光储柴独立微电网中的虚拟同步发电机控制策略
2018-01-03 09:56:29
摘要：微网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、交流变换器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统。作为一种新型高效的能源利用形式，微网既能并网运行，也能孤岛运行。
合肥工业大学电气与自动化工程学院、阳光电源股份有限公司的研究人员石荣亮、张兴、徐海珍、胡超、余勇撰文，针对由可再生能源发电系统、常规柴油发电机组(DGS)和蓄电池储能系统组成的独立微网，提出一种适合微网在孤岛模式下稳定运行的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。
首先，建立DGS在同步旋转坐标系下的数学模型，并分析其输出电压和转速的阶跃响应特性;其次，在充分考虑DGS和VSG不同控制特性的基础上，提出一种适应独立微网分层协调控制的改进型VSG策略;然后，在基本VSG控制器中增加虚拟阻抗环节，灵活实现对微网谐波的抑制;最后，建立一套包含2台100kV˙AVSG及1台440kWDGS并联的独立微网实验平台，实验结果验证了所述控制策略的正确性与有效性。
微网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、交流变换器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1,2]。作为一种新型高效的能源利用形式，微网既能并网运行，也能孤岛运行。含多分布式电源(DistributedGeneration，DG)的独立微网能够有效提高系统的供电可靠性和电能质量并降低成本，是解决和改善高原、海岛等偏远地区分散电力需求的一种有效途径[3,4]。
然而，由于独立微网失去了大电网的支撑，且大多数微源经电力电子接口接入微网，造成微网的惯性很弱，导致扰动发生后系统频率与电压快速变化，加上风电、光伏的随机性出力和负荷的不可预测性及多变性，使得微网独立运行时的频率与电压控制具有一定的挑战性[5]。
柴油发电机组(DieselGeneratorSet，DGS)因具有独立供电、机动性强等优点而在独立微网中获得了广泛应用。但是，由于DGS较小的惯性及其较慢的动态性能，在带动具有较高动态变化率的负载时其输出频率和电压会产生较大波动，造成其暂态供电质量较差[6]。
另外，拖动无功负载时会造成DGS的有效带载能力显著下降，而带非线性负载时也会降低其供电质量及效率。基于DGS的上述特性，造成微网系统难以满足较高的供电质量要求。储能可以克服微网惯性小、抗扰动能力弱的问题，消减DG单元的间歇性对系统稳定性的影响，并使微网具有一定的可预测性和可调度性[4]。
在此背景下，围绕含DGS、储能等多DG的独立微网控制研究在全球范围内日益广泛和深入。
借鉴大电网的电能质量优化方案，通过外加有源电力滤波器[7]、静止无功发生器[8]及动态电压恢复器[9]等功率补偿装置来改善供电系统的性能，但会增加系统成本。为此，文献[10]采用储能单元补偿DGS的无功和动态有功功率的联合供电方案，以提高柴储混合系统的效率和电能质量，但无法为系统提供电压支撑。
文献[11]提出了独立微网中DGS和储能系统之间的协调控制方法，使得储能单元具备电压支撑能力，而DGS与储能双主源之间的切换存在失败的风险。文献[12,13]利用基于下垂控制的储能系统实现对独立微网电压与频率的调节，保证了系统的不间断供电，然而下垂控制并不具备虚拟惯量，当系统出现有功功率供需不平衡时，微网频率也会快速波动。
针对该问题，在下垂控制的基础上，文献[14-16]提出通过改变储能单元的控制方法，向系统注入虚拟的转动惯量，使其模拟出类似同步发电机(SynonousGenerator，SG)所具有的旋转惯量和阻尼特性，即虚拟同步发电机(VirtualSG，VSG)的控制策略，以提高系统频率稳定性。
文献[17-19]提出自适应虚拟惯量的VSG技术，根据VSG的加速度和滑差选取不同的虚拟惯量，均在不同程度上仿真验证了其相比于传统下垂控制算法在提高微网系统频率稳定性方面的优势。文献[20]也验证了所提VSG控制策略相比于传统电流和下垂控制策略在提高光储柴独立微网频率稳定性方面的优越性。
然而，上述几种方案均没有综合考虑DG的不同动态性能、系统电压和频率调节的层次性、系统负荷的非线性等因素对独立微网的稳定运行及供电质量带来的影响。
本文以含有DGS和蓄电池储能系统的独立微网为例，提出一种适合微网在孤岛模式下稳定运行的VSG控制策略。
首先，建立DGS在同步旋转坐标系下的数学模型，并分析阶跃负载对其输出电压和频率的影响。其次，在充分考虑DGS和VSG不同动态时间响应尺度的基础上，提出一种适应独立微网分层协调控制的改进型VSG策略。然后，利用引入虚拟阻抗环节的VSG控制方案，解决非线性负载恶化微网系统供电质量的问题。最后，建立一套包含2台100kV˙A-VSG及1台440kW-DGS并联的独立微网实验平台，验证本文提出控制策略的正确性与有效性。
图1微网的分层控制结构
图11光储柴微网实验平台
结论
针对光储柴独立微网中DGS动态响应慢，且系统的频率与电压易受负载干扰的问题，本文提出了一种适合独立微网稳定运行的VSG控制策略，该策略利用VSG快速的动态响应特性，实现对系统电压频率与幅值波动的抑制，并利用虚拟阻抗控制回路对系统谐波进行灵活抑制。
通过对所提策略在光储柴微网平台上的验证，得出以下结论：
1)适应独立微网分层协调控制的改进型VSG策略，兼顾了VSG快速的动态性能与DGS较慢的动态性能，兼容了VSG的有差调节特性与DGS的无差调节特性，解决了阶跃负载条件下DGS输出电压频率与幅值波动的问题。
2)采用虚拟阻抗控制可以灵活设计VSG的等效输出阻抗，实现对微网谐波进行不控、抑制及拒绝3种模式的选择性抑制。
3)通过DGS独立运行及VSG与DGS并联运行条件下的负载阶跃对比实验，结果验证了改进型VSG控制策略可快速补偿系统功率，抑制系统频率与电压的波动。
4)通过2台100kV˙AVSG并联运行时的非线性负载实验，结果验证了引入虚拟阻抗的VSG可灵活并有效实现不控、抑制及拒绝3种系统谐波抑制模式。《电工技术学报》
