李一鳴,姚俊偉,何 奇,馬 輝,黃悅?cè)A
(1.三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.國網(wǎng)宜昌供電公司,湖北 宜昌 443000)
隨著新能源占比的不斷提高,電力電量平衡機理將向多區(qū)域、多主體的源網(wǎng)荷儲協(xié)同的平衡模式轉(zhuǎn)變[1]。建設以源網(wǎng)荷儲為主的新型電力系統(tǒng),既是我國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的重要方向,也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的關(guān)鍵途徑[2-3]。開發(fā)針對源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)的協(xié)同運行與平衡機制,優(yōu)化微電網(wǎng)整體經(jīng)濟效益,是目前學科研究的主要方向。
目前,大量學者針對混合微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略進行了研究。文獻[4]對微電網(wǎng)采用分段協(xié)調(diào)控制策略,通過標幺化的方法得到可表征混合微電網(wǎng)整體運行狀態(tài)的特征量,針對特征量的變化量開展分段研究,并對可能出現(xiàn)的網(wǎng)間交換功率震蕩進行補償。文獻[5]提出一種基于多智能體的改進分層控制方式,將系統(tǒng)主要分為配電層、微網(wǎng)層與設備層3層,并在設計系統(tǒng)控制策略時引入調(diào)節(jié)因數(shù)γ,實現(xiàn)了交直流子網(wǎng)內(nèi)部功率平衡。文獻[6]提出基于分層控制和電壓頻率恢復控制的微電網(wǎng)預同步控制方法,該方法解決了下垂控制中有差調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電壓頻率恢復控制問題,保證了系統(tǒng)無差運行。上述這些方法存在一定局限性,忽略了微電網(wǎng)中新能源發(fā)電特性和實際運行中的經(jīng)濟特征。
為使電力電子變換器適應不同的系統(tǒng)運行模態(tài),提升系統(tǒng)在不同情景下的運行穩(wěn)定性,本文提出一種基于混合狀態(tài)與事件驅(qū)動的微電網(wǎng)自主通信控制方案。所提出的控制體系采用分層結(jié)構(gòu),控制器主控制層由微網(wǎng)狀態(tài)驅(qū)動;而次級控制層由微電網(wǎng)中央控制器事件驅(qū)動。該設計旨在平衡微電網(wǎng)的控制性能和其他目標,如減少處理負載、通信負載和整體系統(tǒng)運行成本,最后利用有限狀態(tài)機實現(xiàn)了所提出的控制策略并進行仿真驗證。
源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)包含分布式電源(distribute generation,DG)、儲能裝置(energy storage systems,ESS)、微電網(wǎng)中央控制器(microgrid central controller,MGCC)、交直流負荷單元以及多種類型的電力電子變換器。微電網(wǎng)中各源網(wǎng)荷儲模塊經(jīng)變換器與交流母線和直流母線相連[7]。母線間的交直流互聯(lián)變換器實現(xiàn)整個微電網(wǎng)的連接[8]。源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。
并網(wǎng)模態(tài):
(1)
孤島模態(tài):
(2)
式中:Pgrid為主配電網(wǎng)輸出功率;Pbat為蓄電池變換器中的功率,取Pbat>0為蓄電池放電功率,Pbat<0為蓄電池充電功率;PWT為風機輸出功率。
升壓控制器有2種控制方法,分別為最大功率跟蹤和電壓PI控制,如圖2所示。一方面,由于光伏板的非線性特性和太陽輻照度的隨機波動,需要一個控制Boost電路跟蹤光伏陣列產(chǎn)生的最大功率[10]。另一方面,當蓄電池中雙向變換器無法調(diào)節(jié)直流母線電壓時,升壓控制器必須切換為電壓控制方案,確保直流母線的穩(wěn)定供電。
雙向控制器需要在蓄電池充放電過程中對電壓進行調(diào)控[11],如圖3所示。控制器采用嵌套PI控制。放電模式中,雙向控制器調(diào)節(jié)直流母線電壓為參考電壓,保障直流負載電壓穩(wěn)定。充電模式時,可防止充電電流Ich過大的現(xiàn)象,保護系統(tǒng)其他元件。
換流控制器是維持微電網(wǎng)的核心功能器件,起到控制直流電壓,提供無功功率需求和交換交直流微電網(wǎng)之間有功功率的作用,如圖4所示??刂破鲝慕涣髂妇€測得電壓Vabc,使用鎖相環(huán)獲取電壓相位和頻率,實現(xiàn)直流母線電壓與交流母線電壓同步[12]。同時,逆變器將輸出電流由abc參考系轉(zhuǎn)換為dq參考系,并通過PI控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生dq電壓,用于產(chǎn)生調(diào)制信號。
本文提出了一種基于分層控制的微電網(wǎng)控制方案。各模塊的電力電子變換器由獨立的分布式控制器進行控制。交流處理器和直流處理器分別對交流母線和直流母線進行電力監(jiān)控。微電網(wǎng)中央控制器從分布式控制器、母線處理器采集電網(wǎng)運行狀態(tài),再根據(jù)預先設計好的邏輯來處理輸入信號,確定最佳運行模態(tài),對各控制器發(fā)出指令,實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)協(xié)調(diào)運行。
在主層中,分布式控制器由電網(wǎng)狀態(tài)驅(qū)動。狀態(tài)協(xié)調(diào)控制算法在各主控制單元的分布式控制器當中執(zhí)行,即分布式控制器通過連續(xù)監(jiān)測某些狀態(tài)變量控制各自的電力電子變換器,這需要兩者不間斷的通信,例如測量模塊的電壓、電流和到轉(zhuǎn)換器開關(guān)的脈沖信號。
三級網(wǎng)群控制層中,微電網(wǎng)中央控制器可以與輔助控制層共享一些功能[14]。三級控制層屬于電力系統(tǒng)調(diào)度中心的一部分,超出了文章的研究范圍,文章的主要焦點是二級通信控制層。
有限狀態(tài)機是一個用于開發(fā)邏輯過程的數(shù)學模型,由有限個狀態(tài)以及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成??刂破鲀?nèi)不同的操作條件被稱為狀態(tài)。當系統(tǒng)接收到輸入事件時,狀態(tài)機產(chǎn)生一個輸出控制信號﹐同時伴隨著系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。有限狀態(tài)機定義為四元系統(tǒng)
(3)
式中:mi∈M,mj∈M,e∈E。當事件e發(fā)生時,將會出現(xiàn)mi轉(zhuǎn)移至mj。系統(tǒng)在任意時刻僅存在于一個狀態(tài)[15]。表1列舉了有限狀態(tài)機中預設的檢測狀態(tài)量。
表1 有限狀態(tài)機檢測狀態(tài)量
針對新能源高滲透率的源網(wǎng)荷儲微電網(wǎng)靈活、可靠的供電需求,本文設計了4種系統(tǒng)模態(tài),如圖5所示。
并網(wǎng)模態(tài)(M00)設計為有限狀態(tài)機的起始模態(tài),微電網(wǎng)通過與主電網(wǎng)的能源交換來維持系統(tǒng)經(jīng)濟運行。電網(wǎng)供電中斷時(SSRGRID為1),系統(tǒng)將過渡到孤島模態(tài)(M10)。供電系統(tǒng)發(fā)送信號來接管微電網(wǎng)(Dd為1)的控制,在微電網(wǎng)中央控制器檢查微電網(wǎng)系統(tǒng)無故障后,系統(tǒng)將過渡到公用模態(tài)(M20)。微電網(wǎng)運行中,有限狀態(tài)機檢測到能源供給無法滿足負載需求,微電網(wǎng)將過渡到關(guān)閉模態(tài)(M30)。
并網(wǎng)模態(tài)包含3種子模態(tài):并網(wǎng)子模態(tài)(m00);充能子模態(tài)(m01);供給子模態(tài)(m02)。
從并網(wǎng)子模態(tài)開始,微電網(wǎng)中央控制器開通換流控制器調(diào)節(jié)直流母線電壓,光伏組件、風電機組執(zhí)行最大功率點跟蹤,儲能雙向控制器保持中性。當電網(wǎng)電價較低(EP為1),微電網(wǎng)中央控制器根據(jù)線路中接收的事件信號,判斷儲能內(nèi)電量未滿(SOC為1)且電池線路無故障操作(SSRBI為1),將系統(tǒng)過渡到充能子模態(tài),利用直流母線為電池充電。相反,當有限狀態(tài)機接收到電網(wǎng)電價價格較高(EP為0),電池中有電能余量(SOC為0)且斷路器沒有因故障操作斷開電路,系統(tǒng)就會轉(zhuǎn)向供給子模態(tài),由雙向控制器控制電池放電維持直流母線電壓。
孤島模態(tài)包含3種子模態(tài):孤島子模態(tài)(m10);緊急子模態(tài)(m11);極端子模態(tài)(m12)。
由式(2)可知,系統(tǒng)進入孤島模態(tài)后,脫離了主電網(wǎng)的功率支持,微電網(wǎng)中潮流分布發(fā)生改變,微電網(wǎng)中央控制器將結(jié)合各事件信號采取不同等級的減載。
當系統(tǒng)轉(zhuǎn)至孤島子模態(tài),微電網(wǎng)中央控制器觸發(fā)一級負載脫落,換流控制器維持交流母線電壓和頻率,光伏組件、風電機組繼續(xù)執(zhí)行最大功率點跟蹤,雙向控制器保持充電模式,將多余的電能存儲至電池中。當分布式能源產(chǎn)生間歇性波動(SSRBO為0),光伏、風電出力無法滿足一級甩負荷之后的負載需求時,系統(tǒng)進入緊急子模態(tài),微電網(wǎng)中央控制器出發(fā)二級負載脫落,同時將雙向變換器切換至電壓控制模式,使電池放電維持直流母線電壓。當蓄電池側(cè)發(fā)生故障,斷路器響應(SSRBI為0),系統(tǒng)則過渡到極端子模態(tài)。微電網(wǎng)中央控制器將變升壓控制器調(diào)整為電壓控制模式,由光伏來維持直流母線電壓,同時觸發(fā)系統(tǒng)最大水平負載脫落。
公用模態(tài)是一種第三方調(diào)度的網(wǎng)群控制模態(tài)。例如,在一個饋線上聚合多個微電網(wǎng),或供電公司協(xié)調(diào)微電網(wǎng)注入無功功率來提高配電饋線的電壓水平。
關(guān)閉模態(tài)能確保系統(tǒng)跳閘時及時關(guān)閉系統(tǒng)。例如在孤島模態(tài)的甩負荷協(xié)調(diào)中,電壓或頻率超出了安全運行范圍,有限狀態(tài)機就會轉(zhuǎn)向M30,保護其余電子器件安全。
考慮圖1提出的源網(wǎng)荷儲混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),搭建Simulink仿真電路,驗證微電網(wǎng)在新能源出力波動和電價波動情況下的分層控制方案。
光伏、風電等新能源具有間歇性[16]。場景1模擬了分布式能源因自然條件變化導致的出力波動,有限狀態(tài)機協(xié)調(diào)微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。當供電側(cè)發(fā)生波動時,有限狀態(tài)機將按照預定義邏輯發(fā)出不同級別的甩負荷指令,調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中的功率供需關(guān)系,如圖6所示。
0.7 s時,主配電網(wǎng)發(fā)生故障(SSRGRID為0),MGCC接收事件信號,斷開主電網(wǎng)與交流母線的連接,觸發(fā)一級甩負荷。1.5 s時,分布式能源產(chǎn)生波動,光伏出力下降,MGCC開啟二級甩負荷。2 s時,儲能發(fā)生故障,系統(tǒng)進入極端子模態(tài),觸發(fā)最大負載脫落。2.3 s時,各故障解除,系統(tǒng)恢復到并網(wǎng)模態(tài)。
場景2將模擬微電網(wǎng)并網(wǎng)運行中,電價波動對有限狀態(tài)機輸出指令產(chǎn)生的影響,如圖7所示。
1.0 s時,電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)出低電價事件(Ep為1),MGCC將雙向逆變器調(diào)整為充電模式,此時的儲能模塊可當作直流負載,吸收主電網(wǎng)提供的廉價電能。2.0 s時,電價上漲為高價(Ep為0),雙向逆變器被調(diào)整為放電模式,由儲能維持直流母線電壓。減少負荷對主電網(wǎng)高電價的用能需求,幫助降低運行成本。
本文提出一種基于分層控制的源網(wǎng)荷儲混合微電網(wǎng)控制方案,并采用有限狀態(tài)機實現(xiàn)了預期控制目標。所提出的控制方案包括事件驅(qū)動的微電網(wǎng)中央控制器和狀態(tài)驅(qū)動的分布式控制器。通過2個源網(wǎng)荷儲混合微電網(wǎng)的案例仿真,結(jié)果表明系統(tǒng)能在電價和新能源出力波動下,自動切換至合適的運行模態(tài)穩(wěn)定運行,同時在切換過程中網(wǎng)絡電能符合質(zhì)量要求,保證了系統(tǒng)可靠供電?!盃顟B(tài)+事件”分層控制的方法減少了通信需求,降低了系統(tǒng)成本,對未來應用于其他交直流微電網(wǎng)工程具有一定的借鑒意義。