張偉，武文麗，王宇強，葛利宏，陳敏，張雨舟

(1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2. 內蒙古電力(集團)有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010；3.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

隨著我國經濟建設不斷發(fā)展以及電力需求的不斷提高，電力生產消費的安全面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。極端災害下導致的大面積長時間停電事件，以及運維、配電檢修等場景下的計劃停電，都對國內的經濟社會發(fā)展、社會團結安定、人民安居樂業(yè)產生不利的影響，成為電力系統(tǒng)亟待解決的痛點問題[1-4]。應急微電網作為電力安全問題的事前預防和事后保障的重要方案，可以在部分停電區(qū)域利用柴油發(fā)電應急車和儲能應急車對其中的重要負荷進行應急供電。在極端災害的情況下，目前主要采取將某臺柴油發(fā)電應急車或者儲能應急車開赴重要保供電區(qū)域，單獨為重點負荷提供電力供應[5-6]；然而在大規(guī)模停電情況下，重要節(jié)點的保供電措施難以實現(xiàn)故障后的快速恢復能力、保障人民正常生產生活。

目前，對于多類型應急電源的系統(tǒng)控制策略的研究，在多應急電源之間的功率均分、動態(tài)性能、頻率支撐等方面存在一定局限[7-9]；因此，針對大規(guī)模區(qū)域停電情況下利用柴油發(fā)電應急車和儲能應急車來應急供保電的組網供電方案，開展了應急微電網組網供電策略的研究。文獻[10]提出了一種下垂系數自調節(jié)的改進型下垂控制策略，在無通信的情況下即可實現(xiàn)多應急電源的自趨優(yōu)控制。文獻[11]提出了并網型脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)逆變器和旋轉同步發(fā)電機的物理機制相似、數學模型等效，并發(fā)展了靜態(tài)同步發(fā)電機的概念。文獻[12]提出了一種適合微電網多逆變器并聯(lián)的電壓電流雙環(huán)下垂控制策略，虛擬阻抗的引入可減少逆變器輸出電阻的影響。文獻[13]提出了包含電壓源型逆變器接口和同步發(fā)電機接口的微電網控制策略，可實現(xiàn)功率輸出自我調整以及微電網與大電網的無縫轉接。文獻[14]提出了逆變器電流未飽和及飽和時的虛擬功角特性，得出逆變器的虛擬功角同步穩(wěn)定機理和失穩(wěn)過程。此外，還有許多文獻針對柴油發(fā)電同步機和電池儲能逆變器的系統(tǒng)控制策略，開展了不同方面的仿真和實驗[15-17]。

下垂控制的逆變器可以模擬同步發(fā)電機的有功頻率和無功電壓外特性以及轉子慣量特性，現(xiàn)有的控制策略多集中在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的功率均分和環(huán)流方面，鑒于應急微電網中負荷的隨機性特點，系統(tǒng)的動態(tài)過程中的功率均分和環(huán)流抑制極為重要。本研究基于應急微電網的頻率變換率和系統(tǒng)環(huán)流機理，提出了逆變器的慣量自趨優(yōu)方法；基于環(huán)流功率和環(huán)流功率變化率，調節(jié)儲能逆變器下垂控制濾波環(huán)節(jié)中的時間常數，來實現(xiàn)慣量自趨優(yōu)，抑制系統(tǒng)間瞬態(tài)環(huán)流功率；最后用MATLAB/PLECS軟件仿真分析了慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略下系統(tǒng)功率均分的特性。

1 應急微電網等效模型和系統(tǒng)分析

1.1 應急微電網簡化模型

在應急微電網中，系統(tǒng)可以等效為多臺同步發(fā)電機和電壓源逆變器并聯(lián)在同一條交流母線上，電流源型逆變器和用戶負荷等效為系統(tǒng)的公共負載，其結構如圖1所示，圖中：Zload為公共負載的等效電阻；Iload為公共負載的電流；Ubus為交流母線電壓，同時也是公共負載兩端的電壓；Uo、Io分別為各分布式電源(distributed generation，DG)的輸出電壓、輸出電流；Is為電流源型逆變器的輸出電流；Zw為DG和公共交流母線之間的連線阻抗；變量符號加下標a表示電壓源逆變器單元，b表示同步發(fā)電機，加下標1、2等編號表示各分支的變量。

圖1 應急微電網系統(tǒng)的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of the emergency micro-grid system

圖1中并聯(lián)的同步發(fā)電機和逆變器都為系統(tǒng)的DG，交流母線電壓不是穩(wěn)定不變的，而是所有DG輸出電壓和電網電壓共同作用的結果，DG的輸出電流是所有DG輸出電壓、電網電壓以及用戶負載共同作用的結果；因此，整個應急微電網是多輸入多輸出的系統(tǒng)，即所有DG的輸出電壓和電網電壓均為應急微電網的輸入量，所有DG的輸出電流以及注入電網的電流均為應急微電網的輸出量，用戶負載屬于系統(tǒng)的可變參量，而交流母線電壓屬于系統(tǒng)中的1個狀態(tài)變量。

1.2 系統(tǒng)環(huán)流的定義

在應急微電網中考慮系統(tǒng)動態(tài)過程中出現(xiàn)的功率不均分和環(huán)流[18-21]，系統(tǒng)中的環(huán)流Icir在頻域下可表示為DG實際輸出電流Io與理想輸出電流It的差值，即

Icir(s)=Io(s)-It(s)，

(1)

式中s為復變量。

應急微電網系統(tǒng)內的環(huán)流是1個虛擬的電流量，它的大小是相對于逆變器的理想輸出電流It而言的。在A臺DG處于穩(wěn)態(tài)時，負載的電壓(即交流母線電壓)是穩(wěn)定不變的，因而DG按照各自的權重系數均分負載功率，本質上就是按照各自的權重系數均分負載電流Iload，那么第a臺DG按比例分得的電流即為理想輸出電流It,a，即

(2)

式中ka為在A臺DG構成的應急微電網并聯(lián)系統(tǒng)中，任意一臺(第a臺)DG的理想輸出電流在負載電流中所占的比例，也就是權重系數。同時可以得到每臺DG的輸出環(huán)流Icir,a，即

(3)

式中Io,a為每臺DG的輸出電流。由此可知，系統(tǒng)中所有DG的輸出環(huán)流相互抵消，意味著這些環(huán)流是在系統(tǒng)中所有DG之間相互流動的。在理想狀態(tài)下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時所有DG的環(huán)流都等于0。

1.3 應急電源的慣量和頻率變化率

應急微電網是由柴油發(fā)電同步機和儲能逆變器并聯(lián)形成的孤島電網，系統(tǒng)中的柴油發(fā)電同步機和儲能逆變器在負荷波動情況下輸出頻率的動態(tài)響應不一致，易引起較大的瞬態(tài)擾動。

同步發(fā)電機在負載變換時的慣量響應由2個部分構成，包括轉子的狀態(tài)變量(功角、頻率)在不平衡轉矩下的響應，以及發(fā)電機轉子動能與輸出電磁功率在系統(tǒng)頻率變化時的響應。根據同步發(fā)電機的動能方程，假定發(fā)電機的極對數為1時，可以得到慣量的相關表達式[22-23]如下：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：J為轉子轉動慣量；ωref為轉子的額定轉速；PG,N為同步發(fā)電機的額定功率；TJ為轉子慣性時間常數；fref為系統(tǒng)的額定頻率。

系統(tǒng)中t時刻的同步發(fā)電機輸出的瞬時電磁功率[13](即轉子動能變化量)

(6)

式中fG(t)為同步發(fā)電機的瞬時頻率。

2 慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略

為實現(xiàn)應急微電網系統(tǒng)功率均分以及系統(tǒng)的穩(wěn)定，儲能逆變器模擬同步發(fā)電機的輸出特性，通過逆變器的電壓和頻率調整輸出無功功率和有功功率[24-25]。針對儲能逆變器的下垂控制和同步發(fā)電機的轉子運動方程展開分析，相關控制框圖如圖2、圖3所示，2個圖中：Uref為系統(tǒng)的額定電壓；ω0為電網同步角速度；ω為轉子的實際轉速；Tmec、Tele分別為機械轉矩、電磁轉矩；D為阻尼系數；P、Q分別為實際頻率和電壓條件下輸出的有功功率、無功功率；f、U分別為對應P、Q值的逆變器給定頻率、電壓幅值；Uc、Xc為調差及測量單元的輸出電壓和調差阻抗；Usrr為偏差值；T1、T2、T3、T4、TA、TR為時間常數；KA、Kj為放大倍數；Uf為同步發(fā)電機的勵磁電壓；AVR為自動電壓調節(jié)器，automatic voltage regulator的縮寫；θ為逆變器相位角，由頻率積分而來。

圖2 儲能逆變器控制框圖Fig.2 Control block diagram of the energy storage inverter

如圖3所示，同步發(fā)電機的轉子運動方程為

(7)

式中Pmec、Pele分別為機械功率、電磁功率。

儲能逆變器的儲能裝置為鋰電池組，系統(tǒng)下垂控制下的有功頻率和無功電壓的關系如下：

圖3 同步發(fā)電機控制框圖Fig.3 Control block diagram of the synchronous generator

(8)

式中：Pref、Qref分別為有功、無功的基準功率；Tm和Tn為有功、無功下垂中低通濾波器的濾波時間參數；m、n分別為有功、無功下垂增益。有功頻率控制方程可以進一步變形成

(9)

與同步發(fā)電機的轉子運動方程相比，轉子慣量J和阻尼系數D可以表達為：

(10)

結合式(7)和式(10)可知，下垂控制的低通濾波器的參數Tm起到了同步發(fā)電機慣性環(huán)節(jié)慣量J的作用；因此，下垂控制中的低通濾波器能夠在逆變器控制中實現(xiàn)有功頻率環(huán)節(jié)中的慣量支撐，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的控制策略

應急微電網中的逆變器和同步發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)在用電負荷切換時，系統(tǒng)響應負荷功率的動態(tài)過程中，同步發(fā)電機自身的轉子動能能夠提供慣性來延緩系統(tǒng)的頻率變化率；然而，常規(guī)下垂控制下，儲能逆變器的輸出頻率會快速響應負載的變化，不能有效抑制系統(tǒng)頻率的快速跌落。

系統(tǒng)中的同步發(fā)電機和儲能逆變器的慣性不一致，會導致系統(tǒng)暫態(tài)過程中的頻率偏差，以及在動態(tài)過程中同步發(fā)電機和儲能逆變器間的功率環(huán)流，如圖4所示，UMa、UMb、UMc為柴油發(fā)電機的三相輸出電壓，Uia、Uib、Uic為儲能逆變器的三相輸出電壓。

圖4 DG輸出電壓矢量圖Fig.4 Vector diagram of DG output voltage

由式(5)可知，同步發(fā)電機的轉動慣量由其額定功率、額定轉速和轉子慣性時間常數共同決定；因此，在同步發(fā)電機和逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)慣量匹配，如式(10)可以通過改變儲能逆變器的低通濾波器的時間常數Tm來實現(xiàn)逆變器慣量J的變化，從而抑制并聯(lián)系統(tǒng)在動態(tài)過程的變換。

由此，提出一種慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制方法，其中有功頻率環(huán)節(jié)的低通濾波器的時間常數

(11)

(12)

式(11)、(12)中：Tm0為初始的濾波時間參數；k為調節(jié)系數；PVSI為儲能逆變器的輸出功率；PSG為同步發(fā)電機的輸出功率；ΔP為系統(tǒng)中的環(huán)流功率；PS為負荷的總功率。

由于系統(tǒng)動態(tài)過程中的瞬時環(huán)流因不同DG之間的慣量差異產生，而儲能逆變器的慣量大小取決于低通濾波器的時間常數Tm，可通過檢測各DG的輸出功率來調節(jié)時間常數Tm，從而實現(xiàn)環(huán)流抑制。當功率變換dPS/dt與系統(tǒng)環(huán)流功率ΔP正負號相同時，增大儲能逆變器的時間常數從而減小系統(tǒng)的功率環(huán)流；反之，減小儲能逆變器的時間常數。

2.2 慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的控制策略

對應急微電網中的儲能逆變器進行參數設計時，首先確定有功頻率的下垂系數m。根據應急微電網系統(tǒng)中所要求的最低頻率fmin、最高頻率fmax和逆變器的額定功率PVSI,N，設計儲能逆變器下垂控制環(huán)路的下垂控制系數m，即

(13)

進一步考慮儲能逆變器需要模擬的慣量J正比于初始的濾波時間參數Tm0，由式(5)和式(10)可知

(14)

式中ωVSI,ref為逆變器輸出電壓的額定角速度，并聯(lián)組網時與同步發(fā)電機的額定角速度ωref保持一致。

關于慣性自趨優(yōu)環(huán)節(jié)的調節(jié)系數k，可以依據設定的最大時間常數Tm,max和最小時間常數Tm,min來確定取值區(qū)間，即

(15)

根據應急微電網系統(tǒng)中所要求的頻率范圍、同步發(fā)電機轉動慣量與儲能逆變器相匹配的整體原則，控制策略系統(tǒng)參數的設計流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)參數設計流程Fig.5 System parameter design flow

3 仿真實驗

3.1 系統(tǒng)仿真

根據所提出的儲能逆變器慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略，基于MATLAB/PLECS建立了1臺柴油發(fā)電同步機和1臺儲能逆變器的應急微電網并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型。在儲能逆變器的不同濾波時間常數下，針對慣量相同、慣量不同和慣量自趨優(yōu)的3種情況下開展了應急電源投切仿真和負載投切仿真，其中應急微電網系統(tǒng)的仿真參數見表1，表中Umax、Umin分別為仿真設定的DG最大工作電壓、最小工作電壓。

表1 仿真系統(tǒng)主要參數Tab.1 Main parameters of the simulation system

應急微電網并聯(lián)系統(tǒng)首先要能實現(xiàn)同步發(fā)電機和儲能逆變器的并聯(lián)以及響應負荷功率的變化。對于仿真算例：在0～3 s時為狀態(tài)1，系統(tǒng)的初始負荷為414 kW；在3～3.76 s時為狀態(tài)2，系統(tǒng)中儲能逆變器開始并機預同步；在3.76～8 s時為狀態(tài)3，系統(tǒng)中同步發(fā)電機和儲能逆變器開始均分負荷；在8～12 s時為狀態(tài)4，系統(tǒng)中負荷增加至480 kW；在12～16 s時為狀態(tài)5，系統(tǒng)中負荷降低至414 kW。所得的仿真結果如圖6所示。

可以看到在應急微電網中，在0～8 s之間的儲能逆變器和柴油發(fā)電同步機的同步并聯(lián)環(huán)節(jié)，3種慣性環(huán)節(jié)下系統(tǒng)的功率均分情況無較大差異，都可以很好地實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)下逆變器和同步發(fā)電機的功率均分。在8～12 s和12～16 s負荷加載和切載過程中：慣量一致時，系統(tǒng)功率均分，系統(tǒng)暫態(tài)環(huán)流功率波動范圍為-4～6 kW；慣量不同時，可以明顯看出系統(tǒng)功率在負荷切換瞬間不均分，此時系統(tǒng)暫態(tài)環(huán)流功率波動范圍為-9～9 kW；慣量自趨優(yōu)時，系統(tǒng)功率保持均分，此時系統(tǒng)暫態(tài)環(huán)流功率波動范圍為-4～5 kW。

由圖6分析可知，慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的儲能逆變器可以抑制同步發(fā)電機和逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)在負荷切載過程的環(huán)流功率，減小系統(tǒng)間的暫態(tài)環(huán)流，增強系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)中同步發(fā)電機及逆變器的輸出功率、環(huán)流功率Fig.6 Output power and circulating current active power of synchronous machine and inverter in the system

3.2 控制器設計

應急微電網的儲能逆變器的并聯(lián)控制器包含三相電氣信息的采樣模塊、AD和DA模塊、CPU和FPGA系統(tǒng)架構及應急電源的檢測和控制系統(tǒng)。其中的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)Atom-RIO采用可重配置I/O FPGA技術和LabVIEW的圖形化編程，實現(xiàn)控制和采集系統(tǒng)的浮點控制、實時通信和信號處理。

采用以上各個模塊并經過系統(tǒng)設計，控制器具備控制器間的網絡通信能力以及豐富的接口功能，包括雙極性的模擬量輸出和脈沖控制輸出。應急微電網的并聯(lián)控制器及其接線圖如圖7、圖8所示。

搭建的應急微電網半實物實驗平臺如圖9所示，實驗平臺由MATLAB仿真計算機、NI半實物控制器、數字示波器和并聯(lián)控制器組成。將所需檢測的相應信號通過NI半實物控制器接入示波器，并對其進行觀察。由于半實物控制的輸出模擬信號接口最大輸出幅值為±10 V，因此將所需觀察的信號進行一定量的縮比，從而驗證控制策略的可行性。

圖7 控制器Fig.7 Controller

在NI半實物仿真平臺中建立柴油發(fā)電同步機和儲能逆變器的電路模型，在并聯(lián)控制器中建立慣量環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的控制策略，應急微電網并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型開始仿真時，系統(tǒng)總共接入0.3 MW有功負載，在t=20 s時加載0.2 MW有功負載，在t=40 s時加載0.2 Mvar無功負載。仿真得到的系統(tǒng)母線的電壓波形、0時刻的逆變器輸出電流、應急電源的有功功率和無功功率變化曲線如圖10所示，示波器圖的上半部分為長時間尺度下的波形，下半部分為上半部分滑動窗口中的詳細波形。

圖8 接線圖Fig.8 Wiring diagram

圖9 半實物仿真平臺Fig.9 Hardware-in-loop simulation platform

由圖10可以看出，在應急組網負載切換變動過程中，系統(tǒng)母線電壓的幅值和頻率一直保持穩(wěn)定。而在負荷切載的瞬態(tài)過程中，如圖10(b)可以看到逆變器輸出電流的暫態(tài)過程保持穩(wěn)定。系統(tǒng)中應急電源的輸出有功功率和無功功率如圖10(c)、(d)所示，可以看到基于慣量自趨優(yōu)方法的應急微電網系統(tǒng)在負荷切載過程中功率保持良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)均分特性，進一步驗證了所提慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)控制策略的有效性。

圖10 實驗波形Fig.10 Experimental waveforms

4 結論

本研究提出的儲能逆變器慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略在應急微電網系統(tǒng)的同步并機、負荷切換等多個狀態(tài)下得到了仿真模型的驗證，結論如下：

a)慣性環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略能夠實現(xiàn)應急微電網系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)功率均分，并抑制負荷切換過程的系統(tǒng)環(huán)流功率實現(xiàn)瞬態(tài)功率均分。

b)由于儲能逆變器和柴油發(fā)電同步機的慣量環(huán)節(jié)不一致，且特殊場景下系統(tǒng)的負荷波動性強，系統(tǒng)間功率環(huán)流在負荷輕載會影響系統(tǒng)功率平衡。采用慣量環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的控制策略能夠很好地抑制系統(tǒng)內的功率環(huán)流，實現(xiàn)在部分停電區(qū)域利用柴油發(fā)電應急車和儲能應急車對重要的區(qū)域負荷提供電力保障。

在下一階段，將進一步考慮慣量環(huán)節(jié)自趨優(yōu)的下垂控制策略在場景復雜的應急微電網中的控制效果，進一步改進控制策略，增強控制策略的適用能力，實現(xiàn)在復雜工況下多類型應急電源的組網供電。