羅 飛,王晨清,鄭明忠,楊 毅,許佳佳,易文飛,卜強(qiáng)生,高 磊,袁宇波
(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,南京 211103;2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 無(wú)錫供電分公司,江蘇 無(wú)錫 214000)
協(xié)調(diào)控制器是微電網(wǎng)的指揮中樞,有著靈活控制電力血液流動(dòng)的功能[1]。目前,微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器還處在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研究階段,尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用[2],關(guān)于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的研究較少。文獻(xiàn)[3]為完善儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器的測(cè)試方法和手段,搭建了儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器檢測(cè)平臺(tái),但該平臺(tái)僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)點(diǎn)和模擬量采集功能,不能對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)仿真。文獻(xiàn)[4]為研究大規(guī)模儲(chǔ)能電站的拓?fù)?、參?shù)及控制策略,基于Simulink 搭建了儲(chǔ)能電站模型,但該模型不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真,無(wú)法與外部實(shí)際設(shè)備進(jìn)行連接,仿真僅停留在純理論層面,無(wú)法結(jié)合實(shí)際裝置做進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[5]為簡(jiǎn)化變電站日常維護(hù)工作,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了變電站自動(dòng)化仿真測(cè)試系統(tǒng),但該系統(tǒng)僅能從通信層面上解決信號(hào)對(duì)點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)于設(shè)備的性能、邏輯、及設(shè)備之間的配合測(cè)試則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。綜上,目前關(guān)于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的研究相對(duì)較少,且對(duì)于類似微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器等設(shè)備的檢測(cè)方法或停留在軟件模擬對(duì)點(diǎn)階段,或直接進(jìn)行真型試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試,前者無(wú)法對(duì)其功能、內(nèi)部邏輯、響應(yīng)時(shí)間、運(yùn)行可靠性等性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,后者測(cè)試方法復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本高,需要耗費(fèi)大量資源。
為加快協(xié)調(diào)控制器的開發(fā)進(jìn)程、服務(wù)協(xié)調(diào)控制器的工程應(yīng)用、提高微電網(wǎng)的建設(shè)效率,本文在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system,RTDS)[6]環(huán)境下搭建了包含全要素的微電網(wǎng)電氣部分仿真測(cè)試平臺(tái),設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制器與RTDS 之間的實(shí)時(shí)通信交互組網(wǎng)方案,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)協(xié)調(diào)控制器的核心功能進(jìn)行了實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真測(cè)試。本文搭建的全要素綜合能源電氣仿真系統(tǒng)及設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制器與RTDS之間的實(shí)時(shí)通信交互組網(wǎng)方案對(duì)于未來(lái)微電網(wǎng)的仿真測(cè)試具有重要借鑒意義。
微電網(wǎng)具有多能互補(bǔ)、多站融合的特點(diǎn),不僅可以為現(xiàn)有電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐,更能夠促進(jìn)社會(huì)資源和資本進(jìn)入電力系統(tǒng),共同參與電力市場(chǎng),提高資源利用效率,提升用電綜合能效。微電網(wǎng)的典型元素主要包括電源和負(fù)荷2 大類,電源包括分布式光伏和儲(chǔ)能,負(fù)荷包括5G 基站、數(shù)據(jù)中心和充換電站等新型高可靠性負(fù)荷。
為適應(yīng)分布式光伏和儲(chǔ)能以及5G基站、數(shù)據(jù)中心和充換電站的接入,微電網(wǎng)電氣部分可以采用交流組網(wǎng)和交直流混合組網(wǎng)2種方式。
交流組網(wǎng)方式憑借其在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)成為目前大部分已建成的微電網(wǎng)電氣部分和綜合能源系統(tǒng)廣泛采用的組網(wǎng)方式,但由于光伏、儲(chǔ)能等直流電源及直流充電樁等直流負(fù)荷自身的輸出和輸入特性,往往需要給每臺(tái)設(shè)備都配置小容量AC/DC 轉(zhuǎn)換模塊,該方式使得微電網(wǎng)內(nèi)逆變器數(shù)量眾多,設(shè)備內(nèi)部控制復(fù)雜,微網(wǎng)間能量流動(dòng)損耗大。
交直流混合組網(wǎng)方式是近年來(lái)逐漸興起的新型組網(wǎng)方式,其采用集中統(tǒng)一的大容量AC/DC 變換器構(gòu)建統(tǒng)一直流母線,微電網(wǎng)中的光伏、儲(chǔ)能和充電樁等都可以直接通過(guò)該直流母線并網(wǎng),節(jié)省了大量的小容量AC/DC 轉(zhuǎn)換模塊,減小了微網(wǎng)間能量流動(dòng)的損耗,提高了微電網(wǎng)的運(yùn)行效率。受限于目前交直流混合組網(wǎng)方式產(chǎn)品較少、普遍采用定制化的方式,雖成本較高,但隨著未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及直流配電網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟,交直流混合組網(wǎng)方式的微電網(wǎng)將成為未來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展方向。本文將交直流混合組網(wǎng)方式的微電網(wǎng)作為研究對(duì)象,建立了交直流混合組網(wǎng)方式的微電網(wǎng)電氣部分仿真測(cè)試模型。
微電網(wǎng)電氣部分包含10 kV 交流系統(tǒng)、380 V交流系統(tǒng)及±375 V 直流系統(tǒng),關(guān)鍵設(shè)備包括微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器、AC/DC 變換器[7—8]、DC/DC 變換器、儲(chǔ)能電池[9]、光伏[10]、充電樁、數(shù)據(jù)中心和5G 基站。為充分模擬交直流混合組網(wǎng)方式下的微電網(wǎng),本文基于RTDS 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)建立了拓?fù)涞娜匚㈦娋W(wǎng)電氣模型,如圖1 所示。
圖1 全要素微電網(wǎng)電氣部分拓?fù)銯ig.1 Electrical topology of all?element micro grid
1.2.1 變換器
AC/DC變換器采用兩電平電壓源換流器,控制方式采用內(nèi)外環(huán)雙環(huán)控制,運(yùn)行模式包括定電壓控制模式、定有功功率控制模式和交流孤島控制模式3種。
DC/DC變換器采用非隔離型BUCK?BOOST原理,運(yùn)行模式包括定電壓控制模式和定功率控制模式。
1.2.2 儲(chǔ)能電池、光伏及負(fù)荷
儲(chǔ)能電池采用RTDS中的鋰離子電池模型,光伏采用受控電流源模型等效,數(shù)據(jù)中心、5G基站等交流負(fù)荷采用恒功率負(fù)載等效,充電樁用電阻等效。
協(xié)調(diào)控制器使用自主研發(fā)的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置,如圖2所示。其具有一鍵式啟停、一次調(diào)頻及備用電源等功能。
圖2 協(xié)調(diào)控制器Fig.2 Coordination controller
圖1 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,包含AC/DC 變換器和多個(gè)DC/DC 變換器,傳統(tǒng)方式下,需要先選定換流器的控制模式,然后再執(zhí)行啟停機(jī)操作,且在啟停機(jī)過(guò)程中需要注意先啟定電壓換流器和先停定功率換流器,否則系統(tǒng)無(wú)法維持穩(wěn)定。但本文的協(xié)調(diào)控制器在執(zhí)行換流器啟停機(jī)操作時(shí),無(wú)需選擇換流器控制模式,直接執(zhí)行啟停機(jī),協(xié)調(diào)控制器會(huì)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)設(shè)定換流器的控制模式,并可以實(shí)現(xiàn)換流器的模式在線自動(dòng)切換。一鍵啟停的流程如圖3 所示,圖中所有流程均為裝置自動(dòng)流程,無(wú)需手動(dòng)選擇。
圖3 一鍵式啟停流程Fig.3 One?key startup and shutdown process
分布式綜合能源站協(xié)調(diào)控制器各自根據(jù)自己并網(wǎng)點(diǎn)的頻率,按照?qǐng)D4 所示綜合能源站一次調(diào)頻曲線,調(diào)整儲(chǔ)能的充放電功率,進(jìn)而改變綜合能源站并網(wǎng)點(diǎn)的接口功率,實(shí)現(xiàn)分布式綜合能源站一次調(diào)頻功能,功率調(diào)節(jié)量ΔP與頻率f之間的關(guān)系如式(1)所示。當(dāng)分布式綜合能源站的數(shù)量和規(guī)模足夠大時(shí),能夠?qū)Υ箅娋W(wǎng)頻率起到支撐作用。
圖4 功率調(diào)節(jié)量與頻率關(guān)系Fig.4 Relationship of power adjustment and frequency
式中:fL=50-fd,fH=50+fd。fd為一次調(diào)頻死區(qū);fN為系統(tǒng)額定頻率;Pe為一次調(diào)頻控制對(duì)象額定容量;δ%為新能源一次調(diào)頻調(diào)差系數(shù);P0為一次調(diào)頻控制對(duì)象有功功率初始值;fxfl為頻率調(diào)節(jié)下限;fxfh為頻率調(diào)節(jié)上限。
如圖1所示,正常運(yùn)行時(shí),AC/DC處于定電壓狀態(tài),儲(chǔ)能DC/DC 處于定功率狀態(tài),當(dāng)失去交流380V電源時(shí),AC/DC 失去電源,無(wú)法繼續(xù)維持直流電壓,此時(shí)協(xié)調(diào)控制器會(huì)進(jìn)入備用電源模式,將儲(chǔ)能DC/DC自動(dòng)切換為定電壓模式,AC/DC切換為孤島控制模式,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心等重要負(fù)荷的不間斷供電。
協(xié)調(diào)控制器的一鍵式啟停、一次調(diào)頻及備用電源3 大功能相互獨(dú)立,互不影響。一鍵式啟停功能方便了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)維;一次調(diào)頻提高了綜合能源站對(duì)電網(wǎng)的頻率支撐;備用電源功能實(shí)現(xiàn)了綜合能源站對(duì)重要負(fù)荷的高可靠性供電。
本文利用RTDS模擬交直流混合組網(wǎng)方式下的微電網(wǎng)與協(xié)調(diào)控制器搭建閉環(huán)仿真系統(tǒng),具體通信組網(wǎng)方案如圖5 所示。模型中,交流10 kV 與交流380 V 電壓電流從RTDS 的GTAO 板卡輸出,經(jīng)功率放大器輸入到協(xié)調(diào)控制器;直流±375 V電壓從RTDS的GTAO 板卡輸出,經(jīng)小電流接口轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變?yōu)?~20 mA小電流信號(hào)輸入到協(xié)調(diào)控制器;所有開關(guān)狀態(tài)通過(guò)RTDS的GTDO板卡輸出到協(xié)調(diào)控制器;開關(guān)控制信號(hào)由協(xié)調(diào)控制器輸出,經(jīng)GTFPI 板卡輸入到RTDS;儲(chǔ)能換流器通過(guò)接口裝置采用GOOSE協(xié)議與協(xié)調(diào)控制器通信;光伏及充電樁通過(guò)RTDS的GTNET板卡采用Modbus協(xié)議與協(xié)調(diào)控制器通信。
圖5 通信組網(wǎng)方案Fig.5 Communication networking scheme
為測(cè)試綜合能源協(xié)調(diào)控制器的控制性能,基于前文搭建的協(xié)調(diào)控制器與RTDS 實(shí)時(shí)仿真交互系統(tǒng),對(duì)協(xié)調(diào)控制器的一鍵式啟停、一次調(diào)頻及備用電源功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置及仿真測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of simulation system
通過(guò)協(xié)調(diào)控制器分別給AC/DC 和儲(chǔ)能DC/DC發(fā)送啟停機(jī)指令,模擬AC/DC 單獨(dú)啟停機(jī)和儲(chǔ)能DC/DC 單獨(dú)啟停機(jī),以及雙方在對(duì)方已經(jīng)啟機(jī)成功并建立直流電壓后啟停機(jī),確認(rèn)AC/DC和DC/DC能夠按照協(xié)調(diào)控制器的控制邏輯,根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)切換AC/DC 和DC/DC 的控制模式。不同工況下的啟停機(jī)過(guò)程如表2所示。
表2 不同工況下的啟停機(jī)過(guò)程Table 2 Start and stop process under different working conditions
由表2可知,AC/DC和儲(chǔ)能DC/DC均啟機(jī)后,前者處于定電壓狀態(tài),后者處于定功率狀態(tài),以該模式為例,圖6展示了該運(yùn)行模式下,直流電壓電流及交流電壓電流的波形。
圖6 微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電流電壓Fig.6 Current and voltage during normal operation of micro grid
為驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制器的一次調(diào)頻功能,通過(guò)改變交流380 V母線上的交流負(fù)荷模擬功率突變,電源會(huì)瞬間補(bǔ)充由負(fù)荷功率突變所引發(fā)的功率缺額,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的降低,此時(shí)協(xié)調(diào)控制器檢測(cè)到頻率變化,根據(jù)一次調(diào)頻曲線,計(jì)算出新的功率指令值,改變儲(chǔ)能DC/DC的功率,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的一次調(diào)頻,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 一次調(diào)頻仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of primary frequency modulation
從圖7可以看出,系統(tǒng)頻率在越死區(qū)(49.95 Hz)后85 ms左右,儲(chǔ)能DC/DC的功率指令開始變化,響應(yīng)時(shí)間符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,通過(guò)與協(xié)調(diào)控制器一次調(diào)頻功能退出的工況進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),協(xié)調(diào)控制器在系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突變時(shí),能夠降低頻率波動(dòng)幅度,有利于維持系統(tǒng)穩(wěn)定,提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。
當(dāng)交流10 kV母線發(fā)生故障且交流380 V母線的母聯(lián)開關(guān)備投功能失效時(shí),協(xié)調(diào)控制器通過(guò)判斷交流380 V母線的帶電狀態(tài)和母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài),自動(dòng)將儲(chǔ)能DC/DC轉(zhuǎn)換為定電壓控制模式,將AC/DC轉(zhuǎn)換為孤島控制模式,維持交流380 V母線電壓,保證交流380 V 母線上的數(shù)據(jù)中心、5G 基站等高可靠性負(fù)荷的不間斷供電。仿真開始時(shí),AC/DC 運(yùn)行于定電壓模式,儲(chǔ)能DC/DC運(yùn)行于定功率模式,交流380 V母聯(lián)開關(guān)備投功能退出狀態(tài),數(shù)據(jù)中心、5G基站等負(fù)荷由交流系統(tǒng)供電,然后斷開10 kV進(jìn)線開關(guān),儲(chǔ)能DC/DC 與AC/DC 在協(xié)調(diào)控制器的作用下,分別自動(dòng)切換為定電壓控制模式和交流孤島控制模式,該狀態(tài)下,數(shù)據(jù)中心、5G基站等負(fù)荷由直流系統(tǒng)供電,直流側(cè)電壓電流和交流側(cè)電壓電流波形如圖8所示。
圖8 備用電源方式下系統(tǒng)電流電壓Fig.8 System surrent and voltage in backup power mode
協(xié)調(diào)控制器作為微電網(wǎng)的“大腦”,承擔(dān)著一鍵式啟停、一次調(diào)頻、備用電源等功能。為充分驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制器的性能,本文基于RTDS 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),搭建了包含AC/DC、DC/DC、儲(chǔ)能、光伏、充電樁、數(shù)據(jù)中心等元素的微電網(wǎng)電氣仿真系統(tǒng),并通過(guò)GOOSE、Modbus 等協(xié)議實(shí)現(xiàn)RTDS 與協(xié)調(diào)控制器的通信,構(gòu)成閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。通過(guò)仿真,驗(yàn)證了協(xié)調(diào)控制器的一鍵式啟停、一次調(diào)頻、備用電源等功能,為協(xié)調(diào)控制器在工程現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),本文搭建的微電網(wǎng)電氣仿真系統(tǒng)以及綜合能源電氣仿真系統(tǒng)與協(xié)調(diào)控制器之間的通信組網(wǎng)方案對(duì)于未來(lái)微電網(wǎng)仿真測(cè)試具有借鑒意義。
另外,本文關(guān)于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的研究也存在諸多不足。例如:本文的建模只包含電氣部分,未充分考慮冷熱氣等元素,協(xié)調(diào)控制器對(duì)于冷熱等元素的控制功能在仿真模型中不能夠得到閉環(huán)驗(yàn)證;對(duì)于多并網(wǎng)點(diǎn)的綜合能源系統(tǒng),本文的協(xié)調(diào)控制器一次調(diào)頻功能難以適用;當(dāng)微電網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí),協(xié)調(diào)控制器的控制邏輯需要相應(yīng)的變化,普適性不足等。未來(lái),將針對(duì)以上問(wèn)題,進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)調(diào)控制器的功能邏輯,增強(qiáng)其對(duì)于多并網(wǎng)點(diǎn)微電網(wǎng)和多種不同拓?fù)湮㈦娋W(wǎng)的適應(yīng)性,在實(shí)驗(yàn)室引入冷熱氣等元素的實(shí)時(shí)仿真裝置和設(shè)備,完善微電網(wǎng)模型。