含压缩空气储能的光储系统虚拟惯性协调控制策略

徐桂芝， 雷 晰， 侯继彪， 梁立晓， 宋 洁

(先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司)，北京 102209)

0 引 言

随着化石能源的减少，大量的新能源接入电网。太阳能由于其充足的能量储备受到了广泛关注[1，2]，但其出力的间歇性会给电力系统带来较大的冲击。为光伏电站配以合适的储能装置可有效解决此类问题[3-5]，目前常用的储能装置有蓄电池和超级电容器(Super capacitor，SC)等，压缩空气储能(Compressed air energy storage，CAES)由于建设成本低，容量大，具有较好的应用前景[6-9]。在实现光储系统协同配合后，为了进一步提高新能源并入电网后系统的稳定性，虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator，VSG)技术受到了广泛应用。

储能装置作为虚拟同步发电机技术控制中的重要载体，其运行特性与VSG控制效果密切相关。文献[10]为防止储能过充过放，设计功率占比函数对VSG控制中的有功指令进行调整。文献[11]在分析虚拟同步控制中的惯性、阻尼等参数取值对稳定性的影响时，也充分考虑了储能荷电状态的影响。文献[12]以储能荷电状态为依据，考虑了光伏输出功率波动，提出了能量调节的协同控制策略，平衡各端功率输出。文献[13]考虑了VSG控制中的元件参数和控制参数，对储能的容量配置做了进一步研究。

以上研究均是在单一储能系统中进行，为了充分利用系统中的压缩空气储能装置，可将空气压缩储能和超级电容器等储能相配合，实现优势互补、协同运行。目前在含压缩空气储能的混储系统研究中，更多的是功率控制层面上的配合，实现储能间功率的优化分配。文献[14]以压缩空气储能作为主要储能单元，超级电容作为辅助储能来提供功率快速响应，实现了两者之间的协调配合。文献[15]研究了由压缩空气储能、超级电容与蓄电池组成的混合储能系统，设计了针对多储能共同出力的平滑控制管理策略。文献[16]针对风电场中的功率波动，在分析波动功率幅频特性的基础上，利用经验模式分解，更准确地确定了各个储能装置的出力大小。文献[17]在已有研究基础上，提出了一种复合储能系统在交直流微电网中的新型控制策略，考虑储能的使用寿命与剩余容量，发挥了储能在出力中的主导地位。在实现压缩空气储能和其它储能装置协同配合的基础上，结合友好型并网技术VSG控制，对于进一步推广压缩空气储能在电力系统中的运用，提高系统储能储备具有重要意义。

为了更好地实现压缩空气储能与其他储能装置协同运行时的友好型并网。本文提出基于VSG控制的压缩空气储能和超级电容器协调控制策略。对系统中存在的功率扰动进行频次上的区分，结合压缩空气储能和超级电容器的响应特点，通过对各储能端VSG控制中的虚拟惯量进行灵活调节，控制各储能端在不同频次功率扰动下的有功出力，实现超级电容器平抑高频扰动，压缩空气储能平抑低频扰动。在硬件在环实验平台中搭建含混合储能的多端交直流混合系统，验证所提控制策略的有效性。

1 混合储能系统拓扑及VSG控制

本次研究中所搭建的电网结构如1所示。

图1 混合储能系统拓扑结构Fig.1 Topology structure of hybrid energy storage system

图1中发电机G1为恒功率机组，输出功率为定值，G2为调频机组，系统负载PL正常运行时为恒定交流负载。新能源部分由VSG1单元与VSG2单元组成，VSG1单元由蓄电池和光伏发电组成，VSG2单元由压缩空气储能和光伏发电组成。光伏发电系统可运行在最大功率状态，所研究的虚拟惯性控制支持功率主要由储能来提供。

1.1 压缩空气储能技术

图1中的压缩空气储能系统采用较为先进的液气压缩储能系统，该系统中的存储介质为气体和液体混合介质，通过控制液体的体积来对气体进行压缩，实现对能量的存储[18]，具体结构如图2所示。气体的压缩和膨胀过程中需要热能的参与，普通压缩空气系统中热能与外界环境交换，造成热能损失，压缩空气储能系统的压缩和膨胀效率会变低，采用液气混合介质压缩空气储能可减小此类损失。在图2所示的压缩空气储能系统中，空气压缩中所产生的热量被液体吸收，液体因为具有较大的比热容可以实现压缩过程中的恒温转换，提高转换效率。

图2 液气压缩储能系统Fig.2 Liquid-gas compression energy storage system

压缩空气储能能量转换过程中的重要理论依据为理想气体状态方程[18]：

PV=nRT

(1)

式中：P为储(液)气罐中的压力，Pa；V为储(液)气罐中的空气体积，m3；R表示气体常数，为定值287 J/K·mol；n表示摩尔气体数,mol；T表示气体温度，K。压缩空气时需要吸收的能量为

(2)

结合式(1)和式(2)可得压缩过程中，气体温度恒定时，由状态1(V1，P1)到状态2(V2，P2)时压缩系统做功为

(3)

同理，压缩空气储能系统膨胀过程中释放的能量为

(4)

结合式(1)得，膨胀过程中压缩储能系统释放能量为

(5)

其中压缩空气储能产生的电能先经整流器汇集到直流母线，再经逆变器与光伏发出的电能一起输送到交流电网中。

1.2 超级电容器模型

超级电容器的性能介于电容器和蓄电池之间。超级电容器的优点在于拥有与普通电容器同样快的响应速度，也可以像蓄电池一样储存一定的能量，保持稳定的功率输出。超级电容器由于其响应速度快，可充放电次数多以及运行时可靠性高而受到了广泛应用。超级电容器根据工作特点分为双电层电容器和赝电容器，本次研究中所用为双电层电容器。双电层电容器利用自身的双界面层来储存电荷，能量存储与释放过程中不涉及到化学反应，稳定性高。

超级电容器在电路中的等效模型如图3所示，图中UC为超级电容器的端电压，IC为流经电容器的电流，RES为等效串联电阻，CSC为超级电容器的等效电容值。

图3 超级电容器等效电路Fig.3 Super capacitor equivalent circuit

超级电容器的电气性能用式(6)表示：

(6)

式中：W为超级电器存储的能量，Umax、Umin分别为超级电容器的最大、最小工作电压，其他变量的含义与图3中变量一致，不再赘述。由式(6)可得电压值是反应超级电容器剩余容量的重要参数。

1.3 VSG控制原理

新能源各端与交流电网连接的换流器采用虚拟同步发电机控制技术，其外环控制方程如下所示[19]：

(7)

式中：H为虚拟惯量；Pref、Po为逆变电源的有功给定值和实际输出值；φ1为逆变电源的相位；Kd为系统阻尼；ω为逆变电源的虚拟输出角频率；ωg为交流主网的角频率。式(7)可用图4控制框图来表示。

图4 VSG控制中P-f控制框图Fig.4 P-f control block diagram under VSG control

2 基于VSG控制的混合储能单元协同运行策略

2.1 分频控制机理

压缩空气储能装机容量大，可持续供电时间长，但其能量转换装置复杂，在功率波动时，不能满足迅速出力的要求。超级电容容器能量密度低，不能平抑长时间尺度的功率波动，但其响应速度快，在功率扰动时可以快速为系统提供功率支撑。因此在混储系统中对功率扰动进行区分，结合超级电容与压缩空气储能的响应特性，可以合理优化储能出力，达到有效平抑功率扰动与延长储能使用寿命的效果。

根据两种储能装置的性能特点，协调控制应能达到超级电容器平抑高频扰动，压缩空气储能平抑中低频扰动的效果。分频控制下各储能的控制范围如图5所示，超级电容器的动作范围为ω>ωsc，压缩空气储能的动作范围为ωbat～ωsc。

图5 混合储能系统频率传递函数波特示意图Fig.5 Schematic diagram of frequency transfer function of hybrid energy storage system

采用高通滤波可以识别不同频次的功率扰动。以高频扰动为例，在系统中存在高频扰动时，系统的频率通过高通滤波器后的输出信号会出现较大范围的波动。但如果只采用固定阈值来判别是否发生了高频扰动，会使得判别结果频繁切换，不利于后续研究中惯量系数的平滑控制。在高频扰动时，对经过高通滤波器的信号进行分析，发现此时输出的高频信号波动较大，在对高频信号取绝对值并平均后，得到的平均值较大，该平均值大于特定阈值时可判别系统中出现了高频扰动。低频扰动时的判别方法与上述高频扰动判别类似。分频控制的判别方法如图6所示。

图6 分频控制区分方法Fig.6 Differentiated method of frequency division control

图中滤波器均为一阶高通滤波器，其中滤波器1的截止频率较大，其输出作为后续高频控制判别环节的输入，滤波器2的截止频率较低，其输出与滤波器1的输出信号作差做为低频控制判别环节的输入信号。a、b分别为高频控制与低频控制的判别阈值。

2.2 分频控制策略

在系统稳态运行时，即逆变电源的虚拟角频率和交流主网的角频率相差不大时，对式(7)进行简化可得

(8)

由式(8)可得系统稳态运行时，各端的有功出力情况和自身的惯量大小有关，自身惯量大的储能端有功出力大，惯量小的储能端有功出力小。因此，为实现不同频次扰动下各储能的协同配合，可以通过灵活调整各储能端的惯量大小来实现本文所提出的分频控制。

系统中承受高频功率扰动时，为了快速给系统提供惯性支撑，需要储能端迅速增加有功出力。根据储能的响应特性，超级电容器是平抑高频扰动的最佳选择。同时为了减小有功出力变化过快给压缩空气储能带来的寿命损耗，此时压缩空气储能的惯量应变小，减小功率波动。根据以上分析，得出高频扰动时各端的惯量表达式如下所示：

(9)

式中：H0表示数值比较小的常数，避免在虚拟惯量调节中由于惯性系数太小而给系统带来的不稳定影响；H1表示超级电容侧的惯量，可根据系统中的频率变化率实时调整，充分发挥虚拟惯量灵活可调的特点，在高频扰动时为系统快速提供惯性支撑；H2表示压缩空气储能侧的惯量，由H2的表达式可得，随着高频扰动信号数值的增加，分母上的指数函数的数值会加速增加，H2的数值急剧减小，从而可以避免在高频扰动时其有功出力的频繁变化，保持其自身出力的稳定性。

系统中发生低频扰动时，此时对响应时间的要求有所下降，但扰动存在时间长，需要平抑扰动的储能装置有充足的容量来满足惯性支撑。综合考虑，压缩空气储能装置可满足长时间内持续出力，超级电容器由于能量密度低，不适合平抑扰动时间尺度较长的低频扰动。由以上分析可得低频扰动时各储能端的惯量表达式为

(10)

式中：H1、H2的含义与式(9)一致，通过对虚拟惯量的合理取值可以满足超容在低频扰动时减小出力，保持自身能量。通过对参数ke、kf的合理调整，可增大在低频扰动时压缩空气储能端的惯性系数，使压缩空气储能在低频扰动时惯性系数增大，有功出力增加，提供系统所需的惯性支撑。

通过以上分析，本文所提的基于灵活虚拟惯性控制的协调运行策略如图7所示。图中f表示系统的频率，a、b表示高频控制和低频控制的判别阈值，df/dt表示系统频率的变化率，分频控制通过改变各储能端的惯量来实现混储系统的协同配合。

图7 分频控制框图Fig.7 Block diagram of frequency division control

3 硬件在环测试结果

为验证所提控制策略可以实现在功率扰动发生时进行分频控制，本文在图8所示的实时仿真实验系统中进行验证，仿真中功率的扰动是通过改变网侧发电机G1的输出功率来实现的。实验系统包括RT-LAB实时仿真器、DSP控制器及上位机。本文所设计的分频控制策略部署在DSP控制器中，含压缩空气储能的混合储能系统模型部署在RT-LAB中，DSP控制器的采样信号和输出脉冲经光电隔离模块与RT-LAB信号端口相连，所得实验波形通过DL850录波仪上进行测量，并通过相应的画图软件做出对比波形。

图8 基于RT-LAB的实时仿真实验系统Fig.8 Real-time simulation experiment system based on RT-LAB

首先对系统进行高频扰动下的仿真验证，初始时刻，系统稳定运行，10 min时对系统施加高频扰动，各储能端的虚拟惯量与有功出力变化情况如图9所示。由图9可得，正常运行时，超容端与压缩空气储能端的惯性系数均为1。在高频扰动发生后，系统进行高频控制，此时超容端的惯性系数迅速变大，有功出力迅速增加来为系统提供惯性支撑，减小功率扰动给系统频率带来的影响。此时压缩空气储能侧的惯性系数变小，进而达到功率输出几乎不变的效果，避免频繁功率波动给系统带来的损耗。

图9 高频扰动时各储能端响应情况Fig.9 Responses of energy storage terminals with high-frequency disturbances

接下来对系统中存在低频扰动时的控制效果进行验证，单独施加低频扰动时的仿真结果如图10所示。图10表明初始时刻系统正常运行，在5 min后系统存在低频扰动。此后，协调控制开始投入运行，系统判别为低频扰动后，根据低频控制策略，此过程中应主要由压缩空气储能出力来平抑功率扰动。由图10(a)可以得到，当扰动发生后，超容侧的惯量急剧减小，压缩空气储能侧的惯性系数随着频率的变化时刻变化，但一直保持为一个较大的数值。图10(b)表示可以通过对虚拟惯量的灵活调节来实现压缩空气储能平抑低频扰动，同时超容减小出力，保持自身能量。图10(c)表示了压缩空气储能对频率的动态支撑性能，系统中只含超容时，超容容量不足时不会参与低频扰动的平抑，此时系统频率的变化比较大，当压缩空气储能参与到低频扰动的平抑中时，系统频率的变化幅度明显减小，表明压缩空气储能可以利用VSG技术为系统频率提供动态支撑。本文所提控制主要以功率扰动频次为划分标准，因此设置的功率扰动主要是频次上的差异。

图10 高频扰动时各储能端响应情况Fig.10 Responses of energy storage terminals with high-frequency disturbances

为了进一步验证所提控制策略可以准确区分功率扰动，实时实现分频控制的效果。对所提控制策略进行进一步仿真验证。本次仿真初始时刻系统正常运行，10～20 min时间内对系统施加低频扰动，20 min以后对系统施加高频扰动，实验结果如图11所示。实验结果显示，通过所提分频控制，10～20 min时当系统存在低频扰动时，压缩空气储能的惯量较大，且随着频率的变化逐渐变化，可以实现虚拟惯量的实时调整，有功出力变化较大，提供系统所需的惯性支撑。同理，在20 min以后系统中存在高频扰动时，压缩空气储能侧的惯量迅速减小，超容侧的惯量增大，超容侧的有功出力增加，而压缩空气储能的有功出力近似不变，此时系统所需的惯性支撑由超容来承担。本次仿真结果验证了所提控制策略可准确区分功率扰动，及时调整各储能端的惯性系数，进而及时改变各储能端的有功出力，有效实现了超级电容平抑高频扰动，压缩空气储能平抑低频扰动的控制目标。

图11 分频控制响应效果Fig.11 Response effect of frequency division control

4 结 论

压缩空气储能可与新能源发电单元协同运行，换流器端口采用虚拟惯性控制可有效提高新能源并网的友好性。压缩空气储能容量大，但响应速度慢，与功率型储能装置超级电容器协同运行，可以相互配合，平抑系统中各类型的功率扰动，为系统提供更加可靠的惯性支撑。本文提出的协同控制可正确区分扰动类别，充分发挥各储能的工作特性，本文主要工作如下：

(1)对于系统中存在的功率扰动，采用高通滤波和平均滤波相结合的方法进行频次上的区分，很好地区分了系统中的高频扰动和低频扰动。

(2)针对压缩空气储能和超级电容器的响应特点，充分发挥虚拟惯量的灵活可控性，制定了分频控制策略。

(3)所提控制策略可有效区分不同频次下的功率扰动，准确地实现分频控制，虚拟惯量协调控制策略可以实现超级电容器平抑高频扰动，压缩空气储能平抑低频扰动，优化储能出力，延长其使用寿命。