獨(dú)立微網(wǎng)下柴油發(fā)電機(jī)與蓄電池協(xié)調(diào)供電研究

袁 瑞，秦娜娜，和童昭，謝青海，劉成偉

(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 邢臺 054000)

0 引言

獨(dú)立微網(wǎng)是在大電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域里一種有效的供電方式[1]。大電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域具有用電負(fù)荷集中、功率等級低等特點(diǎn)。柴油發(fā)電機(jī)憑借其方便可移動性、可靠性、穩(wěn)定性、供電連續(xù)等特點(diǎn)成為微電網(wǎng)中最直接、最有效的發(fā)電設(shè)備，甚至是唯一的發(fā)電設(shè)備[2]。但是當(dāng)微電網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生變化時，會引起柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)而引起微電網(wǎng)暫態(tài)頻率和電壓不穩(wěn)[3]。

為了避免微電網(wǎng)中由于柴油發(fā)電機(jī)單一供電缺陷而引起的微電網(wǎng)暫態(tài)頻率和電壓不穩(wěn)定，在微電網(wǎng)中加入可以快速響應(yīng)沖擊的蓄電池作為微電網(wǎng)臨時能量調(diào)節(jié)設(shè)備，通過協(xié)調(diào)控制2種能源出力大小，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定，保證連續(xù)供電和電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 文獻(xiàn)綜述和研究背景

文獻(xiàn)[4]通過空間矢量算法實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的獨(dú)立解耦，但是沒有在頻率調(diào)節(jié)上進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5]對基于能量成型的控制方法和傳統(tǒng) PI 控制方法進(jìn)行了對比仿真分析，主要是對比在并網(wǎng)和非并網(wǎng)條件下哪種方案更有效。文獻(xiàn)[6]利用改進(jìn)的粒子群算法得出微電網(wǎng)能源最佳配置方案。文獻(xiàn)[7]提出一種計(jì)算量小的多能量協(xié)調(diào)控制策略，基于自然選擇優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[8]考慮到傳統(tǒng)下垂算法不具備考慮線路壓降和傳統(tǒng)下垂算法調(diào)節(jié)頻率不精確的問題，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的下垂控制策略，但是只考慮了蓄電池單獨(dú)調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率，沒有結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)更深層次地探討能量協(xié)調(diào)方法。文獻(xiàn)[9]改進(jìn)了下垂控制方法，但是沒有進(jìn)一步提出蓄電池作為用電設(shè)備對微電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[10]側(cè)重于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為主要能量協(xié)調(diào)工具，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能滿足系統(tǒng)調(diào)頻需要時，讓蓄電池參與調(diào)頻的控制方法。

本文以柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組合發(fā)電為例，針對獨(dú)立微電網(wǎng)，提出了一種三層次控制策略。首先，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系分析了影響蓄電池出力大小的因素；其次，結(jié)合空間矢量電壓調(diào)節(jié)(SVPWM)，提出了第一層蓄電池快速響應(yīng)微網(wǎng)負(fù)荷突變，減小電壓和頻率變化；然后，在柴油發(fā)電機(jī)對負(fù)荷突變調(diào)節(jié)緩慢的基礎(chǔ)上，提出第二層柴油發(fā)電機(jī)對電壓和頻率精確的調(diào)節(jié)策略；最后，結(jié)合實(shí)際，考慮到蓄電池電量低于50%時需要充電，提出第三層整體能量協(xié)調(diào)方案。

2 獨(dú)立微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)圍繞三層次控制策略架構(gòu)而成，如圖1所示，主要由柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池及系統(tǒng)控制中心(System Central Controller，SCC)組成。蓄電池組通過空間矢量電壓調(diào)制連接到交流母線上，通過充放電操作，參與微電網(wǎng)的能量調(diào)節(jié)。

根據(jù)獨(dú)立微電網(wǎng)的特性，即柴油發(fā)電機(jī)組較小的慣性和較慢的調(diào)節(jié)性能，在微電網(wǎng)功率供需不平衡時，考慮柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組以及SCC動態(tài)相應(yīng)時間特征，借鑒電力系統(tǒng)3次調(diào)頻經(jīng)驗(yàn)，將微電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)分三步調(diào)節(jié)：第一步，蓄電池快速響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化，減小負(fù)荷沖擊；第二步，柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓頻率在額定值；第三部，SCC完成系統(tǒng)間電能調(diào)度。

圖1 獨(dú)立微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

3 微電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)

3.1 柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)工作響應(yīng)負(fù)荷沖擊

圖2是柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩圖。發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%，在第7秒時負(fù)荷突增5%，此時只有柴油發(fā)電機(jī)為負(fù)荷供電，可以看出柴油發(fā)電機(jī)在7 s前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動較大。圖中上面部分是微網(wǎng)的電壓，在7 s時電壓有效值突然降低了14 V左右，經(jīng)過4 s的波動后恢復(fù)到原值；圖中中間部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出7 s時由于負(fù)荷突增，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到49.93 Hz，通過降低轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償突增的負(fù)荷所需的電能；圖中下面部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，在7 s時負(fù)荷突增，柴油發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率突然降低后，柴油發(fā)電機(jī)為了維持電壓和頻率穩(wěn)定通過調(diào)大轉(zhuǎn)矩的大小，增加輸出功率。經(jīng)過大約4 s的調(diào)節(jié)后，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增長到額定轉(zhuǎn)矩的85%左右，頻率穩(wěn)定在50 Hz。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩圖

3.2 柴油發(fā)電機(jī)與蓄電池協(xié)調(diào)供電

柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池共同構(gòu)成微網(wǎng)的供電單元，柴油發(fā)電機(jī)作為微電網(wǎng)的主要供電能源，蓄電池作為微網(wǎng)的輔助能源。柴油發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%，此時蓄電池滿電狀態(tài)，且不充電也不放電。當(dāng)微網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生突增時，蓄電池快速響應(yīng)，向微網(wǎng)中補(bǔ)充能量。

3.2.1 第一層蓄電池快速響應(yīng)負(fù)荷沖擊

以IGBT作為功率控制器，把通過IGBT的有功功率和無功功率進(jìn)行解耦控制，控制蓄電池通過IGBT變流器后的電流方向和大小。把系統(tǒng)交流側(cè)作為研究對象，d軸設(shè)置為參考軸，經(jīng)過dq變換，可得出蓄電池輸出的無功及有功功率。

P=ed×id

(1)

Q=-ed×iq

(2)

ed、eq、id、iq分別為dq變換后的電壓和電流分量?？梢?，如果ed不變，通過控制id、iq就可以控制蓄電池輸出功率的大小。

微電網(wǎng)在第7 s時負(fù)荷突變，蓄電池快速響應(yīng)，根據(jù)公式(1)和公式(2)，可以計(jì)算出蓄電池組輸出電流經(jīng)過dq變換后的電流大小，根據(jù)能量守恒定律，調(diào)整輸出電流id、iq的大小，快速響應(yīng)負(fù)荷變化，減輕負(fù)荷突變對微電網(wǎng)的沖擊。蓄電池響應(yīng)負(fù)荷沖擊如圖3所示，蓄電池組在0.04 s內(nèi)快速響應(yīng)負(fù)荷沖擊，迅速提高放電電流。圖3上面是電流id曲線圖，下面是電流iq曲線圖。

圖3 蓄電池響應(yīng)負(fù)荷沖擊圖

圖4 蓄電池工作時正負(fù)極電壓差曲線圖

圖4是蓄電池工作時正負(fù)極電壓差曲線圖，微網(wǎng)在第7秒時負(fù)荷發(fā)生波動，蓄電池迅速響應(yīng)，隨著時間的推移，蓄電池正負(fù)極電壓差逐漸減小，符合實(shí)際情況。

3.2.2 第二層柴油發(fā)電機(jī)響應(yīng)負(fù)荷沖擊

柴油發(fā)電機(jī)的作用是為微網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率。圖5是有蓄電池參與供電后微網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷突變柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率和轉(zhuǎn)矩圖。柴油發(fā)電機(jī)工作在額定容量的80%，在第7秒時負(fù)荷突增5%，此時柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池為負(fù)荷供電，可以看出柴油發(fā)電機(jī)在7 s前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動較小。圖中上面部分是微網(wǎng)的電壓，在7 s時電壓有效值突然降低了14 V左右，經(jīng)過1 s的波動后恢復(fù)到原值；圖中中間部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出7 s時由于負(fù)荷突增，導(dǎo)致柴發(fā)的轉(zhuǎn)速下降到49.985 Hz，大約1.5 s后恢復(fù)到50 Hz；圖中下面部分是柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，在7 s時負(fù)荷突增，柴油發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率小范圍降低后，柴油發(fā)電機(jī)為了維持電壓和頻率穩(wěn)定，通過上調(diào)轉(zhuǎn)矩，增加輸出功率。經(jīng)過大約1.5 s的調(diào)節(jié)后，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增長了1%左右，隨后維持穩(wěn)定。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率和轉(zhuǎn)矩圖

3.2.3 第三層整體能量協(xié)調(diào)

考慮到蓄電池組的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性，蓄電池組一次放電到額定值的50%后，蓄電池就不再為負(fù)荷供能，需要先將蓄電池轉(zhuǎn)移給柴油發(fā)電機(jī)，然后再給蓄電池充電。圖6是微網(wǎng)在15 s時蓄電池電流id波形圖，蓄電池在進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移和充電時要保證微網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，所以電流id絕對值是逐漸減小再增大。圖7為微網(wǎng)電壓和頻率曲線圖。

圖6 微網(wǎng)蓄電池電流id波形圖

圖7 微網(wǎng)電壓和頻率曲線圖

3 結(jié)論

針對微電網(wǎng)中柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時動態(tài)響應(yīng)慢，且負(fù)荷變化容易引起微電網(wǎng)電壓頻率波動，本文提出了柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池三層控制策略，該策略利用蓄電池快速響應(yīng)特性，有效抑制了負(fù)荷波動引起的電壓頻率波動，配合SCC協(xié)調(diào)控制，保證了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。通過把上述策略在微電網(wǎng)平臺上進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

1)負(fù)荷突增5%，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時頻率波動0.08 Hz，有蓄電池的微網(wǎng)頻率波動0.01 Hz，同比下降了87.5%。

2)負(fù)荷突增5%，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電時電壓突降14 V，有蓄電池的微網(wǎng)電壓也下降14 V。

3)負(fù)荷突變，柴發(fā)單獨(dú)供電時，波動經(jīng)過4 s恢復(fù)原值；有蓄電池的微網(wǎng)經(jīng)過1 s恢復(fù)原值，同比下降了75%。