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合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院、陽光電源股份有限公司的研究人員石榮亮、張興、徐海珍、胡超、余勇撰文，針對由可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、常規(guī)柴油發(fā)電機組(DGS)和蓄電池儲能系統(tǒng)組成的獨立微網，提出一種適合微網在孤島模式下穩(wěn)定運行的虛擬同步發(fā)電機(VSG)控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，并分析其輸出電壓和轉速的階躍響應特性；其次，在充分考慮DGS和VSG不同控制特性的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略；然后，在基本VSG控制器中增加虛擬阻抗環(huán)節(jié)，靈活實現(xiàn)對微網諧波的抑制；最后，建立一套包含2臺100 kV*A VSG及1臺440 kW DGS并聯(lián)的獨立微網實驗平臺，實驗結果驗證了所述控制策略的正確性與有效性。
微網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、交流變換器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。作為一種新型高效的能源利用形式，微網既能并網運行，也能孤島運行。含多分布式電源(DistributedGeneration，DG)的獨立微網能夠有效提高系統(tǒng)的供電可靠性和電能質量并降低成本，是解決和改善高原、海島等偏遠地區(qū)分散電力需求的一種有效途徑。
然而，由于獨立微網失去了大電網的支撐，且大多數(shù)微源經電力電子接口接入微網，造成微網的慣性很弱，導致擾動發(fā)生后系統(tǒng)頻率與電壓快速變化，加上風電、光伏的隨機性出力和負荷的不可預測性及多變性，使得微網獨立運行時的頻率與電壓控制具有一定的挑戰(zhàn)性。
柴油發(fā)電機組(Diesel GeneratorSet，DGS)因具有獨立供電、機動性強等優(yōu)點而在獨立微網中獲得了廣泛應用。但是，由于DGS較小的慣性及其較慢的動態(tài)性能，在帶動具有較高動態(tài)變化率的負載時其輸出頻率和電壓會產生較大波動，造成其暫態(tài)供電質量較差。
另外，拖動無功負載時會造成DGS的有效帶載能力顯著下降，而帶非線性負載時也會降低其供電質量及效率?；贒GS的上述特性，造成微網系統(tǒng)難以滿足較高的供電質量要求。儲能可以克服微網慣性小、抗擾動能力弱的問題，消減DG單元的間歇性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并使微網具有一定的可預測性和可調度性。
在此背景下，圍繞含DGS、儲能等多DG的獨立微網控制研究在全球范圍內日益廣泛和深入。
借鑒大電網的電能質量優(yōu)化方案，通過外加有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器[8]及動態(tài)電壓恢復器[9]等功率補償裝置來改善供電系統(tǒng)的性能，但會增加系統(tǒng)成本。為此，文獻[10]采用儲能單元補償DGS的無功和動態(tài)有功功率的聯(lián)合供電方案，以提高柴儲混合系統(tǒng)的效率和電能質量，但無法為系統(tǒng)提供電壓支撐。
文獻提出了獨立微網中DGS和儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調控制方法，使得儲能單元具備電壓支撐能力，而DGS與儲能雙主源之間的切換存在失敗的風險。文獻利用基于下垂控制的儲能系統(tǒng)實現(xiàn)對獨立微網電壓與頻率的調節(jié)，保證了系統(tǒng)的不間斷供電，然而下垂控制并不具備虛擬慣量，當系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率供需不平衡時，微網頻率也會快速波動。
針對該問題，在下垂控制的基礎上，提出通過改變儲能單元的控制方法，向系統(tǒng)注入虛擬的轉動慣量，使其模擬出類似同步發(fā)電機(SynchronousGenerator，SG)所具有的旋轉慣量和阻尼特性，即虛擬同步發(fā)電機(Virtual SG，VSG)的控制策略，以提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。
文獻提出自適應虛擬慣量的VSG技術，根據VSG的加速度和滑差選取不同的虛擬慣量，均在不同程度上仿真驗證了其相比于傳統(tǒng)下垂控制算法在提高微網系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。文獻[20]也驗證了所提VSG控制策略相比于傳統(tǒng)電流和下垂控制策略在提高光儲柴獨立微網頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。
然而，上述幾種方案均沒有綜合考慮DG的不同動態(tài)性能、系統(tǒng)電壓和頻率調節(jié)的層次性、系統(tǒng)負荷的非線性等因素對獨立微網的穩(wěn)定運行及供電質量帶來的影響。
本文以含有DGS和蓄電池儲能系統(tǒng)的獨立微網為例，提出一種適合微網在孤島模式下穩(wěn)定運行的VSG控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，并分析階躍負載對其輸出電壓和頻率的影響。其次，在充分考慮DGS和VSG不同動態(tài)時間響應尺度的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略。然后，利用引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)的VSG控制方案，解決非線性負載惡化微網系統(tǒng)供電質量的問題。最后，建立一套包含2臺100 kV*A-VSG及1臺440 kW-DGS并聯(lián)的獨立微網實驗平臺，驗證本文提出控制策略的正確性與有效性。
結論
針對光儲柴獨立微網中DGS動態(tài)響應慢，且系統(tǒng)的頻率與電壓易受負載干擾的問題，本文提出了一種適合獨立微網穩(wěn)定運行的VSG控制策略，該策略利用VSG快速的動態(tài)響應特性，實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓頻率與幅值波動的抑制，并利用虛擬阻抗控制回路對系統(tǒng)諧波進行靈活抑制。
通過對所提策略在光儲柴微網平臺上的驗證，得出以下結論：
1)適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略，兼顧了VSG快速的動態(tài)性能與DGS較慢的動態(tài)性能，兼容了VSG的有差調節(jié)特性與DGS的無差調節(jié)特性，解決了階躍負載條件下DGS輸出電壓頻率與幅值波動的問題。
2)采用虛擬阻抗控制可以靈活設計VSG的等效輸出阻抗，實現(xiàn)對微網諧波進行不控、抑制及拒絕3種模式的選擇性抑制。
3)通過DGS獨立運行及VSG與DGS并聯(lián)運行條件下的負載階躍對比實驗，結果驗證了改進型VSG控制策略可快速補償系統(tǒng)功率，抑制系統(tǒng)頻率與電壓的波動。
4)通過2臺100 kV*A VSG并聯(lián)運行時的非線性負載實驗，結果驗證了引入虛擬阻抗的VSG可靈活并有效實現(xiàn)不控、抑制及拒絕3種系統(tǒng)諧波抑制模式。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，并分析其輸出電壓和轉速的階躍響應特性；其次，在充分考慮DGS和VSG不同控制特性的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略；然后，在基本VSG控制器中增加虛擬阻抗環(huán)節(jié)，靈活實現(xiàn)對微網諧波的抑制；最后，建立一套包含2臺100 kV*A VSG及1臺440 kW DGS并聯(lián)的獨立微網實驗平臺，實驗結果驗證了所述控制策略的正確性與有效性。
微網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、交流變換器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。作為一種新型高效的能源利用形式，微網既能并網運行，也能孤島運行。含多分布式電源(DistributedGeneration，DG)的獨立微網能夠有效提高系統(tǒng)的供電可靠性和電能質量并降低成本，是解決和改善高原、海島等偏遠地區(qū)分散電力需求的一種有效途徑。
然而，由于獨立微網失去了大電網的支撐，且大多數(shù)微源經電力電子接口接入微網，造成微網的慣性很弱，導致擾動發(fā)生后系統(tǒng)頻率與電壓快速變化，加上風電、光伏的隨機性出力和負荷的不可預測性及多變性，使得微網獨立運行時的頻率與電壓控制具有一定的挑戰(zhàn)性。
柴油發(fā)電機組(Diesel GeneratorSet，DGS)因具有獨立供電、機動性強等優(yōu)點而在獨立微網中獲得了廣泛應用。但是，由于DGS較小的慣性及其較慢的動態(tài)性能，在帶動具有較高動態(tài)變化率的負載時其輸出頻率和電壓會產生較大波動，造成其暫態(tài)供電質量較差。
另外，拖動無功負載時會造成DGS的有效帶載能力顯著下降，而帶非線性負載時也會降低其供電質量及效率?；贒GS的上述特性，造成微網系統(tǒng)難以滿足較高的供電質量要求。儲能可以克服微網慣性小、抗擾動能力弱的問題，消減DG單元的間歇性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并使微網具有一定的可預測性和可調度性。
在此背景下，圍繞含DGS、儲能等多DG的獨立微網控制研究在全球范圍內日益廣泛和深入。
借鑒大電網的電能質量優(yōu)化方案，通過外加有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器[8]及動態(tài)電壓恢復器[9]等功率補償裝置來改善供電系統(tǒng)的性能，但會增加系統(tǒng)成本。為此，文獻[10]采用儲能單元補償DGS的無功和動態(tài)有功功率的聯(lián)合供電方案，以提高柴儲混合系統(tǒng)的效率和電能質量，但無法為系統(tǒng)提供電壓支撐。
文獻提出了獨立微網中DGS和儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調控制方法，使得儲能單元具備電壓支撐能力，而DGS與儲能雙主源之間的切換存在失敗的風險。文獻利用基于下垂控制的儲能系統(tǒng)實現(xiàn)對獨立微網電壓與頻率的調節(jié)，保證了系統(tǒng)的不間斷供電，然而下垂控制并不具備虛擬慣量，當系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率供需不平衡時，微網頻率也會快速波動。
針對該問題，在下垂控制的基礎上，提出通過改變儲能單元的控制方法，向系統(tǒng)注入虛擬的轉動慣量，使其模擬出類似同步發(fā)電機(SynchronousGenerator，SG)所具有的旋轉慣量和阻尼特性，即虛擬同步發(fā)電機(Virtual SG，VSG)的控制策略，以提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。
文獻提出自適應虛擬慣量的VSG技術，根據VSG的加速度和滑差選取不同的虛擬慣量，均在不同程度上仿真驗證了其相比于傳統(tǒng)下垂控制算法在提高微網系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。文獻[20]也驗證了所提VSG控制策略相比于傳統(tǒng)電流和下垂控制策略在提高光儲柴獨立微網頻率穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。
然而，上述幾種方案均沒有綜合考慮DG的不同動態(tài)性能、系統(tǒng)電壓和頻率調節(jié)的層次性、系統(tǒng)負荷的非線性等因素對獨立微網的穩(wěn)定運行及供電質量帶來的影響。
本文以含有DGS和蓄電池儲能系統(tǒng)的獨立微網為例，提出一種適合微網在孤島模式下穩(wěn)定運行的VSG控制策略。
首先，建立DGS在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，并分析階躍負載對其輸出電壓和頻率的影響。其次，在充分考慮DGS和VSG不同動態(tài)時間響應尺度的基礎上，提出一種適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略。然后，利用引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)的VSG控制方案，解決非線性負載惡化微網系統(tǒng)供電質量的問題。最后，建立一套包含2臺100 kV*A-VSG及1臺440 kW-DGS并聯(lián)的獨立微網實驗平臺，驗證本文提出控制策略的正確性與有效性。
結論
針對光儲柴獨立微網中DGS動態(tài)響應慢，且系統(tǒng)的頻率與電壓易受負載干擾的問題，本文提出了一種適合獨立微網穩(wěn)定運行的VSG控制策略，該策略利用VSG快速的動態(tài)響應特性，實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓頻率與幅值波動的抑制，并利用虛擬阻抗控制回路對系統(tǒng)諧波進行靈活抑制。
通過對所提策略在光儲柴微網平臺上的驗證，得出以下結論：
1)適應獨立微網分層協(xié)調控制的改進型VSG策略，兼顧了VSG快速的動態(tài)性能與DGS較慢的動態(tài)性能，兼容了VSG的有差調節(jié)特性與DGS的無差調節(jié)特性，解決了階躍負載條件下DGS輸出電壓頻率與幅值波動的問題。
2)采用虛擬阻抗控制可以靈活設計VSG的等效輸出阻抗，實現(xiàn)對微網諧波進行不控、抑制及拒絕3種模式的選擇性抑制。
3)通過DGS獨立運行及VSG與DGS并聯(lián)運行條件下的負載階躍對比實驗，結果驗證了改進型VSG控制策略可快速補償系統(tǒng)功率，抑制系統(tǒng)頻率與電壓的波動。
4)通過2臺100 kV*A VSG并聯(lián)運行時的非線性負載實驗，結果驗證了引入虛擬阻抗的VSG可靈活并有效實現(xiàn)不控、抑制及拒絕3種系統(tǒng)諧波抑制模式。
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