趙景濤, 張曉燕*, 王威, 竇春霞

(1. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 南京 211106; 2. 國電南瑞科技股份有限公司, 南京 211106; 3. 國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司, 上海 200120; 4. 南京郵電大學(xué)碳中和先進(jìn)技術(shù)研究院, 南京 210023)

隨著能源短缺與環(huán)境問題的日益突出,基于可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,有研究和實(shí)踐表明,含多分布式能源(distributed energy resources, DERs)的配電網(wǎng)能夠有效提高系統(tǒng)的供電可靠性和電能質(zhì)量并降低成本,不僅是解決和改善偏遠(yuǎn)地區(qū)分散電力需求的一種有效途徑,還是提高配電網(wǎng)供電可靠性的一種有效方法。但是在多能源系統(tǒng)中,根據(jù)分布式能源DER(distributed energy resource, DER)單元的滲透深度的不同,控制和運(yùn)行策略應(yīng)該與傳統(tǒng)的在控制和運(yùn)行策略方面存在明顯不同,甚至在概念上也不同。新能源及各種電力電子控制設(shè)備的技術(shù)整合使得需要新的運(yùn)行策略來提高多能源系統(tǒng)的安全性和可靠性[1-2]。

在如今新能源發(fā)展趨勢(shì)的需求下,單獨(dú)的可再生能源系統(tǒng)難以滿足要求,因此作為更加實(shí)際的解決方案,多能源可再生能源電力系統(tǒng)進(jìn)入人們的視野。對(duì)于多能源系統(tǒng)的控制研究,存在著諸多難點(diǎn),首先在多能源系統(tǒng)中,除同步發(fā)電機(jī)外,還存在著容量不同、特性各異的分布式發(fā)電(distributed generation, DG)和分布式儲(chǔ)能等各種分布式設(shè)備,動(dòng)態(tài)特性的巨大差異給運(yùn)營策略帶來了諸多挑戰(zhàn)[3-4]。其次多能源系統(tǒng)具有更頻繁和更復(fù)雜的混合行為。在大擾動(dòng)下,由于各種DER動(dòng)態(tài)特性的邏輯復(fù)雜性和多種模式在頻率增加下的切換[5-7],多能源系統(tǒng)通常表現(xiàn)出連續(xù)動(dòng)態(tài)與離散事件之間復(fù)雜的交互混合行為。這些離散行為通常會(huì)影響并依賴于連續(xù)動(dòng)態(tài)行為[8-9]。再者,目前多能源系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低,實(shí)時(shí)重構(gòu)能力不足,系統(tǒng)的自愈和安全完全依賴于實(shí)體的冗余。此外,由于缺乏信息共享,雖然組件系統(tǒng)的本地自動(dòng)化程度很高,但整個(gè)系統(tǒng)的控制通常是分割出來且孤立的,未形成一個(gè)有機(jī)的整體[10-13]。

多能源系統(tǒng)的智能控制不僅需要高自動(dòng)化的連續(xù)控制來調(diào)節(jié)組件的動(dòng)態(tài)行為,還需要在線的離散控制策略來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的重構(gòu)。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),提高多能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和自愈能力,智能控制采用混合控制的形式?；旌峡刂评碚撌嵌嗄B(tài)控制的發(fā)展,它具有某些特定的特性,為控制復(fù)雜混合系統(tǒng)提供了新的能力[14-16]。混合控制理論的發(fā)展為電力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)遇。作為一種有效的手段,該技術(shù)已被提出用于電力系統(tǒng)控制,并在已有的研究[17-19]中做出了一些貢獻(xiàn)。在電力系統(tǒng)中,新型混合分布式控制可以通過限制區(qū)域DG機(jī)組的實(shí)際輸出功率來緩解潮流管理的網(wǎng)絡(luò)熱過載問題。因此,在實(shí)時(shí)潮流分析中,只考慮某配電網(wǎng)的線路熱限,在自治區(qū)域控制環(huán)境下,分布式電源和需求響應(yīng)單元對(duì)緩解潮流管理進(jìn)行聯(lián)合控制。這種需求側(cè)管理、集成主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理和分布式控制技術(shù)的實(shí)施有助于網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)延遲、供應(yīng)經(jīng)濟(jì)和有效的資本支出。在微電網(wǎng)中,儲(chǔ)能設(shè)備具有快速充放電的能力,能有效地削弱可再生能源具有的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)帶來的影響,能保證系統(tǒng)功率供需平衡?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)具有功率型儲(chǔ)能設(shè)備和能量型儲(chǔ)能設(shè)備,能較好地滿足功率和能量的需求,結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備的初級(jí)參考功率指令和儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài),采用第一層模糊控制對(duì)混合儲(chǔ)能設(shè)備的功率指令進(jìn)行第一次修正;再結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備能量的互補(bǔ)特性,運(yùn)用第二層模糊控制對(duì)功率指令進(jìn)行二次修正,混合控制有效地削弱因單層控制引起的最終負(fù)荷偏離其負(fù)荷調(diào)度曲線的影響。

上述研究反映了混合控制在多能源系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。為了增強(qiáng)多能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和自我修復(fù)能力,基于運(yùn)行模式切換的兩級(jí)分層混合控制,現(xiàn)首先構(gòu)建一個(gè)兩級(jí)混合控制方案,實(shí)現(xiàn)離散控制和連續(xù)控制,及兩者之間的交互行為。在此基礎(chǔ)上,提出基于電壓和頻率穩(wěn)定性指標(biāo)的上層離散控制策略,并根據(jù)該策略對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行重構(gòu),以增強(qiáng)系統(tǒng)的自愈能力和應(yīng)急安全性?；谟猩玃etri網(wǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式切換的離散控制策略。并針對(duì)不同的運(yùn)行模式,設(shè)計(jì)DER單元的下層本地多模態(tài)連續(xù)控制,調(diào)節(jié)各個(gè)被控組件單元的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

現(xiàn)開發(fā)基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的信息融合技術(shù)的在線高級(jí)邏輯控制策略,在發(fā)生較大干擾時(shí)能夠?qū)⒖刂圃O(shè)備切換到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行模式。并且針對(duì)DER單元的多模態(tài),提出一種基于多Lyapunov函數(shù)的魯棒穩(wěn)定方法,所提出的混合控制策略可以系統(tǒng)、實(shí)時(shí)地解決當(dāng)前復(fù)雜多能源系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性問題,實(shí)現(xiàn)高度靈活的智能控制。

1 兩級(jí)混合控制

兩級(jí)分層混合控制策略由上層離散控制策略和下層連續(xù)控制組成,如圖1所示。

圖1 兩級(jí)分層混合控制方案Fig.1 Two level hierarchical hybrid control scheme

在所設(shè)計(jì)的策略中,控制行為離散控制和連續(xù)控制,并且這兩種控制是分層的。上層離散控制策略優(yōu)先執(zhí)行控制動(dòng)作,離散控制策略切換運(yùn)行模式后,下層連續(xù)控制負(fù)責(zé)相應(yīng)運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)兩級(jí)分層混合控制策略,上層離散控制策略按區(qū)域協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),即區(qū)域離散控制策略僅協(xié)調(diào)控制所在區(qū)域內(nèi)DER單元的運(yùn)行方式。下層連續(xù)控制按單元分散設(shè)計(jì)。此外,與多種運(yùn)行模式和穩(wěn)定控制目標(biāo)相對(duì)應(yīng),下層控制器被設(shè)計(jì)為一組用于各個(gè)單元的本地多模式穩(wěn)定控制器。

此外,這兩種控制之間的相互作用包含直接和間接的相互作用。從上層到下層,離散控制策略切換DER單元的工作模式,從而實(shí)現(xiàn)直接相互作用。反之,從下層到上層的相互作用是間接相互作用。換言之,下層連續(xù)控制修改運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù),從而觸發(fā)上層離散控制策略的改變。

2 上層離散控制策略

基于與連續(xù)動(dòng)態(tài)行為相關(guān)的特征指標(biāo)確定上層離散控制策略,對(duì)這些特征指標(biāo)進(jìn)行研究。

2.1 穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

2.1.1 頻率穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(frequency stability risk index, FSRI)

DER單元頻率控制類似于同步電機(jī)的頻率控制。與常規(guī)大型汽輪發(fā)電機(jī)組一樣,FSRI基于擾動(dòng)功率近似擬合,并根據(jù)初始頻率變化率計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:Hi和fi分別為第i個(gè)DER單元的慣性常數(shù)和頻率;fn為額定頻率;ΔPi為第i個(gè)單元的失配功率;Nc為DER單元的數(shù)量;t為時(shí)刻;ΔP為所有DER單元的失配功率之和;fc為慣性中心的頻率,表示為

(3)

通過比較實(shí)測(cè)擾動(dòng)功率與失配功率Pth的閾值來確定FSRI,可表示為

FSRI=Pth+ΔP

(4)

式(4)中:Pth為所有DER單元的最大過載量。

FSRI的以下特性用于制定頻率穩(wěn)定性判據(jù):①負(fù)指數(shù)最小的系統(tǒng)發(fā)生頻率下降的風(fēng)險(xiǎn)最高;②如果FSRI=Pth+ΔP≥0,則擾動(dòng)后的頻率是穩(wěn)定的;③如果FSRI=Pth+ΔP<0,系統(tǒng)頻率被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。

2.1.2 電壓穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(voltage stability risk indicators, VSRI)

電壓不穩(wěn)定通常表現(xiàn)為電壓在崩潰點(diǎn)急劇下降后的緩慢衰減。由于電壓幅值本身并不是電壓不穩(wěn)定性的可靠指標(biāo),使用電壓閾值來檢測(cè)不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。本文研究采用基于VSRI的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)來評(píng)估系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)電壓擾動(dòng)后的穩(wěn)定狀態(tài)[20-21]。

(1)N個(gè)可用PMU測(cè)量的第j時(shí)刻母線電壓的移動(dòng)平均值為

(5)

(6)

(7)

(3)將差異百分比曲線下的面積除以N得出第j個(gè)時(shí)刻的值,即

(8)

j∈N+1,N+2,…,m

(9)

(4)第j個(gè)時(shí)刻的VSRI為

(10)

式(10)中:Uth選取略小于1的正值,這取決于系統(tǒng)特性,如無功補(bǔ)償性質(zhì)、負(fù)載特性等。

2.2 離散控制策略

事實(shí)上,上述FSRI和母線VSRI暗示了有功/無功功率的擾動(dòng)后不平衡程度。在多能源系統(tǒng)中,對(duì)應(yīng)于DER單元不同的運(yùn)行模式,其功率輸出能力也應(yīng)該有很大的差異。因此,利用控制策略,可以通過DER單元的模態(tài)切換來有效地補(bǔ)償擾動(dòng)后的不平衡功率。本文研究的上層離散控制策略旨在充分利用DER的多模態(tài)和即插即用特性來匹配擾動(dòng)后的不平衡功率,從而提高頻率和電壓的自愈能力和安全性。根據(jù)FSRI和母線VSRI的大小,以及對(duì)應(yīng)不同運(yùn)行模式的DER單元的功率輸出能力,上層離散控制策略制定如下。

(2)為了確定有效恢復(fù)擾動(dòng)后電壓的第i個(gè)DER單元的開關(guān)優(yōu)先級(jí),定義為

(11)

式(11)中:Ni為與其他DER單元相比,到第i個(gè)DER單元距離最短的電壓不穩(wěn)定的母線數(shù)量;Nd為電壓不穩(wěn)定的母線數(shù)量;k為預(yù)切換的時(shí)刻。

最大的ri表示附近第i個(gè)DER單元的電壓下降風(fēng)險(xiǎn)最高。如果ri最大,且第i個(gè)DER單元具有通過切換運(yùn)行模式進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)哪芰?那么它應(yīng)該具有最高的模式切換優(yōu)先級(jí)。當(dāng)然,具有最小ri的DER單元具有最低的模式切換優(yōu)先級(jí)。此外,根據(jù)ri值的大小,并結(jié)合DER單元當(dāng)前的運(yùn)行模式,可以定位后續(xù)的運(yùn)行模式。

(3)通過DER單元的切換后輸出功率重置參考設(shè)置點(diǎn)以恢復(fù)頻率,定義為

(12)

(13)

式(13)中:fi,set為第i個(gè)DER單元的頻率設(shè)定點(diǎn);fop為期望的切換后運(yùn)行頻率;λi為第i個(gè)DER單元的下垂增益。

為了更清晰地表示運(yùn)行模式的切換過程和參考點(diǎn)的設(shè)置過程,本文研究提出了有色Petri網(wǎng),如圖2所示。

圖2 基于CPN的運(yùn)行模式切換過程描述Fig.2 Description of CPN based operation mode switching process

使用正規(guī)符號(hào)將有色Petri網(wǎng)CPN(colored petri nets, CPN)定義為一個(gè)7 元數(shù)組∑[22-23],即

∑=(P;T;F;D;I-;I+;M0)

(14)

式(14)中:P為一個(gè)有限的庫所集合(用圓圈表示);T為一個(gè)有限的變遷集合(用正方形表示);F為一個(gè)有限的弧集;D為一個(gè)非空有限集,表示所有有色令牌的單獨(dú)集合;I-和I+分別為輸入弧和輸出弧上的正函數(shù)和負(fù)函數(shù);M0為初始標(biāo)記的集合。

對(duì)應(yīng)于圖2所示的CPN,單個(gè)顏色集、庫所和變遷的描述如表1～表3所示,并在圖中標(biāo)記了輸入/輸出弧線。初始標(biāo)記M0(pOM)=M+G+SET,其他庫所的初始標(biāo)記為空。

表1 單個(gè)顏色集的描述Table 1 Description of single color set

表2 庫所描述Table 2 Description of library

表3 變遷描述Table 3 Change description

3 下層連續(xù)控制

下層的連續(xù)控制由一組用于各種DER單元的本地控制器組成。每個(gè)DER單元的動(dòng)態(tài)控制大不相同,需要分別解決。然而本文研究給出了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)各種DER單元的系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。下層單元控制器的設(shè)計(jì)包括控制方案和控制方法。根據(jù)所要求的功能和DER單元的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)控制方案。從發(fā)電功率的角度來看,DER單元通常分為可調(diào)度和不可調(diào)度電源。可調(diào)度電源是一種快速響應(yīng)的能量源,具有充足的備用容量來滿足有功和無功的暫態(tài)功率平衡。不可調(diào)度電源定義為響應(yīng)慢的電源,也稱為不可控電源。這種電源的輸出功率高度依賴于預(yù)先指定的參考值或其主電源提供的功率。不可調(diào)度電源有助于滿足穩(wěn)態(tài)功率平衡。從控制角度來看,通常選擇跟隨型控制作為不可調(diào)度DER單元的控制方案。構(gòu)網(wǎng)型控制通常被提出作為可調(diào)度DER單元的控制方案?？烧{(diào)度DER單元的f-V控制方案如圖3所示,不可調(diào)度DER單元的P-Q控制方案如圖4所示。

Δf 為系統(tǒng)的頻率偏差;Pref為有功參考值;Pout為當(dāng)前實(shí)際有功輸出值;id(ref)為電流d軸參考值;ΔV為電壓偏差;Qref為無功參考值;Qout為當(dāng)前實(shí)際無功輸出值;iq(ref)為電流q軸參考值圖3 f-V控制方案Fig.3 f-V control scheme

Pref為有功參考值;Pout為當(dāng)前實(shí)際有功輸出值;id(ref)為電流d軸參考值;Qref為無功參考值;Qout為當(dāng)前實(shí)際無功輸出值;iq(ref)為電流q軸參考值圖4 P-Q控制方案Fig.4 P-Q control scheme

除了設(shè)計(jì)的控制方案外,另一個(gè)重要問題是如何選擇合適的控制方法來處理多模態(tài)切換場(chǎng)景下的魯棒穩(wěn)定問題。區(qū)別于以往的研究,本文研究針對(duì)DER單元的多模態(tài),提出了一種基于多Lyapunov函數(shù)的魯棒穩(wěn)定方法。圖5給出了DER單元的一般電路圖。

Utabc為DER單元的三相輸出電壓;itabc為DER單元內(nèi)部的三相電流;Rt為DER單元內(nèi)部等效電阻;Lt為DER單元的內(nèi)部等效電感;C為本地負(fù)荷等效電容;L為本地負(fù)荷等效電感;Rl、R為本地負(fù)荷內(nèi)部等效電阻;iLabc為本地負(fù)荷內(nèi)部的三相電流;Uabc為公共連接點(diǎn)(point of common coupling, PCC)處的三相電壓;Rs為多能源系統(tǒng)等效電阻;Ls為多能源系統(tǒng)的內(nèi)部等效電感;Us為多能源系統(tǒng)的等效電源;S表示多能源系統(tǒng)和PCC之間的連接開關(guān)圖5 DER單元結(jié)構(gòu)Fig.5 DER unit structure

根據(jù)圖5,在abc框架中,DER單元的數(shù)學(xué)模型描述為

(15)

(16)

式(16)中:itd為DER單元電流itabc在dq坐標(biāo)系下的d軸電流;itq為DER單元電流itabc在dq坐標(biāo)系下的q軸電流;ω0為角頻率;Utd為DER單元電壓Utabc在dq坐標(biāo)系下的d軸電壓;Utq為DER單元電壓Utabc在dq坐標(biāo)系下的q軸電壓;Ud為公共連接點(diǎn)PCC處的電壓Uabc在dq坐標(biāo)系下的d軸電壓;iLd為本地負(fù)荷電流iLabc在dq坐標(biāo)系下的d軸電流。

考慮到負(fù)載和線路參數(shù)的不確定性,對(duì)應(yīng)于運(yùn)行多模態(tài),第i個(gè)DER單元[式(16)]的動(dòng)態(tài)模型可擴(kuò)展為

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

首先,假設(shè)式(17)中的參數(shù)不確定性為以下形式的范數(shù)有界,即

(22)

然后,將各控制單元的本地控制器設(shè)計(jì)為狀態(tài)反饋控制,即

uis(t)=kisxi(t)

(23)

式(23)中:kis為第i個(gè)受控單元在第s個(gè)運(yùn)行模式下的控制器參數(shù),i∈1,2,…,Nc。

通過式(17)～式(23),第i個(gè)閉環(huán)控制單元在第s個(gè)運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)模型可以按以下形式重新排列,即

(24)

將受控系統(tǒng)的多個(gè)Lyapunov函數(shù)定義為

(25)

式(25)中:Pis為第i個(gè)閉環(huán)控制單元在第s個(gè)運(yùn)行模式下的對(duì)稱正定加權(quán)矩陣。

考慮到初始條件,與受控輸出相關(guān)的H∞性能為

Vis(0)

(26)

式(26)中:ρis為規(guī)定的衰減水平。

(27)

(28)

式中:

(29)

Φ12=Pis[Dis+HisFis(t)E3is]

(30)

*為矩陣以對(duì)角線為對(duì)稱軸的相應(yīng)對(duì)稱位置處矩陣的轉(zhuǎn)置。

不等式(27)中有一個(gè)未知的矩陣函數(shù)Fis(t),基于以下引理來處理關(guān)于參數(shù)不確定性的問題。

引理對(duì)于具有適當(dāng)維數(shù)的矩陣(或向量)Y、D和E,有

Y+DFE+ETFTDT<0

(31)

式(31)中:Y為對(duì)稱陣。

當(dāng)且僅當(dāng)存在一組標(biāo)量ε>0時(shí),所有的F滿足FTF≤I,則

Y+ε-1DDT+εETE<0

(32)

(33)

因此,不等式(33)是線性矩陣不等式(linear matrix inequality, LMI)。

為了獲得更好的魯棒性能,H∞魯棒穩(wěn)定控制可被視為以下最小化問題,從而使式(26)中的H∞性能盡可能小,即

minρis

(34)

約束條件:不等式式(27)和式(33)。

式(34)中的最小化問題可以轉(zhuǎn)化為LMI優(yōu)化問題。通過使用LMI的凸優(yōu)化技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)最小化H∞魯棒性能以及每個(gè)單元的本地多模態(tài)連續(xù)控制器參數(shù)。

4 測(cè)試和仿真示例

IEEE 34節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可用于測(cè)試所提出的控制方案,如圖6所示。并進(jìn)行了以下修改。

圖6 IEEE 34節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of IEEE 34 node networks

(1)網(wǎng)絡(luò)連接4個(gè)DER單元:代表儲(chǔ)能單元的DER單元1位于線路814～850中;DER單元2代表配備勵(lì)磁和調(diào)速器控制系統(tǒng)的微型渦輪發(fā)電機(jī),位于線路852～832;DER單元3是一個(gè)電子接口的燃料電池單元,使用電壓源變流器(VSC)作為其接口介質(zhì),位于線路846～848中;DER單元4是一個(gè)光伏電池單元,位于線路838～862。

(2)假設(shè)所有的支路都是對(duì)稱的,則其參數(shù)表示如下:R=0.128 Ω/km,X=0.122 Ω/km,B=116.239 μS/km(參數(shù)來自德國制造的No. 20 kV NEKEBA3×150 型號(hào)的電纜)。

(3)DER單元和本地負(fù)荷的參數(shù)如表4和表5所示。

表4 DER單元和本地負(fù)荷的參數(shù)Table 4 Parameters of DER unit and local load

表5 電源配置Table 5 Power configuration

本文研究中使用了單主操作(SMO)方法,其中儲(chǔ)能單元在f-V模式下充當(dāng)“主VSC”,其他單元在PQ或PV模式下運(yùn)行。

4.1 測(cè)試案例1:線路802～806發(fā)生三相線路對(duì)地故障

在t=1 s時(shí),在線路802～806處發(fā)生三相線路對(duì)地故障。故障是永久性的,并在發(fā)生后5個(gè)周期內(nèi)清除。由于故障導(dǎo)致主網(wǎng)側(cè)的線路被切斷,在t=1.083 s左右經(jīng)過5個(gè)周期后將發(fā)生系統(tǒng)孤島。在此時(shí),系統(tǒng)的FSRI和所有單元的VSRI均為負(fù)值,因此需要通過上層離散控制策略切換所有DER單元的運(yùn)行模式,以便及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的頻率和電壓。

根據(jù)VSRI和FSRI,DER單元的切換順序?yàn)?(DER1, 1)、(DER2, 3)、(DER3, 2)、(DER4,4)。定位的運(yùn)行模式為 DER1(高速放電)、DER2(最大輸出)、DER3(額定水平運(yùn)行)、DER4(MPPT)。

圖7和圖8分別顯示了孤島瞬態(tài)后系統(tǒng)的電壓/頻率性能。從圖7和圖8可以看出,在孤島的初始階段,電壓和頻率波動(dòng)嚴(yán)重。因?yàn)樵诖诉^程中,DER的運(yùn)行模式處于切換和調(diào)節(jié)階段。之后,電壓和頻率波動(dòng)迅速衰減。由于DER單元1具有較大的電壓和頻率調(diào)節(jié)能力,因此將它作為主控制器。這導(dǎo)致單元1附近的806和822節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定(約2 s),誤差限制在2%以內(nèi)。由于燃料電池單元的響應(yīng)速度較慢,單元3附近的848節(jié)點(diǎn)的電壓需要更長的時(shí)間(約2.5 s)才能穩(wěn)定下來。

圖7 主網(wǎng)側(cè)三相故障引起的系統(tǒng)瞬變電壓,在t=1.083 s后發(fā)生孤島Fig.7 The transient voltage of system caused by three-phase fault on the main network side is isolated after t=1.083 s

圖8 主網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相故障時(shí)的系統(tǒng)頻率Fig.8 System frequency when three-phase fault occurs on the main network side

由于傳輸線路存在無功損耗,與前端電壓相比,848節(jié)點(diǎn)的電壓降略大于0.03 p.u.。由于DER單元4始終運(yùn)行在MPPT模式,因此它沒有調(diào)節(jié)瞬態(tài)電壓和頻率的能力。孤島期間的功率不平衡主要由DER單元1～3解決。由于840節(jié)點(diǎn)位于線路末端和單元4附近,因此該節(jié)點(diǎn)的壓降最大,為0.05 p.u.,但仍限制在允許范圍±0.05 p.u.內(nèi)。在孤島瞬態(tài)期間,整個(gè)系統(tǒng)的頻率也可以很好地恢復(fù),并限制在允許的范圍±0.02 p.u.內(nèi)。從圖7和圖8中可以看出所提出的控制方案可以在孤島瞬態(tài)期間有效地恢復(fù)電壓和頻率。

4.2 測(cè)試案例2:線路802～806的傳輸線發(fā)生單相短路故障

在t=1 s時(shí),在線路802～806處發(fā)生單相線路對(duì)地故障。與測(cè)試案例1中類似,系統(tǒng)的FSRI和所有單元的VSRI均為負(fù)值,利用上層離散控制策略切換所有DER單元的運(yùn)行模式,以便及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的頻率和電壓。

圖9和圖10分別為系統(tǒng)的電壓/頻率性能。從圖9和圖10中看出,單元1附近的806和822節(jié)點(diǎn)的電壓在約1.9 s時(shí)穩(wěn)定下來,誤差限制在2%以內(nèi)。單元3附近的848節(jié)點(diǎn)的電壓需要約2 s穩(wěn)定下來。與三相故障相比,單相故障較為溫和,對(duì)于頻率和電壓的影響沒有三相故障造成的影響大,因此電壓和頻率可以在更短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來。

圖9 主網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相故障時(shí)系統(tǒng)瞬變電壓Fig.9 The transient voltage of system caused by single-phase fault on the main network side

圖10 主網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相故障時(shí)的系統(tǒng)頻率Fig.10 System frequency when single-phase fault occurs on the main network side

4.3 測(cè)試案例3:在自主運(yùn)行模式下增加負(fù)載

圖11和圖12分別展示了在自主運(yùn)行模式期間,在t=1 s增加ΔP=0.2 p.u.、ΔQ=0.1 p.u.的負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖11 自主運(yùn)行模式下負(fù)荷變化引起的系統(tǒng)瞬變電壓Fig.11 System transient voltage caused by load changes in autonomous operation mode

圖12 自主運(yùn)行模式下負(fù)載變化時(shí)的系統(tǒng)頻率Fig.12 System frequency when load changes under autonomous operation mode

根據(jù)VSRI和FSRI,DER單元的模式切換為:DER單元3切換為高電平運(yùn)行,其他單元不需要切換。

圖11和圖12表明,負(fù)載變化會(huì)影響自主系統(tǒng)的電壓和頻率,但與第一種情況相比,電壓和頻率波動(dòng)非常小,衰減也更快。即使在自主運(yùn)行模式下,面對(duì)大的負(fù)載變化,所提出的控制方案仍然可以通過切換DER單元的運(yùn)行模式來很好地保持電壓和頻率。

4.4 與其他控制方案的對(duì)比

本案例通過不同控制方法下的系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)比來展示所提混合控制方法的優(yōu)勢(shì)。選取文獻(xiàn)[24]的控制方法作為本文提出的混合控制方法的對(duì)比算法。圖13和圖14分別為本文提出的控制算法和文獻(xiàn)[24]的控制方法控制影響下的840 節(jié)點(diǎn)電壓和系統(tǒng)頻率。

圖13 不同控制方法下的840節(jié)點(diǎn)電壓Fig.13 840 node voltage under different control methods

圖14 不同控制方法下的系統(tǒng)頻率Fig.14 System frequency under different control methods

從圖13和圖14可以看出,當(dāng)出現(xiàn)大的負(fù)荷變化時(shí),所提控制方法下系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)較小,且衰減速度更快,能夠更好地保持電壓和頻率。所提出的控制方法可以根據(jù)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)在線地確定可控設(shè)備的離散控制策略,在較大擾動(dòng)下,通過切換可控器件的工作模式,可以及時(shí)地重新匹配系統(tǒng)的功率平衡。因此,所提出的混合控制能夠很好地抑制功率振蕩并保持電壓與頻率安全。

5 結(jié)論

針對(duì)多能源系統(tǒng)的混合行為和DER的多模態(tài)特性,提出了一種基于DER單元運(yùn)行模式切換的兩級(jí)分層混合控制,以提高其穩(wěn)定性、安全性和自愈能力。仿真結(jié)果表明,該混合控制在重大擾動(dòng)下,特別是在孤島瞬態(tài)期間,具有很好地維持和恢復(fù)電壓和頻率的能力。即使多能源系統(tǒng)運(yùn)行在自主模式下,所提出的控制仍然可以在面對(duì)大的負(fù)荷變化時(shí)更好地保持電壓和頻率。