含柴油發電機和蓄電池儲能的獨立微電網頻率分2021-01-18 09:10

1 引言(Introduction)

獨立微電網是指與外部大電網隔離、獨立自主運行的小型電力系統,它主要有兩種不同形式:1)不與外部大電網相連接的孤島式的微電網[1-2];2)因某种原因通过公共连接点(point of common coupling,PCC)的静态开关断开与大电网的连接而转入独立运行模式的微电网[3-5].現有研究和實踐表明,含多種分布式電源的獨立微電網能夠有效提高系統的供電可靠性和電能質量、降低成本,不僅是解決和改善海島等偏遠地區分散電力需求的一種有效途徑,還是提高配電網供電可靠性的一種有效方法[6-8].然而,高滲透率間歇性可再生能源如風力發電和光伏發電的隨機性出力和負荷的不可預測性和多變性,都使得獨立微電網系統頻率控制具有一定的挑戰性[9-10].

近些年來,圍繞獨立微電網的頻率控制研究引起廣泛的關注,並取得了一定的成果[11-18].文獻[13]研究微電網系統內逆變器、同步發電機和異步發電機不同接口型微電源的調頻特性,比較分析了具有無調頻特性、有差調頻和無差調頻的不同微電源對微電網獨立運行時的頻率特性影響.文獻[14]采用了一種改進的自調節下垂系數控制法,研究微電網逆變器並聯控制技術,有效減小在負荷突變等情況下的系統頻率波動.文獻[15]提出一種基于虛擬同步發電機的獨立微電網頻率控制方法,詳細給出了微電網獨立運行時逆變電源控制的一次、二次調頻策略.相對于目前大多數文獻主要集中于逆變器接口微電網的運行控制,文獻[16]針對獨立微電網內柴油發電機和蓄電池儲能系統的不同控制特性,提出了柴油發電機爲主控電源時的蓄電池儲能系統輔助功率控制,以及柴油發電機和儲能系統之間的雙主電源無縫切換控制策略,保證系統運行的穩定性,但它沒有給出具體的一次、二次頻率控制方法.實際上,圍繞含多種混合能源獨立微電網的研究和實踐已指出,微電網頻率波動問題主要是由于高滲透率的間歇性電源如風電和光伏的隨機性功率輸出、大功率電力負荷的投切而引起的有功功率供需不平衡問題而導致的[17-18],而爲了有效解決此種問題,配置一定容量的蓄電池儲能裝置和/或柴油發電機組構成的不間斷供電微電源組合是保證獨立微電網系統頻率穩定的關鍵[16,19].

因此,在充分考慮獨立微電網系統的淨負荷波動特性,可控型微電源-柴油發電機組和電池儲能系統的不同控制特性及其交互協調關系的基礎上,本文提出了一種新型獨立微電網的頻率分層控制結構及其分層協調控制策略,提高了獨立微電網頻率控制的穩定性和靈活性.在1級頻率控制中,利用具有快速響應特性的蓄電池儲能系統通過改進的下垂控制參數,有效應對較小變化幅度和較短變化周期的隨機淨負荷波動,改善獨立微電網系統的瞬態頻率響應特性和頻率質量;而在2級頻率控制中,采用柴油發電機的PID調速控制應對較大變化幅度和較長變化周期的系統淨負荷波動,對超出1級控制範圍的系統頻率偏差進行恢複控制來保證系統頻率穩定.最後,利用PSCAD軟件對東澳島的風柴蓄獨立微電網在不同運行狀況下的運行控制進行仿真分析,結果驗證了所提方法的有效性.

2 独立微电网的频率分层控制结构(Frequency hierarchical control structure of islanded microgrid)

獨立微電網系統內風電、光伏等間隙性分布式電源的隨機性功率輸出以及各種阻感性負荷的頻繁投切都會引起系統有功功率供需不平衡,進而導致系統頻率波動問題[20],因此,根據獨立微電網系統的頻率動態特性,對頻率穩定區域按照一定級別劃分爲一定區域,如圖1所示爲頻率穩定區域劃分的A,B和C三類區域[21-22],其中,A區域代表頻率偏差在電能質量允許範圍(49.5Hz≤f≤50.5Hz)內,B區域代表稍微超出額定頻率允許波動範圍(48Hz≤f<49.5Hz或50.5Hz<f≤51Hz),C區域代表嚴重超出頻率允許波動範圍(47.5Hz≤f<48Hz或51Hz<f≤51.5Hz).

圖1 頻率穩定區域劃分
Fig.1 Division of frequency stability zone

借鑒傳統電力系統的分層控制經驗,以及綜合考慮柴油發電機和蓄電池儲能系統的不同動態調節特性(時間響應特性和功率調節特性等)[23]的基础上,提出了基于不同时间尺度的独立微电网频率分层控制结构,如图2所示.其中:第1层为蓄电池储能系统的频率下垂控制,第2层为柴油发电机组的频率无差控制,第3层为基于微电网中央控制中心(microgrid control center,MGCC)的经济运行.第1层和第2层为单元级控制层,而第3层为系统级控制层.每1级控制层都有各自的不同控制目标和控制功能,从而使整个独立微电网系统在面对不同程度的频率扰动问题时都能够根据各级频率控制策略,提高系统频率稳定性.

圖2 頻率分層控制結構
Fig.2 Frequency hierarchical control structure

由圖2可知,根據不同的時間尺度,本文所提出的獨立微電網頻率分層控制結構主要包括:

1)第1層爲采用下垂控制的蓄電池儲能系統的1級控制,主要針對變化幅度小、周期短的隨機性淨負荷波動分量,即圖1所示的B區域.這充分利用了蓄電池儲能系統的快速瞬時響應性和較好功率補償性等優點,能夠在毫秒級時間尺度內有效補償負荷功率缺額,快速抑制了系統頻率波動,提高系統運行的穩定性.

2)第2層爲采用PID調速控制的柴油發電機的2級控制,主要針對變化幅度大、周期長的沖擊性淨負荷分量,即圖1所示的C區域.相對蓄電池儲能系統的逆變控制特性,柴油發電機的動態響應速度較慢,很難滿足系統負荷和間歇性能源瞬息變化的需要,但是它作爲一種技術成熟的不間斷可控電源,具有容量大、持續時間長等優點,能夠較好實現微電網系統的頻率無差控制,使較大偏離的頻率偏差恢複到額定值.

3)第3層爲基于系統級集中控制的微網中央控制中心(MGCC)的3級控制或經濟運行,主要針對較長時間周期內變化緩慢的周期性負荷分量.由于3級控制主要針對一天內變化緩慢的負荷需求和發電計劃,故本文不做詳細探討.

在以上各級控制中,獨立微電網的第3層控制屬于系統級的經濟調度範疇,本文不予討論.下面分別對頻率分層控制策略中的1級和2級控制進行介紹.

3 独立微电网的频率分层协调控制(Frequency hierarchical coordination control of islanded microgrid)

3.1 基于电池储能的1级频率控制(Primary frequency control of BS)在独立微电网系统中,储能逆变器是用于连接蓄电池储能装置与微电网之间的双向逆变器,既可以把储能装置的电能放电注入到微电网系统中,也可以把微电网中的电能充电到储能装置,实现电能的双向流动.图3为本文采用的蓄电池储能逆变器控制结构.

圖3 蓄電池儲能逆變器控制結構
Fig.3 Battery inverter control structure diagram

蓄電池儲能系統的下垂控制方法通常被用于1級頻率控制中,提高瞬態頻率響應特性[24].蓄電池儲能系統根據其下垂控制特性響應系統頻率偏移,其逆變控制器的下垂控制原理框圖如圖4所示.其中:f0爲微電網系統額定頻率,fm爲微電網系統的實測頻率,Kp爲下垂控制系數,P0爲有功功率初始值,Pm有功功率測量值.

圖4 下垂控制原理框圖
Fig.4 Droop control diagram

蓄電池儲能逆變器可以通過控制d軸電流分量快速響應外環的頻差(Δf)信號,直接調節蓄電池儲能的輸出有功功率參考值(Pref).爲了防止由于蓄電池儲能的頻繁充放電,將圖1中頻率穩定區域A設定爲其下垂控制的調節死區,允許系統頻率在該死區範圍內波動,儲能不參與調節.結合圖1和圖2可得出蓄電池儲能系統的有功-頻率(P/f)下垂控制特性,如圖5所示.因此,蓄電池儲能系統的頻率下垂控制區域只是BL區和BH區.

圖5 蓄電池儲能系統的下垂控制特性
Fig.5 Droop control characteristics of BS

由此,蓄電池儲能系統的改進有功-頻率下垂控制特性函數如式(1)所示,而其下垂控制系數由式(2)求得.

式中:Pref爲蓄電池儲能系統的有功功率輸出參考值,Pmax爲蓄電池儲能系統的最大輸出有功功率,Pmin爲蓄電池儲能系統的最小輸出有功功率.

3.2 基于柴油发电机组的2级频率控制(Secondary frequency control of DE)

爲了實現一定的經濟效益,獨立微電網系統中的柴油發電機通常不再是單台大容量機組,而是選擇多台相對小容量的機組[16],根據負荷實際需求,開啓一台或者多台柴油發電機組跟隨微電網淨負荷波動,維持系統穩定運行.柴油發電機的頻率調整及並聯運行機組的有功功率分配一般是由原動機的調速器和自動調頻調載裝置來實現.目前,柴油發電機調速技術通常采用PID控制方法,它具有結構簡單、魯棒性強、能夠實現無穩態偏差控制等優點[25-26].在控制过程中,采用“基于前馈控制的PID调速控制”即是利用原动机调速器的原设定转速和实际转速间的偏差,作为PID控制的反馈信号,将偏差值进行比例、积分和微分运算后,再通过线性组合构成控制量,对柴油机油门进行控制,达到对柴油发电机组转速和输出频率控制的目的.PID的控制规律如式(3)所示,其中: Kp爲比例系數,Ti爲積分時間常數,Td爲微分時間常數.

由此,若當前運行的單台柴油發電機組采用PID控制器來跟隨獨立微電網系統淨負荷波動時,其有功功率-頻率調節特性函數如式(4)所示,實現具有無差特性的2級頻率調節.

式中:ΔP爲有功功率偏差,Δf爲頻率偏差,Ki爲積分系數,Kd爲微分系數.

多台并联运行柴油发电机组的有功功率分配一般是由机组的自动调频调载装置来实现的,目前主要采用在机组控制柜中的自动同步并机控制器(automatic synchronization controller,ASC),就可以实现自动并联运行,自动同步并机控制器的转速调节原理如图6所示.

圖6 自動同步並機控制器的控制原理
Fig.6 Control principle of ASC

在控制過程中,在參與並聯的每一台發電機上都裝設按“頻率差”和“功率差”進行調整的控制器,進而求得系統“頻率差”和“功率差”的綜合信號Vsri,如式(5)所示.各調整器按接受的Vsri進行調整,直到滿足各調整器輸入的“頻差”與“功差”信號均爲零時,調整才完成.

式中:Ks和Kp分別爲頻差和功差的調節比例系數,i爲柴油發電機組編號,Pi爲柴油發電機i的輸出有功功率,αi爲柴油發電機組分擔系統有功功率的比例系數,n爲柴油發電機組的總台數.

由此,獨立微電網系統內的有功功率供需平衡則滿足式(6),其中Kfi爲柴油發電機的調差系數.

因此,將所有並聯運行各柴油發電機組的調頻方程式整理並相加後可得

由于所以Δf=0.這說明基于多台並聯運行的柴油發電機組在跟隨獨立微電網淨負荷波動變化的調節過程結束後頻率是無差的.

3.3 1,2级频率协调控制策略(Coordination strategy of primary and secondary frequency regulations)

由以上分析可知,一次調頻是通過蓄電池逆變器控制來實現的,能夠快速響應周期短、波動小的擾動分量,但一次調頻是有差調節.而在二次調頻中,“基于前饋控制的PID控制”柴油發電機的頻率調整及並聯運行機組的有功功率分配都有效實現了二次頻率無差調節,其相對較慢的調頻響應速度適合應對較大變化幅度和較長變化周期的系統淨負荷波動,並對超出1級控制範圍的系統頻率偏差進行恢複控制來保證系統頻率穩定.總之,基于蓄電池儲能系統的一次調頻和基于柴油發電機組的二次調頻在時間尺度上通過相互協作,共同維持和保障系統頻率穩定.

由圖7所示的獨立微電網的頻率1級和2級協調控制策略可知,蓄電池儲能系統和柴油發電機組的控制器實時監測微電網系統頻率,並判斷其處于圖1所示的分區狀態.若系統淨負荷變化不大,系統頻率在正常範圍內即A區域,則蓄電池儲能系統和柴油發電機組不參與調節,但蓄電池儲能系統處于待機狀態,而柴油發電機組維持恒定的有功功率輸出滿足系統淨負荷需求.若系統內淨負荷減少而導致頻率擡升並處于圖1中的BH區時,負責1級控制的蓄電池儲能系統則憑借其瞬時響應特性,率先通過充電來吸收多余的功率,抑制和降低頻率波動幅度並處入穩定區域A中.如果淨負荷減少幅度大而導致系統頻率攀升至CH區時,處于2級控制的柴油發電機則降低功率輸出而實現系統功率平衡,而負責1級控制的蓄電池儲能系統停止充電而處于待機狀態.同理,系統內淨負荷增加會引起系統頻率跌落,如果處于圖1中的BL區域時,負責1級控制的蓄電池儲能系統率先通過放電進行功率補償,滿足系統功率平衡;如果系統頻率跌落至CL區時,負責2級控制的柴油發電機則增加功率輸出來滿足系統功率平衡(注:3級控制的MGCC負責蓄電池儲能荷電狀態(SOC)的優化管理,從而保證其在最佳荷電狀態,滿足蓄電池儲能的一次控制,此處不做詳細介紹).

圖7 1,2級頻率協調控制策略
Fig.7 Primary and secondary frequency coordinated control strategy

4 仿真分析(Simulation)

本文以廣東東澳島獨立微電網的一期工程爲例,在PSCAD中搭建如圖8所示的風柴蓄獨立微電網系統仿真模型,驗證本文提出的分層控制策略的有效性.該微電網系統一期工程包含有2台柴油發電機組、2台風力發電機組和1套蓄電池儲能系統共5個微電源以及5個負荷,各分布式單元都接入系統10kV母線,再通過降壓變壓器供給各個負荷.電源及負荷參數如表1所示.

情形1当系统有负荷功率发生变化时,分别用蓄电池储能系统和柴油发电机组完成系统的一次控制.①在10 s时,系统净负荷突然增加200 kW(负荷增加100 kW,风电减少100 kW),蓄电池储能系统和柴油发电机组的有功输出和系统的频率响应如图9所示;②在10 s时,系统净负荷突然减少200 kW(负荷减少100 kW,风电增加100 kW),蓄电池储能系统和柴油发电机组的有功输出和系统的频率响应如图10所示.

圖9(b)和圖10(b)分別顯示了蓄電池儲能系統和柴油發電機均采用下垂控制完成系統的一次控制時,系統的頻率響應曲線.仿真結果說明,蓄電池儲能系統的頻率響應速度比柴油發電機組快,且BS調節比DE調節的頻率波動小.

圖8 獨立微電網系統結構
Fig.8 Structure of islanded microgrid

表1 分布式電源及負荷參數
Table 1 Parameters of DGs and load

圖9 淨負荷增加時的頻率響應
Fig.9 Frequency response for increasing net load

圖10 淨負荷減少時的頻率響應
Fig.10 Frequency response for reducing net load

情形2初始階段,系統運行兩台柴油發電機組(DE01,DE02),系統供需功率平衡、穩定運行,在第45s時,WT01接入系統,啓動二次控制,各電源輸出的有功功率和系統頻率變化如圖11所示.

由圖11可知,風力發電機組啓動需要吸收大量有功功率,系統頻率下降,此時超過蓄電池儲能系統的調節範圍,啓動二次控制後,柴油發電機組跟隨系統內淨負荷的變化,DE01和DE02均分系統有功功率,系統頻率在WT01啓動完成後恢複至額定值.

圖11 二次控制仿真結果
Fig.11 Simulation results of secondary control

情形3 为了验证本文提出的独立微电网频率分层控制方法,此算例中对微电网多种不同运行条件进行仿真,体现出蓄电池储能系统和柴油发电机在系统频率控制中的作用.系统的仿真过程为30~60 s,初始阶段,系统运行DE01和WT01,35 s时,有功负荷增加至1 MW,DE02并入系统;40 s时,WT02启动;系统内负荷变化及各电源输出与系统频率的变化如图12所示.

圖12 情形3仿真結果
Fig.12 Simulation results of Case 3

由图12(a)中有功负荷需求及各电源有功功率输出曲线可知:①35 s时DE02接入系统,待DE02转速稳定后,DE01和DE02均分系统有功功率,DE02并入系统的暂态过程如图12(b)所示;②40 s时,WT02启动,吸收系统大量有功功率,系统频率下降,此时,频率偏差超过蓄电池储能系统的调节范围,柴油发电机组增加有功功率输出,跟随系统净负荷的变化,系统频率经过短暂波动后恢复;③45 s时,系统净负荷增加引起系统频率下降,频率偏差在BS调节范围内,BS输出功率完成系统的频率调节.由图12(c)可见,系统净负荷的变化引起系统频率波动,在本文设计的频率分层控制作用下,频率偏差在电能质量国家标准(GB/T 15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》)规定的允许范围内.

5 結論(Conclusion)

針對含柴油發電機和蓄電池儲能系統的獨立微電網系統,本文提出了一種適應電池儲能和柴油發電機控制特性的微電網頻率分層控制策略,提高了獨立微電網頻率控制的穩定性和靈活性.根據蓄電池儲能系統的快速調節特性以及柴油發電機相對緩慢的有功功率調節特性,建立了基于不同時間尺度的獨立微電網頻率分層控制結構及其頻率穩定分區劃分,在1級控制中,采用基于改進下垂控制的蓄電池儲能系統來處理較小變化幅度和較短變化周期的隨機淨負荷波動,提高獨立微電網系統的瞬態頻率響應特性和頻率質量;而基于PID控制的柴油發電機主要應對較大變化幅度和較長變化周期的系統淨負荷波動,實現2級控制的頻率無差調節,保證系統頻率穩定.仿真結果驗證了所提方法能夠有效提高獨立微電網的頻率穩定性,改善了系統電能質量.