劉穎明,萬文閣,王曉東,劉闖闖
(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)
近年,大規(guī)模儲能應(yīng)用于風(fēng)儲電力系統(tǒng),可以平抑功率波動,平滑輸出電壓,減少系統(tǒng)振蕩,具有“削峰填谷”的作用[1],[2],提高了電力系統(tǒng)經(jīng)濟性和電能質(zhì)量[3]。 目前,風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制的研究主要著眼于儲能容量優(yōu)化及協(xié)調(diào)風(fēng)電靈活快速的進行有功功率吸收和輸出,動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率偏差,而對于儲能協(xié)助風(fēng)電進行無功控制的研究較少[4]~[7]。文獻[8]在風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)各種運行模式下,根據(jù)并網(wǎng)電網(wǎng)的實時無功需求,提出了無功功率指令在儲能系統(tǒng)、 風(fēng)電場和外部電網(wǎng)的三級協(xié)調(diào)分配策略。 所提策略能夠充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場快速無功調(diào)節(jié)能力,有效提高電網(wǎng)運行效率和電壓穩(wěn)定性。 文獻[9]分析了兩種基于儲能的電壓穩(wěn)定性控制策略,分別為PV 控制和PQ 控制,并進行了對比。 研究結(jié)果表明,在擾動或故障時,儲能可以抑制電壓波動和加快電壓恢復(fù)。電網(wǎng)電壓故障時,文獻[10]通過比例協(xié)調(diào)控制策略,充分利用超級電容器儲能的動態(tài)電壓恢復(fù)器的補償能力和風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動能,使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定不變。
目前,對于利用儲能和風(fēng)電來控制電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究還較少。 本文針對風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的無功功率控制,提出一種基于神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)無功功率補償控制策略。旨在解決電網(wǎng)發(fā)生三相故障時導(dǎo)致的PCC 點電壓發(fā)生變化或跌落問題。
大部分風(fēng)電場無功控制是在監(jiān)測數(shù)據(jù)下,實時彌補無功偏差。但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障,風(fēng)機處于嚴重失衡的功率缺額時,若對嚴重缺額的機組持續(xù)較長時間進行有功輸出,同時承擔(dān)無功補償,可能會造成系統(tǒng)崩潰[11]。 儲能具有良好的快速響應(yīng)特性,可提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越能力。 因此,本文提出了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的無功自適應(yīng)控制,儲能系統(tǒng)可以分擔(dān)一部分風(fēng)電場的無功補償量,減輕風(fēng)電場的負擔(dān)。 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的無功控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 神經(jīng)元自適應(yīng)控制器接收調(diào)度中心系統(tǒng)下發(fā)的無功指令,一方面將指令下發(fā)至各個風(fēng)電場進行跟蹤;另一方面,儲能與神經(jīng)元自適應(yīng)控制器之間增設(shè)協(xié)調(diào)控制器,對上接收無功指令和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實時發(fā)出的無功,對下接收儲能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送優(yōu)化后的無功補償量[11]。
圖1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)無功控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of reactive power control for wind farm combined with energy storage system
為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,將儲能系統(tǒng)放置在風(fēng)電場并網(wǎng)點上,不僅可以抑制穩(wěn)態(tài)下的短期電壓波動,并且在系統(tǒng)發(fā)生故障,風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓發(fā)生大幅跌落時,儲能系統(tǒng)能夠在故障期間迅速發(fā)出大量無功協(xié)助風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓恢復(fù)。
典型的PMSG 風(fēng)力發(fā)電機組通過一個全功率背靠背變流器連接到電網(wǎng),網(wǎng)側(cè)變流器(Grid Side Converter,GSC)可以獨立控制流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率[12]。 本文網(wǎng)側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制,由直驅(qū)風(fēng)電在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型可知,網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率Pgd和無功功率Qgd分別為
式中:ugd,ugq,igd,igq分別為網(wǎng)側(cè)變流器在 d,q 軸方向的電壓和電流。
選取電網(wǎng)側(cè)電壓方向與參考坐標系的d 軸方向一致,ugq=0,則:
由式(2)可知,網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換的功率僅與 igd,igq有關(guān)。
給定功率因數(shù)和d 軸電流igd-ref確定變流器最大電流imax,根據(jù)可得到 q 軸電流給定值,通過控制有功電流,使風(fēng)電場最大限度的輸出無功功率。
本文儲能系統(tǒng)用來輔助風(fēng)電場調(diào)節(jié)直流母線電壓和PCC 電壓。 儲能系統(tǒng)既可以發(fā)出有功,也可以發(fā)出無功,因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,儲能系統(tǒng)可以快速提供無功支持,維持風(fēng)電場端電壓恒定。儲能系統(tǒng)控制如圖2 所示。
圖2 儲能系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of energy storage system
本文中,儲能系統(tǒng)采用兩電平電壓源型變流器,該變流器可以對輸送的有功功率進行快速控制,還可以動態(tài)補償交流母線的無功功率。儲能系統(tǒng)的額定值根據(jù)功率因數(shù)或PCC 電壓調(diào)節(jié)的無功功率要求來適當(dāng)確定,大容量的儲能系統(tǒng)能夠在故障期間降低電壓并在故障清除后縮短電壓恢復(fù)過程。
采用蓄電池組儲能裝置,根據(jù)蓄電池的荷電容量計算,其無功功率為[12]
式中:Pmes,Qmes分別為儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的有功功率、 無功功率;Us,IN分別為儲能系統(tǒng)逆變器交流側(cè)額定電壓、額定電流。
電力系統(tǒng)的等效電路如圖3 所示。
圖3 電力系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the power system considered
圖中: 風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)在總線2 處集成到網(wǎng)絡(luò)中,用于提供有功功率和無功功率;X1為忽略線路電納后傳輸線電抗;Pwt,Qwt分別為風(fēng)電輸出的有功功率、無功功率;Gwt和Bwt分別為風(fēng)電等效的電導(dǎo)和電納;Qc為儲能系統(tǒng)輸出的無功功率;Bc為儲能系統(tǒng)的等效電納,負載主要來自總線1 的電網(wǎng),部分來自風(fēng)力發(fā)電機組。
根據(jù)圖3 可知,負載的最大功率Pmax為
式中:E 為總線 1 處電壓的幅值;q=X1(Bwt+Bc);p=X1Gwt;X1為電網(wǎng)阻抗。
總線2 處的電壓為
在輸出最大功率條件下,總線2 的臨界電壓應(yīng)保持在(0.95~1.05 pu)。 結(jié)合式(6),(7)可以得出,通過增加系數(shù)q(對應(yīng)于增加風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)提供的無功功率),增加了最大傳遞功率,同時也增加了總線2 的臨界電壓。 通過調(diào)節(jié)來自風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)的無功功率,可以減輕總線2 處的長期電壓波動,則傳輸線中的電壓降ΔV 為
式中:P1和Q1分別為電網(wǎng)側(cè)所需的有功功率和無功功率;R1為輸電線路電阻,可忽略不計。
為了減輕PCC 電壓的波動,傳輸線中的電壓降應(yīng)保持恒定。因此,風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)所需的無功功率為
在風(fēng)速高于額定值的情況下,輸送到電網(wǎng)的有功功率為額定值,GSC 無法產(chǎn)生無功功率,即:
圖4 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control block diagram for wind farm combined with energy storage system
由圖4 可知,PCC 電壓誤差信號經(jīng)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器輸出產(chǎn)生有功電流Id,通過改變GSC 的有功功率可得出風(fēng)電場能夠提供的無功功率。 電網(wǎng)所需無功由GSCs 和儲能協(xié)調(diào)提供。電壓參考值設(shè)置為1.02 pu。
在正常工作情況下,風(fēng)電機組無功發(fā)電量的裕度取決于輸送到電網(wǎng)的有功功率。 無功電流Iq由GSC 的容量和有功電流d 軸分量共同確定。PCC 電壓控制器會生成有功電流分量的參考值Id,由各個風(fēng)電機組平均分配。 如果風(fēng)電場容量不足以提供無功電流,則由儲能系統(tǒng)提供。則儲能系統(tǒng)的電流參考icd-ref為
由式(11)可知,d 軸參考電流 igd-ref由控制器決定,風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)正??刂啤?/p>
電網(wǎng)發(fā)生故障時,即使遠離風(fēng)電場的位置,也會出現(xiàn)風(fēng)電場連接點處的電壓下降。 這將導(dǎo)致渦輪機輸入功率與發(fā)電機輸出功率的不平衡,而多余能量會儲存在直流環(huán)節(jié)的電容器內(nèi),使直流母線電壓快速上升,損壞變流器。 根據(jù)圖4 可知,總線2 的電壓偏差ΔV2被饋入控制器以產(chǎn)生一個輔助控制信號Id,最終在風(fēng)電場變流器的限制下,形成兩個補償無功功率的控制信號icd-ref和igd-ref,作為風(fēng)電場和儲能控制器的輸入。 其基本原理是通過在電網(wǎng)故障期間快速改變風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)提供的無功功率量,降低PCC 的電壓下降程度。 由于電壓和無功功率之間的直接耦合,使用電壓偏差ΔV2作為控制器的輸入信號更加直觀。
從ΔV2到Id的傳遞函數(shù)非線性,取決于網(wǎng)絡(luò)拓撲。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決以上問題,同時避免導(dǎo)出分析函數(shù)。 單個神經(jīng)元模型構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。 單神經(jīng)元PID 控制器輸出規(guī)律為
式中:k 為采樣的序號;Id(k)為第 k 次采樣時控制器的輸出;ωi(k) 為對應(yīng)的各狀態(tài)變量的權(quán)值;xi(k)為各輸入狀態(tài)量;φi(·)為輸出神經(jīng)元的激活函數(shù)。
在控制過程中,常規(guī)PID 控制參數(shù)無法改變,單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器可以通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí),且結(jié)構(gòu)簡單,易于計算。 其控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
圖5 神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Neuron adaptive PID control structure
設(shè)單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)為線性函數(shù),則取φi(·)為神經(jīng)比例K,且為正實數(shù),則神經(jīng)元輸出為
權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)使用Hebb 學(xué)習(xí)算法進行仿真實驗,神經(jīng)元權(quán)值更新表達式為
式中:e(k)為第 k 次采樣時的偏差值;kP,kI,kD分別為3 個權(quán)值的學(xué)習(xí)速率,且系統(tǒng)對權(quán)值進行了歸一化處理。 權(quán)值的更新是神經(jīng)元不斷學(xué)習(xí)的過程,新的權(quán)值是舊權(quán)值與一個學(xué)習(xí)變化量的和,當(dāng)輸出與設(shè)定值相等時,學(xué)習(xí)過程結(jié)束。
本文將PCC 實際電壓與參考電壓的誤差信號輸入值與權(quán)值系數(shù)相乘,經(jīng)神經(jīng)元求和經(jīng)激活函數(shù)處理后,輸出風(fēng)電場與儲能系統(tǒng)所需的電流參考值Id。 風(fēng)電場與儲能系統(tǒng)的電流輸出再反饋給輸入,使權(quán)值發(fā)生改變,通過權(quán)值的不斷調(diào)整,使系統(tǒng)輸出最終達到預(yù)想。 最終參考電流Id′為
式中:C1,C2,C3和 C4分別為各變量的系數(shù)。
為了驗證風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)無功功率自適應(yīng)控制方案的有效性,在Matlab/Simulink 軟件中建立了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)模型,忽略阻尼的影響。 搭建10 MW 風(fēng)電場配電網(wǎng)的動態(tài)模型,儲能系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓接入功率匯聚點35 kV 母線處,接入點所處電壓等級為110 kV,風(fēng)力發(fā)電機額定功率Pn為2 MW,共采用5 臺風(fēng)機,假設(shè)風(fēng)速保持不變,風(fēng)速為11.8 m/s,t=1.5 s 時,電網(wǎng)發(fā)生故障,故障持續(xù)時間為 300 ms。 控制信號為 PCC 點電壓 V2,神經(jīng)元的比例系數(shù) K=0.12,初始權(quán)值系數(shù) w1=0.1,w2=0.1,w3=0.1,學(xué)習(xí)速率 kp=0.40,kI=0.35,kD=0.40,系統(tǒng)的抽樣時間間隔ts=0.001 s,激勵作用時間t=0.2 s。 風(fēng)電場系統(tǒng)接線如圖6 所示。 儲能系統(tǒng)連接在總線2 處,風(fēng)電場經(jīng)過遠距離傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。
圖6 風(fēng)儲系統(tǒng)接線圖Fig.6 Wiring diagram of wind storage system
根據(jù)以上仿真條件,利用Simulink 仿真平臺分別對常規(guī)PID 協(xié)調(diào)控制和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID協(xié)調(diào)控制的風(fēng)儲系統(tǒng)進行了比較,電網(wǎng)發(fā)生三相電壓跌落時,采用無功協(xié)調(diào)控制方案前后對比如圖7 所示。
圖7 PCC 電壓Fig.7 PCC voltage
由圖7 可知,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落50%時,在常規(guī)PID 控制下電壓跌落幅度仍舊較大,而在本文所提出單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下,風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)可以有效提供無功功率支撐,電壓得到明顯改善,電壓可以恢復(fù)到0.8 pu 左右。
圖8 為風(fēng)儲系統(tǒng)在常規(guī)PID 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓和風(fēng)儲系統(tǒng)在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下的風(fēng)電場輸出無功功率比較。 電網(wǎng)在1.5 s 發(fā)生故障時,電壓大幅跌落,風(fēng)儲公共耦合點電壓也隨之發(fā)生變化。 與常規(guī)PID 控制策略相比,采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 的協(xié)調(diào)控制策略在電網(wǎng)故障初始時可以迅速向電網(wǎng)注入更多的無功功率,并協(xié)調(diào)風(fēng)電場與儲能的無功功率,由于儲能無功功率的輸出,為風(fēng)電場分擔(dān)了一部分無功任務(wù),使風(fēng)力發(fā)電出力盡可能最大,風(fēng)電無功功率輸出在合理范圍內(nèi)。
圖8 風(fēng)電場無功功率曲線Fig.8 Reactive power curve of wind farm
圖9 為電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時,兩種方案下儲能系統(tǒng)發(fā)出的無功功率。
圖9 儲能系統(tǒng)無功功率曲線Fig.9 Reactive power curve of Storage
由圖9 可知,常規(guī)PID 控制下儲能系統(tǒng)只在電網(wǎng)故障初始期間迅速發(fā)出大量無功功率, 支撐電壓恢復(fù),相當(dāng)于故障期間電壓恢復(fù)所需要的無功功率全部由風(fēng)電場提供,而在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制下,儲能系統(tǒng)可以連續(xù)平穩(wěn)地輸出無功功率,最終使電壓上升到額定值的80%左右。 這是因為無功協(xié)調(diào)的控制方案能夠?qū)L(fēng)電自身的無功調(diào)節(jié)能力與儲能結(jié)合,根據(jù)無功需求實時調(diào)節(jié),動態(tài)地補償一定的無功功率,從而提升并網(wǎng)點電壓。
綜上,風(fēng)電場能夠發(fā)出約3.3 MW 的無功功率,并且在故障剛開始的時候尖峰值達到6 MW。傳統(tǒng)控制下,故障期間基本由風(fēng)電場發(fā)出無功功率,而儲能系統(tǒng)僅在故障初始發(fā)出大量無功功率,最高可達2.5 MW,但之后基本不再提供無功功率,全由風(fēng)電場發(fā)出無功功率。 在協(xié)調(diào)控制策略下,儲能配合風(fēng)電場也在故障期間分擔(dān)了一部分的無功功率,從波形圖中可以看出數(shù)值不大,大約為1 MW,因此,可以選擇小容量的儲能系統(tǒng),與只利用無功補償裝置補償無功功率的方式相比,能夠減小投資成本,具有較好的經(jīng)濟性。 這樣,各個無功源相互配合發(fā)出的無功功率使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點電壓得到提升,有助于其穿越電網(wǎng)故障。
本文提出了一種基于神經(jīng)元自適應(yīng)的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的無功功率控制策略,可以在系統(tǒng)發(fā)生故障的條件下增強PCC 電壓恢復(fù)。 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障、電壓跌落50%時,與常規(guī)PID 控制相比,在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下,風(fēng)電場可以迅速注入大量無功功率,儲能系統(tǒng)穩(wěn)定輸出無功功率,使PCC 電壓提升到0.8 pu 左右,電壓跌落得到明顯改善。 并且在儲能系統(tǒng)不需要提供無功功率、不需要參與電壓調(diào)節(jié)時,可以進行風(fēng)電場的功率平滑或頻率調(diào)節(jié),這方面的研究有待進一步的學(xué)習(xí)探討。