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含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略

北极星储能网  来源:电气技术    2018/6/22 8:39:25  我要投稿  

北极星储能网讯:国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)的研究人员涂春鸣、杨义等,在2018年第10期《电工技术学报》上撰文,针对微电网低惯性特性使得其频率易受负荷波动影响而偏移出额定值的问题,提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的二次调频方法。

首先,在分析电力系统调频原理的基础上,提出了在VSG功频控制中引入二次调频控制器来实现频率的无差控制。其次,针对含多个VSG并联运行且都参与二次调频的情况,通过对二次调频控制环节进行改进,使VSG不需要借助于微电网中央控制器间的协调控制,即可实现无差调频。

同时,该策略的提出使得VSG能够根据自身额定容量自主分配负荷功率,提高了微电网经济运行能力。

最后,仿真结果和实验结论验证了所提理论分析的正确性和实用性,所提方法可有效地改善微电网的频率特性和经济运行特性。

光伏、风电、潮汐能发电等新能源发电系统的大量推广,极大地缓解了能源危机与环境污染。然而光伏、风电等分布式发电系统的间歇性和波动性会对电网运行带来冲击,增加了分布式能源的利用难度。

由分布式发电系统、储能系统以及本地负荷成的微电网能够平抑分布式发电系统波动性和间歇性,实现分布式能源的友好接入,因此得到了国内外学者的大量关注[1,2]。

微电网中分布式电源(Distributed Generator, DG)多通过电力电子变流器接入,电力电子装置的低阻尼与低惯性特性[3,4]使得微电网孤网运行时面临着电压波动与频率波动等问题。现有研究有针对微电网孤网稳定运行提出了两种运行模式。

基于恒压/恒频控制(即V/f控制)的主从控制[5]和基于下垂控制的对等控制[6]两种运行模式。V/f控制具有能稳定微电网电压和频率的优点,但这种控制对系统中作为主控制单元的主电源可靠性要求较高,主电源容量也必须较大,一旦主电源出现故障,整个微电网系统就会崩溃[7]。

下垂控制通过模拟同步发电机的一次调频和励磁调节外特性,来调节微电网的频率和电压,但并未模拟出同步发电机的转子运动特性,当其接入微电网系统时,系统频率抵御负荷扰动能力较差[8]。

基于此,以模拟同步发电机转子惯性与阻尼特性的虚拟同步发电机(Virtual Synonous Generator, VSG)[9-14]技术被提出,用于提高微电网的频率稳定性。文献[9]首先提出了VSG技术,但其提出VSG技术为电流控制型VSG技术,仅将VSG等效为受控电流源。因此该方法在面对微电网孤网运行时难以提供电压和频率支撑。

为弥补电流控制型VSG的缺陷,文献[10-13]提出了电压控制型VSG技术,该方法根据同步发电机的电磁方程、转子方程及无功调压控制特性,较好地模拟了同步发电机的外特性。文献[14]从同步发电机的工作原理入手,同时考虑同步发电机的电磁暂态和机电暂态特性,提出了同步逆变器的概念,均较好地实现了VSG和同步发电机在物理模型和数学方程、内部机理和外特性上的等效。

但是,这些研究多为简单的频率调节,没有充分挖掘VSG的二次调频能力,未考虑微电网频率的无差控制。在面对微电网大负荷投切等复杂运行情况时,系统频率将存在偏移越限问题[15]。

基于VSG在微电网一次频率调节偏移与越界等问题的研究基础上,大量文献开展了针对微电网频率二次调节的研究。文献[16]论述了微电网二次调频的必要性。文献[17]提出的改进下垂控制在有功-频率下垂控制环中加入积分环节,实现了频率的无差控制,但负荷变化的功率全部由含有积分环节的DG承担,这样会造成该台DG输出功率过载。

文献[18-20]提出基于相邻DG间的频率信息交换来实现频率的二次调节,但需要依靠中央控制器的通信来实现。文献[21]提出了一种频率二次调节的集中控制方式,但对于多个DG调频的系统,需依赖通信系统来实现负荷功率的合理分配。

本文提出了一种针对VSG频率的二次调节方法。首先介绍VSG的工作原理,通过对VSG的有功频率特性进行理论分析与推导,得出频率变化量与VSG输出功率的关系式;然后对多个VSG所组成的微电网系统,提出一种无需通信系统的多VSG频率调节策略,当多个VSG参与二次调频,共同支撑微电网频率时,还能按自身额定容量合理分配负荷功率,有利于微电网的经济运行。最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的正确性和实用性。

图1 含多个分布式电源的微电网结构

图2 整体控制策略框图

结论

本文在分析微电网结构和VSG技术的基础上,提出了一种含多VSG的微电网二次调频和功率分配的控制策略,并通过PSCAD仿真和实验验证得出以下结论:

1)VSG功频控制环节通过引入PI控制器可实现微电网频率的无差控制。

2)多个VSG参与二次调频时,若VSG的PI参数相同,同时PI控制环节后面加一频率偏差反馈系数,可以在实现微电网无差调频的同时,还能根据VSG的额定容量自动分配负荷功率。整个过程不需要借助于微电网中央控制器与VSG间的通信。

3)本文控制方法不仅适用于两台VSG并联,同时也适用于多台VSG并联运行。各VSG相互独立能自主性调节输出功率,为微电网中多个VSG的协同控制提供了一条新思路。

原标题:含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略

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