馬平，王點(diǎn)

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)都得到了高度重視。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中發(fā)揮的作用日益凸顯。微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置形式多樣，安裝位置靈活，在合理的控制下可以對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的支撐。

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，風(fēng)力發(fā)電等可再生能源又具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。在有大量異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（asynchronous wind turbines，簡(jiǎn)稱AWT）接入的微電網(wǎng)中，AWT的運(yùn)行狀況會(huì)給微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及供電質(zhì)量帶來(lái)一定的負(fù)面影響。研究表明，當(dāng)微電網(wǎng)線路參數(shù)和系統(tǒng)短路容量確定時(shí)，AWT等分布式發(fā)電裝置的功率波動(dòng)成為影響系統(tǒng)電壓和頻率變化的主要因素［1］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將探討在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，如何合理的利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)減小AWT運(yùn)行時(shí)的功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。

本文分析儲(chǔ)能功率控制器在使用鎖相環(huán)技術(shù)時(shí)遇到的一些問(wèn)題，并采用無(wú)鎖相環(huán)技術(shù)解決這些問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，建立了一種基于頻率跟蹤的儲(chǔ)能功率控制策略。通過(guò)仿真算例研究微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)在陣風(fēng)擾動(dòng)情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 蓄電池儲(chǔ)能主電路結(jié)構(gòu)與運(yùn)行分析

本文應(yīng)用的微電網(wǎng)快速儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能元件蓄電池組、儲(chǔ)能變換電路、濾波電路、檢測(cè)電路、控制系統(tǒng)等部分組成［2］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)濾波電路中等效電阻為R，等效電感為L(zhǎng)，直流側(cè)的電壓為Vdc。在abc坐標(biāo)系下電路滿足以下關(guān)系［3］:

式中VN

abc、iabc、Vabc分別代表儲(chǔ)能逆變器輸出三相電壓、輸出三相電流以及儲(chǔ)能裝置接入點(diǎn)三相電壓。將式（1）變換至d－q坐標(biāo)系下，整理得到:

儲(chǔ)能控制系統(tǒng)包括電流控制器和功率控制器。功率控制器生成有功/無(wú)功電流參考值idref、iqref，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，功率控制器采用了無(wú)鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)得到坐標(biāo)變換需要的相角值φ。

圖2 功率控制器

儲(chǔ)能有功功率Pout、無(wú)功功率Qout滿足［4］:

2 基于無(wú)鎖相環(huán)技術(shù)的功率控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的功率控制器在實(shí)現(xiàn)電壓、電流的有功分量和無(wú)功分量的解耦時(shí)，常使用鎖相環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)得到需要的相角值φ［5］，但是該方法存在功率計(jì)算比較復(fù)雜的缺點(diǎn)。本文采用無(wú)鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)得到相角值φ。

如圖3所示，設(shè)矢量us的模為Um。需要得到的相角值φ是旋轉(zhuǎn)的d軸和靜止的α軸之間的夾角，且有φ=ωt。在使用PLL測(cè)量時(shí)只要測(cè)量A相電壓的相角就可以得到φ的值。圖中:d，q軸和矢量us均以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，如果把角θ的值賦給φ，相當(dāng)于令Ud=Um，Uq=0。θ的計(jì)算公式為:

圖3 相角計(jì)算示意圖

儲(chǔ)能的Pout、Qout滿足以下關(guān)系:

使用式（5）計(jì)算儲(chǔ)能的有功功率、無(wú)功功率比式（3）更加簡(jiǎn)潔。采用無(wú)鎖相環(huán)計(jì)算法得到的相角θ和d、q軸電壓的圖形分別如圖4和圖 5所示。

圖4 采用計(jì)算法得出A相電壓相角圖

圖5 采用計(jì)算法時(shí)電壓解耦圖

由圖4可知，采用計(jì)算法得出的相角值在工頻周期內(nèi)線性增加，精確地描述出了相角值的實(shí)際變化。由圖 5可知，采用計(jì)算法后Ud=Um，Uq=0，符合分析結(jié)果。

圖6 采用計(jì)算法儲(chǔ)能并網(wǎng)處A相電壓和電流波形圖

由圖6可知，儲(chǔ)能并網(wǎng)的濾波電感電流在兩個(gè)工頻周期的時(shí)間內(nèi)即可跟蹤上指令要求，反應(yīng)靈敏。由圖 7可知，儲(chǔ)能功率得到了完全解耦，且有功/無(wú)功功率值分別受有功/無(wú)功電流控制，儲(chǔ)能輸出功率同樣可以在兩個(gè)工頻周期內(nèi)跟蹤上指令值。

圖7 采用計(jì)算法時(shí)儲(chǔ)能功率解耦圖

3 基于微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的儲(chǔ)能控制方案

儲(chǔ)能控制系統(tǒng)包含電流控制器和功率控制器，如圖8所示。該系統(tǒng)應(yīng)用了電壓前饋控制來(lái)增強(qiáng)控制器的抗擾動(dòng)能力。由于采用計(jì)算法時(shí)Uq=0，電壓前饋控制中，只有Ud的前饋控制。

由于低壓微電網(wǎng)線路的阻抗比?1，如果忽略線路中的濾波電感，則輸電線路可近似為純阻性。微電網(wǎng)的頻率主要受系統(tǒng)中無(wú)功功率的影響。基于以上分析，對(duì)傳統(tǒng)的基于功率跟蹤的儲(chǔ)能控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，使儲(chǔ)能的無(wú)功功率直接跟蹤系統(tǒng)頻率。圖9描述了這兩種功率控制器結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)功率控制器（圖9左）:假設(shè)微電網(wǎng)在某一恒定風(fēng)速下保持穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置與風(fēng)機(jī)共同向微電網(wǎng)提供功率為Pref/Qref，風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能可對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)進(jìn)行快速緩沖，儲(chǔ)能與風(fēng)機(jī)這個(gè)整體共同向系統(tǒng)提供的功率Pref/Qref保持不變，兩者可以視為一個(gè)有功/無(wú)功功率輸出穩(wěn)定的DG［6－7］。儲(chǔ)能控制的目的是抑制DG有功/無(wú)功功率波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖8 儲(chǔ)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于頻率跟蹤的功率控制器（圖 9右）:該控制的有功功率調(diào)

節(jié)方式與傳統(tǒng)功率控制一致，無(wú)功功率輸出則跟隨系統(tǒng)交流母線上頻率frms的變化，將frms與頻率參考值fref的差值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器后的輸出值作為儲(chǔ)能的無(wú)功功率輸出參考值［8］。當(dāng)frms低于fref時(shí)，儲(chǔ)能向微電網(wǎng)輸出部分無(wú)功功率來(lái)提高frms，否則儲(chǔ)能將吸收部分無(wú)功功率。儲(chǔ)能控制的目標(biāo)是抑制交流母線上的頻率波動(dòng)，改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖9 傳統(tǒng)功率控制器和基于頻率跟蹤控制器結(jié)構(gòu)圖

4 仿真結(jié)果與分析

微電網(wǎng)采用電纜線路，單位阻抗為 0.4487+j0.07（Ω/km），儲(chǔ)能裝置采用基于頻率跟蹤的功率控制方案。設(shè)風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)風(fēng)速為12 m/s，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行。圖10～12分別描述了t=5 s出現(xiàn)陣風(fēng)干擾時(shí)風(fēng)速變化和儲(chǔ)能的有功、無(wú)功功率響應(yīng)情況（儲(chǔ)能以吸收功率為正方向，儲(chǔ)能配置于PCC處）。由仿真結(jié)果可知:

圖10 風(fēng)速變化曲線圖

（1）在5 s～10 s之間時(shí)，風(fēng)速低于穩(wěn)態(tài)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)輸出的有功功率小于Pref，吸收的無(wú)功功率也小于Qref。儲(chǔ)能裝置輸出有功功率，同時(shí)吸收無(wú)功功率，其吸收/輸出功率的大小隨風(fēng)速的變化而變化，風(fēng)速變化越大，儲(chǔ)能裝置吸收/輸出功率越大。

圖11 儲(chǔ)能有功功率響應(yīng)曲線圖

（2）在10 s～20 s之間時(shí)，風(fēng)速高于穩(wěn)態(tài)風(fēng)速，風(fēng)機(jī)輸出的有功功率大于Pref，并且吸收的無(wú)功功率大于Qref。儲(chǔ)能裝置吸收有功功率，輸出無(wú)功功率。風(fēng)速變化越大，儲(chǔ)能裝置吸收/輸出功率越大。

（3）20 s～25 s之間的分析與（1）一致。

圖12 儲(chǔ)能無(wú)功功率響應(yīng)曲線

可見(jiàn)，在出現(xiàn)陣風(fēng)擾動(dòng)時(shí)，采用本文提出的基于頻率跟蹤的儲(chǔ)能控制方案，可以較快的跟蹤系統(tǒng)的功率波動(dòng)，并且分別對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率波動(dòng)進(jìn)行緩沖。

圖13 未配置儲(chǔ)能

圖13～15分別為系統(tǒng)（交流母線）頻率在無(wú)儲(chǔ)能和儲(chǔ)能采用不同控制方案下的波動(dòng)曲線圖。

圖14 儲(chǔ)能采用傳統(tǒng)功率控制

可以看出，系統(tǒng)未配置儲(chǔ)能時(shí)頻率波動(dòng)較顯著，最大頻率偏差達(dá)到2.4%;配置儲(chǔ)能后，有效地抑制了交流母線上的頻率波動(dòng)。在使用傳統(tǒng)功率控制策略時(shí)最大頻率偏差0.8%，頻率恢復(fù)時(shí)間由無(wú)儲(chǔ)能時(shí)的10 s縮短至5 s。在使用基于頻率跟蹤的功率控制時(shí)頻率的最大偏差為0.4%，頻率恢復(fù)時(shí)間由無(wú)儲(chǔ)能時(shí)的10 s縮短為1 s。

圖15 儲(chǔ)能采用基于頻率跟蹤功率控制

5 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)配置快速儲(chǔ)能裝置來(lái)平滑系統(tǒng)的功率波動(dòng)，從而減少AWT運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性造成的不利影響。在陣風(fēng)擾動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能無(wú)論采用傳統(tǒng)功率控制還是采用基于頻率跟蹤的功率控制都可以達(dá)到有效抑制交流母線上功率波動(dòng)，減小交流母線上的頻率偏差，縮短頻率恢復(fù)時(shí)間的效果，從而改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。儲(chǔ)能采用基于頻率跟蹤的功率控制方案時(shí)對(duì)頻率波動(dòng)的抑制效果優(yōu)于傳統(tǒng)功率控制方案，頻率的恢復(fù)時(shí)間也比采用傳統(tǒng)功率控制方案時(shí)要短。

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