本發(fā)明涉及微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行的慣量匹配方法,通過(guò)慣量匹配可以使微網(wǎng)系統(tǒng)有序分配負(fù)荷功率,從而提高系統(tǒng)的頻率暫態(tài)穩(wěn)定性。
背景技術(shù):
在全球變暖的碳減排壓力和化石能源不可持續(xù)的危機(jī)之下,世界各國(guó)以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的可再生能源開(kāi)發(fā)利用步伐日益加快。多能互補(bǔ)是一種能源策略,按照不同資源條件和用能對(duì)象,采取多種能源互相補(bǔ)充,以緩解能源供需矛盾,合理保護(hù)自然資源,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。世界石油危機(jī)使許多國(guó)家認(rèn)識(shí)到依賴一、兩種主要能源非常危險(xiǎn),而且大量使用化石燃料所造成的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。所以多種能源并重,充分開(kāi)發(fā)利用包括煤、石油、天然氣和核能等能源,特別是要不斷增長(zhǎng)新能源和可再生能源的比重,如水電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎蜌淠艿鹊拈_(kāi)發(fā)利用。但是,新能源在給人類(lèi)帶來(lái)巨大方便和利益的同時(shí)也產(chǎn)生了許多問(wèn)題,其中之一就是穩(wěn)定性問(wèn)題。
在多能互補(bǔ)微網(wǎng)中,風(fēng)、光等分布式電源和水力同步發(fā)電機(jī)組等同時(shí)為微網(wǎng)提供電能,當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突然變化時(shí),無(wú)慣量特性的分布式電源會(huì)爭(zhēng)搶功率,尤其是當(dāng)此類(lèi)無(wú)慣量發(fā)電單元分配出力比重較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)分布式電源過(guò)負(fù)荷,引起保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致分布式電源從系統(tǒng)中脫落,造成微電網(wǎng)更大的功率缺額及系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大的波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)崩潰。在逆變電源控制策略中加入了虛擬慣量環(huán)節(jié),可以在一定程度上提高單個(gè)微源的頻率穩(wěn)定性,但對(duì)于多微源并列運(yùn)行微網(wǎng)系統(tǒng)微源間慣量匹配問(wèn)題有可能會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)頻率抖動(dòng)、振蕩甚至解列。多能互補(bǔ)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由于微源逆變器慣量環(huán)節(jié)均處在其控制策略中,為了便于說(shuō)明問(wèn)題,用恒壓源模擬風(fēng)電、光伏等分布式電源直流側(cè)電源,濾波器采用LC型濾波器。
為了解決多能互補(bǔ)系統(tǒng)中由于慣量匹配原因造成的功率爭(zhēng)搶、頻率不穩(wěn)定問(wèn)題,本發(fā)明旨在提出一種能夠準(zhǔn)確虛擬慣量的微源控制策略,并用小信號(hào)建模仿真驗(yàn)證所虛擬出的慣量特性與同步發(fā)電機(jī)具有一致的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,從線性變換角度對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的標(biāo)幺值形式進(jìn)行線性等效,然后聯(lián)立調(diào)差特性方程分析得到慣性時(shí)間常數(shù)與響應(yīng)過(guò)渡時(shí)間的直接關(guān)系,從而給出多微源并列運(yùn)行時(shí)的慣量匹配方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對(duì)微網(wǎng)中多種微源并列運(yùn)行的頻率穩(wěn)定性問(wèn)題,提出一種用于提高微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的多種微源并列運(yùn)行慣量匹配方法,該方法給出了微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)之間、同步發(fā)電機(jī)與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量匹配原則。
微電網(wǎng)中的微源主要有風(fēng)電、光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。大多數(shù)微源都需要通過(guò)逆變器等電力電子變流器輸出電能與電網(wǎng)相連,這些電力電子設(shè)備大多采用數(shù)字電路進(jìn)行控制,暫態(tài)響應(yīng)速度較快,且?guī)缀鯖](méi)有慣性,也不參與電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)壓。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比,含逆變器接口的微源響應(yīng)迅速,但是由于沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),微源逆變器不具備同步發(fā)電機(jī)的慣量特性,因此在系統(tǒng)遭受負(fù)荷波動(dòng)時(shí)頻率穩(wěn)定性較差。針對(duì)不同的情況,維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的方法也不盡相同。當(dāng)負(fù)荷或電網(wǎng)的擾動(dòng)較小且持續(xù)時(shí)間較短時(shí),可以借助同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量維持電網(wǎng)穩(wěn)定;而當(dāng)沒(méi)有慣性的微源容量比較小時(shí),可依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率,微源本身跟隨電網(wǎng)進(jìn)行能量傳輸。但當(dāng)微源的容量增長(zhǎng)到占電網(wǎng)中的一定比例之后,DG無(wú)慣性的特征會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定造成威脅,在離網(wǎng)情況下這種電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題就會(huì)更為突出。目前,解決這一問(wèn)題的有效措施是利用新能源側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng),在微網(wǎng)逆變器控制策略中加入虛擬慣性環(huán)節(jié),通過(guò)該控制環(huán)節(jié)可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)或發(fā)出能量來(lái)虛擬慣量,從而使微源具備同步發(fā)電機(jī)一樣的慣量特性。但正是因?yàn)槲⒃茨孀兤鞯膽T量是虛擬出來(lái)的,并不受物理?xiàng)l件的限值,理論上是可以任意設(shè)置的,這就給多能互補(bǔ)微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行帶來(lái)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題,合理配置微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)之間、同步發(fā)電機(jī)與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量將能夠有效抑制微網(wǎng)系統(tǒng)頻率抖動(dòng)和振蕩。為了合理分配負(fù)荷和提高微源慣性,微網(wǎng)中微源逆變器大多采用下垂控制和虛擬慣量,但是多微源并列運(yùn)行時(shí)如果各自慣性常數(shù)匹配不合理仍然會(huì)引起微網(wǎng)頻率波動(dòng)甚至頻率振蕩,
本發(fā)明正是針對(duì)這一問(wèn)題,提出一種微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行的慣量匹配方法,通過(guò)分析轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和微源逆變器下垂控制方程的內(nèi)在聯(lián)系,提出了微網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)之間、同步發(fā)電機(jī)與微源逆變器之間、以及微源逆變器之間的慣量匹配方法。通過(guò)該慣量匹配方法可以使得多能互補(bǔ)微網(wǎng)中各個(gè)發(fā)電單元之間頻率變化具有相同的過(guò)渡時(shí)間或過(guò)渡過(guò)程,微網(wǎng)系統(tǒng)中各發(fā)電單元功率得到了有序分配,頻率具有了更好的暫態(tài)穩(wěn)定性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行的慣量匹配方法,其特征在于,所述方法使各微源逆變器或同步發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)H按照各自的下垂系數(shù)m的反比配置,或令慣性常數(shù)H與下垂系數(shù)m的乘積為常數(shù);
所述微源逆變器包含頻率-有功控制模塊、無(wú)功-電壓控制模塊、虛擬慣量控制模塊。
進(jìn)一步,當(dāng)同容量微源逆變器或同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí),各微源逆變器或同步發(fā)電機(jī)必須配置相同的慣性常數(shù)H。
進(jìn)一步,當(dāng)不同容量微源逆變器或同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí),各微源逆變器或同步發(fā)電機(jī)應(yīng)將慣性常數(shù)H與有功容量S成正比配置。
附圖說(shuō)明
圖1為現(xiàn)有技術(shù)多能互補(bǔ)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2為有功-頻率控制框圖。
圖3為無(wú)功-電壓控制框圖。
圖4為微源逆變器控制原理框圖。
圖5為多能互補(bǔ)微網(wǎng)的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖6為慣量按匹配原則匹配時(shí)頻率與功率波形圖,其中
6(a)為不按容量正比匹配取值時(shí)的頻率;
6(b)為不按容量正比匹配取值時(shí)的功率;
6(c)為不按容量正比匹配取值時(shí)公共節(jié)點(diǎn)頻率、功率。
圖7為慣量按匹配原則匹配時(shí)頻率與功率波形圖,其中
7(a)為按容量正比匹配取值時(shí)的頻率;
7(b)為按容量正比匹配取值時(shí)的功率;
7(c)為按容量正比匹配取值時(shí)公共節(jié)點(diǎn)頻率、功率。
圖8為容量比4:1按匹配方法取值時(shí)頻率、功率圖,其中
8(a)為容量比4:1時(shí)按匹配方法取值時(shí)頻率;
8(b)為容量比4:1時(shí)按匹配方法取值時(shí)功率;
8(c)為容量比4:1時(shí)按匹配方法取值時(shí)公共側(cè)頻率、功率。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
同步發(fā)電機(jī)組對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定起著重要作用。其主要原因在于大型同步發(fā)電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量,可存儲(chǔ)較多轉(zhuǎn)子動(dòng)能。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生擾動(dòng)時(shí),同步發(fā)電機(jī)可通過(guò)釋放或增加轉(zhuǎn)子動(dòng)能來(lái)保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。
在電力系統(tǒng)分析中,通常定義慣性常數(shù)H為發(fā)電機(jī)在同步角速度下機(jī)組轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能與電機(jī)額定容量SN之比,利用慣性常數(shù)H能夠衡量不同功率等級(jí)下的同步發(fā)電機(jī)慣性,慣性常數(shù)H與慣性時(shí)間常數(shù)TJ之間的關(guān)系為T(mén)J=2H,其數(shù)值表征了同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下空載時(shí)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間,慣性常數(shù)H的物理意義就是額定轉(zhuǎn)速。
轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程反映了同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子慣性以及阻尼特征,其表達(dá)式如下:
其中H為慣性常數(shù);Pm,Pe分別為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)電磁功率;ω,ωs分別為轉(zhuǎn)子電角速度和電網(wǎng)同步電角速度;kd為阻尼系數(shù);t為時(shí)間,單位s。
針對(duì)包含儲(chǔ)能系統(tǒng)的微源逆變器發(fā)電單元,在其控制策略中利用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程模擬出同步發(fā)電機(jī)慣量,即虛擬慣量,從而克服微網(wǎng)中微源慣性弱,頻率抗擾動(dòng)性能差的缺點(diǎn),從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
微源逆變器的有功-頻率下垂控制環(huán)節(jié)表達(dá)式如下:
其中P是微源逆變器輸出有功功率的指令值,相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率Pm;Pref是微源逆變器的輸出有功功率參考值,一般為微源逆變器的額定功率或空載功率;ωref為微源逆變器的額定角頻率或空載角頻率;ω為微源逆變器輸出角頻率;m為有功功率的下垂系數(shù)(相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù))。
聯(lián)立式(1)和式(2)可得微源逆變器的有功-頻率控制關(guān)系式,如式(3)所示:
表達(dá)式(3)對(duì)應(yīng)的有功-頻率控制框圖如圖2所示。
微源逆變器無(wú)功-電壓控制方程為
E=Eref+n(Qref-Q) (4)
其中,Qref,Q分別為微源逆變器無(wú)功參考功率和輸出無(wú)功功率;n為無(wú)功功率的下垂系數(shù);Eref為微源逆變器電壓參考值;E為微源逆變器輸出端口電壓。
圖3為無(wú)功-電壓控制框圖。
圖4為典型的帶虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的微源逆變器控制原理框圖。在調(diào)速器與電壓調(diào)節(jié)器之后增加了電壓電流雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié),可以改善輸出電壓波形質(zhì)量,增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。
采用微源逆變器下垂控制可以使得微源具備類(lèi)似傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性,采用虛擬慣性控制可以使得微源具備類(lèi)似傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性。但是微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行時(shí),若沒(méi)有合理配置各個(gè)微源的慣性,勢(shì)必會(huì)引起各個(gè)微源在微網(wǎng)系統(tǒng)遭受功率波動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)功率分配的問(wèn)題,引起各個(gè)微源逆變器輸出功率不平衡甚至功率環(huán)流,從而嚴(yán)重威脅微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
等值發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)是各臺(tái)發(fā)電機(jī)歸算到統(tǒng)一基準(zhǔn)功率的慣性時(shí)間常數(shù)之和,即:
式中,HJ1、HJ2...HJn分別為各臺(tái)發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù);SB為功率基準(zhǔn)值。
各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)可以等效為等值發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù);
1/RΣ=1/R1+1/R2+............+1/Rn (6)
式中RΣ等值發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù),R1、R2...Rn分別為各臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)。
利用等值同步發(fā)電機(jī)的思想,各個(gè)微源逆變器的下垂系數(shù)同樣可以等效為一臺(tái)微源逆變器的下垂系數(shù):
1/mΣ=1/m1+1/m2+............+1/mn (7)
式中,m1、m2...mn分別為各個(gè)微源逆變器的下垂系數(shù);mΣ為等效下垂系數(shù)。
從而,由等值發(fā)電機(jī)概念可得出多能互補(bǔ)微網(wǎng)的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。將同類(lèi)發(fā)電單元等效成等值發(fā)電機(jī)后再進(jìn)行慣量匹配,會(huì)使慣量匹配方法的復(fù)雜程度大幅度降低。
由于發(fā)電單元輸出功率的變化對(duì)應(yīng)著頻率的變化,如果各發(fā)電單元的頻率或功率過(guò)渡時(shí)間存在著差異,必定影響微網(wǎng)中并列運(yùn)行的各個(gè)微源的同期性和一致性;同時(shí)會(huì)造成響應(yīng)快的發(fā)電單元在負(fù)荷突增時(shí)搶發(fā)功率,頻率出現(xiàn)瞬間跌落的現(xiàn)象。慣性時(shí)間常數(shù)是體現(xiàn)頻率響應(yīng)速度的重要指標(biāo)。以下重點(diǎn)分析慣性時(shí)間常數(shù)如何匹配才會(huì)使各發(fā)電單元頻率過(guò)渡過(guò)程一致,并列運(yùn)行效果達(dá)到最優(yōu)。
在微源逆變器的控制策略中,角頻率是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)全局變量,微源逆變器輸出端角頻率ω和微網(wǎng)系統(tǒng)角頻率ωs之差一般很小,由其引起的機(jī)械功率的變化量可以忽略不計(jì),則式(1)將簡(jiǎn)化為式(8):
其中Pm相當(dāng)于微源逆變器功率外環(huán)指令值,Pe相當(dāng)于微源逆變器輸出功率,假設(shè)擾動(dòng)發(fā)生前微源逆變器工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)1(對(duì)應(yīng)表達(dá)式(9)),擾動(dòng)發(fā)生后工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)2(對(duì)應(yīng)表達(dá)式(10)),系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)Pm1=Pe1;Pm2=Pe2。
再由下垂控制可得
ω2-ω1=-m(Pe2-Pe1) (11)
Δω=-mΔP (12)
則:
Pm2=Pe2=Pe1+ΔP=Pm1+ΔP (13)
當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)發(fā)生時(shí),微源逆變器輸出功率由Pe1變?yōu)镻e2,但此時(shí)微源逆變器輸出功率指令值并沒(méi)有立即響應(yīng),聯(lián)立式(9)和式(13)可得:
聯(lián)立式(12)和式(15)可得:
多微源逆變器并列運(yùn)行時(shí),當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí),若要使各微源逆變器獲得相同的過(guò)渡時(shí)間Δt,由式(16)可知,各微源逆變器慣性常數(shù)必須按照各自下垂系數(shù)的反比配置。
一般情況下,為了使并列運(yùn)行的微源逆變器能夠按容量比例分擔(dān)負(fù)荷,第i個(gè)微源逆變器和第j個(gè)微源逆變器的系數(shù)和有功容量之間必須滿足:
根據(jù)微源逆變器容量是否相同,可以得到以下結(jié)論:
a.各微源逆變器有功容量相同
由式(16)和式(17)可知,在此情況下,若要在相同Δω情況下得到相同的過(guò)渡時(shí)間Δt,需要各微源逆變器慣性常數(shù)H也相同。
b.各微源逆變器有功容量不同
由式(16)和式(17)可知,在此情況下,若要在相同Δω情況下得到相同的過(guò)渡時(shí)間Δt,需要慣性常數(shù)H與有功容量成正比。
實(shí)施例
利用Matlab/simulink軟件對(duì)本發(fā)明所提出的微網(wǎng)中多微源并列運(yùn)行的慣量匹配方法進(jìn)行仿真。
首先,對(duì)容量2:1的情況進(jìn)行驗(yàn)證,其中等值同步發(fā)電機(jī)額定有功容量為20kW,無(wú)功容量為0Var,下垂系數(shù)RΣa為0.05Hz/kW,慣性常數(shù)為HΣa;等值VSG逆變電源的額定有功容量為10kW,無(wú)功容量為0Var,下垂系數(shù)RΣb為0.1Hz/kW,慣性常數(shù)為HΣb。負(fù)荷容量為30kW,取第10s時(shí)刻負(fù)荷突增15kW,分兩種情況進(jìn)行仿真:
(1)慣性時(shí)間常數(shù)不按容量正比匹配取值。假設(shè)HΣa取5s,HΣb取1s,仿真如圖6所示。
(2)慣性時(shí)間常數(shù)按容量正比匹配取值。假設(shè)HΣa取6s,HΣb取3s。仿真結(jié)果如圖7所示。
對(duì)容量比4:1的情況仿真驗(yàn)證,等值同步發(fā)電機(jī)額定有功容量為40kW,無(wú)功容量為0Var,下垂系數(shù)RΣa為0.025Hz/kW,慣性常數(shù)為4s;等值VSG逆變電源的額定有功容量為10kW,無(wú)功容量為0Var,下垂系數(shù)RΣb為0.1Hz/kW,慣性常數(shù)為1s。慣性時(shí)間常數(shù)按容量比匹配。負(fù)荷容量為50kW,取10s負(fù)荷增加25kW。圖8為容量比4:1按匹配方法取值時(shí)頻率、功率圖。
當(dāng)圖6中慣性常數(shù)取值不按匹配原則時(shí),頻率過(guò)渡出現(xiàn)不一致,輸出功率也發(fā)生了爭(zhēng)搶現(xiàn)象,公共節(jié)點(diǎn)頻率與功率都出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象;反之圖7與圖8按匹配原則取值時(shí),兩等值發(fā)電單元頻率過(guò)渡平滑,功率也進(jìn)行了有序分配,未發(fā)生爭(zhēng)搶現(xiàn)象,公共節(jié)點(diǎn)頻率穩(wěn)定,因此驗(yàn)證了慣量匹配方法的正確性。
如上所述,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明,顯然,只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果、對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的變形,也均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。