主辦方邀請(qǐng)到上海電力大學(xué)趙晉斌教授就“儲(chǔ)能電站虛擬同步機(jī)控制方法研究與應(yīng)用”做主題報(bào)告，以下為其報(bào)告主要內(nèi)容。
趙晉斌
我前面也聽了一下，大家可能對(duì)做電池本體和電池的應(yīng)用說(shuō)的多一點(diǎn) 我更偏重于研究?jī)?chǔ)能變換裝置。接下來(lái)把我們做的內(nèi)容做一些匯報(bào)，我的題目是“儲(chǔ)能電站虛擬同步機(jī)控制方法研究與應(yīng)用”。
我們講的內(nèi)容是三個(gè)方面，第一個(gè)問題是研究背景。第二個(gè)是關(guān)鍵技術(shù)。第三個(gè)是展望。
在講之前我們都要講一下我們的研究背景，截至2018年底，我國(guó)峰巔并網(wǎng)峰巔并網(wǎng)容量達(dá)到1.84千瓦，光伏并網(wǎng)容量達(dá)到1.75億千瓦，規(guī)模均居世界首位。高比例新能源成為未來(lái)電網(wǎng)的重要特征。那么存在的問題是主動(dòng)支撐電網(wǎng)的能力缺失怎么辦?我們知道它不具備根據(jù)機(jī)端頻率合電壓信號(hào)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)的能力，比如說(shuō)慣量支撐和一次調(diào)頻和主要跳崖能力等主動(dòng)支撐能力比較弱一點(diǎn)，但是我們說(shuō)新能源的二次調(diào)頻和二次調(diào)壓可能在某些方面可以去支持。
會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)
我們現(xiàn)在虛擬同步機(jī)是什么?虛擬同步機(jī)技術(shù)通過在變換器控制環(huán)節(jié)中模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制，使新能源發(fā)電設(shè)備具備主動(dòng)支撐電網(wǎng)能力，由“被動(dòng)調(diào)節(jié)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)支撐”，當(dāng)然前提條件是我前面接的源是好的?，F(xiàn)在我們來(lái)說(shuō)你這個(gè)儲(chǔ)能建的大，我們所需資金太高，但是你可以借助與光、風(fēng)等能源來(lái)進(jìn)行互補(bǔ)。
我們知道以前做電網(wǎng)，大電網(wǎng)的電壓都是由它來(lái)決定的。但是我們一般的光伏只要輸入最大功率就可以了。那么這個(gè)東西能不能支撐?不一定的。我們通過這個(gè)圖可以看出虛擬同步機(jī)直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)維持直流母線電壓的穩(wěn)定和系統(tǒng)功率平衡起著關(guān)鍵作用。儲(chǔ)能單元作為功率緩沖單元通過控制逆變器的不同運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)和虛擬同步機(jī)之間的交互影響，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。
接下來(lái)我們要考慮SOC特性的微電網(wǎng)VSG運(yùn)行參數(shù)邊界的分析，我的虛擬機(jī)首先要考慮到儲(chǔ)能可以提供多少能量，我才可以讓我的虛擬機(jī)做一個(gè)控制來(lái)做選擇，然后我必須要給它配置一定比例的儲(chǔ)能單元以及提供慣性功率，因此儲(chǔ)能的荷電會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能產(chǎn)生的影響。然后分析VSG各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及對(duì)儲(chǔ)能充放電功率的影響。第一，我們需要通過模型的建立，得出以保護(hù)儲(chǔ)能為目標(biāo)的實(shí)時(shí)功率限值。也就是說(shuō)這個(gè)我可以通過SOC進(jìn)行舉例。一般來(lái)說(shuō)蓄電池在某一SOC的情況下，需充放電的雙向特性使得蓄電池具有不同的充放電功率的限值，因此VSG控制參數(shù)在便捷里面會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，我們會(huì)有一個(gè)放電限值和充電的限值。
那么現(xiàn)在是慣量問題，它對(duì)我們的輸出率有什么影響?慣量減小，蓄電池輸出功率上升。如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大的話，它的頻率變化速度和變化量就會(huì)減小，頻率改善效果增強(qiáng)。
下面我們要考慮的是導(dǎo)入靜態(tài)轉(zhuǎn)子和虛擬調(diào)節(jié)閥的虛擬同步機(jī)控制，我的儲(chǔ)能的種類比較多樣化，因?yàn)槲业膬?chǔ)能的特性是不一樣的，也就是說(shuō)我們一般要考慮超級(jí)電容和鋰電池甚至是一些其他儲(chǔ)能的截至，一般來(lái)說(shuō)超級(jí)電容可以非常短的時(shí)間來(lái)響應(yīng)輸出率的需求。但是功率的密度和能量密度之間產(chǎn)生了矛盾，如果純粹靠電池那是可以的，但是我們一旦選擇一個(gè)最佳的，怎么選?所以我們就考慮到超級(jí)電容和鋰電怎么融合?我可以通過鋰電容量的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的效果。我們通過分析VSG的暫態(tài)響應(yīng)過程，可以分解出不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的轉(zhuǎn)子慣性功率和調(diào)節(jié)閥功率。這樣就引入了鉛酸蓄電池和超級(jí)電容，通過反饋不同的參考量使得不同特性的靜態(tài)儲(chǔ)能模擬旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和機(jī)械調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)。
這個(gè)是我們跟傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的對(duì)比，這樣看可能更清楚一點(diǎn)，可以看到調(diào)節(jié)閥起到什么樣的作用。我們一般來(lái)說(shuō)輸出電功率表現(xiàn)出二階振蕩特性，調(diào)節(jié)閥功率表現(xiàn)出一階慣性特性，轉(zhuǎn)子慣性功率表現(xiàn)出振蕩衰減特性。調(diào)節(jié)閥功率變化速度較慢，沒有超調(diào)量，對(duì)響應(yīng)速度要求不高。而轉(zhuǎn)子慣性功率響應(yīng)快同時(shí)振蕩幅值比較大，但是暫態(tài)時(shí)間短釋放的容量較小，因此在儲(chǔ)能配置時(shí)需要更關(guān)注功率密度。
下面我們看一下不同儲(chǔ)能類型有什么特點(diǎn)，比如說(shuō)不同蓄電池充分方法電倍率、不同蓄電池階躍響應(yīng)，可以看到可將一定容量的鉛酸電池及控制器等效為調(diào)節(jié)閥作為虛擬調(diào)節(jié)，超級(jí)電容可以代替發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為靜態(tài)轉(zhuǎn)子。這個(gè)是我們自己所提出來(lái)的，這個(gè)是我們發(fā)表的一個(gè)系列，其實(shí)我們當(dāng)時(shí)沒有做虛擬機(jī)，我們知道新能源接入最大的一個(gè)問題是電流元和電壓元的問題，因?yàn)槟愕拇笙到y(tǒng)是電壓元，我接進(jìn)去以后可能不會(huì)支持電壓。所以我們當(dāng)時(shí)考慮的像UPS一樣，兩個(gè)接入嘛，并嘛，這樣算是間接增強(qiáng)了，所以這是我們當(dāng)時(shí)考慮了入網(wǎng)電壓控制器。我們當(dāng)時(shí)考慮利用軸壓調(diào)節(jié)的輸出電壓和內(nèi)阻抗控制換，它包含了四個(gè)環(huán)路：調(diào)壓軸控制換、輸出電壓控制換、并網(wǎng)電流前饋環(huán)、濾波器電容電流補(bǔ)償環(huán)。第三張圖片是帶軸壓調(diào)節(jié)的頻率控制單元，就是說(shuō)是單向鎖相環(huán)，特增加了調(diào)頻軸用于改變逆變器輸出頻率。
這個(gè)是我們當(dāng)時(shí)做的在有功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，Tf決定了其振蕩頻率，Kf決定了其振蕩衰減速率。隨著Tf增大，VIA定效轉(zhuǎn)子量J增大，振蕩頻率較大。隨著Kf增大，其等效阻尼D增大，振蕩衰減速率變起。因此我們?cè)诨A(chǔ)上做了不同電網(wǎng)電壓下采用自適應(yīng)控制策略前后的有功輸出分析，分析結(jié)論是未采用比例系數(shù)自適應(yīng)控制策略前，逆變器在不同無(wú)功輸出以及不同電網(wǎng)電壓下，逆變器有功輸出與有功指令的偏差均迅速減小，最終穩(wěn)定在功率指令值2kW附近，因此我才能實(shí)現(xiàn)比較好的并網(wǎng)。這樣它存在兩個(gè)問題：1.電壓型逆變器直接并網(wǎng)瞬間存在較大沖擊電流。2.基于一次同步調(diào)節(jié)和二次調(diào)頻調(diào)節(jié)和預(yù)同步并網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)離并網(wǎng)無(wú)縫切換，抑制并網(wǎng)電流沖擊。這個(gè)是我們整個(gè)同步調(diào)節(jié)單元控制的框圖(圖示)
這個(gè)是我們?yōu)榱俗霾煌r的同步圖，這個(gè)是我同步指令前到同步過程的兩個(gè)并網(wǎng)，大家可以看到它影響大不大，這樣我要考慮我的電網(wǎng)電壓是200V，50Hz工況下同步過程實(shí)驗(yàn)波形。還有一個(gè)問題是當(dāng)電壓電網(wǎng)是240V，55Hz的情況下同步過程實(shí)驗(yàn)波形，相對(duì)來(lái)說(shuō)它會(huì)受到一些界限的影響，它的效果會(huì)差一點(diǎn)，但是沖擊是沒有的，這是我們當(dāng)時(shí)做的一個(gè)分析。也就是說(shuō)，盡管同步開始時(shí)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)在幅值、頻率、相角方面均有較大差異，所涉及的同步控制策略能夠正常工作，使逆變器輸出向電網(wǎng)電壓逐步不僅。無(wú)論是同步控制啟動(dòng)或者是并網(wǎng)開關(guān)閉合，均未造成明顯暫態(tài)沖擊，實(shí)驗(yàn)效果良好，符合并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。
我們還做了一個(gè)功率控制，我們做了一個(gè)逆變器PQ控制策略，使逆變器基本實(shí)現(xiàn)功率的自主管理而且具備一次調(diào)壓調(diào)頻特性。這個(gè)PQ控制策略實(shí)現(xiàn)了逆變器與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率交換，同時(shí)通過下垂機(jī)制可以有效的調(diào)節(jié)有功和無(wú)功輸出，可以使它參與到微網(wǎng)的電壓頻率調(diào)節(jié)，為電網(wǎng)提供一定的頻率和電壓支撐，這個(gè)是我們一直強(qiáng)調(diào)的，只要我可以提供支撐，因?yàn)橐院蠓植际绞且粋€(gè)大問題，現(xiàn)在你是發(fā)電者，它中間這個(gè)長(zhǎng)度是比較小的，但是你最后還是要用到負(fù)荷層，和用電層。那么如果你有提供支撐能力的話，這樣也為增強(qiáng)電力系統(tǒng)包括電壓頻率穩(wěn)定在內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)提供了一種有效的技術(shù)手段。的
當(dāng)時(shí)我們做了一個(gè)電網(wǎng)頻率變化圖，當(dāng)電網(wǎng)頻率低于或者高于額定值時(shí)，VCI能夠相應(yīng)地增加或者合乎減少有功輸出。第二個(gè)圖表明VCI可以有效地跟蹤電網(wǎng)頻率，另一方面，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的時(shí)，VCI的無(wú)功輸出波動(dòng)很小，表明VCI具有良好的功率解耦性能，我是完全把它的耦合性降低了。這個(gè)是我們做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)圖，大家可以看出它為了比較好的表示出來(lái)，為什么指令在1000瓦和0閥的時(shí)候，這個(gè)是有功支撐，這個(gè)是我純粹輸出無(wú)功的時(shí)候，我無(wú)功支撐，這里是有功支撐的時(shí)候。那么在我負(fù)的1000瓦，我吸收有功時(shí)候的一個(gè)事情。這個(gè)是做了一個(gè)0瓦和負(fù)的1000閥的時(shí)候，也就是說(shuō)我的所有的有功和無(wú)功都可以按照我的需求來(lái)做支撐。因此我們的第一個(gè)結(jié)果表明在初始階段，設(shè)置參考功率PPfil乘為0W，Qfil乘為Var，不此時(shí)VCI輸出電流為0A。然后以一定速率改變參考功率值，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后重新設(shè)置參考功率為0。結(jié)果表明VCI可以精確地跟蹤參考功率，實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)電壓控制型逆變器與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率交互。
然后我們做了多臺(tái)VSG五參與二次調(diào)頻的研究，我做一臺(tái)非常大的肯定不劃算，但是我可以先做一臺(tái)小的，然后不夠再加，這個(gè)對(duì)我的投入來(lái)說(shuō)無(wú)非是一個(gè)過程?？梢钥闯隹梢园凑兆约罕旧淼墓β蕘?lái)實(shí)現(xiàn)，我們不是按照平均的，因?yàn)槲覀兊妮敵雎适遣灰粯拥?，比如說(shuō)二者近似2：1，那么是可以做的，這樣可以承擔(dān)負(fù)荷功率的特點(diǎn)。
我們還做了到底誰(shuí)更適用于接入弱電網(wǎng)，我們把電壓型VSG與電流型VSG進(jìn)行了比較，在弱點(diǎn)網(wǎng)下或者VSG高滲透率下，電壓控制型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)依舊可以穩(wěn)定運(yùn)行，而且無(wú)鎖相環(huán)的約束，而電流控制型VSG非常容易發(fā)生振蕩。電流控制型VSG并網(wǎng)臺(tái)數(shù)由1臺(tái)增加到2臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)開始振蕩，電壓控制型VSG并網(wǎng)數(shù)量增加到3臺(tái)不會(huì)發(fā)生振蕩。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來(lái)說(shuō)，電壓控制型VSG比電流控制型VSG更適合應(yīng)用在新能源發(fā)電中。
還有就是VSG對(duì)弱電網(wǎng)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，并且在VSG滲透率高的時(shí)候系統(tǒng)衣衫穩(wěn)定。另外，VSG像同步發(fā)電機(jī)一樣，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)無(wú)須鎖相環(huán)。
現(xiàn)在我們還對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行了檢測(cè)，基于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種主動(dòng)阻抗檢測(cè)方法，即通過主動(dòng)注入單脈沖擾動(dòng)，檢測(cè)變換器輸出電壓、電流變化，獲得線路阻抗信息。進(jìn)而對(duì)下垂系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，最終改善負(fù)荷分配精度和母線電壓電能質(zhì)量。通過對(duì)下垂系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，可削弱線路阻抗對(duì)分布式電源負(fù)荷分配和電壓電能質(zhì)量的影響。這是我們做的一個(gè)效果圖(圖示)
這個(gè)是我們實(shí)驗(yàn)室做的一些情況，我們現(xiàn)在差不多有30個(gè)人，大家如果有機(jī)會(huì)可以一起來(lái)做相關(guān)的事情，感謝大家!
