減載定值為49.2 Hz，延時0.3 s 跳負荷1，延時0.6 s 跳負荷2；快速調頻策略中低頻調頻門檻值為fsafe_l，延時0.3 s 跳負荷1，延時0.6 s 跳負荷2。根據式（4），得到場景1 和場景2fsafe_l=49.2 Hz，fsafe_h=50.8 Hz，場景3fsafe_l=49.5 Hz，fsafe_h=50.1 Hz。

3.1 場景1：驗證PQ儲能+光伏降功率快速調頻策略

圖7 為負荷突減導致有功嚴重過剩，快速調頻策略試驗波形圖。

圖7 PQ源降功率快速調頻試驗波形Fig.7 Test waveform of fast frequency modulation of PQ power reduction

0.5 s 前為擾動前初始態(tài)，光伏發(fā)電1、2 發(fā)電功率共計400 kW，負荷1、3 投入，共180 kW，儲能2 以80 kW 恒功率充電，儲能1 充電功率約為140 kW，頻率穩(wěn)定運行在50.7 Hz。

1）t0=0.5 s 時刻遭遇120 kW 負荷3 線路跳閘，系統(tǒng)功率嚴重過剩，儲能1 迅速增加充電功率試圖維持系統(tǒng)功率平衡，t1時刻到達最大值220 kW，變流器電流控制環(huán)進入飽和限流狀態(tài)，頻率快速上升至約51.1 Hz，大于安全穩(wěn)定區(qū)高頻邊界50.8 Hz。2）t2、t3時刻先后觸發(fā)儲能2 和光伏快速調頻邏輯，儲能2 首先迅速增加充電功率至最大值，接著光伏通過PI 控制算法減小輸出功率，儲能1 開始逐步退出飽和。3）t4時刻儲能1 運行在放電功率160 kW，光伏輸出功率330 kW，系統(tǒng)頻率精準控制在50.8 Hz，進入新的穩(wěn)定狀態(tài)，避免了主電源儲能1 長時間處于飽和限流狀態(tài)引起的系統(tǒng)崩潰，驗證了功率嚴重過剩時快速調頻策略的有效性。

3.2 場景2：驗證PQ 儲能升功率+切負荷快速調頻策略

圖8 為大電源跳閘導致系統(tǒng)有功嚴重不足，采用本文快速調頻策略與傳統(tǒng)低頻減載的試驗波形。兩者在0.5 s 前初始態(tài)相同，光伏1 投入，發(fā)電功率200 kW，負荷1、2、3 均投入，共280 kW，儲能2 以20 kW 恒功率放電，儲能1 放電功率約60 kW，微電網頻率運行在49.7 Hz。

首先分析采用本文快速調頻策略試驗波形，如圖8 中實線所示。1）t0=0.5 s 時刻光伏1 跳閘，為了維持系統(tǒng)功率平衡，儲能1 快速增加放電功率，t1時刻到達220 kW，頻率跌至49.25 Hz，并繼續(xù)下滑。2）t2時刻頻率下降為49.05 Hz，MGCC 調節(jié)儲能2增加放電功率試圖控制頻率至安全穩(wěn)定區(qū)低頻邊界49.2 Hz 以上，但t3時刻儲能2 放電功率到達最大允許放電功率100 kW，頻率仍低于49.2 Hz。3）t4時刻低頻1 輪動作跳開負荷1，儲能1 放電功率下降至120 kW，頻率逐步回升至49.4 Hz，進入新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖8 兩種調頻策略試驗波形比較Fig.8 Comparison of test waveform of two frequency modulation strategies

采用傳統(tǒng)低頻減載策略試驗波形，如圖8 中虛線所示。1）t0時刻光伏1 跳閘，同樣，儲能1 快速增加放電功率，t1時刻到達220 kW，頻率跌至49.25 Hz，并繼續(xù)下滑。2）t5時刻低頻1 輪動作跳開負荷1，儲能1 放電功率下降至203 kW，隨后頻率回升至48.88 Hz，仍低于低頻動作值49.2 Hz。3）t6時刻低頻2 輪動作跳開負荷2，儲能1 放電功率下降至84 kW，頻率逐步回升至49.6 Hz，進入新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

可以看出，當微電網出現嚴重有功不足超出主電源調節(jié)能力時，采用快速調頻策略與傳統(tǒng)低頻減載均可使得系統(tǒng)重新恢復穩(wěn)定，但快速調頻策略優(yōu)先控制PQ 儲能釋放有功參與緊急調頻，一方面少切負荷或不切負荷，顯著縮小了停電范圍，另一方面使得系統(tǒng)頻率更快恢復至安全穩(wěn)定區(qū)，提高了供電質量。

3.3 場景3：計及二次調頻，驗證PQ儲能+光伏降功率快速調頻策略

圖9 為大電源跳閘導致系統(tǒng)有功嚴重不足，計及二次調頻作用，采用本文快速調頻策略與傳統(tǒng)低頻減載的試驗波形。二次調頻給定P0=60 kW，由于二次調頻作用，0.5 s 前微電網頻率運行在50 Hz，光伏、儲能、負荷初始態(tài)同場景2。

圖9 二次調頻影響下的調頻策略試驗波形比較Fig.9 Test waveform comparison of frequency modulation strategy under the influence of secondary frequency modulation

相比較場景2 下的圖8，圖9 快速調頻整個動作過程與之類似，而低頻減載策略則完全不同，原因是t0=0.5 s 時刻光伏1 跳閘后，系統(tǒng)頻率迅速跌落至49.25 Hz，高于低頻減載定值49.2 Hz，低頻減載不動作，儲能1 持續(xù)處于控制電流環(huán)飽和限流狀態(tài)，t1時刻過流跳閘，微電網失去主電源，系統(tǒng)崩潰。而快速調頻策略根據二次調頻參考功率值實時計算得到低頻調頻動作門檻為49.5 Hz，因此t0時刻光伏1 跳閘后，PQ 儲能和減載均能正確動作，最終頻率穩(wěn)定在49.7 Hz。

上述試驗結果表明，當投入二次調頻后，發(fā)生功率擾動導致有功嚴重不足時，傳統(tǒng)低頻減載發(fā)生拒動進而導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。同樣，當功率過剩，傳統(tǒng)高頻切機也可能拒動。而本文快速調頻策略動態(tài)調整動作門檻，自適應因二次調頻引起的正常運行頻率區(qū)間偏移，能夠準確動作。

4 結語

本文分析了主從控制下的獨立型微電網大擾動暫態(tài)頻率特征，基于對微電網內PQ 源快速調節(jié)潛力的挖掘，計及二次調頻的影響，提出了一種快速調頻策略并研制了MGCC。通過理論分析和試驗驗證，得到以下結論：

1）獨立型微電網頻率理論運行區(qū)間受到二次調頻參考功率的變化而發(fā)生偏移，傳統(tǒng)低頻減載/高頻切機頻率定值難以兼顧，易引起拒動或誤動。

2）獨立型微電網遭遇功率擾動，超過主電源最大可調節(jié)功率時，主電源電流控制環(huán)將進入飽和限流狀態(tài)，微電網系統(tǒng)面臨系統(tǒng)崩潰的風險。

3）硬件在環(huán)試驗驗證了快速調頻策略不受二次調頻引起的運行頻率區(qū)間偏移影響，并在百毫秒內完成PQ 源有功的調節(jié)，輔助主電源進行緊急調頻，提高了暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

基于本文提出的快速調頻策略研制的MGCC已應用于國內外數十個獨立型微電網項目中。