含新能源接入的多应急电源组网系统功率自适应控制策略

张 伟，王宇强，武文丽，何晋伟，张雨舟，陈 敏

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.天津大学自动化与信息工程学院，天津 300072；3.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

近年来，国内外发生了不少由冰灾、雪灾、台风、地震等极端灾害导致的大面积长时间停电事件[1]。据统计，2019年全国用户平均停电时间13.72 h/户，其中城市地区4.50 h/户，农村地区17.03 h/户，计划停电占用户总停电时间的59.84%，影响用户平均停电时间为8.21 h/户，故障停电占总停电的40.16%，影响用户平均停电时间为5.51 h/户。作为直接服务于用户的关键环节，提升配电网在特殊场景下的持续运行、故障预测和规避以及故障后的快速恢复能力，对抵御灾害影响、保障人民正常生产生活和维持经济、社会稳定发展具有重要战略意义。因此，有必要对特殊情况下的应急保电措施进行研究，减少电力供应中断导致的经济损失。

国家能源局2018年印发的《电力行业应急能力建设行动计划（2018—2020年）》中提出，要全面加强电力行业应急能力建设，探索电力应急产品、技术和服务综合应用解决方案。目前的应急电源主要采用柴油发电车，但是存在供电成本高、应用场景单一、容量有限等不足，且在多应急电源功率精确控制和无通讯并联等方面存在局限性。

目前，由多应急电源构成的应急供电系统主要采用有通讯线控制和无通讯控制，其中有通讯线控制以集中式控制为主，无通讯线控制以下垂控制为主。无通讯线的下垂控制以其即插即用、成本和复杂程度低等优点成为在应急电源组网控制中的研究热点[2-5]。文献[6-8]提出了不借助分布式电源间或者分布式电源与中央控制器间通讯的条件下，基于全分散理念的适用于各种工作场景的分布式电源自趋优控制方法；文献[9-11]提出了基于本地信息的二次控制实现低偏差的母线频率和电压，然而这类控制方式无法工作在区域功率倒送的情况下，也很难协调移动柴发同步机和新能源逆变器的出力。

为了克服上述情况的不足，通过研究移动柴发同步机和新能源并网逆变器的协调控制，基于下垂控制提出了适用于新能源接入的应急组网系统功率自适应控制策略，在无中央控制器和通讯情况下，通过本地信息实现系统效益最大化的同时实现系统功率的自适应分配。所提的控制策略主要在同步机无通讯下垂控制的前提下，借助新能源并网逆变器在检测输出端的频率信息实现新能源能够在系统不同的负荷功率情况下自适应地调整自身的输出功率，能够很好地均衡系统的经济性和稳定性。通过功率自适应控制策略，利用本地的柴油机、分布式新能源、移动柴发电源车等应急电源快速组建应急电网，通过多类型应急电源协调配合，保证居民用电负荷供电的连续性，降低特殊场景下带来的经济损失。

1 新能源接入的多应急电源组网系统

在应急电源组网系统中，柴发同步机、新能源并网逆变器和用户负荷并联在交流母线。系统中的发电功率和用户负荷实时平衡，多应急电源组网系统的等效电路如图1所示。

图1 多应急电源组网系统Fig.1 Multi-emergency power supply networking system

根据传统下垂控制理论[4]，系统中同步机输出电压和母线电压的相位差θi很小，近似认为sinθi≈θi，cosθi≈1。当连线阻抗呈现感性即 ϕi=90°时，此时柴发同步机输出的有功功率P和无功功率Q可表示为

进一步可以得到柴发同步机的输出功率和系统整体功率的关系式可以表示为

式中：Pi为第i台柴发同步机的输出有功功率；Pmppt为系统中电流源型并网逆变器的总输出功率；Pload为系统的总负载功率。应急供电系统的总负载功率等于柴发同步机输出功率和新能源并网逆变器输出功率之和。在用户负载功率波动时，并网逆变器保持在最大功率点工作，柴发同步机负责维持交流母线电压频率，根据下垂曲线调节输出功率维持系统功率平衡。当用户负载功率小于并网逆变器功率时，由于柴发同步机单向输出功率，在柴发同步机工作在下垂模式的同时并网逆变器工作在有限功率点模式。

2 多应急电源组网功率自适应控制

考虑到新能源接入的多应急电源组网系统中柴发同步机和并网逆变器的功率控制差异，且在特殊场景下用户负荷波动范围大，若并网逆变器始终工作在最大功率点，对柴发同步机而言易工作在轻载模式，极端情况下甚至会出现功率倒送。

在新能源接入的多应急电源组网系统中，为了实现功率自适应分配避免系统功率倒送，提出了基于下垂控制的柴发同步机和并网逆变器的功率自适应控制策略，在维持多应急电源稳定工作运行的同时，实现特殊场景下新能源并网发电的最大化利用，进一步提升系统持续发电能力并降低柴油消耗。

2.1 柴发同步机的无通讯并联下垂控制策略

柴发同步机的无通讯下垂控制不需要集中式控制方式中的微型电网控制中心MGCC（micro-grid control center）和复杂通讯系统，在降低系统成本和复杂度的同时维持系统功率的动态平衡。

该柴发同步机的功率控制策略采用传统的下垂控制方式[12-15]，其中有功频率下垂系数等于系统的所允许的频率偏差比上额定有功功率，无功电压下垂系数等于系统所允许的电压偏差比上额定无功功率，表达式为

式中：P和Q分别为输出有功功率和输出无功功率；Pref和Qref分别为有功功率和无功功率基准值；f和U分别为输出频率和输出电压；f∗和U∗分别为输出功率等于基准值时的频率和电压基准值；m和n为柴发同步机下垂系数，其分别由最大工作频率fmax、最小工作频率 fmin、额定有功功率Pr和最大母线电压Umax、最小母线电压Umin、额定无功功率Qr决定。

相应的控制策略如图2所示。通过传感器检测柴发同步机输出的三相电压电流量，进而基于下垂控制表达式得到调速器和励磁器的频率和电压参考，通过柴发同步机的调速器环节和励磁器环节控制同步机的转速和电压达到给定的参考量。由于柴发同步机并联在公共母线上，其输出电压的幅值和频率保持一致，所以依据下垂曲线柴发同步机均分系统的公共功率和无功功率。

图2 柴发同步机无通讯并联下垂控制策略Fig.2 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

2.2 电流源型并网逆变器的自适应控制策略

光伏、风力等新能源发电系统的并网逆变器常使用最大功率点跟踪控制来实现新能源发电的最大功率输出。

正常情况下，对于同时含有柴发同步机和电流源型并网逆变器的微电网系统，若系统用户负荷功率始终大于并网逆变器的最大输出功率，则分布式柴发同步机依据下垂控制方程调节输出电压幅值频率实现功率均分。而在检修供电、应急及保电、局部黑启动等特殊场景下，应急组网供电系统中用户负荷波动性和随机性强。因此其用电功率会低于系统中新能源发电的最大功率，此时若不对新能源发电功率加以控制，系统将出现功率倒送，柴发同步机无法维持母线电压和系统稳定。

为实现多应急电源组网系统复杂工况下的功率协调优化，提出一种基于电流源下垂控制的功率自适应控制策略，以光伏发电为例其控制框图如图3所示。

图3 电流源型并网逆变器自适应控制策略Fig.3 Adaptive control strategy for current source grid-connected inverter

在柴发无通讯并联下垂控制策略中，系统母线频率和柴发同步机输出功率是一对耦合量。基于并网逆变器检测交流系统的频率，电流源型并网逆变器的功率控制环的控制方程为

式中：Pout为电流源型并网逆变器的实际输出功率；PMPPT为电流源型并网逆变器最大功率点跟踪控制的最大功率点；f为多应急电源组网系统的母线频率；f0为最大功率控制和有限功率控制的频率临界点；fmax为系统设计的最大工作频率；fmin为系统设计的最小工作频率；m′为电流源型并网逆变器有限功率点控制的下垂系数。

由上述的输出功率控制方程可知，当系统的运行频率处于最大功率输出区时，控制电流源型分布式电源工作在最大功率点跟踪控制模式，保证新能源并网逆变器的最大出力；当其运行频率处于输出功率调节区时，控制电流源型并网逆变器的输出功率随频率的增加而减少，且使调节幅度呈线性变化，保证多应急电源组网系统的稳定运行。

多应急电源组网系统中，柴发同步机、并网逆变器的输出功率和负载功率同母线频率的关系为

设系统的频率临界点 f0等于频率基准值 f∗，则包含j台柴发同步机和k台并网逆变器的多应急电源组网系统的负载功率可以表示为

在系统工作频率范围内，电流源型并网逆变器的输出功率如图4（a）所示。当j和k等于1，且频率临界点 f0等于频率基准值 f∗时，多应急电源组网系统中柴发同步机、并网逆变器的输出功率和负载功率同母线频率的关系如图4（b）所示。

图4 电流源型并网逆变器输出功率和系统各应急电源输出功率关系Fig.4 Output power of current source grid-connected inverter,and the relationship between output powers of various emergency power supplies in the system

电流源型并网逆变器的自适应控制策略通过检测输出端口的母线频率，选择功率控制环路中的最大功率点跟踪策略或者有限功率点控制策略，故在无通讯条件下能够实现并网逆变器的功率自适应调节。

综上所述，基于传统微电网中的下垂控制策略，多应急电源组网系统的柴发同步机通过输出功率和频率的线性下垂关系调节系统的母线频率。在多应急电源系统的电流源型并网逆变器中的功率控制环加入下垂控制策略，检测系统的工作频率，判断多应急电源组网系统的负载状态。当系统处于轻载状态时，自动调节并网逆变器的输出功率，使柴发同步机、并网逆变器的输出功率与负载功率相匹配。

3 仿真验证

根据所提出的含新能源接入的多应急电源组网系统功率自适应控制策略，在检修供电、应急及保电、局部黑启动等特殊场景下典型的孤岛交流系统，基于Matlab/Simlink建立了一个由2台柴发同步机和1台电流源型逆变器的多应急电源组网供电系统，如图5所示，并对该系统进行了应急电源投切仿真和负载投切仿真。柴发同步机的调速器和励磁系统分别采用伍德沃德调速器和IEEE Type AC1A励磁系统，并网逆变器为三相全桥电流控制型逆变器。多应急电源组网系统的仿真参数如表1所示。

图5 柴发同步机无通讯并联下垂控制策略Fig.5 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

表1 仿真系统主要参数Tab.1 Main parameters of simulation system

3.1 应急电源投切仿真实验

多应急电源组网系统首先要能实现分布式柴发同步机和新能源并网逆变器的接入，实现分布式的多应急电源系统的组网供电。对于仿真算例，在0～3.00 s时为状态1，系统的初始负荷为480 kW；在3.00～3.76 s时为状态2，系统中DG2开始并机预同步；在3.76～8 s时为状态3，系统中DG1和DG2开始均分负荷；在8～10 s时为状态4，系统中切除负荷至420 kW；在10～16 s时为状态5，系统中100 kW的电流源型并网逆变器接入系统，所得的仿真结果如图6所示。仿真过程中，为验证柴发同步机的下垂控制环在系统有功频率上的影响，多应急电源母线频率变化如图7所示。

由图6可以看到，在多应急电源组网系统中，柴发同步机采用无通寻并联下垂控制后系统有功功率变化曲线。可以看到在状态1～状态4中，柴发同步机投入时系统能够很好的均分系统的功率，在负荷功率波动时，柴发同步机在暂态和稳态的功率都能够实现很好的均分。在状态5中，电流源型并网逆变器接入工作在最大功率点，此时柴发同步机的发电功率进一步降低系统保持稳定。由图7可以看出，柴发同步机和新能源并网逆变器接入后，系统母线频率依据柴发同步机设定的下垂曲线变化，在稳态时系统母线频率保持不变。

图6 多应急电源组网系统有功功率变化曲线Fig.6 Active power variation curves of multi-emergency power supply networking system

图7 多应急电源母线频率变化曲线Fig.7 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply

由以上数据分析可知，柴发同步机的无通讯下垂控制策略在负荷功率大于新能源发电功率时能够很好地实现系统功率的分配。在新能源接入过程和负荷用电功率变化中系统的母线频率工作在49.95～50.05 Hz间，稳态时系统母线频率保持稳定。但是若电流源型并网逆变器未采用自适应控制策略，可知系统无法正常工作在负荷功率小于新能源发电功率的情况下，需进一步对新能源并网逆变器的控制策略进行设计。

3.2 应急电源投切仿真实验

多应急电源组网系统在负荷功率大范围波动时，要能够在不同负荷功率情况下系统的功率自适应分配。对于仿真算例，在0～3.00 s时为状态1，系统的初始负荷为480 kW；在3.00～3.76 s时为状态2，系统中DG2开始并机预同步；在3.76～8.5 s时为状态3，系统中DG1和DG2开始均分负荷；在8.5～11 s时为状态4，系统中增加负荷至960 kW；在11～13 s时为状态5，系统中100 kW的电流源型并网逆变器接入系统；在13～16 s时为状态6，系统中减少负荷至480 kW；在16～20 s时为状态7，系统中减少负荷至240 kW，所得的仿真结果如图8所示。仿真过程中，为验证新能源并网逆变器自适应控制策略引起的负荷变化过程中多应急电源组网系统的频率变化，多应急电源母线频率变化如图9所示。

图8 自适应策略下多应急电源组网系统有功功率变化曲线Fig.8 Active power variation curve of multi-emergency power supply networking system under adaptive strategy

图9 自适应策略下多应急电源母线频率变化曲线Fig.9 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply under adaptive strategy

图8和图9中的状态1～状态5与应急电源投切仿真实验的工作状态一致。从状态5到状态6的切换过程中，系统母线频率从49.965 Hz变换到50.01 Hz，其中并网逆变器的输出功率从100 kW降低至80 kW；从状态6到状态7的切换过程中，系统母线频率从50.01 Hz变换到50.03 Hz，其中并网逆变器的输出功率从80 kW降低至40 kW。可以得出系统的运行频率和应急电源输出功率的关系负荷系统多应急电源自适应功率控制策略。

基于多应急电源的自适应功率控制可以实现无通讯条件下用电负荷全范围变换情况下的功率自适应分配，解决了原来并网逆变器最大功率点跟踪下可能出现向柴发同步机倒送功率的问题。

4 结语

本文所提含新能源接入的多应急电源组网系统功率自适应控制策略在负荷的多个状态下得到了仿真算例验证，结果表明包含柴发同步机和新能源并网逆变器的功率自适应控制方法能够实现多应急电源在无通讯的条件下自适应的分配系统功率。在轻载情况下，自适应限制新能源并网逆变器的并网输出功率始终保持系统功率平衡防止出现系统功率倒送的情况，并为现阶段普遍出现的节点功率倒送问题提供了重要的参考解决方案。

在下一阶段，将进一步考虑自适应功率控制策略在复杂多应急电源系统的协调控制效果。由于多应急电源组网系统中连线阻抗的复杂性以及应急电源自身控制模式的多样性，后续研究需要考虑不同的电压源型和电流源型逆变器的差异以及电力电子变换器和同步机在惯性的区别，改进该系统的自适应功率控制策略，增强控制策略的适用能力，实现在复杂工况下多类型应急电源的组网供电。