光储发电系统的虚拟转动惯量控制
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1、张祥宇;杨黎;朱晓荣;付媛【摘要】 On the basis of the control strategy for PV(PhotoVoltaic) generation systems,the concept of virtual inertia of battery is defined.The energy conversion relationship between the battery energy and the mechanical kinetic energy is analyzed,and the virtual inertia control method of PV
2、 generation system with energy storage devices is proposed.The proposed strategy could regulate the rate of SOC(State Of Charge) and the battery current according to the frequency deviation and the SOC of battery.The battery reserve energy can be adjusted in a short time to provide the inertial supp
3、ort to the system.A simulation system,in which the installed capacity of PV is around 30% of the total installed power generators,is designed to validate the effectiveness of the proposed control strategy.Simulative results indicate that the proposed virtual inertia control of battery provides rapid
4、 response to the frequency fluctuation,effectively improving the frequency stability of the power system.%在深入研究光储发电系统控制策略的基础上,阐述蓄电池虚拟转动惯量的 概念,分析在频率动态变化过程中蓄电池的电池储能与机械动能之间的能量转换关 系,并提出基于光储发电系统的虚拟惯性控制策略.该控制策略通过检测系统频率的 变化与蓄电池荷电状态,调节蓄电池的荷电状态变化率与充放电电流的速率,从而短 时调节蓄电池储备能量为系统提供惯性支持.通过光伏装机比重约为30%的仿真系 统,验证该控制策略在
5、系统出现功率不平衡后,能够利用蓄电池的虚拟惯量快速响应 系统频率变化,从而提高了系统的频率稳定性.【期刊名称】电力自动化设备【年(卷),期】2017(037)009【总页数】7页(P109-115) 【关键词】光伏发电;蓄电池;储能;虚拟惯量;荷电状态;频率支持 【作者】张祥宇;杨黎;朱晓荣;付媛 【作者单位】华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,河北保定071003;华 北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,河北保定071003;华北电力大学新能 源电力系统国家重点实验室,河北保定071003;华北电力大学新能源电力系统国家 重点实验室,河北保定071003 【正文语种】中文【中图分类
6、】TM615;TM9120引言近年来,光伏发电因成本持续降低而始终保持增长潜力,并已显现竞争优势,因此 其渗透率在电力系统中逐渐提高。光伏电池通过电力电子变流器接入电网,功率可 独立快速调节,能实现最大功率点跟踪(MPPT),并通常配置储能装置,削弱功 率波动,降低对电网安全运行的影响1-3。然而,与常规发电机组以及风电均 不同,光储发电单元为静止元件,因此其接入电网还将面临失去大量旋转动能、能 量储备降低、威胁系统暂态稳定性的新问题。静止发电单元无旋转动能,大量接入电网后,电力系统的机械惯性必然降低,因此 保障系统频率的动态稳定性将成为电网提高光储装机比重首先需要解决的难题。传 统同步发电机
7、通过迅速响应负荷变化,释放转子动能,在频率变化初期可利用固有 机械惯性阻止频率发生突变,为系统重建功率平衡争取时间4-5。然而,风电、 光伏均通过变流器独立控制有功功率输出,若仅实现最大功率点跟踪功能,将会失 去对系统频率变化的支持作用6-8。尽管风力发电机转速与系统频率不直接耦 合,但通过附加惯性频率控制器,仍能够使其根据频率变化快速调节电磁功率,在 较宽的转速范围内,利用自身的机械动能,虚拟惯性响应,从而抑制系统频率突变。 随着变速风电机组频率控制技术不断完善,df/dt 9-10、P /f下垂11- 12 、比例-积分-微分(PID) 13-14 等频率控制模块已受到风电行业的普遍 关注
8、。与上述发电装置不同,光伏、储能是非旋转静止元件,高渗透率下电网面临 的低惯性问题将会比风电更为严峻,但目前关于光储系统的惯性控制技术尚缺乏理 论研究。合理定义光储装置的虚拟惯量需要拓展惯性的能量来源,可通过利用储能 装置的快速充放电进行有功调节,抑制频率突变,获得对系统频率变化的惯性响应。 本文在深入研究目前光储发电系统控制策略的基础上,建立静止元件的存储能量与 系统频率在动态过程中的机械动能之间的能量转换关系,进而阐述静止储能元件虚 拟惯量的概念,并提出基于光储发电系统的虚拟惯性控制策略。为验证所提控制策 略的有效性,本文搭建光伏装机比重约为30%的仿真系统模型,并对光储发电系 统在不同运
9、行工况下对电网频率的动态支持过程进行仿真研究。1静止储能元件的虚拟转动惯量电力系统的惯性源于常规发电机组具备的旋转动能。忽略阻尼作用,转子机械部分 存储的旋转动能Ek为4:其中,Js为发电机的转动惯量;3e为发电机的同步角速度;pn为发电机的极对 数。在电力系统分析中,通常定义系统惯性时间常数Hs为各发电机在同步角速度3e下的机组转子储能与电机总额定容量SN,之比,即:其中,n为系统中同步发电机组的台数;Js,i、pn,i分别为系统中同步发电机组 i的转动惯量、极对数;Ek为系统中发电机组的旋转动能。由式(2)可知,发电机组具备的旋转动能决定了电力系统的惯性大小。然而,在 光伏高渗透电网内,大
10、量静止发电单元已替代传统发电机组,旋转设备显著减少, 系统动能必然随之减小,进而导致惯性不足,频率稳定性降低。光伏发电系统中,光伏组件无法存储能量;储能元件虽为静止设备,自身却能够储 备能量且具有快速功率响应能力。通过开发利用静止储能单元的能量,拓展旋转惯 量的能量来源,可使频率重新获得惯性支持,有效解决系统的低惯性问题。目前光 伏组件的功率控制目标为跟踪最大功率点轨迹,并通常配置储能装置平抑光伏输出 功率波动15-16 ,该控制结构如图1所示。图 1 光储发电系统拓扑结构图 Fig.1 Topological structure diagram of PV generation system
11、 with energy storage devices在上述传统功率控制策略下,光储发电系统的有功输出始终遵循最大功率点跟踪控 制,无法参与系统功率调节,为电网提供有功支持。因此,为了解决光伏高渗透率 区域电网的低惯性问题,需将频率信号引入现有光储功率控制系统内,在频率动态 变化过程中,通过2个静止发电单元的功率协调,调用储能元件能量,使电网获 得惯性能量。2静止储能元件的虚拟惯性目前,多以铅酸蓄电池作为储能装置。蓄电池在满充状态下的额定容量为QN,放 电过程中电流为iB(t),则t时刻的荷电状态(SOC)参数ysoc可表示为17- 18:其中,QN为蓄电池的额定容量;Qr为蓄电池的剩余电量
12、。结合式(3),蓄电池存储的能量WB可表示为:其中,uB、iB分别为蓄电池的电压、电流;ysoc_0为蓄电池的起始荷电状态。光储静止发电单元无法在电网频率变化时释放或吸收转子动能,然而却可通过改进 蓄电池有功控制,快速调用其储存的能量。尽管通常配备储能仅用于平抑光伏输出 功率波动19-20 ,但若短时可调用足够的蓄电池能量,则仍可认为电网短期内 具备有效抑制频率突变的能量储备。由于蓄电池可通过快速功率控制调节充放电电 流,在系统频率变化的初始阶段,理论上蓄电池具备与同步发电机等效的惯性响应 能力。系统频率变化过程中,蓄电池的能量又可表示为:由式(5)可知,在电网频率变化引起能量交换的过程中,若
13、能够合理使用蓄电池 具备的静止能量将会使其旋转惯性得到新的能量来源,其大小可视为与转动惯量为 Jvir_B、极对数为pn的等效同步发电机组具有的动能相同。因此,Jvir_B可被定 义为蓄电池的虚拟转动惯量。根据式(6)可知,蓄电池的虚拟转动惯量大小与其 自身电压、荷电状态及系统频率等多种因素密切相关。结合式(3),将式(6)进一步展开,蓄电池的虚拟转动惯量可表示为:其中,Ysoc、3e分别为蓄电池的荷电状态、同步发电机的角速度变化量; kB= (AYSOc/YSOC_0)/(Awe/we)蓄电池荷电状态变化率与发电机转速 变化率的比值。由式(7)可知,在蓄电池可调用能量与同步发电机组大致相等的
14、情况下,若蓄电 池荷电状态变化率远大于发电机转速变化率,即,则通过蓄电池的短时能量调节, 可虚拟出比同步发电机组更大的转动惯量。基于电力电子换流器并网的静止储能发 电单元,不仅无旋转惯性,并且能够独立调节有功功率,因此理论上具备比常规发 电机组更快的能量调节能力。在系统频率变化过程中,通过控制蓄电池荷电状态使 其满足则电网能够从蓄电池单元得到短时惯性支持,避免频率突变。3静止储能元件的虚拟惯性控制策略光伏-蓄电池发电系统无附加控制时,光伏组件应工作在最大功率点跟踪运行模式 下,从而提高光伏发电效率;蓄电池监测光伏功率波动,利用PI控制器将光储联 合发电系统输出功率维持于预设并网功率的给定值,从
15、而提高光伏注入电网功率的 稳定性。该控制器结构如图2中模块I所示,蓄电池侧并网逆变器有功外环监测 光伏输出功率,与并网功率预设值比较后,进入电流内环控制。通过控制蓄电池的 工作电流,达到平抑光伏输出功率波动的效果。图 2 蓄电池控制策略图 Fig.2 Control diagram of battery本文在光储传统功率控制的基础上,根据式(7 )定义的蓄电池虚拟转动惯量,提 出静止储能元件蓄电池的虚拟惯性控制策略,即将系统频率信号引入静止储能元件 的有功功率控制系统中,通过控制其充放电电流,迅速调用蓄电池存储的能量,使 系统获得惯性支持。图2中模块H即为该控制策略结构图。当系统发生扰动,如负
16、荷突增导致频率跌落时,蓄电池侧变流器监测到系统频率偏 差Afv。,此时蓄电池首先检测其荷电状态并判断所处运行区域。如图3所示,若 蓄电池工作在安全充放电区(10%SOC90% ),则引入系统频率偏差信号,附 加虚拟惯性控制,通过调节kB的大小,控制蓄电池的放电电流,虚拟出转动惯量, 为系统提供惯性支持。为防止蓄电池过度放电,若蓄电池已处于过放警戒区(SOC0,此时蓄电池首先检测其荷电状态并判断所处运行区域。若蓄电池在 安全充放电区(10%SOC90% ),控制蓄电池充电电流为0,此时蓄电池无法再提供惯 性支持。蓄电池充电时,若处于图3中的低惯性区,蓄电池仍可充电提供一部分 惯性支持,直到荷电状
17、态上升至过充警戒区时,蓄电池停止工作。结合式(7), 该低惯性区的虚拟惯量可表示为:当蓄电池无法再提供惯性支持时,为保证系统正常运行,光伏退出最大功率点跟踪 模式。如图4所示,将负荷与网侧发电机输出功率的差值作为参考功率,经PI控 制器,通过调节Boost电路的占空比使光伏减载运行在图5中的电压源区,这样 光伏输出端的电压变化量相对较小,有利于逆变器的正常运行。图 4 光伏单向 Boost 电路控制 Fig.4 Control of PV unidirectional Boost circuit 图 5 光伏输出特性曲线 Fig.5 Curve of PV output characteris
18、tic 综上,静止储能元件的虚拟惯性控制流程图如图6所示。4仿真验证4.1仿真系统简介为验证所提控制策略的有效性,利用MATLAB / Simulink仿真软件搭建了如图7 所示的仿真系统。该系统包含容量为100 kW的光伏组件,2个容量分别为160 kVA、75 kVA的常规发电机组G1、G2,以及容量为100 A-h的蓄电池装置。 负荷L1、L2的容量分别为180 kW和45 kW。仿真过程中,光照强度为800 W / m2。图 6 控制流程图 Fig.6 Flowchart of control strategy图 7 系统仿真结构图 Fig.7 Diagram of simulatio
19、n system4.2仿真算例分析4.2.1负荷突增后的系统惯性响应负荷L1在10s时由180kW突增至240kW,引起系统频率大幅跌落。蓄电池初 始荷电状态为79.79%,处于安全充放电区中的高惯性区,仿真结果如图8所示。 图中,由上至下依次为系统频率f、发电机G1的电磁功率PG1、蓄电池的电量Q、 蓄电池的功率Pbat的波形图。由图8可知,10 s时负荷突增,系统因严重缺乏惯性支持,导致频率迅速跌落至 49.43 Hz。当光储发电系统附加虚拟惯性控制后,系统频率的下降速率得到明显 减缓,频率最小值由49.43Hz增大至49.64Hz,频率幅值的变化率减少了 37.1% , 蓄电池在频率动态
20、变化过程中对电网起到了显著的惯性支持作用。采用虚拟惯性控 制后,蓄电池快速增加输出约12.7 kW的有功功率,减小其自身电量,虚拟出惯 性响应。蓄电池提供的功率支持,使G1输出的有功功率升高在负荷突变后有所降 低。图8高惯性区下负荷L1突增后系统动态响应Fig.8 System dynamic responses in high inertia zone after L1sudden increasing负荷L1在10 s时突增60 kW,蓄电池处于低惯性区,仿真结果如图9所示。 图9低惯性区下负荷L1突增后系统动态响应Fig.9 System dynamic responses in low
21、 inertia zone after L1sudden increasing由图9可知,无附加控制时,系统负荷突增后,频率出现了大幅跌落。当附加虚 拟惯性控制后,系统频率的下降得到一定缓减,频率的最小值由49.43 Hz上升至 49.51 Hz。与图8相比,蓄电池的惯性支持能力受到了明显限制。由于蓄电池初 始荷电状态已接近过放警戒区,在采用虚拟惯性控制动态过程中,当荷电状态达到 10%时,蓄电池立即停止放电,输出功率迅速降为初始值,不再为系统提供惯性 支持。当蓄电池不再采用惯性控制后,为避免系统频率稳定性恶化,应最大化利用 光伏发电功率,尽量满足负荷增加的需求,光伏组件仍工作在最大功率点跟踪
22、模式。 4.2.2负荷突减后的惯性响应负荷L1在10s时由180kW突减至120kW,引起系统频率大幅升高。蓄电池初 始荷电状态为79.79%,处于安全充放电区中的高惯性区,仿真结果如图10所示。 图10高惯性区下负荷L1突减后系统动态响应Fig.10 System dynamic responses in high inertia zone after L1sudden decreasing由图10可知,10 s时负荷突减,系统因严重缺乏惯性支持,导致频率迅速增长至 50.58 Hz。当光储发电系统附加虚拟惯性控制后,系统频率的增长速率得到明显 减缓,频率的最大值由50.58Hz减至50.3
23、6Hz,频率幅值的变化率减少了 37.9%, 蓄电池在频率动态变化过程中对电网起到了显著的惯性支持作用。采用虚拟惯性控 制后,蓄电池快速吸收约12.75 kW的有功功率,增大电量,虚拟出惯性响应。蓄 电池吸收多余的功率,为系统提供惯性支持,使G1的有功功率下降在负荷突变后 有所升高。负荷L1在10 s时突减60 kW,蓄电池处于低惯性区,仿真结果如图11所示。 由图11可知,无附加控制时,系统负荷突减后,频率出现了大幅上升。当附加虚 拟惯性控制后,系统频率的上升得到一定缓减,频率的最大值由50.58 Hz下降至 50.4 Hz。与图10相比,蓄电池的惯性支持能力受到了明显限制。由于蓄电池初 始
24、荷电状态已接近过充警戒区,在采用虚拟惯性控制动态过程中,当荷电状态达到 90%时,蓄电池立即停止充电,吸收功率迅速降为初始值,不再为系统提供惯性 支持。当蓄电池不再采用惯性控制后,为避免系统频率稳定性恶化,应减小光伏发 电功率,光伏组件退出最大功率点跟踪模式,系统减载运行。图11低惯性区下负荷L1突减后系统动态响应Fig.11 System dynamic responses in low inertia zone after L1sudden decreasing 4.2.3与同容量常规发电机组的惯性响应对比为了进一步验证蓄电池具备的惯性支持能力,以相同容量的常规发电机组(固有惯 性时间常数
25、为0.1 s)替代仿真系统中的光储发电单元。负荷L1在10 s时突增60 kW,蓄电池处于安全充放电区中的高惯性区。图12对比了常规电源、光储发电单元附加惯性控制,负荷突增后系统的动态响应。 图中,kB3kB2kB1。由图12可知,光伏、蓄电池接入后,系统惯量降低,最大频差约为0.57 Hz。替 换蓄电池为同容量的同步发电机组后,系统频率的最小值增大至49.48Hz,最大 频差约为0.52 Hz。当蓄电池附加虚拟惯性控制后,通过调节系数kB的大小,蓄 电池可提供不同大小的虚拟惯量,对系统惯性支持作用明显,得到的频率响应甚至 会优于同容量的常规同步发电机组。图12与同容量常规发电机组的动态响应对
26、比Fig.12 Dynamic responses comparison between conventional generators with same capacity 5结论本文研究了光储发电系统中储能元件的虚拟转动惯量控制技术,利用其储备的静止 能量为系统提供灵活可控的惯性支持。通过对提出的控制策略进行理论分析和仿真 验证,得出如下结论。a. 与常规发电机组的固有转动惯量不同,光伏、储能均为静止发电设备,无旋转动 能及机械惯量,通过适当调节蓄电池的储备能量,可以灵活控制其虚拟惯量的大小, 避免光储大规模接入威胁系统的动态频率稳定。b. 通过建立频率动态变化过程中蓄电池储备的静止能量与
27、机械动能的能量转换关系, 利用蓄电池侧换流器的快速有功控制,可使光储发电系统虚拟出可控的惯性响应。c. 蓄电池虚拟转动惯量的大小与其自身电量密切相关。为延长蓄电池使用寿命,本 文针对蓄电池划分了惯性区域,通过检测荷电状态,判断电池所处惯性区域,并与 光伏组件输出功率协调配合,可有效避免由惯性调节弓I起的蓄电池过度充放电。【相关文献】1 邱培春,葛宝明,毕大强.基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究J.电力系统 保护与控制,2011 ,39 ( 3 ): 30-33.QIU Peichun , GE Baoming , BI Daqiang.Battery energy storageba
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