1、存在的問題
傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法無法用于接入大規(guī)模、多類型分布式能源的能源互聯(lián)網。
近年來,隨著能源互聯(lián)網概念的提出和相關技術的發(fā)展,包括電能、熱能、天然氣等多種形式的能源在能源主網和能源微網之間的流動迅速增長。對于能源互聯(lián)網的結構功能,許多研究和學者已經進行了探索和設想,然而對于能源互聯(lián)網的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制還處于相對缺乏的狀態(tài)。隨著分布式電源規(guī)模的逐漸增加,線路電阻、系統(tǒng)阻尼等影響日漸突出,傳統(tǒng)的微網穩(wěn)定性分析方法,如IEEE1547提供的電壓指標,已經無法用于大規(guī)模、多類型分布式發(fā)電系統(tǒng)接入下的能源互聯(lián)網。因此本文在所提出的能源互聯(lián)網關鍵設備及典型結構中,針對能源互聯(lián)網的特點建立能量函數,從能量這一本質角度進行穩(wěn)定性分析。在此基礎上,確定能源互聯(lián)網穩(wěn)定性判據、臨界切除時間、穩(wěn)定域等運行指標,進而設計了基于能量的脈沖反饋控制,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。
2、能源互聯(lián)網能量函數建模
由于電能的轉換效率、傳輸速度及效率等優(yōu)勢,使之成為能源互聯(lián)網最為有效的能源轉換中轉和傳輸媒介。能源互聯(lián)網的基本架構及關鍵設備如圖1所示:
圖1能源互聯(lián)網的基本架構及關鍵設備
在整合多種能源的基礎上,能源互聯(lián)網以電網為核心架構,利用電能進行轉化傳輸。針對能源互聯(lián)網的一次能源層和轉換層,本文首先完成對系統(tǒng)各類型發(fā)電及負荷設備的功率建模,得到能源互聯(lián)網功率平衡方程,解決多種能源互聯(lián)的分析和建模。另一方面,高比例可再生能源發(fā)電的接入,使得系統(tǒng)的阻尼系數和線路電阻無法忽略。在考慮上述特點的基礎上,提出了用于能源互聯(lián)網的能量函數,為能源互聯(lián)網提供了一種穩(wěn)定性分析工具。基于理論和仿真兩方面的對比驗證,可以得到能量函數不同于傳統(tǒng)輸電網能量函數:由于高滲透率的能源互聯(lián)網中,逆變器設備占比較大,使得阻尼系數、故障切除時間對于系統(tǒng)動能的影響遠大于發(fā)電機的轉動慣量。進而,得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件和穩(wěn)定判定規(guī)則,其與其他理論所得到的判穩(wěn)規(guī)則相一致,如圖2所示。
圖2能量函數臨界切除時間及穩(wěn)定域判定
3、能源互聯(lián)網脈沖反饋控制
從能量角度的穩(wěn)定性分析,并在此基礎上,設計了脈沖反饋控制,為能量路由器等區(qū)域控制器設備提供可行的控制方法。通過頻率-動能、電壓-勢能之間的關系,設計脈沖反饋控制及其相應參數指標。系統(tǒng)脈沖反饋分為監(jiān)測和控制動作兩部分,如圖3所示。針對能量函數計算速度的考慮,本文利用動能進行實時監(jiān)測,省去勢能積分環(huán)節(jié)帶來的延時,滿足系統(tǒng)實時監(jiān)測、及時動作的要求。直至監(jiān)測結果顯示需要進行脈沖反饋控制調節(jié),進入控制步驟。
圖3系統(tǒng)控制流程圖
4、算例驗證
為驗證提出的穩(wěn)定性分析方法和控制算法的可靠性,本文在如圖4所示的模擬能源互聯(lián)網平臺進行實驗驗證。并網系統(tǒng)由能量函數計算與監(jiān)測設備、風光互補平臺、光伏陣列及相應電力電子變換器構成,實驗過程考慮短路故障,通過與現(xiàn)行微網控制策略進行對比驗證,驗證所提出算法的有效性。仿真過程如下:系統(tǒng)啟動時,發(fā)電及負載設備運行正常;在0.4s時B點發(fā)生短路故障,并在1.4s切除故障。在對比實驗中,實時記錄各點電壓為能量函數分析結果的正確性提供參考。圖5和圖6分別描述實驗期間現(xiàn)行微網策略下和施加控制的系的能量函數對比?？梢钥闯霈F(xiàn)行的運行策略無法避免系統(tǒng)失穩(wěn),而本文提出的算法可以滿足這一需求;進一步,由于可以有效的對系統(tǒng)的能量進行調整整形,因此提出的算法可以有效地減少受故障影響區(qū)域范圍。
圖4實驗驗證系統(tǒng)結構圖
圖5傳輸線AD能量
圖6傳輸線AD能量
5、總結與展望
針對于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法和運行策略無法滿足大規(guī)模分布式發(fā)電單元接入的能源互聯(lián)網的控制要求,設計了典型的能源互聯(lián)網結構及關鍵設備,同時在此網絡架構下,建立能量函數穩(wěn)定性分析方法,解決能量互聯(lián)網穩(wěn)定性分析的需求。進而設計了脈沖反饋控制,從能量角度對系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制,同時降低故障對其他區(qū)域的影響。仿真結果驗證了所提出算法的有效性。在本文所提出的架構下,針對于能源互聯(lián)網系統(tǒng),可以考慮進一步加入熱電聯(lián)產等設備進行控制器設計等。