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        獨(dú)立微網(wǎng)下柴油發(fā)電機(jī)與蓄電池協(xié)調(diào)供電研究

        2022-06-20 12:55:36秦娜娜和童昭謝青海劉成偉
        技術(shù)與市場(chǎng) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:微網(wǎng)蓄電池柴油

        袁 瑞,秦娜娜,和童昭,謝青海,劉成偉

        (河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,河北 邢臺(tái) 054000)

        0 引言

        獨(dú)立微網(wǎng)是在大電網(wǎng)無(wú)法覆蓋的區(qū)域里一種有效的供電方式[1]。大電網(wǎng)無(wú)法覆蓋的區(qū)域具有用電負(fù)荷集中、功率等級(jí)低等特點(diǎn)。柴油發(fā)電機(jī)憑借其方便可移動(dòng)性、可靠性、穩(wěn)定性、供電連續(xù)等特點(diǎn)成為微電網(wǎng)中最直接、最有效的發(fā)電設(shè)備,甚至是唯一的發(fā)電設(shè)備[2]。但是當(dāng)微電網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,進(jìn)而引起微電網(wǎng)暫態(tài)頻率和電壓不穩(wěn)[3]。

        為了避免微電網(wǎng)中由于柴油發(fā)電機(jī)單一供電缺陷而引起的微電網(wǎng)暫態(tài)頻率和電壓不穩(wěn)定,在微電網(wǎng)中加入可以快速響應(yīng)沖擊的蓄電池作為微電網(wǎng)臨時(shí)能量調(diào)節(jié)設(shè)備,通過(guò)協(xié)調(diào)控制2種能源出力大小,維持微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定,保證連續(xù)供電和電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

        1 文獻(xiàn)綜述和研究背景

        文獻(xiàn)[4]通過(guò)空間矢量算法實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦,但是沒(méi)有在頻率調(diào)節(jié)上進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)基于能量成型的控制方法和傳統(tǒng) PI 控制方法進(jìn)行了對(duì)比仿真分析,主要是對(duì)比在并網(wǎng)和非并網(wǎng)條件下哪種方案更有效。文獻(xiàn)[6]利用改進(jìn)的粒子群算法得出微電網(wǎng)能源最佳配置方案。文獻(xiàn)[7]提出一種計(jì)算量小的多能量協(xié)調(diào)控制策略,基于自然選擇優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[8]考慮到傳統(tǒng)下垂算法不具備考慮線路壓降和傳統(tǒng)下垂算法調(diào)節(jié)頻率不精確的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的下垂控制策略,但是只考慮了蓄電池單獨(dú)調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率,沒(méi)有結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)更深層次地探討能量協(xié)調(diào)方法。文獻(xiàn)[9]改進(jìn)了下垂控制方法,但是沒(méi)有進(jìn)一步提出蓄電池作為用電設(shè)備對(duì)微電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[10]側(cè)重于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為主要能量協(xié)調(diào)工具,當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)頻需要時(shí),讓蓄電池參與調(diào)頻的控制方法。

        本文以柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組合發(fā)電為例,針對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng),提出了一種三層次控制策略。首先,在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系分析了影響蓄電池出力大小的因素;其次,結(jié)合空間矢量電壓調(diào)節(jié)(SVPWM),提出了第一層蓄電池快速響應(yīng)微網(wǎng)負(fù)荷突變,減小電壓和頻率變化;然后,在柴油發(fā)電機(jī)對(duì)負(fù)荷突變調(diào)節(jié)緩慢的基礎(chǔ)上,提出第二層柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電壓和頻率精確的調(diào)節(jié)策略;最后,結(jié)合實(shí)際,考慮到蓄電池電量低于50%時(shí)需要充電,提出第三層整體能量協(xié)調(diào)方案。

        2 獨(dú)立微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

        微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)圍繞三層次控制策略架構(gòu)而成,如圖1所示,主要由柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池及系統(tǒng)控制中心(System Central Controller,SCC)組成。蓄電池組通過(guò)空間矢量電壓調(diào)制連接到交流母線上,通過(guò)充放電操作,參與微電網(wǎng)的能量調(diào)節(jié)。

        根據(jù)獨(dú)立微電網(wǎng)的特性,即柴油發(fā)電機(jī)組較小的慣性和較慢的調(diào)節(jié)性能,在微電網(wǎng)功率供需不平衡時(shí),考慮柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組以及SCC動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間特征,借鑒電力系統(tǒng)3次調(diào)頻經(jīng)驗(yàn),將微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分三步調(diào)節(jié):第一步,蓄電池快速響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化,減小負(fù)荷沖擊;第二步,柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓頻率在額定值;第三部,SCC完成系統(tǒng)間電能調(diào)度。

        圖1 獨(dú)立微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

        3 微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

        3.1 柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)工作響應(yīng)負(fù)荷沖擊

        圖2是柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩圖。發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%,在第7秒時(shí)負(fù)荷突增5%,此時(shí)只有柴油發(fā)電機(jī)為負(fù)荷供電,可以看出柴油發(fā)電機(jī)在7 s前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。圖中上面部分是微網(wǎng)的電壓,在7 s時(shí)電壓有效值突然降低了14 V左右,經(jīng)過(guò)4 s的波動(dòng)后恢復(fù)到原值;圖中中間部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線,可以看出7 s時(shí)由于負(fù)荷突增,導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到49.93 Hz,通過(guò)降低轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償突增的負(fù)荷所需的電能;圖中下面部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線,在7 s時(shí)負(fù)荷突增,柴油發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率突然降低后,柴油發(fā)電機(jī)為了維持電壓和頻率穩(wěn)定通過(guò)調(diào)大轉(zhuǎn)矩的大小,增加輸出功率。經(jīng)過(guò)大約4 s的調(diào)節(jié)后,柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)到額定轉(zhuǎn)矩的85%左右,頻率穩(wěn)定在50 Hz。

        圖2 柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩圖

        3.2 柴油發(fā)電機(jī)與蓄電池協(xié)調(diào)供電

        柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池共同構(gòu)成微網(wǎng)的供電單元,柴油發(fā)電機(jī)作為微電網(wǎng)的主要供電能源,蓄電池作為微網(wǎng)的輔助能源。柴油發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%,此時(shí)蓄電池滿(mǎn)電狀態(tài),且不充電也不放電。當(dāng)微網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生突增時(shí),蓄電池快速響應(yīng),向微網(wǎng)中補(bǔ)充能量。

        3.2.1 第一層蓄電池快速響應(yīng)負(fù)荷沖擊

        以IGBT作為功率控制器,把通過(guò)IGBT的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制,控制蓄電池通過(guò)IGBT變流器后的電流方向和大小。把系統(tǒng)交流側(cè)作為研究對(duì)象,d軸設(shè)置為參考軸,經(jīng)過(guò)dq變換,可得出蓄電池輸出的無(wú)功及有功功率。

        P=ed×id

        (1)

        Q=-ed×iq

        (2)

        ed、eq、id、iq分別為dq變換后的電壓和電流分量??梢?jiàn),如果ed不變,通過(guò)控制id、iq就可以控制蓄電池輸出功率的大小。

        微電網(wǎng)在第7 s時(shí)負(fù)荷突變,蓄電池快速響應(yīng),根據(jù)公式(1)和公式(2),可以計(jì)算出蓄電池組輸出電流經(jīng)過(guò)dq變換后的電流大小,根據(jù)能量守恒定律,調(diào)整輸出電流id、iq的大小,快速響應(yīng)負(fù)荷變化,減輕負(fù)荷突變對(duì)微電網(wǎng)的沖擊。蓄電池響應(yīng)負(fù)荷沖擊如圖3所示,蓄電池組在0.04 s內(nèi)快速響應(yīng)負(fù)荷沖擊,迅速提高放電電流。圖3上面是電流id曲線圖,下面是電流iq曲線圖。

        圖3 蓄電池響應(yīng)負(fù)荷沖擊圖

        圖4 蓄電池工作時(shí)正負(fù)極電壓差曲線圖

        圖4是蓄電池工作時(shí)正負(fù)極電壓差曲線圖,微網(wǎng)在第7秒時(shí)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng),蓄電池迅速響應(yīng),隨著時(shí)間的推移,蓄電池正負(fù)極電壓差逐漸減小,符合實(shí)際情況。

        3.2.2 第二層柴油發(fā)電機(jī)響應(yīng)負(fù)荷沖擊

        柴油發(fā)電機(jī)的作用是為微網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率。圖5是有蓄電池參與供電后微網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷突變柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率和轉(zhuǎn)矩圖。柴油發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%,在第7秒時(shí)負(fù)荷突增5%,此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池為負(fù)荷供電,可以看出柴油發(fā)電機(jī)在7 s前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。圖中上面部分是微網(wǎng)的電壓,在7 s時(shí)電壓有效值突然降低了14 V左右,經(jīng)過(guò)1 s的波動(dòng)后恢復(fù)到原值;圖中中間部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線,可以看出7 s時(shí)由于負(fù)荷突增,導(dǎo)致柴發(fā)的轉(zhuǎn)速下降到49.985 Hz,大約1.5 s后恢復(fù)到50 Hz;圖中下面部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線,在7 s時(shí)負(fù)荷突增,柴油發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率小范圍降低后,柴油發(fā)電機(jī)為了維持電壓和頻率穩(wěn)定,通過(guò)上調(diào)轉(zhuǎn)矩,增加輸出功率。經(jīng)過(guò)大約1.5 s的調(diào)節(jié)后,柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)了1%左右,隨后維持穩(wěn)定。

        圖5 柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率和轉(zhuǎn)矩圖

        3.2.3 第三層整體能量協(xié)調(diào)

        考慮到蓄電池組的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性,蓄電池組一次放電到額定值的50%后,蓄電池就不再為負(fù)荷供能,需要先將蓄電池轉(zhuǎn)移給柴油發(fā)電機(jī),然后再給蓄電池充電。圖6是微網(wǎng)在15 s時(shí)蓄電池電流id波形圖,蓄電池在進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移和充電時(shí)要保證微網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定,所以電流id絕對(duì)值是逐漸減小再增大。圖7為微網(wǎng)電壓和頻率曲線圖。

        圖6 微網(wǎng)蓄電池電流id波形圖

        圖7 微網(wǎng)電壓和頻率曲線圖

        3 結(jié)論

        針對(duì)微電網(wǎng)中柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,且負(fù)荷變化容易引起微電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng),本文提出了柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池三層控制策略,該策略利用蓄電池快速響應(yīng)特性,有效抑制了負(fù)荷波動(dòng)引起的電壓頻率波動(dòng),配合SCC協(xié)調(diào)控制,保證了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。通過(guò)把上述策略在微電網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證,得出以下結(jié)論。

        1)負(fù)荷突增5%,柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時(shí)頻率波動(dòng)0.08 Hz,有蓄電池的微網(wǎng)頻率波動(dòng)0.01 Hz,同比下降了87.5%。

        2)負(fù)荷突增5%,柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時(shí)電壓突降14 V,有蓄電池的微網(wǎng)電壓也下降14 V。

        3)負(fù)荷突變,柴發(fā)單獨(dú)供電時(shí),波動(dòng)經(jīng)過(guò)4 s恢復(fù)原值;有蓄電池的微網(wǎng)經(jīng)過(guò)1 s恢復(fù)原值,同比下降了75%。

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