張 偉，王宇強，武文麗，何晉偉，張雨舟，陳 敏

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.天津大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

近年來，國內(nèi)外發(fā)生了不少由冰災(zāi)、雪災(zāi)、臺風(fēng)、地震等極端災(zāi)害導(dǎo)致的大面積長時間停電事件[1]。據(jù)統(tǒng)計，2019年全國用戶平均停電時間13.72 h/戶，其中城市地區(qū)4.50 h/戶，農(nóng)村地區(qū)17.03 h/戶，計劃停電占用戶總停電時間的59.84%，影響用戶平均停電時間為8.21 h/戶，故障停電占總停電的40.16%，影響用戶平均停電時間為5.51 h/戶。作為直接服務(wù)于用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提升配電網(wǎng)在特殊場景下的持續(xù)運行、故障預(yù)測和規(guī)避以及故障后的快速恢復(fù)能力，對抵御災(zāi)害影響、保障人民正常生產(chǎn)生活和維持經(jīng)濟、社會穩(wěn)定發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。因此，有必要對特殊情況下的應(yīng)急保電措施進行研究，減少電力供應(yīng)中斷導(dǎo)致的經(jīng)濟損失。

國家能源局2018年印發(fā)的《電力行業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)行動計劃（2018—2020年）》中提出，要全面加強電力行業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)，探索電力應(yīng)急產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)綜合應(yīng)用解決方案。目前的應(yīng)急電源主要采用柴油發(fā)電車，但是存在供電成本高、應(yīng)用場景單一、容量有限等不足，且在多應(yīng)急電源功率精確控制和無通訊并聯(lián)等方面存在局限性。

目前，由多應(yīng)急電源構(gòu)成的應(yīng)急供電系統(tǒng)主要采用有通訊線控制和無通訊控制，其中有通訊線控制以集中式控制為主，無通訊線控制以下垂控制為主。無通訊線的下垂控制以其即插即用、成本和復(fù)雜程度低等優(yōu)點成為在應(yīng)急電源組網(wǎng)控制中的研究熱點[2-5]。文獻[6-8]提出了不借助分布式電源間或者分布式電源與中央控制器間通訊的條件下，基于全分散理念的適用于各種工作場景的分布式電源自趨優(yōu)控制方法；文獻[9-11]提出了基于本地信息的二次控制實現(xiàn)低偏差的母線頻率和電壓，然而這類控制方式無法工作在區(qū)域功率倒送的情況下，也很難協(xié)調(diào)移動柴發(fā)同步機和新能源逆變器的出力。

為了克服上述情況的不足，通過研究移動柴發(fā)同步機和新能源并網(wǎng)逆變器的協(xié)調(diào)控制，基于下垂控制提出了適用于新能源接入的應(yīng)急組網(wǎng)系統(tǒng)功率自適應(yīng)控制策略，在無中央控制器和通訊情況下，通過本地信息實現(xiàn)系統(tǒng)效益最大化的同時實現(xiàn)系統(tǒng)功率的自適應(yīng)分配。所提的控制策略主要在同步機無通訊下垂控制的前提下，借助新能源并網(wǎng)逆變器在檢測輸出端的頻率信息實現(xiàn)新能源能夠在系統(tǒng)不同的負(fù)荷功率情況下自適應(yīng)地調(diào)整自身的輸出功率，能夠很好地均衡系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。通過功率自適應(yīng)控制策略，利用本地的柴油機、分布式新能源、移動柴發(fā)電源車等應(yīng)急電源快速組建應(yīng)急電網(wǎng)，通過多類型應(yīng)急電源協(xié)調(diào)配合，保證居民用電負(fù)荷供電的連續(xù)性，降低特殊場景下帶來的經(jīng)濟損失。

1 新能源接入的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)

在應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中，柴發(fā)同步機、新能源并網(wǎng)逆變器和用戶負(fù)荷并聯(lián)在交流母線。系統(tǒng)中的發(fā)電功率和用戶負(fù)荷實時平衡，多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的等效電路如圖1所示。

圖1 多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Multi-emergency power supply networking system

根據(jù)傳統(tǒng)下垂控制理論[4]，系統(tǒng)中同步機輸出電壓和母線電壓的相位差θi很小，近似認(rèn)為sinθi≈θi，cosθi≈1。當(dāng)連線阻抗呈現(xiàn)感性即 ?i=90°時，此時柴發(fā)同步機輸出的有功功率P和無功功率Q可表示為

進一步可以得到柴發(fā)同步機的輸出功率和系統(tǒng)整體功率的關(guān)系式可以表示為

式中：Pi為第i臺柴發(fā)同步機的輸出有功功率；Pmppt為系統(tǒng)中電流源型并網(wǎng)逆變器的總輸出功率；Pload為系統(tǒng)的總負(fù)載功率。應(yīng)急供電系統(tǒng)的總負(fù)載功率等于柴發(fā)同步機輸出功率和新能源并網(wǎng)逆變器輸出功率之和。在用戶負(fù)載功率波動時，并網(wǎng)逆變器保持在最大功率點工作，柴發(fā)同步機負(fù)責(zé)維持交流母線電壓頻率，根據(jù)下垂曲線調(diào)節(jié)輸出功率維持系統(tǒng)功率平衡。當(dāng)用戶負(fù)載功率小于并網(wǎng)逆變器功率時，由于柴發(fā)同步機單向輸出功率，在柴發(fā)同步機工作在下垂模式的同時并網(wǎng)逆變器工作在有限功率點模式。

2 多應(yīng)急電源組網(wǎng)功率自適應(yīng)控制

考慮到新能源接入的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中柴發(fā)同步機和并網(wǎng)逆變器的功率控制差異，且在特殊場景下用戶負(fù)荷波動范圍大，若并網(wǎng)逆變器始終工作在最大功率點，對柴發(fā)同步機而言易工作在輕載模式，極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)功率倒送。

在新能源接入的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)功率自適應(yīng)分配避免系統(tǒng)功率倒送，提出了基于下垂控制的柴發(fā)同步機和并網(wǎng)逆變器的功率自適應(yīng)控制策略，在維持多應(yīng)急電源穩(wěn)定工作運行的同時，實現(xiàn)特殊場景下新能源并網(wǎng)發(fā)電的最大化利用，進一步提升系統(tǒng)持續(xù)發(fā)電能力并降低柴油消耗。

2.1 柴發(fā)同步機的無通訊并聯(lián)下垂控制策略

柴發(fā)同步機的無通訊下垂控制不需要集中式控制方式中的微型電網(wǎng)控制中心MGCC（micro-grid control center）和復(fù)雜通訊系統(tǒng)，在降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度的同時維持系統(tǒng)功率的動態(tài)平衡。

該柴發(fā)同步機的功率控制策略采用傳統(tǒng)的下垂控制方式[12-15]，其中有功頻率下垂系數(shù)等于系統(tǒng)的所允許的頻率偏差比上額定有功功率，無功電壓下垂系數(shù)等于系統(tǒng)所允許的電壓偏差比上額定無功功率，表達式為

式中：P和Q分別為輸出有功功率和輸出無功功率；Pref和Qref分別為有功功率和無功功率基準(zhǔn)值；f和U分別為輸出頻率和輸出電壓；f?和U?分別為輸出功率等于基準(zhǔn)值時的頻率和電壓基準(zhǔn)值；m和n為柴發(fā)同步機下垂系數(shù)，其分別由最大工作頻率fmax、最小工作頻率 fmin、額定有功功率Pr和最大母線電壓Umax、最小母線電壓Umin、額定無功功率Qr決定。

相應(yīng)的控制策略如圖2所示。通過傳感器檢測柴發(fā)同步機輸出的三相電壓電流量，進而基于下垂控制表達式得到調(diào)速器和勵磁器的頻率和電壓參考，通過柴發(fā)同步機的調(diào)速器環(huán)節(jié)和勵磁器環(huán)節(jié)控制同步機的轉(zhuǎn)速和電壓達到給定的參考量。由于柴發(fā)同步機并聯(lián)在公共母線上，其輸出電壓的幅值和頻率保持一致，所以依據(jù)下垂曲線柴發(fā)同步機均分系統(tǒng)的公共功率和無功功率。

圖2 柴發(fā)同步機無通訊并聯(lián)下垂控制策略Fig.2 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

2.2 電流源型并網(wǎng)逆變器的自適應(yīng)控制策略

光伏、風(fēng)力等新能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器常使用最大功率點跟蹤控制來實現(xiàn)新能源發(fā)電的最大功率輸出。

正常情況下，對于同時含有柴發(fā)同步機和電流源型并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)系統(tǒng)，若系統(tǒng)用戶負(fù)荷功率始終大于并網(wǎng)逆變器的最大輸出功率，則分布式柴發(fā)同步機依據(jù)下垂控制方程調(diào)節(jié)輸出電壓幅值頻率實現(xiàn)功率均分。而在檢修供電、應(yīng)急及保電、局部黑啟動等特殊場景下，應(yīng)急組網(wǎng)供電系統(tǒng)中用戶負(fù)荷波動性和隨機性強。因此其用電功率會低于系統(tǒng)中新能源發(fā)電的最大功率，此時若不對新能源發(fā)電功率加以控制，系統(tǒng)將出現(xiàn)功率倒送，柴發(fā)同步機無法維持母線電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定。

為實現(xiàn)多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜工況下的功率協(xié)調(diào)優(yōu)化，提出一種基于電流源下垂控制的功率自適應(yīng)控制策略，以光伏發(fā)電為例其控制框圖如圖3所示。

圖3 電流源型并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)控制策略Fig.3 Adaptive control strategy for current source grid-connected inverter

在柴發(fā)無通訊并聯(lián)下垂控制策略中，系統(tǒng)母線頻率和柴發(fā)同步機輸出功率是一對耦合量?；诓⒕W(wǎng)逆變器檢測交流系統(tǒng)的頻率，電流源型并網(wǎng)逆變器的功率控制環(huán)的控制方程為

式中：Pout為電流源型并網(wǎng)逆變器的實際輸出功率；PMPPT為電流源型并網(wǎng)逆變器最大功率點跟蹤控制的最大功率點；f為多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的母線頻率；f0為最大功率控制和有限功率控制的頻率臨界點；fmax為系統(tǒng)設(shè)計的最大工作頻率；fmin為系統(tǒng)設(shè)計的最小工作頻率；m′為電流源型并網(wǎng)逆變器有限功率點控制的下垂系數(shù)。

由上述的輸出功率控制方程可知，當(dāng)系統(tǒng)的運行頻率處于最大功率輸出區(qū)時，控制電流源型分布式電源工作在最大功率點跟蹤控制模式，保證新能源并網(wǎng)逆變器的最大出力；當(dāng)其運行頻率處于輸出功率調(diào)節(jié)區(qū)時，控制電流源型并網(wǎng)逆變器的輸出功率隨頻率的增加而減少，且使調(diào)節(jié)幅度呈線性變化，保證多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中，柴發(fā)同步機、并網(wǎng)逆變器的輸出功率和負(fù)載功率同母線頻率的關(guān)系為

設(shè)系統(tǒng)的頻率臨界點 f0等于頻率基準(zhǔn)值 f?，則包含j臺柴發(fā)同步機和k臺并網(wǎng)逆變器的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載功率可以表示為

在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)，電流源型并網(wǎng)逆變器的輸出功率如圖4（a）所示。當(dāng)j和k等于1，且頻率臨界點 f0等于頻率基準(zhǔn)值 f?時，多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中柴發(fā)同步機、并網(wǎng)逆變器的輸出功率和負(fù)載功率同母線頻率的關(guān)系如圖4（b）所示。

圖4 電流源型并網(wǎng)逆變器輸出功率和系統(tǒng)各應(yīng)急電源輸出功率關(guān)系Fig.4 Output power of current source grid-connected inverter,and the relationship between output powers of various emergency power supplies in the system

電流源型并網(wǎng)逆變器的自適應(yīng)控制策略通過檢測輸出端口的母線頻率，選擇功率控制環(huán)路中的最大功率點跟蹤策略或者有限功率點控制策略，故在無通訊條件下能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

綜上所述，基于傳統(tǒng)微電網(wǎng)中的下垂控制策略，多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的柴發(fā)同步機通過輸出功率和頻率的線性下垂關(guān)系調(diào)節(jié)系統(tǒng)的母線頻率。在多應(yīng)急電源系統(tǒng)的電流源型并網(wǎng)逆變器中的功率控制環(huán)加入下垂控制策略，檢測系統(tǒng)的工作頻率，判斷多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于輕載狀態(tài)時，自動調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器的輸出功率，使柴發(fā)同步機、并網(wǎng)逆變器的輸出功率與負(fù)載功率相匹配。

3 仿真驗證

根據(jù)所提出的含新能源接入的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)功率自適應(yīng)控制策略，在檢修供電、應(yīng)急及保電、局部黑啟動等特殊場景下典型的孤島交流系統(tǒng)，基于Matlab/Simlink建立了一個由2臺柴發(fā)同步機和1臺電流源型逆變器的多應(yīng)急電源組網(wǎng)供電系統(tǒng)，如圖5所示，并對該系統(tǒng)進行了應(yīng)急電源投切仿真和負(fù)載投切仿真。柴發(fā)同步機的調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)分別采用伍德沃德調(diào)速器和IEEE Type AC1A勵磁系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器為三相全橋電流控制型逆變器。多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示。

圖5 柴發(fā)同步機無通訊并聯(lián)下垂控制策略Fig.5 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation system

3.1 應(yīng)急電源投切仿真實驗

多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)首先要能實現(xiàn)分布式柴發(fā)同步機和新能源并網(wǎng)逆變器的接入，實現(xiàn)分布式的多應(yīng)急電源系統(tǒng)的組網(wǎng)供電。對于仿真算例，在0～3.00 s時為狀態(tài)1，系統(tǒng)的初始負(fù)荷為480 kW；在3.00～3.76 s時為狀態(tài)2，系統(tǒng)中DG2開始并機預(yù)同步；在3.76～8 s時為狀態(tài)3，系統(tǒng)中DG1和DG2開始均分負(fù)荷；在8～10 s時為狀態(tài)4，系統(tǒng)中切除負(fù)荷至420 kW；在10～16 s時為狀態(tài)5，系統(tǒng)中100 kW的電流源型并網(wǎng)逆變器接入系統(tǒng)，所得的仿真結(jié)果如圖6所示。仿真過程中，為驗證柴發(fā)同步機的下垂控制環(huán)在系統(tǒng)有功頻率上的影響，多應(yīng)急電源母線頻率變化如圖7所示。

由圖6可以看到，在多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中，柴發(fā)同步機采用無通尋并聯(lián)下垂控制后系統(tǒng)有功功率變化曲線。可以看到在狀態(tài)1～狀態(tài)4中，柴發(fā)同步機投入時系統(tǒng)能夠很好的均分系統(tǒng)的功率，在負(fù)荷功率波動時，柴發(fā)同步機在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的功率都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的均分。在狀態(tài)5中，電流源型并網(wǎng)逆變器接入工作在最大功率點，此時柴發(fā)同步機的發(fā)電功率進一步降低系統(tǒng)保持穩(wěn)定。由圖7可以看出，柴發(fā)同步機和新能源并網(wǎng)逆變器接入后，系統(tǒng)母線頻率依據(jù)柴發(fā)同步機設(shè)定的下垂曲線變化，在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)母線頻率保持不變。

圖6 多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)有功功率變化曲線Fig.6 Active power variation curves of multi-emergency power supply networking system

圖7 多應(yīng)急電源母線頻率變化曲線Fig.7 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply

由以上數(shù)據(jù)分析可知，柴發(fā)同步機的無通訊下垂控制策略在負(fù)荷功率大于新能源發(fā)電功率時能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)功率的分配。在新能源接入過程和負(fù)荷用電功率變化中系統(tǒng)的母線頻率工作在49.95～50.05 Hz間，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)母線頻率保持穩(wěn)定。但是若電流源型并網(wǎng)逆變器未采用自適應(yīng)控制策略，可知系統(tǒng)無法正常工作在負(fù)荷功率小于新能源發(fā)電功率的情況下，需進一步對新能源并網(wǎng)逆變器的控制策略進行設(shè)計。

3.2 應(yīng)急電源投切仿真實驗

多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)荷功率大范圍波動時，要能夠在不同負(fù)荷功率情況下系統(tǒng)的功率自適應(yīng)分配。對于仿真算例，在0～3.00 s時為狀態(tài)1，系統(tǒng)的初始負(fù)荷為480 kW；在3.00～3.76 s時為狀態(tài)2，系統(tǒng)中DG2開始并機預(yù)同步；在3.76～8.5 s時為狀態(tài)3，系統(tǒng)中DG1和DG2開始均分負(fù)荷；在8.5～11 s時為狀態(tài)4，系統(tǒng)中增加負(fù)荷至960 kW；在11～13 s時為狀態(tài)5，系統(tǒng)中100 kW的電流源型并網(wǎng)逆變器接入系統(tǒng)；在13～16 s時為狀態(tài)6，系統(tǒng)中減少負(fù)荷至480 kW；在16～20 s時為狀態(tài)7，系統(tǒng)中減少負(fù)荷至240 kW，所得的仿真結(jié)果如圖8所示。仿真過程中，為驗證新能源并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)控制策略引起的負(fù)荷變化過程中多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化，多應(yīng)急電源母線頻率變化如圖9所示。

圖8 自適應(yīng)策略下多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)有功功率變化曲線Fig.8 Active power variation curve of multi-emergency power supply networking system under adaptive strategy

圖9 自適應(yīng)策略下多應(yīng)急電源母線頻率變化曲線Fig.9 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply under adaptive strategy

圖8和圖9中的狀態(tài)1～狀態(tài)5與應(yīng)急電源投切仿真實驗的工作狀態(tài)一致。從狀態(tài)5到狀態(tài)6的切換過程中，系統(tǒng)母線頻率從49.965 Hz變換到50.01 Hz，其中并網(wǎng)逆變器的輸出功率從100 kW降低至80 kW；從狀態(tài)6到狀態(tài)7的切換過程中，系統(tǒng)母線頻率從50.01 Hz變換到50.03 Hz，其中并網(wǎng)逆變器的輸出功率從80 kW降低至40 kW。可以得出系統(tǒng)的運行頻率和應(yīng)急電源輸出功率的關(guān)系負(fù)荷系統(tǒng)多應(yīng)急電源自適應(yīng)功率控制策略。

基于多應(yīng)急電源的自適應(yīng)功率控制可以實現(xiàn)無通訊條件下用電負(fù)荷全范圍變換情況下的功率自適應(yīng)分配，解決了原來并網(wǎng)逆變器最大功率點跟蹤下可能出現(xiàn)向柴發(fā)同步機倒送功率的問題。

4 結(jié)語

本文所提含新能源接入的多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)功率自適應(yīng)控制策略在負(fù)荷的多個狀態(tài)下得到了仿真算例驗證，結(jié)果表明包含柴發(fā)同步機和新能源并網(wǎng)逆變器的功率自適應(yīng)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)多應(yīng)急電源在無通訊的條件下自適應(yīng)的分配系統(tǒng)功率。在輕載情況下，自適應(yīng)限制新能源并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)輸出功率始終保持系統(tǒng)功率平衡防止出現(xiàn)系統(tǒng)功率倒送的情況，并為現(xiàn)階段普遍出現(xiàn)的節(jié)點功率倒送問題提供了重要的參考解決方案。

在下一階段，將進一步考慮自適應(yīng)功率控制策略在復(fù)雜多應(yīng)急電源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制效果。由于多應(yīng)急電源組網(wǎng)系統(tǒng)中連線阻抗的復(fù)雜性以及應(yīng)急電源自身控制模式的多樣性，后續(xù)研究需要考慮不同的電壓源型和電流源型逆變器的差異以及電力電子變換器和同步機在慣性的區(qū)別，改進該系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制策略，增強控制策略的適用能力，實現(xiàn)在復(fù)雜工況下多類型應(yīng)急電源的組網(wǎng)供電。