李建林,丁子洋,劉海濤,楊夯
(1.北方工業(yè)大學儲能技術工程研究中心,北京市 石景山區(qū) 100144;2.南京工程學院智能電網產業(yè)技術研究院,江蘇省 南京市 211167;3.國網山東省電力公司經濟技術研究院,山東省 濟南市 250000)
隨著“雙碳”目標推進,新型電力系統(tǒng)加速建設,新能源和電力電子器件在電力系統(tǒng)中占比不斷增加,新能源取代傳統(tǒng)能源也是發(fā)展的必然趨勢。然而,在此發(fā)展過程中也面臨諸如系統(tǒng)強度削減、穩(wěn)定性降低等問題。而構網控制技術的出現(xiàn)能夠極大程度避免此類情況的發(fā)生,其在“雙高”新型電力系統(tǒng)中,具有電壓支撐和主動慣量支持特性,可代替同步機實現(xiàn)電網支撐,且具備在無需外電網的情況下帶負荷運行的能力,進而維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。從結構上看,構網型變流器從本質上是直流側電壓可保持恒定的電壓源換流器,在孤島模式和并網模式下皆可運行并提供黑啟動,且能實現(xiàn)100%新能源接入,因此在新型電力系統(tǒng)領域發(fā)揮著越來越大的作用。
目前已有學者針對構網型變流器展開相關研究,文獻[1]對基礎的單雙級儲能功率變換系統(tǒng)(power conversion system,PCS)拓撲結構進行簡要對比分析。文獻[2]主要介紹了級聯(lián)式儲能PCS拓撲結構,并對其控制策略進行了總結。文獻[3]對構網控制技術的現(xiàn)狀進行總結,并指出其現(xiàn)存的研發(fā)難點。目前,構網控制技術發(fā)展還在初期階段,上述文獻對于構網型變流器的選型和具體控制策略的優(yōu)劣并無針對性的解答。
本文首先簡要介紹基礎的儲能變流器拓撲結構,再對結構相對復雜的級聯(lián)H橋和模塊化多電平變流器(modular multilevel converter,MMC)拓撲進行總結,通過對儲能PCS的對比分析,進而為構網型變流器的選型提供合理建議。其次,對構網型控制技術的現(xiàn)有控制策略進行介紹,得出各自控制特點和使用場景。最后,分析構網控制面臨的問題和挑戰(zhàn),并對其發(fā)展提供合理性建議。
1.1.1 單級式儲能PCS拓撲
圖1為單級式儲能PCS拓撲結構圖。其核心環(huán)節(jié)僅由一脈寬調制(pulse width modulation,PWM)變換器組成。其工作原理如下:首先由高壓蓄電池組輸出電能,通過PWM變換器進行逆變,再由LCL濾波和升壓變壓器調節(jié)控制,使輸出電壓和電網適配,并最終回饋于電網。反之,電網中的交流電也可通過PWM變換器整流形成直流電,并最終存儲于高壓蓄電池組中。其特點是:拓撲結構相對簡單,技術較為成熟,轉換效率高。但需要較高的直流母線電壓,且由于過多的電池組串并聯(lián)導致儲能電池的管理難度提升,因此其難以適用于較高電壓等級的儲能系統(tǒng)。
圖1 單級式儲能PCS拓撲結構圖Fig.1 Topology diagram of single-stage energy storage PCS
1.1.2 雙級式儲能PCS拓撲
雙級式儲能PCS拓撲比單級式增加了一個雙向DC/DC變換器環(huán)節(jié)充當控制調節(jié)電壓等級的作用,如圖2所示。由于單雙級式儲能PCS兩者拓撲結構相似,因此工作原理也大體一致。加入雙向DC/DC變換器后減輕了高壓蓄電池組的運行壓力,使其容量配置更為靈活,一定程度上增大了工作電壓范圍。但與此同時,加入雙向DC/DC變換器后能量損耗增加,不易于后續(xù)的控制。
圖2 雙級式儲能PCS拓撲結構圖Fig.2 Topology diagram of bipolar energy storage PCS
1.1.3 三電平儲能PCS拓撲
圖3為三電平儲能PCS拓撲圖,其為典型的三電平中點鉗位型拓撲,相較于上述兩拓撲能輸出更高的電平,有效提高變換器并網電流質量,降低系統(tǒng)共模電壓對電池儲能系統(tǒng)的沖擊,但作為構網型PCS用在新型電力系統(tǒng)中電壓等級相對較低。
圖3 三電平儲能PCS拓撲圖Fig.3 Topology diagram of three-level energy storage PCS
1.2.1 級聯(lián)型儲能PCS拓撲
圖4為級聯(lián)型儲能PCS拓撲圖,相較于上述拓撲結構,其拓撲開關管數量增加,呈現(xiàn)為模塊化結構,在構網型構建和新型電力系統(tǒng)建設領域受到廣泛關注[4-7]。級聯(lián)型儲能PCS拓撲由功率轉換系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)組成,其中PCS控制能量的雙向流動,實現(xiàn)從直流到交流、交流到直流的轉變,以及從低壓到高壓、高壓到低壓的轉變;且實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的相間、相內功率控制,平衡各橋臂各模塊間的輸出功率,以此控制每個單元內電池荷電狀態(tài)的均衡。儲能單元接在每個H橋的直流側,橋臂采用星型連接,經過濾波電感與電網相連。通過脈沖寬度調制技術控制交流側電壓矢量的大小與方向,進而間接控制網側電流的大小,實現(xiàn)儲能變換器的功率控制。另外,系統(tǒng)電壓等級方面可通過串聯(lián)H橋模塊來提高,可有效規(guī)避大規(guī)模儲能電池的串聯(lián)。由于系統(tǒng)中每個模塊可以獨立工作且互不影響,因此也極大方便了直流儲能單元的功率控制和系統(tǒng)的容錯控制[8-10]。
圖4 級聯(lián)型儲能PCS拓撲圖Fig.4 Topology diagram of cascade energy storage PCS
1.2.2 MMC拓撲
典型的MMC橋臂拓撲結構由多個功率單元和2個橋臂電感依次串聯(lián)構成,如圖5所示,拓撲一共有三相,每一相上下2個橋臂可合并為一個相單元,而每個橋臂都對應包含有N個子模塊(sub-module,SM)。與級聯(lián)型H橋拓撲不同,MMC存在公共的直流母線,由此可大大減小儲能單元中的紋波電流,進而提高儲能系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性,且能提升MMC在電池儲能應用的多樣性[11]。但與此同時,也使得系統(tǒng)中的功率器件承受更高的關斷電壓,此外還會導致各相環(huán)流問題。和級聯(lián)型拓撲一樣,模塊化的設計可大大提升系統(tǒng)的電壓等級。而在眾多MMC子模塊類型中,半橋型子模塊的運用最為廣泛,如圖6所示。其中包含了4種工作模式,表1給出了在不同工作模式下MMC子模塊的狀態(tài)。通過控制內部開關管的開通和關斷,就能達到對子模塊輸出電壓及其工作狀態(tài)調節(jié)變換的控制效果,操作簡單有效,故適用于構網型及新型電力系統(tǒng)的構建[12]。
表1 MMC中不同工作模式對比Tab.1 Comparison of different working modes in MMC
圖5 MMC拓撲結構Fig.5 Topology of MMC
圖6 MMC子模塊的拓撲結構Fig.6 Topology of an MMC submodule
儲能PCS拓撲對比分析如表2所示。由表2可知,隨著開關管的增加,拓撲結構變得復雜,隨之系統(tǒng)的電壓等級范圍進一步提升。與此同時,控制難度和成本也隨之增加。單級式和雙級式儲能PCS相比于模塊化拓撲,結構相對簡單,因此體積小、重量輕,控制難度上也相對容易。另外,在雙級式儲能PCS上增設的雙向DC/DC變換器,在一定程度上使得容量配置更加靈活,因此可在后續(xù)的構網型拓撲構件中加入此方面設計??傮w而言,單雙級式PCS僅適用于電壓等級比較低的儲能系統(tǒng),故此類儲能PCS結構不宜使用在新型電力系統(tǒng)中。
表2 儲能PCS對比Tab.2 Comparison of PCS energy storage
三電平PCS拓撲相較于單級式和雙級式儲能PCS能輸出更高的電平。但受限于電壓等級,因此也不適宜作為構網型變流器主體結構運用在新型電力系統(tǒng)中。
而級聯(lián)型儲能PCS和MMC拓撲結構相似,都是基于模塊化的設計,因此大大提升了系統(tǒng)的電壓等級范圍。級聯(lián)型儲能PCS的優(yōu)點在于無環(huán)流隱患,且串聯(lián)H橋的設計可有效規(guī)避大規(guī)模儲能電池的串聯(lián)。MMC和級聯(lián)型儲能PCS相比,由于公共直流母線的存在,可使儲能單元中的紋波電流大大減小,使其在電池儲能應用更具多樣性和靈活性,故較為適宜以級聯(lián)H橋和MMC拓撲為思路應用于構網型變流器和新型電力系統(tǒng)建設。與此同時,模塊化的拓撲結構也就意味著電池數目增多,導致成本較高,且控制策略變得復雜困難,因此選取對于構網型最優(yōu)的控制策略就顯得至關重要。
構網控制技術從實現(xiàn)原理看,是通過變流器經過阻抗向系統(tǒng)并網點提供一個具有一定維持能力的電壓源。其本質上是功率同步的過程,可實現(xiàn)等效慣量和系統(tǒng)強度支撐,具備100%新能源接入能力,強弱電網自適應,在并網和孤網情況下皆可運行??傮w而言,對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率波動,采用構網控制的儲能和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機一樣的功率分配機制,進而為系統(tǒng)調頻/調壓。
構網型控制策略在本質上就是保持功率同步的過程,作為最常用控制策略之一的下垂控制,其選擇與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的頻率下垂特性曲線作為源控制方式。通常情況下,同步發(fā)電機包含一次調頻和二次調頻過程,下垂控制則與此類似,并從中加以改進形成自身控制特點。同步機的一次調頻是通過對外界功率的檢測,來調整輸出的有功及無功功率。而下垂控制則是根據輸出有功功率的變化來對頻率進行調整,省去對外界檢測的過程[13-15]。同步機的二次調頻是通過調頻器作用,使靜態(tài)頻率特性曲線發(fā)生平移,進而實現(xiàn)無差調節(jié)。而下垂控制不依靠調頻器的作用,通過調節(jié)空載運行頻率來實現(xiàn)二次調頻,進而達到和同步發(fā)電機一樣的效果,如圖7所示。其中,ωref和Vref分別為頻率和電壓參考值,P(P*)和Q(Q*)分別為有功功率檢測值(參考值)和無功功率檢測值(參考值),兩者相減為有功(無功)功率偏差,功率偏差和下垂系數Df(Dq)相乘為頻率(電壓)調節(jié)項,即可視為系統(tǒng)調頻/調壓。頻率和電壓的控制方式為:
圖7 下垂控制Fig.7 Droop control
這種控制方法分別對輸出的有功功率和無功功率進行控制,省略了機組間相互協(xié)調的過程,且控制相對簡單可靠。但下垂控制也有明顯的缺點,雖然模擬了同步機的一次和二次調頻過程,但不具備同步機的慣性和阻尼特征,因此易造成系統(tǒng)頻率振蕩,穩(wěn)定性大打折扣。
對于電力系統(tǒng)而言,用于維持其穩(wěn)定的旋轉慣性和阻尼分量是必不可少的,因此從構網型控制策略角度出發(fā),需要著重考慮通過何種設計提升系統(tǒng)的慣性和阻尼特征,虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator,VSG)控制應運而生。虛擬同步發(fā)電機控制策略就是模擬參考同步發(fā)電機的電磁方程和機械方程,進而替代其作用的過程,并以此為逆變器增加了慣性支撐。在VSG控制策略支撐下,并網逆變器能夠參與電網電壓和頻率的調節(jié)。圖8(a)為VSG控制的有功-頻率控制,其模擬了同步發(fā)電機的一次調頻過程,其中J為虛擬轉動慣量,D為阻尼系數。J和D的存在使VSG具備了和同步發(fā)電機相同的特性,補充了維持系統(tǒng)穩(wěn)定所需的慣量和阻尼系數,體現(xiàn)了構網支撐控制實現(xiàn)等效慣量和系統(tǒng)強度支撐的價值[16]。
VSG的無功-電壓控制框圖如圖8(b)所示。暫態(tài)時,輸出功率比參考值大,其中功率差額為頻率輔助服務提供功率,該功率一般由電池儲能提供。VSG調節(jié)輸出電壓的方式和傳統(tǒng)同步發(fā)電機有些區(qū)別,VSG通過對無功功率以及電壓的檢測,進而對輸出電壓進行控制??傮w而言,以VSG控制策略為主體架構的構網型控制技術可安裝在網側變換器上,由于旋轉慣性和阻尼分量得到了補充,可大大增強系統(tǒng)穩(wěn)定性,因此適用場景也很廣泛,但其也有缺點,即直流電壓不可控。
圖8 虛擬同步發(fā)電機控制Fig.8 Virtual synchronous generator control
匹配控制可視為是將VSG繼續(xù)發(fā)展延伸的一種控制策略。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機與VSG控制不同,匹配控制利用直流電容電壓代替同步機中轉子的作用,進而實現(xiàn)功率和電壓同步。因此匹配控制也被稱為直流電容電壓控制,其直流側電容電壓暫態(tài)與同步機搖擺方程具有一定相似性。圖9為匹配控制框圖。其中,vdc為直流母線電容電壓;μ和η為匹配系數,兩系數的取值和具體所涉及的電力系統(tǒng)結構相關,在系統(tǒng)不變的情況下此系數不變。與此同時,直流母線電壓的改變并不能引起兩系數的變化,因此μ和η為常系數。文獻[17]詳細說明了兩匹配系數的確定過程,由直流母線電容電壓與其相乘,分別可得到頻率和參考電壓幅值,并通過對頻率的積分形成變流器輸出電壓的相位參考值,進而對輸出電壓進行控制,形成功率同步。另外,匹配控制中慣量能量來自電容電壓降低時的能量釋放,故可保證構網控制策略中必要的慣性支撐及系統(tǒng)穩(wěn)定。采用匹配控制的優(yōu)點在于和VSG控制相比,其直流電壓可控,但有所欠缺的是其值不恒定。且該控制策略需要足夠的直流電容容量,適用于多個風機直流端并聯(lián),或直流電網系統(tǒng),不適用于單個風機控制。
圖9 匹配控制Fig.9 Matching control
從實現(xiàn)原理方面分析,構網控制技術是通過變流器經過阻抗向系統(tǒng)并網點提供一個具有一定維持能力的電壓源,以上3種構網控制策略也是在此基礎上延伸發(fā)展,逐漸形成自身的控制特色。對于下垂控制,其優(yōu)點是響應速度較快,且控制策略相對簡單,但下垂控制也有明顯的缺點,即不具備同步機的慣性和阻尼特征,易造成系統(tǒng)頻率振蕩。與之相對應的虛擬同步發(fā)電機控制則彌補了這一缺陷,旋轉慣性和阻尼得到補充,但直流電壓不可控。匹配控制是在VSG控制原理基礎上加以改動調整,其不必在時間尺度上對于交流量和直流量控制嚴格獨立,只需要測量直流母線電壓,這也使其具備了低時延的優(yōu)勢。利用直流電容電壓代替同步機中轉子的作用,進而實現(xiàn)功率和電壓同步,因此使得直流電壓可控??傮w而言,當前構網型控制技術路線眾多,以虛擬同步技術為基礎的路線占主導地位。對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率波動,采用構網控制和傳統(tǒng)的同步機一樣具有功率分配機制,可在擾動前、中、后各階段構建起電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須的電勢,真正起到“支撐性”作用。
隨著新型電力系統(tǒng)的快速建設發(fā)展,構網型變流器將逐步替代同步發(fā)電機支撐起維持電網穩(wěn)定的作用。雖然構網控制技術前景廣闊,但也面臨著一些問題和關鍵技術尚待解決完善[18]。
當電網發(fā)生短路故障時,構網型變流器極有可能因此產生很大的短路電流,嚴重危害變流器裝置和電網安全運行。因此如何做到限流保護成為了構網型變流器亟待解決的問題。
最簡單直接的方法是采用構網型控制的矢量控制方式,限制變流器的電流輸入,但從電壓電流雙閉環(huán)控制方面分析,電流內環(huán)調整后達到飽和狀態(tài)會導致電壓外環(huán)失去了控制作用,而電壓外環(huán)失去控制后則會導致一整個功率控制環(huán)穩(wěn)定性遭到破壞,進而影響功率同步過程,最終影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。故電流內環(huán)飽和會對功率環(huán)的同步控制穩(wěn)定性乃至電力系統(tǒng)正常工作造成巨大影響,因此應對構網型控制策略的限流保護機制和功率控制環(huán)穩(wěn)定性進行進一步的研究。
構網型控制和跟網型控制的區(qū)別在于跟網型控制采用的是矢量控制,其依賴于電網電壓鎖相環(huán)。而構網型控制則采用功率同步控制。在弱電網場景下對于維持微干擾下的同步穩(wěn)定,構網型控制比跟網型控制效果要好。但在強電網的工作場景下,電網和變流器之間微小的相位差都會被急劇放大,引起功率波動,同步穩(wěn)定性受到影響。目前,有效提高同步穩(wěn)定性的措施包括控制器的參數整定和附加阻尼。因此,對于構網型控制策略的參數整定(如下垂控制中的下垂系數、虛擬,同步發(fā)電機控制中的慣量和阻尼系數)和阻尼比設定方面,應有更嚴謹的分析設定。
基于“雙高”新型電力系統(tǒng)建設需要,對構網控制技術進行了歸納總結。級聯(lián)H橋和MMC拓撲結構采用模塊化設計,使得電壓等級進一步提升,且電池無環(huán)流問題,利用更加靈活,故相較于其他拓撲而言更適用于新型電力系統(tǒng)和構網型控制。
對于構網型控制技術,后續(xù)可從以下方面攻關:
1)構網控制技術具備類似常規(guī)同步發(fā)電機的電壓源+自功率同步控制特性,其參與電網功率分配機制可繼續(xù)沿用傳統(tǒng)大電網的分析思路;
2)積極探索能夠穩(wěn)定提供轉動慣量和阻尼的控制策略機制;
3)積極探索構網型變流器的應急處理措施,當電網發(fā)生短路故障時,既能保證實現(xiàn)限流保護,又能保證輸出功率不受影響。
4)為了使構網型變流器能夠在不同的電壓等級下都能被廣泛應用,有必要對于其控制策略的參數整定和阻尼比設定方面多加分析,以此減小不必要的功率波動,進而保證同步穩(wěn)定性。