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微电网飞轮储能阵列协调控制策略研究

北极星智能电网在线  来源:储能科学与技术  作者:金辰晖  2018/9/20 10:06:54  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:与传统的大电网不同,微电网惯性小,其抗干扰能力弱;另外,微电网中接入了大量的可再生能源,如风力发电、光伏发电等,新能源特有的间歇性和随机性特点使得微电网的电压和频率稳定问题更加突出。而储能系统动态性能好、效率高,能够快速提供电网需要的有功及无功功率,因此,储能已成为微电网中提高其稳定性、安全性和电能质量的关键技术支撑。飞轮储能系统具有寿命长、动态响应快、无污染等优势,是适用于微电网的一种储能技术。由于受技术和材料限制,飞轮储能的单体容量有限,因此,更大容量的飞轮储能系统由多个飞轮储能单体组成飞轮阵列。目前,应用于交流微电网的飞轮储能阵列拓扑主要有两种:一是并联到直流母线,即多个飞轮单体通过AC/DC变流器并联到直流母线后,通过一个DC/AC变流器连接到交流母线;二是并联到交流母线,即各个飞轮单体通过AC/DC-DC/AC变流器并联到交流母线。

并联到直流母线的飞轮阵列协调控制方式相对简单,文献研究了并联到直流母线的飞轮阵列常用的功率控制策略:等功率、等转矩、等放电时间,并进行了仿真验证;对于多飞轮的优化控制,文献以尽量减少损耗为控制目标分配功率:文献采用尽量少飞轮单元在线运行;文献提出了飞轮并联到直流母线后通过一个逆变器并联到交流电网的控制策略;文献按照等增量速度原则分配功率指令。

并联到交流母线的飞轮阵列协调控制方式相对复杂,需要考虑各个变流器的协调控制。交流微电网一般有并网和孤岛两种工作模式;并网模式下,由于有大电网的支撑,储能系统通常作为PQ节点,控制策略较为简单;孤岛模式下,有通信线的控制方式包括主从、集中、3 C控制等,无通信线的控制方式主要为下垂控制。对下垂控制的研究主要有以下方面:包括有功和无功功率及输出电压频率和幅值之间的耦合导致的功率分配不准问题、传统下垂控制次静态误差问题、下垂控制响应慢以及多目标控制要求时下垂控制的改进等。这些研究主要集中于可再生能源与单个储能单元的并联协调控制,而较少研究多个储能单元并联的协调控制及功率分配问题。

本文第一节给出了飞轮储能阵列的拓扑;第二节对飞轮单体的充放电控制策略进行了研究;第三节研究了并联到同一直流母线的飞轮的协调控制策略,推导了并联到同一直流母线各个飞轮的剩余发电量(相当于电池荷电状态值,下文简称SOC)变化率与SOC值的函数关系,并进行了仿真验证;第四节研究了并联到同一交流母线的飞轮储能单元的协调控制策略,考虑到微电网特性,采用了包含虚拟阻抗的改进系数下垂控制策略,并进行仿真验证;第五节建立了风储微网模型,仿真验证飞轮阵列在风储孤网中交流母线电压幅值和频率稳定。

创新点及解决的问题

本文研究了并联到同一直流母线的飞轮储能阵列协调控制策略,对经典的3种功率控制策略下的荷电状态(SOC)变化率进行了推导和分析,提出改进系数的下垂控制策略,同时针对微网电压低、阻抗小引起的静态误差控制问题,采取引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制策略进行补偿,从而改善了系统功率分配精度。最后建立了含风电场的微电网模型,仿真验证上述控制策略的有效性。

重点内容导读

1 飞轮储能阵列拓扑

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图1 飞轮阵列储能系统

2 直流并联飞轮储能阵列放电控制

2.1 直流并联飞轮储能阵列的放电控制策略分析

2.2 基于等转矩的功率控制策略的仿真

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图2 等转矩控制策略仿真结果

3 交流并联飞轮储能阵列协调控制策略

3.1 传统的下垂控制策略

3.2 提出改进系数的下垂控制策略

3.3 引入虚拟电抗的改进系数下垂控制策略

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图3 引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制

3.4 仿真验证

图4 引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制的仿真结果

4 飞轮储能阵列应用于孤岛状态下的 微电网

4.1 微电网结构

图5 微网结构

表1 风电机组参数



图6 微网仿真结果

5 结 论

本文主要讨论了飞轮储能阵列的协调控制方法。对于并联到同一直流母线的飞轮的3种常见控制策略的SOC值变化率做了推导,包括等功率、等转矩及等放电时间策略,等功率控制策略的SOC变化率与SOC值无关,等转矩和等放电时间控制策略SOC值大的单元变化率更高、放电更快。考虑等放电时间策略进行功率分配时需要采样转速,最终选择等转矩控制策略。对于并联到同一交流母线的多个直流飞轮阵列组成的交流飞轮阵列,提出改进系数的下垂控制策略,根据SOC的比例分配功率;同时考虑到微网输电线电压低且阻抗小的特点,进一步采取引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制策略。建立了含风电机组的微电网模型,仿真结果验证了上述控制策略能够应用于孤岛状态下的微电网,并具有较好的控制效果。

金辰晖, 姜新建, 戴兴建. 微电网飞轮储能阵列协调控制策略研究[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(5): 834-840.

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原标题:微电网飞轮储能阵列协调控制策略研究

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