孤岛模式下的微电网低频减载策略分析

孤岛模式下的微电网低频减载策略分析沈!臣!!$!顾!伟!!$!吴!志!!$!!D东南大学电气工程学院江苏省南京市$!#F’$D伺服控制技术教育部工程研究中心江苏省南京市$!#F#摘要$文中提出了一种微电网在孤岛模式下的低频减载策略总结了各种分布式电源的特性!建立了由双馈风电机组#光伏发电系统#燃料电池发电系统#微型燃气轮机发电系统#蓄电池及局部控制器组成的微电网的动态仿真模型探讨了孤岛模式下微电网的频率控制架构!以及系统频率变化率#等效转动惯量与有功缺额之间的关系!并据此提出了估算微电网扰动后有功缺额的方法和相应的低频减载策略基于所构建的微电网!论证了以试验方式获取微电网等效转动惯量的可行性时域仿真结果表明!所提出的低频减载策略可以快速#可靠地恢复微电网的频率稳定性关键词$微电网$孤岛模式$频率控制$低频减载$等效转动惯量收稿日期%$!’!’$!$修回日期%$!!’!’$G国家自然科学基金资助项目&G#H&!F#H%MF(!!引言随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注可再生能源的接入越来越受到世界各国的普遍重视&微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式其组成部分包括不同种类的分布式电源!例如微型燃气轮机发电系统%风电机组%光伏发电系统%燃料电池发电系统%储能设备等#%各种电负荷和!或#热负荷的用户终端以及相关的监控%保护装置&微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换双方互为备用提高了供电的可靠性(!’$)&频率稳定对于微电网的稳定运行具有重要意义(M’G)&在与大电网相连的并网运行模式下微电网的频率受大电网控制分布式电源按指定目标发出一定的有功和无功’当与大电网断开进入孤岛运行模式时微电网的频率需由自身控制&由于此时微电网是个独立的小系统等效转动惯量很小少量的功率波动将引起显著的频率偏移且各分布式电源采用小规模分散接入方式波动性%随机性较传统大电网的集中接入方式明显得多&因此微电网必须配置一定比例的储能单元以维护系统频率的稳定性但这并不能完全解决微电网的频率稳定问题当微电网出现较大程度的有功缺额时低频减载仍是必不可少的控制手段&关于低频减载文献(F)提出一种基于比例+积分+微分!(V^#的控制算法并分别采用粗调轮%细调轮和紧急启动轮的微电网低频减载策略&此策略尽量细化被切负荷的量避免实际被切量与应切量之间差距过大&文献(H)采用多代理系统控制架构当微电网出现紧急情况时通过各代理的信息交互采取相应的动作以保证微电网的频率稳定&但文献(F’H)都没有提出定量准确计算有功缺额的方法&文献(&’!$)提出基于频率变化率和转动惯量估算有功缺额的方法在紧急情况下可以实施较准确的低频减载策略以恢复系统频率但上述研究都是针对大电网进行的&针对孤岛运行模式下的微电网本文提出了通过试验方法获取系统等效转动惯量的方法并进一步提出了根据频率变化率和等效转动惯量估算有功缺额的方法和相应的定量低频减载策略&!微电网的动态仿真模型微电网中包含各种分布式电源例如风电机组%光伏发电系统%微型燃气轮机发电系统%燃料电池发电系统和储能设备&这些分布式电源特性不一由局部逆变控制并网共同支撑微电网的运行&本文构建的典型微电网系统如图!所示&图#!微电网结构%&’(#!:0/7507/,-2)&5/-’/&8+H%+第MG卷!第#期$!!年G月!日J1:DMG!71D#B,R!$!!该微电网系统包含$HGIJ9的风电机组%M!IC的光伏阵列%$IC的燃料电池堆%GIC*@的蓄电池%%IJ9的微型燃气轮机和MIJ9的同步调相机以及负载&微电网额定电压为M&J&在B9UP9?,=4-/:4+I中建立该微电网仿真模型进行各种仿真研究&D!双馈风电机组双馈感应发电机!^[V5#的定子直接馈入电网转子通过变频器馈入电网可在较大转速范围内运行与电网之间实现能量的双向传输&双馈风电机组主要由叶片%轮毂%齿轮箱%联轴器等传动装置和^[V5及控制系统组成&双馈风电机组通过叶片捕获风能将风能转换为作用在轮毂上的机械能捕获的机械功率为(!M)$!L?T(T4+!$!’,#.-TMT4+/T(T+L3T+/T(T1/8T0T)*+1/8!!#式中$为风电机组风能利用系数’’为叶尖速比’,为桨叶节距角’T为风速’T4+T+T1/8分别为风电机组的启动风速%额定风速和切出风速’-为风电机组桨叶扫掠面积’.为空气密度&D#!光伏电池光伏电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置模型描述如下(!%)&在任意光照强度P和环境温度,,条件下光伏电池温度,0为$,0?,,CK0P!$#式中$P为光伏电池阵列倾斜面上的总光照强度’K0为光伏电池模块的温度系数&设在参考条件下#0为短路电流]10为开路电压#-和]-为最大功率点电流和电压则当光伏电池阵列电压为](J时其对应点电流#(J为$#(J?#(0!B!!)](JB+]$]10B#)!C+#!M#式中$!!?!B#-##0)B]-$]10$?]-]10B!!:+!B#-##0+#?/PP*)L+,!CPP*)LB#!#0+]?B,+,B_=+#+,?,0B,*)LP*)L为光照强度参考值一般取为!IC,-$’,*)L为环境温度参考值一般取$Gv’/为在参考光照强度下电流变化温度系数’,为在参考光照强度下电压变化温度系数’_=为光伏电池模块串联电阻&光伏电池内部仿真结构图见附录9图9!&D$!微型燃气轮机微型燃气轮机是指功率在数百千瓦以下的以天然气%甲烷%汽油%柴油为燃料的超小型燃气轮机&微型燃气轮机的转速很高频率很大因此不能直接连接到电网上需要通过92,^2变换成直流之后再通过^2,92变换成交流并网&本文采用的是B9UP9?,=4-/:4+I,6)-1中自带的柴油机模型&D%!燃料电池和储能装置燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的装置&本文采用的燃料电池的内部仿真结构见附录9图9$包括电化学模块%热量平衡模块%浓差极化和欧姆极化模块(!G)&目前的储能方式有蓄电池储能%电容器储能%飞轮储能以及超导电磁储能等本文的储能装置采用铅酸蓄电池&D&!局部控制器微电网中电源控制包括L;7控制和];’控制&通过L;7控制可让分布式电源输出指定的有功和无功控制模块框图见附录9图9M&通过];’控制可调节分布式电源或负载的接口电压%频率使其稳定在参考值附近控制模块框图见附录9图9%(M’%!F’!H)&并网运行时微电网频率由主网控制各分布式电源运行在L;7控制模式下发出指定的有功和无功’孤岛运行时微电网中的一个或多个分布式电源由L;7控制转为];’控制为微电网提供电压和频率参考&本文中在孤岛模式下微电网中的微型燃气轮机工作在];’控制模式下为微电网提供电压和频率参考(!H;!&)其他分布式电源可以在L;7控制模式下分配功率需求&#!孤岛模式下的微电网频率控制#D!频率控制架构对于孤岛模式下的微电网当内部总负荷突然增加或某些分布式电源出力降低时会导致频率的快速下降在所有分布式电源的出力达到最大限度而频率依然下降的情况下就要进行低频减载按负荷的重要性从小到大依次切除以达到有功平衡的目的&图$为孤岛模式下微电网的频率控制流程&+&%+$!!MG!##!图!!孤岛模式下微电网的频率控制流程%&’(!!%/,Y7,15B5-10/-*2*-65;)/0-2)1&+*)18,8&5/-’/&8微电网没有大容量同步发电机组只有小容量分布式电源因此转动惯量小在出现有功不平衡时频率变化幅度和速度都较大准确迅速获得有功不平衡量进而进行低频减载是保证微电网安全运行的关键&#D#!低频减载策略低频减载是防止电力系统频率崩溃的最后措施&一个低频减载方案应具有可靠性%简单性%有效性%快速性和健壮性(!)&一般来说有功缺额越大频率下降越快&同步发电机的转子运动方程如下$$3&’+6’&6K?LB&BLc&?+L&!%#式中$3&为惯性时间常数’’&为频率’’+为额定频率’LB&为机械功率’Lc&为电磁功率&如果知道每一台发电机的3&再根据事故后频率变化率6’&,6K就可以估算出每台发电机的瞬时功率不平衡量+L&求和后就可得到整个系统的功率不平衡量$+L?$!&?!+L&?$!&?!$3&’+6’&6K!G#!!大电网中常规机组的3&可以根据厂商提供的数据获得或基于测量的参数辨识获得精确数值&微电网中分布式电源种类繁多同类电源的型号和参数也差距较大目前尚无法获得所有电源的精确转动惯量常数&因此需要在已建立的微电网中进行功率缺额试验检测在不同功率缺额下微电网的频率变化率在综合各个试验结果之后方能确定当前微电网的等效3值&初步假设在微电网中L,’变化满足以下等式$$3’+6’6K?$V&?!L5&B$)@?!LP@?+L!F#式中$3为等效惯性时间常数描述整个微电网的等效转动惯量’L5&为微电网中第&个分布式电源发出的有功’LP@为微电网中第@个负载消耗的有功’+L为微电网中的有功缺额即为要切的负荷量&需要说明的是式!F#是本文提出的假设至于微电网是否满足该假设有待进一步仿真验证&图M所示为切负荷方案示意图除了需知道切负荷量之外还需要有切负荷的优先顺序&动态数据库根据微电网的负荷情况实时更新数据主要包括负荷的重要性和电气特性(!#’$)&综合以上信息后切负荷动作方能进行并将效果最优化&图9!切负荷方案%&’(9!U-)8J+;,88&1’+5;,,$!孤岛模式下微电网低频减载的仿真验证在B9UP9?,=4-/:4+I中搭建如图!所示的微电网系统作为本文研究和测试的仿真平台&由于仿真时间较短!不超过G#在未作出特殊说明的情况下假设外部环境!如风速%温度及光照强度#在短时间内无变化&$D!通过试验确定微电网的等效惯性时间常数1由式!F#可知要想估算出需切负荷的量必须预先知道微电网系统的等效惯性时间常数3&本文采用试验方法测量3针对孤岛模式下的微电网设计如下仿真场景&场景!$微型燃气轮机采用];’控制其他分布式电源均采用L;7控制在某处人工投入负荷!$GIC&场景$%场景%$分别把投入负荷的量增加到!GIC!HGIC$IC&在这%种场景中微型燃气轮机的额定容量均为%IJ9在负荷投入之前都是发出MGIC的有功功率&微电网中其他分布式电源全部参与运行以求出在这种情况下微电网的等效惯性时间常数3&+#%+智能电网研究***微电网技术专题!沈!臣等!孤岛模式下的微电网低频减载策略分析根据%种场景的描述分别进行仿真如图%所示为%种场景下的频率变化曲线&由图中可以看出当微电网系统出现有功缺额时频率先下降随即又上升一小段这是因为微型燃气轮机工作在];’控制模式下当出现功率缺额时会增发功率以填补功率缺额但是由于功率缺额大于其增发能力因此频率又进一步下降&%种场景的功率缺额渐次递增频率下降速率随之递增&图!种试验场景的频率变化曲线%&’(!%/,Y7,15B57/R,+-25)+,#!图G是%种场景下的频率变化率曲线&可以看出与图%对应当频率进入稳定下降阶段时功率缺额越大对应的6’,6K的绝对值越大&扰动发生D!%后即KqD%%后微电网系统的频率趋于稳定下降因此选择D%%%D%G时间段内的频率下降速率平均值进行计算&表!给出了各试验场景下的频率变化率6’,6K及等效惯性时间常数3的计算结果&需要说明的是根据式!F#计算3时+L应是投入负荷的量减去微型燃气轮机可以增发的裕度这里的裕度是%ICTMGICqGIC&图L!种试验场景下的频率变化率曲线%&’(L!K;,82+8357/R,+-25)+,#!表#!种试验场景下的82+83和1计算结果K)3(#!$)*57*)0&-1/,+7*0+-282+83)1812-/5)+,#!场景6’,6K+L,IC3!DH%M#HGD$G$$D#H#M!D$GGM!D$&HM!$GD$%$H%!DG!$!GD$%&M注$计算3时取微电网系统的基准容量1?q!BC&由表!可以看出不同功率缺额下得出的3值基本相等可以判定将式!F#应用于微