基于虛擬同步發(fā)電機(jī)雙模式切換的柴儲(chǔ)微電網(wǎng)無(wú)差調(diào)頻控制策略

魏譯帆 邢建春

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)雙模式切換的柴儲(chǔ)微電網(wǎng)無(wú)差調(diào)頻控制策略

魏譯帆 邢建春

（陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007）

近年來(lái)，微電網(wǎng)中的新能源滲透率逐漸增高，但部分系統(tǒng)仍保留了柴油發(fā)電機(jī)來(lái)保障供電。在同時(shí)含有儲(chǔ)能逆變器和柴油發(fā)電機(jī)的孤島交流微電網(wǎng)中，兩者在控制策略和響應(yīng)特性上的不同使系統(tǒng)的頻率、功率在負(fù)荷波動(dòng)和電源投切后易出現(xiàn)過(guò)大振蕩乃至越限的現(xiàn)象。本文以地下防護(hù)工程為應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)應(yīng)急供電工況下的柴儲(chǔ)孤島微電網(wǎng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能逆變器的外環(huán)控制策略，并用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)在多種供電模式下系統(tǒng)的無(wú)差調(diào)頻及功率穩(wěn)定，并使柴儲(chǔ)聯(lián)合供電時(shí)兩者的有功功率按目標(biāo)比例分配。

孤島微電網(wǎng)；儲(chǔ)能；柴油發(fā)電機(jī)；無(wú)差調(diào)頻

0 引言

為促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的低碳化，我國(guó)積極宣示并推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)施，為此須大力推進(jìn)清潔能源的開(kāi)發(fā)與整合[1-3]。作為利用可再生能源的重要手段，微電網(wǎng)可集成多種分布式電源為負(fù)荷供電，是促進(jìn)節(jié)能減排和低碳可持續(xù)的有效措施[4-5]。

相較于大電網(wǎng)，微電網(wǎng)容量小，電力電子設(shè)備滲透率高，慣量不足，孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)頻率對(duì)負(fù)荷變化敏感，經(jīng)擾動(dòng)后易快速變化，穩(wěn)定性差。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)調(diào)頻策略無(wú)法保證良好的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[6-7]，虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous gen- erator, VSG）控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[8]，其主要思想是在逆變器的控制外環(huán)引入發(fā)電機(jī)的阻尼慣性環(huán)節(jié)，使逆變器表現(xiàn)出與同步發(fā)電機(jī)相近的外特性，以此提高微電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性[9]。

近年來(lái)，微電網(wǎng)中分布式能源的滲透率不斷增高，但仍保留了一定比例的傳統(tǒng)發(fā)電單元如同步發(fā)電機(jī)（synchronous generator, SG）。在可再生能源缺乏或?qū)╇娨筝^高的地區(qū)，微電網(wǎng)中一般還需配置傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)，形成柴油發(fā)電機(jī)和其他分布式電源聯(lián)合供電的方式，以保障系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。而VSG雖然模擬了SG的外特性，但和柴油發(fā)電機(jī)在調(diào)頻方法、響應(yīng)速度、阻抗特性、抗擾能力等方面仍存在差異[10-11]。柴儲(chǔ)并聯(lián)系統(tǒng)在負(fù)載突變或電源投切期間容易出現(xiàn)較大的功率振蕩和頻率偏移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電源過(guò)電流故障，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

圍繞柴儲(chǔ)并聯(lián)運(yùn)行問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]在下垂控制中引入虛擬阻抗，給出逆變器等效阻抗的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)柴儲(chǔ)輸出功率在穩(wěn)態(tài)下的均分，但系統(tǒng)缺乏二次調(diào)頻功能。文獻(xiàn)[14]將逆變器與具有二次調(diào)頻功能的柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率無(wú)靜差，但VSG儲(chǔ)能單元對(duì)系統(tǒng)的頻率支撐作用有限，其“有功-頻率”的穩(wěn)態(tài)關(guān)系等效于恒功率控制，柴儲(chǔ)間功率分配比例不可控。文獻(xiàn)[15]提出雙模式切換的控制策略以實(shí)現(xiàn)逆變器單獨(dú)帶載和與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)期間的穩(wěn)定運(yùn)行，但僅適用于系統(tǒng)中存在單臺(tái)逆變器的情況，且對(duì)電源投切等工況的暫態(tài)過(guò)程未進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[16]將準(zhǔn)比例諧振控制引入VSG內(nèi)環(huán)中，并在柴油發(fā)電機(jī)輸出端口串接電抗器，使系統(tǒng)在柴儲(chǔ)并聯(lián)和柴油發(fā)電機(jī)投切的工況中皆有良好動(dòng)態(tài)特性，但儲(chǔ)能單獨(dú)帶載期間系統(tǒng)失去無(wú)差調(diào)頻特性。綜上，現(xiàn)階段針對(duì)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)的研究中，逆變器控制策略適用的工況單一，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單獨(dú)供電和柴儲(chǔ)并聯(lián)供電時(shí)系統(tǒng)調(diào)頻的二次恢復(fù)，且儲(chǔ)能與具有二次調(diào)頻功能的柴油發(fā)電機(jī)協(xié)同供電時(shí)，兩者的功率分配比例不可控。

本文以地下防護(hù)工程為應(yīng)用場(chǎng)景，將柴儲(chǔ)作為戰(zhàn)時(shí)備用電源。根據(jù)調(diào)頻特性的不同對(duì)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)儲(chǔ)能在單獨(dú)供電模式和與柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)合供電模式下的VSG外環(huán)控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬應(yīng)急供電時(shí)段的完整運(yùn)行工況，使系統(tǒng)在柴儲(chǔ)獨(dú)立或聯(lián)合帶載的情況下皆能實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)頻，各模式間平滑切換，且柴儲(chǔ)聯(lián)合供電期間兩者有功功率按目標(biāo)比例分配。為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，在PSCAD平臺(tái)搭建單柴雙儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

1 柴儲(chǔ)并聯(lián)系統(tǒng)分類(lèi)

根據(jù)是否具備二次調(diào)頻功能，單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)及單臺(tái)儲(chǔ)能逆變器的調(diào)頻特性可分為呈下垂特性的有差調(diào)頻和呈恒頻特性的無(wú)差調(diào)頻。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行工況下，可形成4種不同的柴儲(chǔ)并聯(lián)系統(tǒng)，具體見(jiàn)表4。

表1 柴儲(chǔ)并聯(lián)系統(tǒng)分類(lèi)

Ⅰ型系統(tǒng)中，柴儲(chǔ)間無(wú)需通信，可通過(guò)設(shè)置逆變器下垂系數(shù)改變柴儲(chǔ)間功率分配比例，系統(tǒng)不具備二次調(diào)頻功能，穩(wěn)態(tài)頻率隨負(fù)荷量改變[17]，因此不宜接入頻率敏感型負(fù)荷。

Ⅱ型系統(tǒng)在柴油發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻作用下，穩(wěn)態(tài)頻率在負(fù)荷投切后總能回到額定值。而柴油發(fā)電機(jī)的有功-頻率因下垂特性呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此輸出有功功率為額定值，穩(wěn)態(tài)特性等效于恒功率控制。負(fù)荷的變化量全部由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)[18-19]，儲(chǔ)能單獨(dú)帶載時(shí)系統(tǒng)不具備二次調(diào)頻功能。

Ⅲ型系統(tǒng)以?xún)?chǔ)能為主電源，柴油發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性等效于恒功率控制，負(fù)荷的變化量全部由儲(chǔ)能承擔(dān)[20]，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)為負(fù)載供電時(shí)系統(tǒng)不具備二次調(diào)頻功能。

Ⅳ型系統(tǒng)可在柴儲(chǔ)聯(lián)合供電及柴、儲(chǔ)單獨(dú)帶載的工況下實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)頻。文獻(xiàn)[21]針對(duì)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)了對(duì)等控制策略，實(shí)現(xiàn)柴儲(chǔ)聯(lián)合供電下的系統(tǒng)無(wú)差調(diào)頻及柴儲(chǔ)間功率均分，但對(duì)柴儲(chǔ)投切及柴、儲(chǔ)單獨(dú)帶載等工況未做進(jìn)一步研究，且儲(chǔ)能數(shù)量 過(guò)少。

本文針對(duì)Ⅱ、Ⅳ型系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能逆變器的外環(huán)控制策略，模擬防護(hù)工程在應(yīng)急供電工況下電源投切的完整流程。相較于儲(chǔ)能，柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性更為穩(wěn)定，但起動(dòng)較慢，且紅外特征明顯，戰(zhàn)時(shí)易被作為熱源偵測(cè)和打擊。為保證應(yīng)急工況下孤島系統(tǒng)的可靠性，儲(chǔ)能先行啟動(dòng)為重要負(fù)荷供電，確認(rèn)安全后將柴油發(fā)電機(jī)并入，實(shí)現(xiàn)柴儲(chǔ)聯(lián)合供電，經(jīng)過(guò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后將儲(chǔ)能切除，由柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)帶載。

2 VSG功頻調(diào)節(jié)的基本原理

VSG通過(guò)模擬傳統(tǒng)SG的機(jī)械和電磁特性來(lái)增加分布式電源的慣性及阻尼，以此優(yōu)化并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行性能[22]，該外環(huán)控制策略能有效利用傳統(tǒng)SG控制運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，提高微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。

根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的二階模型，VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

式中：為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為虛擬阻尼系數(shù)；0為VSG的額定角速度（rad/s）；m、e、d分別為VSG對(duì)應(yīng)的機(jī)械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩；ref為參考有功功率；e為虛擬同步機(jī)實(shí)際輸出功率；為同步發(fā)電機(jī)的功角；為VSG角速度。

ref與間呈下垂關(guān)系，即

VSG外環(huán)控制框圖如圖1所示。

圖1 VSG外環(huán)控制框圖

將式（2）代入式（1），可得VSG頻率偏差與功率間的暫態(tài)關(guān)系為

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)際功頻下垂系數(shù)為p+0。

3 柴儲(chǔ)微電網(wǎng)的VSG雙模式控制策略

VSG作為一次調(diào)頻策略，本質(zhì)上是有差控制。負(fù)荷波動(dòng)后，系統(tǒng)頻率無(wú)法穩(wěn)定在額定值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻率越限。為提高微電網(wǎng)內(nèi)部的電能質(zhì)量，需要二次控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率恢復(fù)[23]。

本文對(duì)儲(chǔ)能逆變器采取雙模式切換的外環(huán)控制策略。設(shè)系統(tǒng)中共可接入臺(tái)儲(chǔ)能和臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，其中第（=1, 2,…,）臺(tái)儲(chǔ)能和第（=1, 2,…,）臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的開(kāi)關(guān)信號(hào)分別為為Brk_VSG_i和Brk_SG_j，兩者皆是0-1信號(hào)，為0表示該電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，為1表示該電源開(kāi)關(guān)閉合。令Flag_VSG與Flag_SG為

當(dāng)Flag_VSG為1時(shí)，系統(tǒng)中僅有儲(chǔ)能為負(fù)荷供電；當(dāng)Flag_SG為1時(shí)，系統(tǒng)中有柴油發(fā)電機(jī)接入，系統(tǒng)運(yùn)行在柴儲(chǔ)聯(lián)合供電模式。

3.1 儲(chǔ)能單獨(dú)供電模式的VSG控制策略

為了消除儲(chǔ)能單獨(dú)供電時(shí)的頻率偏差，在阻尼環(huán)節(jié)引入積分模塊，將頻率偏差作為反饋?zhàn)兞?，控制VSG有功輸出，抵消負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)頻。Flag_VSG為1時(shí)積分模塊開(kāi)始作用，該模式下的功頻傳遞函數(shù)為

在系統(tǒng)暫態(tài)頻率擾動(dòng)的終止時(shí)刻有

由終值定理可得，引入積分反饋模塊后，VSG控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化后仍能維持其穩(wěn)態(tài)頻率在額 定值。

引入上述積分模塊更改了VSG外環(huán)的功頻特性，使之呈現(xiàn)恒頻的穩(wěn)態(tài)特征，由于VSG一次調(diào)頻環(huán)節(jié)響應(yīng)速度較慢，一次控制尚未結(jié)束時(shí)二次調(diào)頻已經(jīng)開(kāi)始，因此一、二次頻率控制存在耦合現(xiàn)象，有功功率不再根據(jù)下垂系數(shù)成比例變化。

為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]在積分環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)置延時(shí)來(lái)控制二次調(diào)頻模塊的啟停時(shí)間，避免一、二次耦合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率恢復(fù)與負(fù)荷分配，但延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)長(zhǎng)固定，無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的改變進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[25]根據(jù)角速度變化率的不同實(shí)現(xiàn)一、二次調(diào)頻的自動(dòng)切換，但負(fù)荷波動(dòng)較小時(shí)一次調(diào)頻過(guò)程可能會(huì)提前結(jié)束，一、二次調(diào)頻無(wú)法解耦。

圖2 改進(jìn)后的VSG外環(huán)控制框圖

綜合現(xiàn)有成果，本文對(duì)積分系數(shù)i的取值進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之具有延時(shí)開(kāi)關(guān)特性。以d(Dw)/d為自變量，設(shè)延時(shí)開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)閾值為1，積分模塊的投切閾值為2。|d(Dw)/d|＞1時(shí)延時(shí)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，i維持為0；第一次檢測(cè)到|d(Dw)/d|＜2時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，頻率維持在此狀態(tài)D1時(shí)間后積分模塊開(kāi)始使能；第二次檢測(cè)到|d(Dw)/d|＜2時(shí)繼續(xù)計(jì)時(shí)，頻率維持在此狀態(tài)D2時(shí)間后積分模塊停止使能并結(jié)束延時(shí)開(kāi)關(guān)。

理想情況下，1=2=0，實(shí)際情況中，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)d(Dw)/d也存在著微小波動(dòng)。1若取值過(guò)大，延時(shí)開(kāi)關(guān)在負(fù)荷波動(dòng)量不大時(shí)可能拒動(dòng)；若1取值過(guò)小，則延時(shí)開(kāi)關(guān)易在穩(wěn)態(tài)情況下誤動(dòng)；若2取值過(guò)大，則積分模塊可能提前作用，一、二次控制無(wú)法解耦；若2取值過(guò)小，積分模塊則會(huì)持續(xù)使能。

對(duì)式（3）進(jìn)行求導(dǎo)得

可得|d(Dw)/d|max=(0-e)/(0)。

本文取1為(0-e)/(20)，2為固定數(shù)值0.05rad/s2。D1取一次調(diào)頻環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)0/(p+0)，D2取固定數(shù)值0.1s。

此外，為保證一次調(diào)頻的穩(wěn)定性和二次調(diào)頻的快速性，令轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值可變，即

3.2 柴儲(chǔ)聯(lián)合供電模式的VSG控制策略

儲(chǔ)能與具有二次調(diào)頻功能的柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)，可令柴油發(fā)電機(jī)作為主電源，VSG外環(huán)無(wú)需引入積分模塊，柴儲(chǔ)并聯(lián)系統(tǒng)同樣具備無(wú)差調(diào)頻功能，但VSG有功環(huán)的穩(wěn)態(tài)特性等效于恒功率控制，負(fù)荷波動(dòng)由柴油發(fā)電機(jī)全部承擔(dān)。欲使柴儲(chǔ)間有功功率按目標(biāo)比例分配，可對(duì)儲(chǔ)能額定功率施加增益j，j為增益量j_z的累乘函數(shù)，有

當(dāng)Flag_SG為0時(shí)，j_z為1，不起增益作用。當(dāng)Flag_SG為1時(shí)，j_z的取值為

式中：VSG_i和SG_j為第臺(tái)儲(chǔ)能與第臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的實(shí)際有功輸出；ref_i為儲(chǔ)能的有功參考功率；0_i和0_j為第臺(tái)儲(chǔ)能與第臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的額定有功功率；為比例系數(shù)，為1時(shí)，柴儲(chǔ)間有功功率按其機(jī)組容量之比均衡分配，由1減小時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載由儲(chǔ)能向柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移。

j_z的采樣步長(zhǎng)設(shè)為2ms，即j每秒進(jìn)行500次數(shù)據(jù)更新。|VSG_i/ref_-1|較大時(shí)，|j_z-1|取大值以減小系統(tǒng)功率波動(dòng)的暫態(tài)時(shí)長(zhǎng)；|VSG_i/ref_i-1|較小時(shí)，|j_z-1|取小值以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此外，為防止微小的功率波動(dòng)使反饋環(huán)節(jié)頻繁動(dòng)作，當(dāng)|VSG_i/ref_i-1|≤0.02時(shí)，使j_z歸一。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述控制策略的有效性，在PSCAD平臺(tái)搭建如圖3所示的單柴雙儲(chǔ)系統(tǒng)。其中，母線(xiàn)額定線(xiàn)電壓為400V，額定頻率為50Hz，儲(chǔ)能1和儲(chǔ)能2的額定容量分別為25kW和75kW，柴油發(fā)電機(jī)及VSG的仿真參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。柴儲(chǔ)微電網(wǎng)戰(zhàn)時(shí)供電策略切換如圖4所示。

圖3 單柴雙儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 柴油發(fā)電機(jī)仿真參數(shù)

表3 VSG仿真參數(shù)

圖4 柴儲(chǔ)微電網(wǎng)戰(zhàn)時(shí)供電策略切換

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M應(yīng)急供電工況，分為4個(gè)流程進(jìn)行仿真：

1）僅有儲(chǔ)能供電時(shí)，進(jìn)行負(fù)載投/切。

2）儲(chǔ)能穩(wěn)定帶載時(shí)，起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

3）柴儲(chǔ)聯(lián)合供電時(shí)，進(jìn)行負(fù)載投/切。

4）柴儲(chǔ)間進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，切除儲(chǔ)能，由柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電。

4.1 儲(chǔ)能單獨(dú)供電模式下負(fù)荷突變實(shí)驗(yàn)

初始階段，2臺(tái)儲(chǔ)能共同帶載50kW，儲(chǔ)能有功功率如圖5所示，儲(chǔ)能1有功輸出為12.54kW，儲(chǔ)能2有功輸出為37.55kW；母線(xiàn)頻率如圖6所示，母線(xiàn)頻率為50Hz。5s時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷突增10kW，一次調(diào)頻環(huán)節(jié)開(kāi)始使能，此時(shí)max。約7.3s時(shí)一次調(diào)頻過(guò)程結(jié)束，此階段負(fù)載因頻率跌落減小耗能，儲(chǔ)能1、2有功功率分別為14.65kW、43.95kW，隨后二次調(diào)頻環(huán)節(jié)開(kāi)始作用，此時(shí)min，在積分環(huán)節(jié)的作用下，母線(xiàn)頻率于9.65s左右恢復(fù)至額定值，波動(dòng)略大于0.1Hz，負(fù)載耗能隨著頻率恢復(fù)有所回升，儲(chǔ)能1、2有功功率分別為14.95kW、44.84kW。此工況下，儲(chǔ)能有功輸出始終按其容量之比均衡分配，母線(xiàn)頻率無(wú)靜差，驗(yàn)證了3.1節(jié)所提VSG控制策略在儲(chǔ)能單獨(dú)供電模式下的有效性。

圖5 儲(chǔ)能有功功率

圖6 儲(chǔ)能單獨(dú)供電時(shí)的母線(xiàn)頻率

4.2 柴油發(fā)電機(jī)并入儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)

圖7 柴油發(fā)電機(jī)并入儲(chǔ)能時(shí)的柴儲(chǔ)有功功率

圖8 柴油發(fā)電機(jī)并入儲(chǔ)能時(shí)的母線(xiàn)頻率

4.3 柴儲(chǔ)聯(lián)合供電時(shí)負(fù)荷突變實(shí)驗(yàn)

柴儲(chǔ)并聯(lián)運(yùn)行期間，系統(tǒng)于50s突增6kW負(fù)荷，并于65s突減6kW負(fù)荷，j_z即刻開(kāi)始作用。頻率波動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程約為30s，最低跌落值與上升值皆為0.05Hz。系統(tǒng)穩(wěn)定后，各電源按其容量之比均衡承擔(dān)負(fù)荷。柴儲(chǔ)聯(lián)合供電時(shí)，加載后的柴儲(chǔ)有功功率如圖9所示，減載后的柴儲(chǔ)有功功率如圖10所示，負(fù)載突變時(shí)的母線(xiàn)頻率如圖11所示。

圖9 加載后的柴儲(chǔ)有功功率

圖10 減載后的柴儲(chǔ)有功功率

圖11 負(fù)載突變時(shí)的母線(xiàn)頻率

4.4 柴儲(chǔ)聯(lián)合供電時(shí)經(jīng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后切除儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)

第80s時(shí)，令=0.5，使系統(tǒng)負(fù)荷自?xún)?chǔ)能向柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移，暫態(tài)過(guò)程約35s，頻率波動(dòng)約為0.15Hz，負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的柴儲(chǔ)有功功率和母線(xiàn)頻率分別如圖12和圖13所示。系統(tǒng)穩(wěn)定后，于115s將兩臺(tái)儲(chǔ)能切除，柴油發(fā)電機(jī)短時(shí)間內(nèi)承擔(dān)全部負(fù)載，突增量約為其額定容量44%。儲(chǔ)能切除后，頻率恢復(fù)至額定值的暫態(tài)過(guò)程較長(zhǎng)，波動(dòng)約為0.45Hz。切除儲(chǔ)能后的柴儲(chǔ)有功功率和母線(xiàn)頻率分別如圖14和圖15所示。

圖12 負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的柴儲(chǔ)有功功率

5 結(jié)論

本文針對(duì)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)的頻率恢復(fù)及功率分配問(wèn)題展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了VSG外環(huán)的雙模式切換控制策略，模擬應(yīng)急供電的流程，使系統(tǒng)在柴、儲(chǔ)單獨(dú)帶載及柴儲(chǔ)聯(lián)合供電的工況下均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的無(wú)差恢復(fù)，且柴儲(chǔ)于并聯(lián)模式下可按指定比例均衡承擔(dān)負(fù)荷。

圖13 負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的母線(xiàn)頻率

圖14 切除儲(chǔ)能后的柴儲(chǔ)有功功率

圖15 切除儲(chǔ)能后的母線(xiàn)頻率

本文研究仍有以下不足：

1）本文所提控制策略的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)柴儲(chǔ)間的實(shí)時(shí)通信，實(shí)際地下防護(hù)工程中的通信條件有限，且存在延遲。

2）本文將線(xiàn)路條件理想化，默認(rèn)母線(xiàn)各節(jié)點(diǎn)電壓處處相等，實(shí)際工程中，鎧裝線(xiàn)纜埋于地下會(huì)產(chǎn)生對(duì)地電容，柴儲(chǔ)在坑道中呈分布式布置，距離較遠(yuǎn)，母線(xiàn)阻抗不可忽略，此控制策略的有效性?xún)H憑仿真研究，實(shí)際工程中的控制效果有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3）本文所提控制策略目前僅適用于單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，可擴(kuò)展性有待驗(yàn)證。

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Zero-error frequency modulation strategy for diesel storage microgrid based on virtual synchronous generator dual-mode switching

WEI Yifan XING Jianchun

(College of Defense Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007)

In recent years, the penetration rate of new energy sources in microgrids has gradually increased, while some systems still retain diesel generators to guarantee power supply. In an isolated AC microgrid containing both energy storage inverters and diesel generators, the differences in control strategies and response characteristics of the two make the system frequency and power prone to excessive oscillations and even overruns after load fluctuations and power throwing. Taking the underground protection project as the application scenario, this paper studies the diesel storage isolated microgrid under the condition of emergency power supply. An outer-loop control strategy for the energy storage inverter is designed and simulated on the PSCAD software to realize the zero-error frequency regulation and power stabilization of the system under various power supply modes and to distribute the active power between the two in a target proportion when the diesel storage is jointly supplied.

isolated microgrid; energy storage; diesel generators; zero-error frequency modulation

2022-05-31

2022-07-04

魏譯帆（1998—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)與應(yīng)用。