朱 陽,鄭劍波

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司臨海市供電公司,浙江 臨海 317000)

0 引言

隨著全球能源需求的增長和對綠色發(fā)展的日益重視,可再生能源的開發(fā)利用成了能源轉(zhuǎn)型的主要方向。其中,孤島微網(wǎng)作為一種新型的能源系統(tǒng),以其分布式、靈活性、可靠性等優(yōu)點,在偏遠地區(qū)、海島等地得到了廣泛的應用。在這種系統(tǒng)中,電池儲能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System,BESS)發(fā)揮著至關重要的作用,因為它可以提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性,增加系統(tǒng)的可再生能源利用率,減少對傳統(tǒng)能源的依賴。孤島微網(wǎng)中的BESS面臨著許多挑戰(zhàn),如不確定性、波動性和隨機性等,這些挑戰(zhàn)使得傳統(tǒng)的控制方法難以達到理想的效果。數(shù)據(jù)驅(qū)動控制作為一種新型的控制方法,已成為研究的熱點。數(shù)據(jù)驅(qū)動控制主要利用系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析和模式識別,建立系統(tǒng)的數(shù)學模型,據(jù)此設計控制器。與傳統(tǒng)的基于數(shù)學模型的控制方法相比,數(shù)據(jù)驅(qū)動控制不需要詳細的系統(tǒng)模型,具有較強的適應性和魯棒性。在孤島微網(wǎng)中,數(shù)據(jù)驅(qū)動控制可以應用于BESS的充放電控制、狀態(tài)估計、能量管理等方面[1-3]。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動網(wǎng)格支撐逆變器

使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來調(diào)諧電壓和頻率控制器,直接替代反向下垂控制品,使其能夠在不修改現(xiàn)有BESS有功功率和無功功率內(nèi)部控制回路的情況下達到改造目的。本文提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動的指導支持(Data Driven Guidance Support,DDGS)控制器允許控制增益的頻率依賴性,進而顯著改進下垂控制,而下垂控制僅應用于所有頻率的誤差信號的固定控制增益,DDGS控制系統(tǒng)設計過程概述如下。

1.1 控制結(jié)構

本文提出的DDGS控制系統(tǒng)與反向下垂支持控制(Reverse Droop Support Control,RDSC)系統(tǒng)相比,下垂增益由傳遞函數(shù)KDD1(z)和KDD2(z)代替,得出本文形式的固定結(jié)構傳遞函數(shù)。

(1)

上式,xm,m=0,1,…,m是分子參數(shù),yn,n=0,1,…,n是分母參數(shù)。

因此,與具有2個參數(shù)的反向下垂電網(wǎng)支持控制系統(tǒng)相比,提出的DDGS控制系統(tǒng)具有2個(m+n-1)參數(shù)。整數(shù)m和n由設計系統(tǒng)定義,允許適時選擇調(diào)整,當與下垂控制器相比時,本結(jié)構控制器的高階算法使得其調(diào)諧時,改善了BESS對頻率和電壓瞬變的響應,為了調(diào)整DDGS控制器,使用了一種基于優(yōu)化計算的方法。此外,在直接離散時域中進行調(diào)諧,不會引入由于控制器離散化引起的誤差。

1.2 信號注入的數(shù)據(jù)采集

用于識別電力系統(tǒng)的隨機噪聲信號的注入已使用較為廣泛,其中,注入低電平偽隨機噪聲以調(diào)制高壓直流互連電網(wǎng)上的功率流。信號注入對電網(wǎng)運行的影響較小,定期將此信號注入系統(tǒng)可行。本文的DDGS控制系統(tǒng)使用了信號注入方法來識別該系統(tǒng)。DDGS控制系統(tǒng)設計的第一步是識別電力系統(tǒng)的頻率響應數(shù)據(jù)。為了收集數(shù)據(jù),使用注入的偽隨機二進制序列(Pseudo-Random Binary Sequence,PRBS)來激勵微電網(wǎng)[4-5]。PRBS是重復的離散二進制序列(僅取2個值),其功率譜密度近似于白噪聲的功率譜密度。由于PRBS包含多個頻率分量,通過注入PRBS并測量系統(tǒng)的輸出,其頻率響應特性通過計算得到。使用長度為q的線性反饋移位寄存器生成PRBS,根據(jù)以下方法定義最大序列長度L。

L=2q-1

(2)

在將PRBS應用于系統(tǒng)之前,它被縮放為具有雙極振幅A。識別采樣周期Ts決定了最大激勵頻率,而±A的激勵幅度定義了所施加控制輸入的幅度。為了進行識別,用PRBS依次激勵BESS、Pg和Qg的控制輸入,同時記錄測量輸出的角頻率響應ωt和電壓響應vt。該過程重復兩次,Ts的值不同,以提高低頻范圍內(nèi)的頻率響應分辨率,所得數(shù)據(jù)用于調(diào)諧DDGS控制器。數(shù)據(jù)采樣時間步長為Ts,為了提高噪聲抑制,采用p個周期的PRBS,每個數(shù)據(jù)集的樣本數(shù)為:

Ns=p(2q-1)

(3)

其中,移位寄存器的長度q為14,保證了頻率響應數(shù)據(jù)的足夠分辨率。如果q減少,則記錄長度和數(shù)據(jù)采集時間都會減少。然而,頻率響應數(shù)據(jù)的分辨率也降低了,即,對于q=10,Ts1和Ts2的分辨率分別為0.977 Hz和0.244 Hz,為找到所需的分辨率,首先用低值q=10來識別系統(tǒng),然后檢查任何諧振頻率周圍的數(shù)據(jù)點的數(shù)量。如果數(shù)據(jù)點在諧振頻率周圍是稀疏的,則q增加。

1.3 響應數(shù)據(jù)

對使用PRBS信號注入收集的時域識別數(shù)據(jù)集進行處理,以找到系統(tǒng)的2×2多輸入多輸出頻率響應數(shù)據(jù)。系統(tǒng)頻率響應數(shù)據(jù)將BESS的控制輸入u與逆變器y測量的系統(tǒng)輸出相關聯(lián)。因此,頻率響應包括共振頻率功率控制器、測量傳感器和微電網(wǎng)系統(tǒng)的行為。

為了找到多輸入-多輸出頻率響應數(shù)據(jù)G,使用頻譜分析方法對收集的數(shù)據(jù)集進行處理,傳遞函數(shù)如下。

(4)

上式,Ruu是PRBS輸入的自相關量,Ruv是PRBS輸出和測量的系統(tǒng)輸出的互相關量,G(jω)是多輸入多輸出頻率響應數(shù)據(jù)G的對應元素,DFT是離散傅立葉變換算法,得出2組多輸入-多輸出頻率響應數(shù)據(jù),即1組和2組,每組具有L/2個頻率點,1組和2組的頻率點分別具有2/LTs1Hz和2/LTs2Hz的線性間隔長度。

本研究構造了一組分辨率提高后的頻率響應數(shù)據(jù)。1組覆蓋了比2組更寬的頻譜。因此,從2組中獲取的點被截斷以覆蓋從0 Hz到1 Hz的范圍,被附加到1組,以便增加頻率響應數(shù)據(jù)在低頻下的分辨率。因此,構建了一套完整的系統(tǒng)頻率響應數(shù)據(jù)G。隨著發(fā)電機、負載和電纜的添加或移除,微電網(wǎng)可能會在其使用壽命內(nèi)發(fā)生變化,導致影響此類頻率響應。當調(diào)整DDGS控制器時,在增強性能和魯棒性之間存在權衡,如果在不考慮魯棒性的情況下對控制器進行調(diào)諧,當微電網(wǎng)的頻率響應發(fā)生顯著變化時,性能會下降。由于提出的方法允許在不含動態(tài)模型或進一步穩(wěn)定性分析的情況下對控制器進行調(diào)諧,因此重新調(diào)諧過程被簡化。此要求對任何其他非自適應控制系統(tǒng)都相同。

2 實驗研究

使用軟件在微電網(wǎng)環(huán)試驗臺對所提出的DDGS控制系統(tǒng)進行了驗證,試驗臺在實時模擬器中使用處理器卡實現(xiàn)。它由一個實時模擬的電力系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)與DDGS控制系統(tǒng)的自定義固件實現(xiàn)接口。RTDS允許實時解決電磁暫態(tài)網(wǎng)絡模型。

2.1 負載階躍

實驗開始,電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),沒有負載變化。在時刻t=0.5 s,附加一個250 kVA的負載,連接到微電網(wǎng)。圖1顯示了負載階躍期間BESS終端的實際功率和頻率,圖中曲線1表示RDSC控制系統(tǒng),曲線2表示DDGS控制系統(tǒng),下同?？捎^察到,與RDSC控制系統(tǒng)相比,DDGS控制系統(tǒng)的BESS的有功功率增加更快,峰值放電更高。隨后,頻率最低點從46.96 Hz增加到47.82 Hz。此外,階躍后頻率振蕩得到顯著緩和,相應地,2%的穩(wěn)定時間從7.24 s減少到3.15 s。圖2顯示了負載變化期間在母線處測量的電壓以及BESS的無功功率輸出?？梢杂^察到,負載的切換導致網(wǎng)絡上持續(xù)約2 ms的大電壓驟降,這是由于發(fā)電機的電磁響應。對于DDGS和RDSC控制系統(tǒng),這種下降幾乎相同。由于時間較短,在下降之后,對于2個控制系統(tǒng)都觀察到母線電壓的低頻振蕩。DDGS控制系統(tǒng)減少,振蕩較小。

圖1 負載抑制測試

圖2 負載階躍測試

2.2 負載抑制

為測試DDGS 在BESS控制系統(tǒng)的負荷抑制情況下的性能,將RDSC和DDGS控制系統(tǒng)進行比較。最初,電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),在t=0.75 s的時刻,實施負載斷開3 s。圖3顯示了在BESS終端測得的頻率和負載抑制期間BESS的實際功率輸出,改進的DDGS控制器將頻率偏差降低了2.79 Hz。圖4顯示了抑制負荷期間母線處測得的電壓以及BESS的無功功率輸出?？梢杂^察到,與RDSC控制系統(tǒng)相比,DDGS控制系統(tǒng)減少了由負載的重新連接引起的網(wǎng)絡上的電壓暫降,效果較好。

圖3 負載抑制測試

圖4 負載抑制測試

3 結(jié)語

本文提出了一種用于連接到孤島微電網(wǎng)的BESS的數(shù)據(jù)驅(qū)動電網(wǎng)支持控制系統(tǒng),使用該數(shù)據(jù)驅(qū)動算法實現(xiàn)系統(tǒng)地調(diào)整控制器的參數(shù)。文章提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制系統(tǒng)能夠?qū)聧u微電網(wǎng)的頻率和電壓振蕩進行抑制。與目前的最新技術相比,本研究提出的控制器允許頻率和電壓控制器參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化,無需動態(tài)系統(tǒng)模型。