孤立微網(wǎng)頻率控制策略研究

孤立微網(wǎng)頻率控制策略研究

0運(yùn)行時(shí)的頻率調(diào)節(jié)問題隨著燃料日益減少和污染物排放的增加，所有國(guó)家都加強(qiáng)了研究可再生清潔能源的步驟，尤其是對(duì)包括風(fēng)能、太陽能、勢(shì)能和負(fù)荷在內(nèi)的微網(wǎng)進(jìn)行的研究。微網(wǎng)連接在主電網(wǎng)的中低壓網(wǎng)絡(luò),可以運(yùn)行于并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式下。當(dāng)主電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),微網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)荷主要由微網(wǎng)內(nèi)微源提供,不足或多余的功率由主電網(wǎng)提供或吸收。當(dāng)主電網(wǎng)出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí),微網(wǎng)從電網(wǎng)上斷開,形成一個(gè)孤立的微網(wǎng)。為了使孤立微網(wǎng)仍然能夠保證發(fā)電與用電平衡,就需要研究微網(wǎng)孤立運(yùn)行情況下的頻率調(diào)節(jié)控制。文獻(xiàn)研究了孤立微網(wǎng)的頻率控制方法,但大都集中在對(duì)電力電子逆變器控制的層面上。文獻(xiàn)提出了一種包含多個(gè)電力電子接口的微源的微網(wǎng)的功率管理策略,可調(diào)度的微源響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化,達(dá)到調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率的目的,各微源之間的調(diào)節(jié)相互獨(dú)立。本文提出了一種系統(tǒng)層面的完整的孤立微網(wǎng)的調(diào)頻策略,考慮各種微源對(duì)頻率調(diào)節(jié)的不同特性和能力,通過設(shè)置參數(shù)決定各微源是否參與調(diào)頻以及參與分量,使得孤立微網(wǎng)的頻率能夠經(jīng)濟(jì)快速的調(diào)節(jié)。1兩種風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)圖1所示為連接到35kV配電網(wǎng)上的一個(gè)簡(jiǎn)單微網(wǎng)系統(tǒng)的單線圖,微網(wǎng)系統(tǒng)中包括多種發(fā)電單元,其中水電廠經(jīng)饋線1接入,雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)饋線2接入,光伏電站經(jīng)饋線3接入,儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)饋線4接入,集中負(fù)荷經(jīng)饋線5接入。微網(wǎng)系統(tǒng)可隨著斷路器2的動(dòng)作情況分別運(yùn)行于并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種狀態(tài)。主電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),斷路器2是閉合狀態(tài),雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于某一恒定槳距角下的最大功率狀態(tài)點(diǎn)上,光伏發(fā)電系統(tǒng)以最大功率輸出,儲(chǔ)能系統(tǒng)不輸出功率,水電廠運(yùn)行于穩(wěn)定的狀態(tài)。主電網(wǎng)發(fā)生故障或檢修時(shí),斷路器2斷開,微網(wǎng)脫離電網(wǎng)而孤立運(yùn)行。2獨(dú)立微網(wǎng)的頻率控制策略2.1各微源的頻率控制2.1.1dfig的新功率和新特性常規(guī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與電網(wǎng)相連,在系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí),轉(zhuǎn)子的動(dòng)能可以得到釋放或吸收,如式(1)所示。其中:ΔE為動(dòng)能變化量;J為慣性時(shí)間常數(shù);Δω為轉(zhuǎn)速變化值;ω0為初始轉(zhuǎn)速。在標(biāo)幺值下ω=f,在式(1)兩側(cè)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),并令ω=f,得可見,系統(tǒng)頻率變化將會(huì)引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化進(jìn)而改變輸出功率。雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)是經(jīng)雙PWM變換器接入微網(wǎng),轉(zhuǎn)速不會(huì)自動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化,為了達(dá)到控制頻率的目的,需要在雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增加輔助的頻率控制,也就是一次調(diào)頻控制。從式(2)可知,功率變化值與頻率偏差以及頻率偏差的微分有關(guān),因此,風(fēng)機(jī)響應(yīng)微網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化的有功功率變化值可以設(shè)置為由式(3)產(chǎn)生的響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的輔助有功功率參考值變化量與最大功率曲線得到的參考值之和是DFIG新的功率參考值,如圖2所示。雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常情況下是運(yùn)行于最大功率跟蹤控制下,為了有效地進(jìn)行頻率控制,當(dāng)負(fù)荷分量變化周期長(zhǎng)、幅度大時(shí),就需要風(fēng)機(jī)的輸出功率留有一定的冗余,參與二次調(diào)頻。風(fēng)力機(jī)輸出的最大功率在標(biāo)幺值下可以表示為其中:Cp_pu為最大風(fēng)能利用系數(shù);Vpu為風(fēng)速;β為槳距角;lopt=ωRV為最優(yōu)葉尖速比;kp為Cp_pu=1,Vpu=1時(shí)的有功功率;Cp為槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù),如式(5)所示。從式(4)可知,在一定風(fēng)速下,風(fēng)機(jī)輸出功率的大小由風(fēng)能利用系數(shù)決定。而風(fēng)能利用系數(shù)Cp與槳距角β以及葉尖速比λ有很大的關(guān)系,可通過圖3的曲線表示。由圖3可以看出,槳距角變化時(shí),最優(yōu)葉尖速比以及最大風(fēng)能利用系數(shù)均發(fā)生變化,隨之風(fēng)機(jī)輸出功率發(fā)生改變。因此,可以通過設(shè)置槳距角初值使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有一定的調(diào)節(jié)容量,并且通過調(diào)節(jié)槳距角改變風(fēng)機(jī)輸出功率。從式(4)和式(5)可以看出槳距角、最優(yōu)葉尖速比以及風(fēng)機(jī)輸出功率之間的關(guān)系非常復(fù)雜,對(duì)于一定的調(diào)節(jié)功率,很難得出應(yīng)有的槳距角調(diào)節(jié)量。本文通過曲線擬合的方式得出最優(yōu)葉尖速比與槳距角的關(guān)系,使得式(5)中風(fēng)能利用系數(shù)為單變量槳距角的函數(shù),然后再擬合出槳距角與風(fēng)能利用系數(shù)的多項(xiàng)式,分別如式(6)、式(7)所示,擬合度分別為99.7%,99.9%,最終得到輸出功率與槳距角的關(guān)系。擬合出的槳距角與最優(yōu)葉尖速比以及風(fēng)能利用系數(shù)的曲線分別如圖4、圖5所示。將式(4)代入式(7)中得到槳距角與風(fēng)機(jī)輸出功率之間的關(guān)系,如式(8)所示。根據(jù)式(4)~式(8)可以設(shè)計(jì)出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的二次調(diào)頻控制器,如圖6所示。ΔP為功率的需要調(diào)節(jié)值,Ppu為風(fēng)機(jī)初始輸出功率,V為風(fēng)速標(biāo)幺值,Pnom為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率,Cpnom為風(fēng)能利用系數(shù)額定值。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化,可以由微網(wǎng)的功率管理系統(tǒng)分配給風(fēng)電場(chǎng)一定的調(diào)節(jié)功率ΔP,與原輸出功率相加得到風(fēng)電場(chǎng)需要輸出的功率,通過式(8)轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)的槳距角命令,實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)槳距角改變風(fēng)電場(chǎng)有功出力的控制。2.1.2id、icp分量單獨(dú)控制蓄電池是可調(diào)度的微源,采用PQ解耦控制的蓄電池系統(tǒng)的有功功率、無功功率由交流側(cè)電流的id、iq分量單獨(dú)控制,其中id*==P*us,iq*=Q*us,us為交流側(cè)電壓幅值。蓄電池的調(diào)頻控制器如圖7所示,P*為微網(wǎng)管理系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)節(jié)功率值,Q*為無功功率參考值,在本文中設(shè)置為0。2.2頻率控制模塊微網(wǎng)的頻率反應(yīng)了微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電與用電的平衡度,微網(wǎng)在孤立運(yùn)行時(shí)的頻率控制是通過調(diào)節(jié)各微源的有功出力完成。頻率控制包括三個(gè)模塊,一是調(diào)節(jié)功率產(chǎn)生模塊,二是功率分配模塊,三是各微源的調(diào)頻控制器模塊。調(diào)節(jié)功率產(chǎn)生模塊與功率分配模塊統(tǒng)稱為微網(wǎng)功率管理模塊。調(diào)節(jié)功率產(chǎn)生模塊接收微網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為微網(wǎng)的調(diào)節(jié)功率,然后通過功率分配模塊將調(diào)節(jié)功率按照參與分量分配給各微源的調(diào)頻控制器,如圖8所示。2.2.1pi調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)功率產(chǎn)生模塊根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),計(jì)算當(dāng)前所需調(diào)節(jié)的功率值,采用PI控制的調(diào)節(jié)功率如式(9)所示。式中:ΔPP、ΔPI分別為比例分量和積分分量;kP、kI分別為比例增益和積分增益系數(shù);ACE為區(qū)域控制偏差;B為頻率響應(yīng)系數(shù),單位為MW/0.1Hz。2.2.2調(diào)節(jié)功率分配微網(wǎng)系統(tǒng)中各種微源調(diào)頻特性以及能力各不相同,水電屬于常規(guī)電源,安裝有調(diào)速器和調(diào)頻器的水輪發(fā)電機(jī)具有相對(duì)較慢的靜態(tài)頻率特性。而從2.1節(jié)分析可知,雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速完成,調(diào)節(jié)速度很快,二次調(diào)頻功能通過調(diào)節(jié)槳距角實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢;蓄電池系統(tǒng)輸出功率可調(diào)度,并且響應(yīng)速度非?？?考慮到蓄電池的實(shí)際容量以及壽命,蓄電池有功功率出力最終需要?dú)w零。在t=t1時(shí)刻,孤立微網(wǎng)系統(tǒng)頻率低于額定值,各微源的頻率響應(yīng)特性示意曲線如圖9所示?？紤]到各個(gè)微源的調(diào)頻特性以及經(jīng)濟(jì)性均不同,在進(jìn)行微網(wǎng)頻率控制時(shí)將有調(diào)頻能力的微源分為傳統(tǒng)微源和可再生微源兩類,當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)頻時(shí)由可再生能源首先調(diào)頻,達(dá)到調(diào)節(jié)極限時(shí)傳統(tǒng)微源參加調(diào)頻。每一類的調(diào)節(jié)分量按式(9)計(jì)算,并根據(jù)各微源的調(diào)頻速度和調(diào)頻容量分配調(diào)節(jié)功率。各微源的調(diào)節(jié)功率計(jì)算方法為式中,ai、bi為分配系數(shù),ai與調(diào)節(jié)容量有關(guān),bi與調(diào)節(jié)速度有關(guān)。微網(wǎng)功率管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率產(chǎn)生及分配原理可如圖10所示。3調(diào)節(jié)功率分配使用Matlab/Simulink仿真軟件建立如圖1所示的微網(wǎng)系統(tǒng),微網(wǎng)運(yùn)行于離網(wǎng)模式下。水電廠額定容量為100MW,風(fēng)電場(chǎng)額定容量為25MW,光伏電站額定容量為1.6MW,蓄電池容量為3MWh。根據(jù)2.2.2分類原則,本論文建立的微網(wǎng)中第一類調(diào)頻微源是蓄電池和風(fēng)力發(fā)電,第二類是水電廠。風(fēng)電場(chǎng)和蓄電池系統(tǒng)安裝有2.1提出的調(diào)頻控制器,水電廠安裝調(diào)速器和調(diào)頻器,設(shè)置在t=10s增加3MW負(fù)荷,在t=40s再增加8MW負(fù)荷。風(fēng)電場(chǎng)是通過調(diào)節(jié)槳距角實(shí)現(xiàn)有功功率出力的改變,因此圖10中判定依據(jù)可以是風(fēng)電場(chǎng)槳距角是否調(diào)節(jié)到0°或最大限制45°,從而決定水電廠是否參與二次調(diào)頻。微網(wǎng)功率管理模塊參數(shù)分別為B=5MW/0.1Hz,k1I=2,k1P=0.15,a11=0.8,a12=0.2,b11=0,b12=1,k2I=1,k2P=4.1,a21=1,b21=1。ΔP11、ΔP12、ΔP21分別是蓄電池、風(fēng)電、水電的調(diào)節(jié)功率,仿真結(jié)果如圖11~圖14所示。圖11所示為系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突增時(shí)由功率分配模塊產(chǎn)生的各微源調(diào)節(jié)功率值。圖12所示為調(diào)頻控制下風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)子速度和槳距角的曲線,從曲線可以看出,在負(fù)荷增加3MW時(shí),因?yàn)轭l率波動(dòng)不大,轉(zhuǎn)速基本沒有變化,直到槳距角調(diào)節(jié)響應(yīng)后轉(zhuǎn)速上升并穩(wěn)定于1.2pu,增加了風(fēng)電場(chǎng)的有功出力;在負(fù)荷又增加8MW后,頻率擾動(dòng)較大,風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的一次調(diào)頻輔助量較大,轉(zhuǎn)速迅速下降而釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能,風(fēng)電場(chǎng)接收到功率管理模塊產(chǎn)生的調(diào)節(jié)功率,槳距角由1.2°開始減少并很快達(dá)到調(diào)節(jié)極限值0°,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從最低點(diǎn)1.17上升并最終穩(wěn)定運(yùn)行于1.21pu。圖13所示為頻率擾動(dòng)下各微源的有功功率出力,在調(diào)頻控制器的作用下各微源有功出力發(fā)生相應(yīng)的變化,在t=10s負(fù)荷有功功率增加3MW,因風(fēng)電未達(dá)到調(diào)頻極限,水電廠不參與二次調(diào)頻,只有風(fēng)電場(chǎng)和蓄電池參與調(diào)頻,并且最終蓄電池有功出力調(diào)節(jié)到0;當(dāng)t=40s時(shí)負(fù)荷再增加8MW,風(fēng)機(jī)槳距角調(diào)節(jié)到0°,風(fēng)電場(chǎng)達(dá)到調(diào)頻極限,水電廠參與二次調(diào)頻,從圖13中可以看出風(fēng)電場(chǎng)在一次調(diào)頻控制下有功出力先增加后減少,二次調(diào)頻動(dòng)作后,有功出力迅速增加并很快達(dá)到調(diào)節(jié)極限,最終以最大功率輸出,水電廠在二次調(diào)頻作用下有功出力增加,蓄電池輸出功率響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化并最終調(diào)節(jié)到0。圖14給出了微網(wǎng)在負(fù)荷變化的情況下有無風(fēng)電參與調(diào)頻的兩種模式下的頻率響應(yīng)。兩種模式下的頻率變化對(duì)比曲線可以看出在風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)頻的模式下微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)頻率偏差在電網(wǎng)正常運(yùn)行的頻率偏差限值±0.5Hz內(nèi),而在模式2的情況下,沖擊負(fù)荷為8MW時(shí)頻率偏差高達(dá)2Hz,已經(jīng)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行,并且模式2調(diào)頻速度明顯慢于模式1的情形?？梢婏L(fēng)電參與調(diào)頻提高了微網(wǎng)的抗頻率干擾能力,并加快了響應(yīng)速度。仿真結(jié)果表明了孤立運(yùn)行的微網(wǎng)在系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)頻率控制系統(tǒng)能夠合理、經(jīng)