飛輪鋰電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的VSG控制策略

薛 易, 李天意, 吳立涵, 龍騰飛

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著新能源的不斷并網(wǎng),在新能源發(fā)電中對(duì)功率、電壓和頻率的穩(wěn)定方面迎來了新的挑戰(zhàn)。在實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)很大。大范圍的風(fēng)電并網(wǎng),明顯影響了電力系統(tǒng)發(fā)展的穩(wěn)定性。為了保證電網(wǎng)在運(yùn)行過程當(dāng)中具有一次調(diào)頻的功能,虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略在電網(wǎng)調(diào)頻中起到了非常重要的應(yīng)用。VSG在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),需要先建立機(jī)端電壓,并通過預(yù)同步單元和電網(wǎng)同步來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)VSG的機(jī)端電壓與并網(wǎng)電壓相等時(shí),再進(jìn)行合閘并網(wǎng),這一策略步驟較為復(fù)雜。王琳等[1]提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,面向頻率穩(wěn)定的虛擬同步化微電網(wǎng),調(diào)節(jié)虛擬慣量和阻尼參數(shù),以提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。渠省委[2]提出經(jīng)最優(yōu)阻尼比的VSG。實(shí)現(xiàn)的方法是結(jié)合VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,分析其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。白長云[3]指出新型在虛擬慣量與阻尼的基礎(chǔ)上形成的模糊輔助控制策略,通過對(duì)頻率與功率的變化設(shè)定相應(yīng)的模糊規(guī)則。薛易等[4]提出改進(jìn)的交直流混合電網(wǎng)VSG協(xié)調(diào)控制策略,對(duì)比分析了交流微電網(wǎng)的VSG控制策略。侯倩[5]研究了一種風(fēng)電場(chǎng)功率通過小波包分解,得到目標(biāo)功率和儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償功率,利用雙層模糊控制優(yōu)化充放電指令控制策略。聶職穎等[6]通過對(duì)不同頻率的風(fēng)電進(jìn)行不同儲(chǔ)能類別的控制,采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命作為限制條件,獲得超級(jí)電容和電池儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能最佳配置方案。樊千惠等[7]提出有關(guān)強(qiáng)化VSG虛擬慣性的控制策略,通過分析VSG及飛輪的相關(guān)狀態(tài),調(diào)節(jié)虛擬慣量的大小。畢亮[8]在儲(chǔ)能輔助風(fēng)電參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上,研究了常規(guī)控制策略。上述研究并未提及VSG對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合控制達(dá)到波動(dòng)平抑效果的應(yīng)用。

筆者主要對(duì)VSG通過飛輪蓄電池綜合控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率波動(dòng)和電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在直流微電網(wǎng)中,直流母線通過交變裝置和風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)相連接。飛輪蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分別通過變換器和直流母線連接,實(shí)現(xiàn)波動(dòng)的調(diào)節(jié)。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 DC microgrid structure

2 VSG數(shù)學(xué)模型

VSG的模型存在4個(gè)部分:定子電氣方程、勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié),數(shù)學(xué)模型為

Ud=Ed-Rid+ωLid,

Uq=Eq-Riq-ωLid,

式中:ω——角速度;

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Tm、Te——機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩;

D——阻尼系數(shù);

R——定子電阻;

L——定子電感;

θ——輸出電角度;

ω0——VSG額定角速度;

ωg——電網(wǎng)電壓角速度;

Eq、Ed——三相內(nèi)電勢(shì);

Ud、Uq——三相機(jī)端電壓dq分量;

id、iq——定子電流的dq分量。

機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm能夠?qū)υ瓌?dòng)機(jī)調(diào)節(jié),其表達(dá)式為

式中:Kf——調(diào)頻系數(shù);

Pref——有功功率指令。

Ed通過勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)計(jì)算為

式中:E0——空載電勢(shì);

KPQ、KIQ——無功閉環(huán)PI參數(shù);

Qref——指令值;

Q——VSG無功功率;

Ku——調(diào)壓系數(shù);

Uref——額定機(jī)端電壓;

Um——機(jī)端電壓幅值。

2.1 改進(jìn)定子電氣方程

傳統(tǒng)VSG采用三相輸出電流的dq分量,根據(jù)上述進(jìn)行定子電氣方程的輸入,但需要三相電流傳感器采集ia、ib、ic的值,提高運(yùn)行成本。改進(jìn)的定子電氣方程利用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)外環(huán)輸出dq指令,作為定子電氣方程的輸入電流[9]。

式中:KPV、KIV——電壓外環(huán)PI參數(shù);

idref、iqref——PI調(diào)節(jié)器輸出電流。

通過這些數(shù)據(jù)能夠得出,有功功率和無功功率的計(jì)算公式為

綜上,在對(duì)VSG控制框圖進(jìn)行修改時(shí),不需要采集并網(wǎng)電流,僅需采樣三相電網(wǎng)電壓。輸出參數(shù)不是很復(fù)雜,只需要準(zhǔn)備VSG模型生成的電流指令和角度,可實(shí)現(xiàn)VSG的獨(dú)立運(yùn)行,且僅采集電網(wǎng)電壓可跟蹤頻率。如果電網(wǎng)中的頻率以及VSG中頻率達(dá)到一致,這時(shí)有功功率和無功功率指令需要為0,實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓相位的跟蹤。定子電氣控制與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)控制如圖2和3所示。

圖2 定子電氣控制Fig. 2 Stator electrical control

圖3 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)控制Fig. 3 Rotor motion control

2.2 穩(wěn)定性

VSG輸出的有功功率為

(1)

式中:Ug——電網(wǎng)電壓幅值;

Z——虛擬定子阻抗;

α——虛擬定子阻抗角。

Z和α滿足關(guān)系可以表示為

(2)

式(2)中,有功功率在δ處進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng),可以得到以下關(guān)系:

(3)

因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)算過程當(dāng)中,Δδ通常很小,所以近似可以認(rèn)為sin Δδ=Δδ,cos Δδ=1,所以根據(jù)式(1)～(3)可得:

(4)

根據(jù)圖3和式(4),將原動(dòng)機(jī)的變化量ΔPm為輸入,將ΔP作為輸出,得到VSG小信號(hào)分析模型,如圖4所示。

圖4 VSG小信號(hào)分析模型Fig. 4 VSG small signal analysis model

令ωg與ωn相等,可以得到VSG小信號(hào)分析模型傳遞函數(shù)為

2.3 控制策略

考慮到實(shí)際應(yīng)用中飛輪儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的作用時(shí)間短,蓄電池參與一次調(diào)頻作用時(shí)間長,基于此,將蓄電池參與一次調(diào)頻,飛輪參與調(diào)壓過程,仿真過程當(dāng)中,蓄電池作用于低頻分量,飛輪作用于高頻分量,為達(dá)到將高低頻分量分離效果,使蓄電池盡可能參與一次調(diào)頻,所以在VSG中加裝一階高通濾波器,通過濾波,使高頻分量由飛輪承擔(dān)并參與調(diào)壓任務(wù),低頻分量由蓄電池承擔(dān),參與一次調(diào)頻。

3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能具有能量密度和轉(zhuǎn)換效率高、耐用、充電快、耐溫度變化,具有可深度放電等特點(diǎn),快速響應(yīng)電網(wǎng)電壓。飛輪儲(chǔ)能在波動(dòng)時(shí)提供瞬時(shí)能量支撐,且在穩(wěn)態(tài)下與外界無能量交換,因此是更佳的選擇[10]。

飛輪能量儲(chǔ)存系統(tǒng)通過控制與飛輪相連的永磁同步電機(jī),以實(shí)現(xiàn)能量儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)剛性塊上進(jìn)而加速或減速。保障完成能量的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)存的能量的表達(dá)式為

(5)

式中:Jf——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

ωf——飛輪角速度。

由式(5)可知,飛輪儲(chǔ)能單元在運(yùn)行的過程中,存儲(chǔ)能量的高低與否,通常和飛輪角速度平方存在一定的聯(lián)系,兩者之間成正比例關(guān)系,并且和對(duì)應(yīng)的飛輪旋轉(zhuǎn)慣量,同樣成正比例關(guān)系。如果飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩在整個(gè)過程中,和飛輪旋轉(zhuǎn)的方向相同,這時(shí),飛輪的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)進(jìn)一步加快,將電能改變成對(duì)應(yīng)的動(dòng)能進(jìn)行儲(chǔ)存,也就是所謂的充電;相反,如果和飛輪旋轉(zhuǎn)方向不一致,飛輪的旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)減慢,把動(dòng)能改變成對(duì)應(yīng)的電能,也就是所謂的放電。

當(dāng)飛輪角速度變化在最小轉(zhuǎn)速ωfmin達(dá)到最大轉(zhuǎn)速ωfmax相互變換時(shí),飛輪最大吸收和釋放能量為

(6)

4 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

鋰電池被分為兩種類型,鋰離子電池和鋰聚合物電池,鋰聚合物電池能量高,但需加保護(hù)板,適用范圍較小。鋰離子電池則能量/比功率高、自放電率小、壽命長、環(huán)保,常用的有鈷酸鋰、鎳鈷錳鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰,其中,磷酸鐵鋰原料豐富、價(jià)格成本低、比容量高、環(huán)保性能高以及安全性高,文中選用該鋰電池。

鋰電池儲(chǔ)能可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[11]驗(yàn)證了該模型用于電網(wǎng)調(diào)頻的有效性,因此,文中采用其策略,其傳遞函數(shù)為

(7)

式中,TB——鋰電池慣性時(shí)間常數(shù)。

5 仿真與結(jié)果分析

利用仿真平臺(tái)搭建如圖1所示的混合微電網(wǎng)模型,其中,直流母線電壓1 500 V,濾波電感1 mH,額定線電壓690 V,濾波電容20 μF,開關(guān)頻率16 kHz,蓄電池額定容量40 Ah,阻尼電阻0.5 Ω。

工況一:從0 s仿真開始,電網(wǎng)頻率在1～2 s內(nèi)上升0.5 Hz,2 s電網(wǎng)頻率恢復(fù),仿真結(jié)果如圖5所示。工況二:從0 s仿真開始,電網(wǎng)頻率在1～2 s內(nèi)下降0.5 Hz,2 s電網(wǎng)頻率恢復(fù),仿真結(jié)果如圖6所示。工況三:從0 s仿真開始,電網(wǎng)電壓在1～2 s內(nèi)上升1%,2 s電網(wǎng)電壓恢復(fù),仿真結(jié)果如圖7所示。工況四:0 s仿真開始,電網(wǎng)電壓在1～2 s內(nèi)下降1%,2 s電網(wǎng)電壓恢復(fù),仿真結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 頻率上升0.5 HzFig. 5 Frequency rise 0.5 Hz

由圖5可以看出,電網(wǎng)頻率1～2 s內(nèi)上升0.5 Hz,電網(wǎng)為了維持頻率恒定,圖5a是蓄電池參與一次調(diào)頻,蓄電池輸出功率50 kW,來平衡電網(wǎng)頻率下降帶來的暫態(tài)影響。圖5b中飛輪由于不參與一次調(diào)頻,由于慣性的影響,飛輪有一個(gè)短期的功率響應(yīng)環(huán)節(jié),維持在穩(wěn)定狀態(tài)。圖5c為風(fēng)電場(chǎng)輸送功率,其中取恒風(fēng)速11 m/s。圖5d中是網(wǎng)側(cè)功率的變化圖,由圖5可知,當(dāng)1～2 s時(shí),由于頻率短時(shí)間的變化,有短暫的功率波動(dòng),最終趨于穩(wěn)定。

圖6 頻率下降0.5 HzFig. 6 Frequency drop 0.5 Hz

圖7 電壓上升10%Fig. 7 Voltage rise 10%

由圖6可以看出,電網(wǎng)頻率1～2 s內(nèi)下降0.5 Hz,電網(wǎng)為了維持頻率恒定,圖6a是蓄電池參與一次調(diào)頻,蓄電池吸收功率50 kW,來平衡電網(wǎng)頻率下降帶來的暫態(tài)影響。圖6b為飛輪不參與一次調(diào)頻,由于慣性的影響,飛輪有一段短期的功率響應(yīng)環(huán)節(jié),最終維持在穩(wěn)定狀態(tài)。圖6c為風(fēng)電場(chǎng)輸送功率,其中取恒風(fēng)速11 m/s。圖6d是網(wǎng)側(cè)功率的變化圖,由圖可知,當(dāng)1～2 s時(shí),由于頻率短時(shí)間的變化,有短暫的功率波動(dòng),最終趨于穩(wěn)定。

由圖7可以看出,電網(wǎng)電壓上升10%,圖7a、b分別是并網(wǎng)側(cè)電壓電流的波動(dòng)變化,1～2 s,電壓上升,電流下降。圖7c為風(fēng)電場(chǎng)輸送功率。圖7d是網(wǎng)側(cè)無功功率, 1～2 s內(nèi),電壓上升,為了維持電壓穩(wěn)定,系統(tǒng)輸出無功功率105Var,2 s時(shí),電壓趨于穩(wěn)態(tài),無功功率恢復(fù)正常。

圖8 電壓下降10%Fig. 8 Voltage drop 10%

由圖8可以看出,電網(wǎng)電壓下降10%,圖8a、b分別是并網(wǎng)側(cè)電壓電流的波動(dòng)變化,1～2 s,電壓下降,電流上升,圖8c為風(fēng)電場(chǎng)輸送功率。圖8d是網(wǎng)側(cè)無功功率, 1～2 s內(nèi),電壓下降, 為了維持電壓穩(wěn)定,系統(tǒng)吸收無功功率105Var,2 s時(shí),電壓趨于穩(wěn)態(tài),無功功率恢復(fù)正常。

6 結(jié) 論

(1)在頻率調(diào)節(jié)方面,當(dāng)系統(tǒng)的頻率上升0.5 Hz和下降0.5 Hz的工況下,蓄電池在1～2 s之內(nèi)有效地進(jìn)行了功率輸出和吸收,分別輸出和吸收了50 kW,2 s之后的頻率為49.995 Hz,在誤差0.5 Hz范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)了頻率的良好平抑。

(2)在調(diào)壓方面,當(dāng)系統(tǒng)的電壓上升10%和下降10%的工況下,飛輪在1～2 s之內(nèi)有效地進(jìn)行了功率輸出和吸收,分別輸出和吸收了105 Var,2 s之后的電壓為545 V,在誤差10%范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)了電壓的良好平抑。充分發(fā)揮了飛輪和蓄電池的綜合響應(yīng)的優(yōu)勢(shì),結(jié)果表明,該策略具有良好的響應(yīng)特性。