(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著環(huán)境的污染和傳統(tǒng)能源危機(jī)，可再生能源的開發(fā)與利用成為當(dāng)今社會的焦點(diǎn)。由于可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性，在并網(wǎng)時(shí)會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定[1]。微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略控制儲能系統(tǒng)有效地改善了電網(wǎng)的質(zhì)量和維持電網(wǎng)的平衡[2]。文獻(xiàn)[3]提出了改進(jìn)微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度策略，使微電網(wǎng)的頻率和電壓保持穩(wěn)定。大規(guī)模的間歇性能源并網(wǎng)使得傳統(tǒng)電源的容量難以滿足電網(wǎng)調(diào)頻需要，儲能技術(shù)的發(fā)展恰好為控制電網(wǎng)頻率提供了解決方案。

微網(wǎng)在供電時(shí)，由于分布式供電電源的種類不同，各種微源的結(jié)構(gòu)特性、出力特性、反應(yīng)特性也都不同，還有各種因素的影響，微網(wǎng)負(fù)荷的突變會引起的電壓和頻率的突變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和徑流式水輪機(jī)在暫態(tài)響應(yīng)時(shí)反應(yīng)緩慢，而蓄電池的快速反應(yīng)特性，可以快速為微網(wǎng)提供和消納微網(wǎng)缺少和多余的電能。因此提出了PQ和V/F聯(lián)合的制策略。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 水輪機(jī)建模與仿真

水輪機(jī)及引水系統(tǒng)是將水源引入水輪機(jī)并帶動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，是發(fā)電設(shè)備的原動機(jī)。在水輪機(jī)和引水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模中，為了方便數(shù)學(xué)建模，一般會忽略水阻、認(rèn)為引水管道是剛性的且水體積始終不可變、水速與導(dǎo)葉位置和水頭的平方根成正比、水輪機(jī)輸出功率與水頭與水流量之積成正比[4-5]。

通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，給出了柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型，如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

風(fēng)力機(jī)工作狀態(tài)獲取的功率為:

風(fēng)能利用系數(shù)函數(shù)表達(dá)式為：

2 儲能的PQ/VF控制策略

2.1 PQ控制策略

PQ 控制策略主要控制分布式能源的有功出力和無功輸出無限接近參考值，即在網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，微網(wǎng)的頻率和電壓趨于動態(tài)變化，分布式能源均不參與出力，始終保持其有功和無功的出力不變，同時(shí)網(wǎng)內(nèi)頻率和電壓由外部支撐。微網(wǎng)中由于分布式能源的間歇性和不穩(wěn)定性，微源的出力不穩(wěn)定，為了增加分布式能源的出力，一般在其輸出環(huán)節(jié)采用PQ控制，通過最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，最大化地輸出功率。PQ控制的實(shí)質(zhì)是使無功和有功功率實(shí)時(shí)跟隨給定值，所以PQ控制在調(diào)節(jié)時(shí)無法滿足電壓和頻率不變。

2.2 V/f 控制策略

V/F控制策略和PQ控制策略類似，V/F控制在保證電壓和頻率穩(wěn)定的情況下，提高了對采用V/F控制策略的微源的要求，V/F控制要求微源有足夠的容量可以持續(xù)性穩(wěn)定的為微網(wǎng)供電。選用 V/f 控制策略時(shí)，微網(wǎng)的母線頻率和電壓幅值為首要調(diào)節(jié)對象，即在分布式能源受外界影響出現(xiàn)出力波動時(shí)，交流側(cè)的頻率和電壓幅值均穩(wěn)固在額定值附近，以保持微網(wǎng)的頻率和電壓。微網(wǎng)中，對于儲能電池等連續(xù)性微源，可以保持穩(wěn)定的輸出功率，并能根據(jù)負(fù)荷和電網(wǎng)的狀態(tài)變化而調(diào)整其出力值，所以這類微源更適于采用 V/f 控制，用于維持微網(wǎng)運(yùn)行頻率和電壓的穩(wěn)定。

2.3 PQ/VF控制策略

針對不同控制策略的特點(diǎn)，提出了一種PQ和V/F聯(lián)合控制以適應(yīng)微網(wǎng)中不同時(shí)間段負(fù)荷的變化的控制策略，如圖2所示。PQ和V/F聯(lián)合控制策略在進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變時(shí)，存在多個(gè)問題會導(dǎo)致控制策略切換失敗，影響微網(wǎng)電能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致微網(wǎng)崩潰。因此，合理的控制策略對微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。圖3-28是PQ和V/F聯(lián)合控制策略結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)原始狀態(tài)為使用PQ控制策略，需要改變?yōu)閂/F控制策略進(jìn)行控制時(shí)，開關(guān)K1和開關(guān)K2同時(shí)由上邊打到下邊；當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)為使用V/F控制策略，需要改變?yōu)镻Q控制策略進(jìn)行控制時(shí)，開關(guān)K1和開關(guān)K2同時(shí)由下邊打到上邊。

圖2 PQ和V/F聯(lián)合控制策略結(jié)構(gòu)圖

簡單的將兩種控制策略直接合成聯(lián)合控制策略，可能會導(dǎo)致控制策略切換失敗、微網(wǎng)崩潰，所以針對這兩個(gè)問題，提出了一種改進(jìn)型的PQ和V/F聯(lián)合控制策略，以提高控制策略切換時(shí)的微網(wǎng)穩(wěn)定性。平穩(wěn)直流母線電壓并使其達(dá)到穩(wěn)定是儲能系統(tǒng)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。穩(wěn)定的直流母線電壓可確保直流負(fù)載的平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)直流母線的電壓升高時(shí)，即風(fēng)機(jī)輸出功率大于負(fù)荷所需要的功率，這時(shí)需要儲能系統(tǒng)將溢出的能量進(jìn)行吸收，儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電； 而當(dāng)母線電壓降低時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出功率小于負(fù)荷所需的功率，那么儲能系統(tǒng)需要放電釋放能量對負(fù)荷進(jìn)行功率補(bǔ)償，此時(shí)儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。

風(fēng)機(jī)整流器工作在恒壓狀態(tài)輸出時(shí)，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定的目標(biāo)。從檢測到的瞬時(shí)值中減去由直流母線電壓設(shè)置的參考值，并且通過PI控制器電壓外環(huán)獲得該差值，以得到風(fēng)機(jī)輸出電流的參考值，再與風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)輸出電流作比較，其差值通過電流內(nèi)環(huán)PI控制器調(diào)整?？傮w控制策略如圖3所示。

圖3 總體控制策略圖

3 仿真分析

負(fù)荷較輕時(shí)，分別采用了V/F控制和PQ控制。負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，頻率調(diào)節(jié)緩慢，一段時(shí)間內(nèi)頻率在50 Hz波動，最終調(diào)節(jié)到了50 Hz，但是頻率波動范圍相較小很多。這里也體現(xiàn)了PQ控制在調(diào)節(jié)時(shí)，頻率在一段較長時(shí)間內(nèi)會有一些波動。當(dāng)負(fù)荷從較輕工況上升到較重工況時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要接入到微網(wǎng)中分擔(dān)一部分負(fù)荷，PQ和V/F聯(lián)合控制策略需要由PQ控制變換到V/F控制。負(fù)荷很重工況是指徑流式水輪機(jī)輸出功率達(dá)到了臨界值0.25 MV，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到了臨界值0.08 MV，此時(shí)只能依靠蓄電池調(diào)節(jié)微網(wǎng)的電壓和頻率。仿真中在30 s時(shí)讓微網(wǎng)有功功率增加10%，在50 s時(shí)讓微網(wǎng)有功功率減少15%。

圖4是當(dāng)負(fù)荷從較重工況上升到很重工況時(shí)，2種控制模式都工作在V/F控制策略。此時(shí)兩種控制策略下的微網(wǎng)電壓、頻率、蓄電池有功輸出、徑流式水輪機(jī)有功輸出和柴油發(fā)電機(jī)有功功率輸出圖形是一樣的。

圖4 交流母線頻率對比圖

4 結(jié)語

本文研究混合儲能設(shè)備作為孤島運(yùn)行模式下風(fēng)機(jī)和徑流式水電直流微電網(wǎng)和負(fù)載運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，通過其充放電來維持系統(tǒng)的功率平衡，從而確保直流母線的電壓質(zhì)量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)出力，保證了穩(wěn)定的有功輸出。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的以滿足可變負(fù)載功率需求及平抑風(fēng)機(jī)功率波動的混合儲能系統(tǒng)、以直流電壓恒定為目標(biāo)的混合儲能系統(tǒng)控制策略的正確性和有效性。本文只討論了單臺風(fēng)機(jī)并入直流微網(wǎng)的穩(wěn)定情況，沒有對多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析。未來可對規(guī)模化新能源接入直流微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定問題進(jìn)行分析研究。