含壓縮空氣儲能的光儲系統(tǒng)虛擬慣性協(xié)調控制策略

徐桂芝， 雷 晰， 侯繼彪， 梁立曉， 宋 潔

(先進輸電技術國家重點實驗室(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)，北京 102209)

0 引 言

隨著化石能源的減少，大量的新能源接入電網(wǎng)。太陽能由于其充足的能量儲備受到了廣泛關注[1，2]，但其出力的間歇性會給電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊。為光伏電站配以合適的儲能裝置可有效解決此類問題[3-5]，目前常用的儲能裝置有蓄電池和超級電容器(Super capacitor，SC)等，壓縮空氣儲能(Compressed air energy storage，CAES)由于建設成本低，容量大，具有較好的應用前景[6-9]。在實現(xiàn)光儲系統(tǒng)協(xié)同配合后，為了進一步提高新能源并入電網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，虛擬同步發(fā)電機(Virtual synchronous generator，VSG)技術受到了廣泛應用。

儲能裝置作為虛擬同步發(fā)電機技術控制中的重要載體，其運行特性與VSG控制效果密切相關。文獻[10]為防止儲能過充過放，設計功率占比函數(shù)對VSG控制中的有功指令進行調整。文獻[11]在分析虛擬同步控制中的慣性、阻尼等參數(shù)取值對穩(wěn)定性的影響時，也充分考慮了儲能荷電狀態(tài)的影響。文獻[12]以儲能荷電狀態(tài)為依據(jù)，考慮了光伏輸出功率波動，提出了能量調節(jié)的協(xié)同控制策略，平衡各端功率輸出。文獻[13]考慮了VSG控制中的元件參數(shù)和控制參數(shù)，對儲能的容量配置做了進一步研究。

以上研究均是在單一儲能系統(tǒng)中進行，為了充分利用系統(tǒng)中的壓縮空氣儲能裝置，可將空氣壓縮儲能和超級電容器等儲能相配合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、協(xié)同運行。目前在含壓縮空氣儲能的混儲系統(tǒng)研究中，更多的是功率控制層面上的配合，實現(xiàn)儲能間功率的優(yōu)化分配。文獻[14]以壓縮空氣儲能作為主要儲能單元，超級電容作為輔助儲能來提供功率快速響應，實現(xiàn)了兩者之間的協(xié)調配合。文獻[15]研究了由壓縮空氣儲能、超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，設計了針對多儲能共同出力的平滑控制管理策略。文獻[16]針對風電場中的功率波動，在分析波動功率幅頻特性的基礎上，利用經(jīng)驗模式分解，更準確地確定了各個儲能裝置的出力大小。文獻[17]在已有研究基礎上，提出了一種復合儲能系統(tǒng)在交直流微電網(wǎng)中的新型控制策略，考慮儲能的使用壽命與剩余容量，發(fā)揮了儲能在出力中的主導地位。在實現(xiàn)壓縮空氣儲能和其它儲能裝置協(xié)同配合的基礎上，結合友好型并網(wǎng)技術VSG控制，對于進一步推廣壓縮空氣儲能在電力系統(tǒng)中的運用，提高系統(tǒng)儲能儲備具有重要意義。

為了更好地實現(xiàn)壓縮空氣儲能與其他儲能裝置協(xié)同運行時的友好型并網(wǎng)。本文提出基于VSG控制的壓縮空氣儲能和超級電容器協(xié)調控制策略。對系統(tǒng)中存在的功率擾動進行頻次上的區(qū)分，結合壓縮空氣儲能和超級電容器的響應特點，通過對各儲能端VSG控制中的虛擬慣量進行靈活調節(jié)，控制各儲能端在不同頻次功率擾動下的有功出力，實現(xiàn)超級電容器平抑高頻擾動，壓縮空氣儲能平抑低頻擾動。在硬件在環(huán)實驗平臺中搭建含混合儲能的多端交直流混合系統(tǒng)，驗證所提控制策略的有效性。

1 混合儲能系統(tǒng)拓撲及VSG控制

本次研究中所搭建的電網(wǎng)結構如1所示。

圖1 混合儲能系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topology structure of hybrid energy storage system

圖1中發(fā)電機G1為恒功率機組，輸出功率為定值，G2為調頻機組，系統(tǒng)負載PL正常運行時為恒定交流負載。新能源部分由VSG1單元與VSG2單元組成，VSG1單元由蓄電池和光伏發(fā)電組成，VSG2單元由壓縮空氣儲能和光伏發(fā)電組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)可運行在最大功率狀態(tài)，所研究的虛擬慣性控制支持功率主要由儲能來提供。

1.1 壓縮空氣儲能技術

圖1中的壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用較為先進的液氣壓縮儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的存儲介質為氣體和液體混合介質，通過控制液體的體積來對氣體進行壓縮，實現(xiàn)對能量的存儲[18]，具體結構如圖2所示。氣體的壓縮和膨脹過程中需要熱能的參與，普通壓縮空氣系統(tǒng)中熱能與外界環(huán)境交換，造成熱能損失，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮和膨脹效率會變低，采用液氣混合介質壓縮空氣儲能可減小此類損失。在圖2所示的壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，空氣壓縮中所產生的熱量被液體吸收，液體因為具有較大的比熱容可以實現(xiàn)壓縮過程中的恒溫轉換，提高轉換效率。

圖2 液氣壓縮儲能系統(tǒng)Fig.2 Liquid-gas compression energy storage system

壓縮空氣儲能能量轉換過程中的重要理論依據(jù)為理想氣體狀態(tài)方程[18]：

PV=nRT

(1)

式中：P為儲(液)氣罐中的壓力，Pa；V為儲(液)氣罐中的空氣體積，m3；R表示氣體常數(shù)，為定值287 J/K·mol；n表示摩爾氣體數(shù),mol；T表示氣體溫度，K。壓縮空氣時需要吸收的能量為

(2)

結合式(1)和式(2)可得壓縮過程中，氣體溫度恒定時，由狀態(tài)1(V1，P1)到狀態(tài)2(V2，P2)時壓縮系統(tǒng)做功為

(3)

同理，壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹過程中釋放的能量為

(4)

結合式(1)得，膨脹過程中壓縮儲能系統(tǒng)釋放能量為

(5)

其中壓縮空氣儲能產生的電能先經(jīng)整流器匯集到直流母線，再經(jīng)逆變器與光伏發(fā)出的電能一起輸送到交流電網(wǎng)中。

1.2 超級電容器模型

超級電容器的性能介于電容器和蓄電池之間。超級電容器的優(yōu)點在于擁有與普通電容器同樣快的響應速度，也可以像蓄電池一樣儲存一定的能量，保持穩(wěn)定的功率輸出。超級電容器由于其響應速度快，可充放電次數(shù)多以及運行時可靠性高而受到了廣泛應用。超級電容器根據(jù)工作特點分為雙電層電容器和贗電容器，本次研究中所用為雙電層電容器。雙電層電容器利用自身的雙界面層來儲存電荷，能量存儲與釋放過程中不涉及到化學反應，穩(wěn)定性高。

超級電容器在電路中的等效模型如圖3所示，圖中UC為超級電容器的端電壓，IC為流經(jīng)電容器的電流，RES為等效串聯(lián)電阻，CSC為超級電容器的等效電容值。

圖3 超級電容器等效電路Fig.3 Super capacitor equivalent circuit

超級電容器的電氣性能用式(6)表示：

(6)

式中：W為超級電器存儲的能量，Umax、Umin分別為超級電容器的最大、最小工作電壓，其他變量的含義與圖3中變量一致，不再贅述。由式(6)可得電壓值是反應超級電容器剩余容量的重要參數(shù)。

1.3 VSG控制原理

新能源各端與交流電網(wǎng)連接的換流器采用虛擬同步發(fā)電機控制技術，其外環(huán)控制方程如下所示[19]：

(7)

式中：H為虛擬慣量；Pref、Po為逆變電源的有功給定值和實際輸出值；φ1為逆變電源的相位；Kd為系統(tǒng)阻尼；ω為逆變電源的虛擬輸出角頻率；ωg為交流主網(wǎng)的角頻率。式(7)可用圖4控制框圖來表示。

圖4 VSG控制中P-f控制框圖Fig.4 P-f control block diagram under VSG control

2 基于VSG控制的混合儲能單元協(xié)同運行策略

2.1 分頻控制機理

壓縮空氣儲能裝機容量大，可持續(xù)供電時間長，但其能量轉換裝置復雜，在功率波動時，不能滿足迅速出力的要求。超級電容容器能量密度低，不能平抑長時間尺度的功率波動，但其響應速度快，在功率擾動時可以快速為系統(tǒng)提供功率支撐。因此在混儲系統(tǒng)中對功率擾動進行區(qū)分，結合超級電容與壓縮空氣儲能的響應特性，可以合理優(yōu)化儲能出力，達到有效平抑功率擾動與延長儲能使用壽命的效果。

根據(jù)兩種儲能裝置的性能特點，協(xié)調控制應能達到超級電容器平抑高頻擾動，壓縮空氣儲能平抑中低頻擾動的效果。分頻控制下各儲能的控制范圍如圖5所示，超級電容器的動作范圍為ω>ωsc，壓縮空氣儲能的動作范圍為ωbat～ωsc。

圖5 混合儲能系統(tǒng)頻率傳遞函數(shù)波特示意圖Fig.5 Schematic diagram of frequency transfer function of hybrid energy storage system

采用高通濾波可以識別不同頻次的功率擾動。以高頻擾動為例，在系統(tǒng)中存在高頻擾動時，系統(tǒng)的頻率通過高通濾波器后的輸出信號會出現(xiàn)較大范圍的波動。但如果只采用固定閾值來判別是否發(fā)生了高頻擾動，會使得判別結果頻繁切換，不利于后續(xù)研究中慣量系數(shù)的平滑控制。在高頻擾動時，對經(jīng)過高通濾波器的信號進行分析，發(fā)現(xiàn)此時輸出的高頻信號波動較大，在對高頻信號取絕對值并平均后，得到的平均值較大，該平均值大于特定閾值時可判別系統(tǒng)中出現(xiàn)了高頻擾動。低頻擾動時的判別方法與上述高頻擾動判別類似。分頻控制的判別方法如圖6所示。

圖6 分頻控制區(qū)分方法Fig.6 Differentiated method of frequency division control

圖中濾波器均為一階高通濾波器，其中濾波器1的截止頻率較大，其輸出作為后續(xù)高頻控制判別環(huán)節(jié)的輸入，濾波器2的截止頻率較低，其輸出與濾波器1的輸出信號作差做為低頻控制判別環(huán)節(jié)的輸入信號。a、b分別為高頻控制與低頻控制的判別閾值。

2.2 分頻控制策略

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，即逆變電源的虛擬角頻率和交流主網(wǎng)的角頻率相差不大時，對式(7)進行簡化可得

(8)

由式(8)可得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，各端的有功出力情況和自身的慣量大小有關，自身慣量大的儲能端有功出力大，慣量小的儲能端有功出力小。因此，為實現(xiàn)不同頻次擾動下各儲能的協(xié)同配合，可以通過靈活調整各儲能端的慣量大小來實現(xiàn)本文所提出的分頻控制。

系統(tǒng)中承受高頻功率擾動時，為了快速給系統(tǒng)提供慣性支撐，需要儲能端迅速增加有功出力。根據(jù)儲能的響應特性，超級電容器是平抑高頻擾動的最佳選擇。同時為了減小有功出力變化過快給壓縮空氣儲能帶來的壽命損耗，此時壓縮空氣儲能的慣量應變小，減小功率波動。根據(jù)以上分析，得出高頻擾動時各端的慣量表達式如下所示：

(9)

式中：H0表示數(shù)值比較小的常數(shù)，避免在虛擬慣量調節(jié)中由于慣性系數(shù)太小而給系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定影響；H1表示超級電容側的慣量，可根據(jù)系統(tǒng)中的頻率變化率實時調整，充分發(fā)揮虛擬慣量靈活可調的特點，在高頻擾動時為系統(tǒng)快速提供慣性支撐；H2表示壓縮空氣儲能側的慣量，由H2的表達式可得，隨著高頻擾動信號數(shù)值的增加，分母上的指數(shù)函數(shù)的數(shù)值會加速增加，H2的數(shù)值急劇減小，從而可以避免在高頻擾動時其有功出力的頻繁變化，保持其自身出力的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)中發(fā)生低頻擾動時，此時對響應時間的要求有所下降，但擾動存在時間長，需要平抑擾動的儲能裝置有充足的容量來滿足慣性支撐。綜合考慮，壓縮空氣儲能裝置可滿足長時間內持續(xù)出力，超級電容器由于能量密度低，不適合平抑擾動時間尺度較長的低頻擾動。由以上分析可得低頻擾動時各儲能端的慣量表達式為

(10)

式中：H1、H2的含義與式(9)一致，通過對虛擬慣量的合理取值可以滿足超容在低頻擾動時減小出力，保持自身能量。通過對參數(shù)ke、kf的合理調整，可增大在低頻擾動時壓縮空氣儲能端的慣性系數(shù)，使壓縮空氣儲能在低頻擾動時慣性系數(shù)增大，有功出力增加，提供系統(tǒng)所需的慣性支撐。

通過以上分析，本文所提的基于靈活虛擬慣性控制的協(xié)調運行策略如圖7所示。圖中f表示系統(tǒng)的頻率，a、b表示高頻控制和低頻控制的判別閾值，df/dt表示系統(tǒng)頻率的變化率，分頻控制通過改變各儲能端的慣量來實現(xiàn)混儲系統(tǒng)的協(xié)同配合。

圖7 分頻控制框圖Fig.7 Block diagram of frequency division control

3 硬件在環(huán)測試結果

為驗證所提控制策略可以實現(xiàn)在功率擾動發(fā)生時進行分頻控制，本文在圖8所示的實時仿真實驗系統(tǒng)中進行驗證，仿真中功率的擾動是通過改變網(wǎng)側發(fā)電機G1的輸出功率來實現(xiàn)的。實驗系統(tǒng)包括RT-LAB實時仿真器、DSP控制器及上位機。本文所設計的分頻控制策略部署在DSP控制器中，含壓縮空氣儲能的混合儲能系統(tǒng)模型部署在RT-LAB中，DSP控制器的采樣信號和輸出脈沖經(jīng)光電隔離模塊與RT-LAB信號端口相連，所得實驗波形通過DL850錄波儀上進行測量，并通過相應的畫圖軟件做出對比波形。

圖8 基于RT-LAB的實時仿真實驗系統(tǒng)Fig.8 Real-time simulation experiment system based on RT-LAB

首先對系統(tǒng)進行高頻擾動下的仿真驗證，初始時刻，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，10 min時對系統(tǒng)施加高頻擾動，各儲能端的虛擬慣量與有功出力變化情況如圖9所示。由圖9可得，正常運行時，超容端與壓縮空氣儲能端的慣性系數(shù)均為1。在高頻擾動發(fā)生后，系統(tǒng)進行高頻控制，此時超容端的慣性系數(shù)迅速變大，有功出力迅速增加來為系統(tǒng)提供慣性支撐，減小功率擾動給系統(tǒng)頻率帶來的影響。此時壓縮空氣儲能側的慣性系數(shù)變小，進而達到功率輸出幾乎不變的效果，避免頻繁功率波動給系統(tǒng)帶來的損耗。

圖9 高頻擾動時各儲能端響應情況Fig.9 Responses of energy storage terminals with high-frequency disturbances

接下來對系統(tǒng)中存在低頻擾動時的控制效果進行驗證，單獨施加低頻擾動時的仿真結果如圖10所示。圖10表明初始時刻系統(tǒng)正常運行，在5 min后系統(tǒng)存在低頻擾動。此后，協(xié)調控制開始投入運行，系統(tǒng)判別為低頻擾動后，根據(jù)低頻控制策略，此過程中應主要由壓縮空氣儲能出力來平抑功率擾動。由圖10(a)可以得到，當擾動發(fā)生后，超容側的慣量急劇減小，壓縮空氣儲能側的慣性系數(shù)隨著頻率的變化時刻變化，但一直保持為一個較大的數(shù)值。圖10(b)表示可以通過對虛擬慣量的靈活調節(jié)來實現(xiàn)壓縮空氣儲能平抑低頻擾動，同時超容減小出力，保持自身能量。圖10(c)表示了壓縮空氣儲能對頻率的動態(tài)支撐性能，系統(tǒng)中只含超容時，超容容量不足時不會參與低頻擾動的平抑，此時系統(tǒng)頻率的變化比較大，當壓縮空氣儲能參與到低頻擾動的平抑中時，系統(tǒng)頻率的變化幅度明顯減小，表明壓縮空氣儲能可以利用VSG技術為系統(tǒng)頻率提供動態(tài)支撐。本文所提控制主要以功率擾動頻次為劃分標準，因此設置的功率擾動主要是頻次上的差異。

圖10 高頻擾動時各儲能端響應情況Fig.10 Responses of energy storage terminals with high-frequency disturbances

為了進一步驗證所提控制策略可以準確區(qū)分功率擾動，實時實現(xiàn)分頻控制的效果。對所提控制策略進行進一步仿真驗證。本次仿真初始時刻系統(tǒng)正常運行，10～20 min時間內對系統(tǒng)施加低頻擾動，20 min以后對系統(tǒng)施加高頻擾動，實驗結果如圖11所示。實驗結果顯示，通過所提分頻控制，10～20 min時當系統(tǒng)存在低頻擾動時，壓縮空氣儲能的慣量較大，且隨著頻率的變化逐漸變化，可以實現(xiàn)虛擬慣量的實時調整，有功出力變化較大，提供系統(tǒng)所需的慣性支撐。同理，在20 min以后系統(tǒng)中存在高頻擾動時，壓縮空氣儲能側的慣量迅速減小，超容側的慣量增大，超容側的有功出力增加，而壓縮空氣儲能的有功出力近似不變，此時系統(tǒng)所需的慣性支撐由超容來承擔。本次仿真結果驗證了所提控制策略可準確區(qū)分功率擾動，及時調整各儲能端的慣性系數(shù)，進而及時改變各儲能端的有功出力，有效實現(xiàn)了超級電容平抑高頻擾動，壓縮空氣儲能平抑低頻擾動的控制目標。

圖11 分頻控制響應效果Fig.11 Response effect of frequency division control

4 結 論

壓縮空氣儲能可與新能源發(fā)電單元協(xié)同運行，換流器端口采用虛擬慣性控制可有效提高新能源并網(wǎng)的友好性。壓縮空氣儲能容量大，但響應速度慢，與功率型儲能裝置超級電容器協(xié)同運行，可以相互配合，平抑系統(tǒng)中各類型的功率擾動，為系統(tǒng)提供更加可靠的慣性支撐。本文提出的協(xié)同控制可正確區(qū)分擾動類別，充分發(fā)揮各儲能的工作特性，本文主要工作如下：

(1)對于系統(tǒng)中存在的功率擾動，采用高通濾波和平均濾波相結合的方法進行頻次上的區(qū)分，很好地區(qū)分了系統(tǒng)中的高頻擾動和低頻擾動。

(2)針對壓縮空氣儲能和超級電容器的響應特點，充分發(fā)揮虛擬慣量的靈活可控性，制定了分頻控制策略。

(3)所提控制策略可有效區(qū)分不同頻次下的功率擾動，準確地實現(xiàn)分頻控制，虛擬慣量協(xié)調控制策略可以實現(xiàn)超級電容器平抑高頻擾動，壓縮空氣儲能平抑低頻擾動，優(yōu)化儲能出力，延長其使用壽命。