飞轮锂电池混合储能系统的VSG控制策略

薛 易, 李天意, 吴立涵, 龙腾飞

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着新能源的不断并网,在新能源发电中对功率、电压和频率的稳定方面迎来了新的挑战。在实际运行中风电场的波动很大。大范围的风电并网,明显影响了电力系统发展的稳定性。为了保证电网在运行过程当中具有一次调频的功能,虚拟同步发电机控制策略在电网调频中起到了非常重要的应用。VSG在并网运行时,需要先建立机端电压,并通过预同步单元和电网同步来实现。当VSG的机端电压与并网电压相等时,再进行合闸并网,这一策略步骤较为复杂。王琳等[1]提出优化设计方法,面向频率稳定的虚拟同步化微电网,调节虚拟惯量和阻尼参数,以提升系统频率稳定性。渠省委[2]提出经最优阻尼比的VSG。实现的方法是结合VSG的转子运动方程,分析其转动惯量和阻尼对整个系统的影响。白长云[3]指出新型在虚拟惯量与阻尼的基础上形成的模糊辅助控制策略,通过对频率与功率的变化设定相应的模糊规则。薛易等[4]提出改进的交直流混合电网VSG协调控制策略,对比分析了交流微电网的VSG控制策略。侯倩[5]研究了一种风电场功率通过小波包分解,得到目标功率和储能系统的补偿功率,利用双层模糊控制优化充放电指令控制策略。聂职颖等[6]通过对不同频率的风电进行不同储能类别的控制,采用储能系统的寿命作为限制条件,获得超级电容和电池储能的混合储能最佳配置方案。樊千惠等[7]提出有关强化VSG虚拟惯性的控制策略,通过分析VSG及飞轮的相关状态,调节虚拟惯量的大小。毕亮[8]在储能辅助风电参与电网一次调频的基础上,研究了常规控制策略。上述研究并未提及VSG对混合储能系统综合控制达到波动平抑效果的应用。

笔者主要对VSG通过飞轮蓄电池综合控制,实现对频率波动和电压波动的调节。

1 直流微电网结构

典型的直流微电网结构如图1所示。在直流微电网中,直流母线通过交变装置和风电场与电网相连接。飞轮蓄电池储能系统分别通过变换器和直流母线连接,实现波动的调节。

图1 直流微电网结构Fig. 1 DC microgrid structure

2 VSG数学模型

VSG的模型存在4个部分:定子电气方程、励磁控制环节、转子运动方程、原动机调节,数学模型为

Ud=Ed-Rid+ωLid,

Uq=Eq-Riq-ωLid,

式中:ω——角速度;

J——转动惯量;

Tm、Te——机械转矩和电磁转矩;

D——阻尼系数;

R——定子电阻;

L——定子电感;

θ——输出电角度;

ω0——VSG额定角速度;

ωg——电网电压角速度;

Eq、Ed——三相内电势;

Ud、Uq——三相机端电压dq分量;

id、iq——定子电流的dq分量。

机械转矩Tm能够对原动机调节,其表达式为

式中:Kf——调频系数;

Pref——有功功率指令。

Ed通过励磁控制环节计算为

式中:E0——空载电势;

KPQ、KIQ——无功闭环PI参数;

Qref——指令值;

Q——VSG无功功率;

Ku——调压系数;

Uref——额定机端电压;

Um——机端电压幅值。

2.1 改进定子电气方程

传统VSG采用三相输出电流的dq分量,根据上述进行定子电气方程的输入,但需要三相电流传感器采集ia、ib、ic的值,提高运行成本。改进的定子电气方程利用系统稳态时外环输出dq指令,作为定子电气方程的输入电流[9]。

式中:KPV、KIV——电压外环PI参数;

idref、iqref——PI调节器输出电流。

通过这些数据能够得出,有功功率和无功功率的计算公式为

综上,在对VSG控制框图进行修改时,不需要采集并网电流,仅需采样三相电网电压。输出参数不是很复杂,只需要准备VSG模型生成的电流指令和角度,可实现VSG的独立运行,且仅采集电网电压可跟踪频率。如果电网中的频率以及VSG中频率达到一致,这时有功功率和无功功率指令需要为0,实现对电压相位的跟踪。定子电气控制与转子运动控制如图2和3所示。

图2 定子电气控制Fig. 2 Stator electrical control

图3 转子运动控制Fig. 3 Rotor motion control

2.2 稳定性

VSG输出的有功功率为

(1)

式中:Ug——电网电压幅值;

Z——虚拟定子阻抗;

α——虚拟定子阻抗角。

Z和α满足关系可以表示为

(2)

式(2)中,有功功率在δ处进行小信号扰动,可以得到以下关系:

(3)

因为在实际运算过程当中,Δδ通常很小,所以近似可以认为sin Δδ=Δδ,cos Δδ=1,所以根据式(1)～(3)可得:

(4)

根据图3和式(4),将原动机的变化量ΔPm为输入,将ΔP作为输出,得到VSG小信号分析模型,如图4所示。

图4 VSG小信号分析模型Fig. 4 VSG small signal analysis model

令ωg与ωn相等,可以得到VSG小信号分析模型传递函数为

2.3 控制策略

考虑到实际应用中飞轮储能参与一次调频的作用时间短,蓄电池参与一次调频作用时间长,基于此,将蓄电池参与一次调频,飞轮参与调压过程,仿真过程当中,蓄电池作用于低频分量,飞轮作用于高频分量,为达到将高低频分量分离效果,使蓄电池尽可能参与一次调频,所以在VSG中加装一阶高通滤波器,通过滤波,使高频分量由飞轮承担并参与调压任务,低频分量由蓄电池承担,参与一次调频。

3 飞轮储能系统

飞轮储能具有能量密度和转换效率高、耐用、充电快、耐温度变化,具有可深度放电等特点,快速响应电网电压。飞轮储能在波动时提供瞬时能量支撑,且在稳态下与外界无能量交换,因此是更佳的选择[10]。

飞轮能量储存系统通过控制与飞轮相连的永磁同步电机,以实现能量储存在旋转刚性块上进而加速或减速。保障完成能量的转换,实现能量的储存和释放。旋转的飞轮储存的能量的表达式为

(5)

式中:Jf——飞轮转动惯量;

ωf——飞轮角速度。

由式(5)可知,飞轮储能单元在运行的过程中,存储能量的高低与否,通常和飞轮角速度平方存在一定的联系,两者之间成正比例关系,并且和对应的飞轮旋转惯量,同样成正比例关系。如果飞轮电机转矩在整个过程中,和飞轮旋转的方向相同,这时,飞轮的旋转速度会进一步加快,将电能改变成对应的动能进行储存,也就是所谓的充电;相反,如果和飞轮旋转方向不一致,飞轮的旋转速度就会减慢,把动能改变成对应的电能,也就是所谓的放电。

当飞轮角速度变化在最小转速ωfmin达到最大转速ωfmax相互变换时,飞轮最大吸收和释放能量为

(6)

4 蓄电池储能系统

锂电池被分为两种类型,锂离子电池和锂聚合物电池,锂聚合物电池能量高,但需加保护板,适用范围较小。锂离子电池则能量/比功率高、自放电率小、寿命长、环保,常用的有钴酸锂、镍钴锰锂、锰酸锂和磷酸铁锂,其中,磷酸铁锂原料丰富、价格成本低、比容量高、环保性能高以及安全性高,文中选用该锂电池。

锂电池储能可等效为一阶惯性环节。文献[11]验证了该模型用于电网调频的有效性,因此,文中采用其策略,其传递函数为

(7)

式中,TB——锂电池惯性时间常数。

5 仿真与结果分析

利用仿真平台搭建如图1所示的混合微电网模型,其中,直流母线电压1 500 V,滤波电感1 mH,额定线电压690 V,滤波电容20 μF,开关频率16 kHz,蓄电池额定容量40 Ah,阻尼电阻0.5 Ω。

工况一:从0 s仿真开始,电网频率在1～2 s内上升0.5 Hz,2 s电网频率恢复,仿真结果如图5所示。工况二:从0 s仿真开始,电网频率在1～2 s内下降0.5 Hz,2 s电网频率恢复,仿真结果如图6所示。工况三:从0 s仿真开始,电网电压在1～2 s内上升1%,2 s电网电压恢复,仿真结果如图7所示。工况四:0 s仿真开始,电网电压在1～2 s内下降1%,2 s电网电压恢复,仿真结果如图5～8所示。

图5 频率上升0.5 HzFig. 5 Frequency rise 0.5 Hz

由图5可以看出,电网频率1～2 s内上升0.5 Hz,电网为了维持频率恒定,图5a是蓄电池参与一次调频,蓄电池输出功率50 kW,来平衡电网频率下降带来的暂态影响。图5b中飞轮由于不参与一次调频,由于惯性的影响,飞轮有一个短期的功率响应环节,维持在稳定状态。图5c为风电场输送功率,其中取恒风速11 m/s。图5d中是网侧功率的变化图,由图5可知,当1～2 s时,由于频率短时间的变化,有短暂的功率波动,最终趋于稳定。

图6 频率下降0.5 HzFig. 6 Frequency drop 0.5 Hz

图7 电压上升10%Fig. 7 Voltage rise 10%

由图6可以看出,电网频率1～2 s内下降0.5 Hz,电网为了维持频率恒定,图6a是蓄电池参与一次调频,蓄电池吸收功率50 kW,来平衡电网频率下降带来的暂态影响。图6b为飞轮不参与一次调频,由于惯性的影响,飞轮有一段短期的功率响应环节,最终维持在稳定状态。图6c为风电场输送功率,其中取恒风速11 m/s。图6d是网侧功率的变化图,由图可知,当1～2 s时,由于频率短时间的变化,有短暂的功率波动,最终趋于稳定。

由图7可以看出,电网电压上升10%,图7a、b分别是并网侧电压电流的波动变化,1～2 s,电压上升,电流下降。图7c为风电场输送功率。图7d是网侧无功功率, 1～2 s内,电压上升,为了维持电压稳定,系统输出无功功率105Var,2 s时,电压趋于稳态,无功功率恢复正常。

图8 电压下降10%Fig. 8 Voltage drop 10%

由图8可以看出,电网电压下降10%,图8a、b分别是并网侧电压电流的波动变化,1～2 s,电压下降,电流上升,图8c为风电场输送功率。图8d是网侧无功功率, 1～2 s内,电压下降, 为了维持电压稳定,系统吸收无功功率105Var,2 s时,电压趋于稳态,无功功率恢复正常。

6 结 论

(1)在频率调节方面,当系统的频率上升0.5 Hz和下降0.5 Hz的工况下,蓄电池在1～2 s之内有效地进行了功率输出和吸收,分别输出和吸收了50 kW,2 s之后的频率为49.995 Hz,在误差0.5 Hz范围之内,实现了频率的良好平抑。

(2)在调压方面,当系统的电压上升10%和下降10%的工况下,飞轮在1～2 s之内有效地进行了功率输出和吸收,分别输出和吸收了105 Var,2 s之后的电压为545 V,在误差10%范围之内,实现了电压的良好平抑。充分发挥了飞轮和蓄电池的综合响应的优势,结果表明,该策略具有良好的响应特性。