孤岛运行微电网的频率稳定性及储能控制方案设计

马平，王点

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

分布式发电和微电网技术在世界范围内都得到了高度重视。随着微电网技术的不断发展，储能技术在微电网中发挥的作用日益凸显。微电网中的储能装置形式多样，安装位置灵活，在合理的控制下可以对微电网的稳定运行提供一定的支撑。

微电网孤岛运行时，系统等效转动惯量较小，风力发电等可再生能源又具有很强的随机性。在有大量异步风力发电机（asynchronous wind turbines，简称AWT）接入的微电网中，AWT的运行状况会给微电网的运行稳定性及供电质量带来一定的负面影响。研究表明，当微电网线路参数和系统短路容量确定时，AWT等分布式发电装置的功率波动成为影响系统电压和频率变化的主要因素［1］。针对上述问题，本文将探讨在微电网孤岛运行时，如何合理的利用储能系统来减小AWT运行时的功率波动对系统频率稳定性的影响。

本文分析储能功率控制器在使用锁相环技术时遇到的一些问题，并采用无锁相环技术解决这些问题。在此基础上，建立了一种基于频率跟踪的储能功率控制策略。通过仿真算例研究微电网孤岛运行时在阵风扰动情况下的暂态稳定性。

1 蓄电池储能主电路结构与运行分析

本文应用的微电网快速储能系统由储能元件蓄电池组、储能变换电路、滤波电路、检测电路、控制系统等部分组成［2］，其结构如图1所示。

图1 储能结构图

假设滤波电路中等效电阻为R，等效电感为L，直流侧的电压为Vdc。在abc坐标系下电路满足以下关系［3］:

式中VN

abc、iabc、Vabc分别代表储能逆变器输出三相电压、输出三相电流以及储能装置接入点三相电压。将式（1）变换至d－q坐标系下，整理得到:

储能控制系统包括电流控制器和功率控制器。功率控制器生成有功/无功电流参考值idref、iqref，其结构如图2所示，功率控制器采用了无锁相环技术来得到坐标变换需要的相角值φ。

图2 功率控制器

储能有功功率Pout、无功功率Qout满足［4］:

2 基于无锁相环技术的功率控制器设计

传统的功率控制器在实现电压、电流的有功分量和无功分量的解耦时，常使用锁相环实时检测来得到需要的相角值φ［5］，但是该方法存在功率计算比较复杂的缺点。本文采用无锁相环技术来得到相角值φ。

如图3所示，设矢量us的模为Um。需要得到的相角值φ是旋转的d轴和静止的α轴之间的夹角，且有φ=ωt。在使用PLL测量时只要测量A相电压的相角就可以得到φ的值。图中:d，q轴和矢量us均以转速ω旋转，如果把角θ的值赋给φ，相当于令Ud=Um，Uq=0。θ的计算公式为:

图3 相角计算示意图

储能的Pout、Qout满足以下关系:

使用式（5）计算储能的有功功率、无功功率比式（3）更加简洁。采用无锁相环计算法得到的相角θ和d、q轴电压的图形分别如图4和图 5所示。

图4 采用计算法得出A相电压相角图

图5 采用计算法时电压解耦图

由图4可知，采用计算法得出的相角值在工频周期内线性增加，精确地描述出了相角值的实际变化。由图 5可知，采用计算法后Ud=Um，Uq=0，符合分析结果。

图6 采用计算法储能并网处A相电压和电流波形图

由图6可知，储能并网的滤波电感电流在两个工频周期的时间内即可跟踪上指令要求，反应灵敏。由图 7可知，储能功率得到了完全解耦，且有功/无功功率值分别受有功/无功电流控制，储能输出功率同样可以在两个工频周期内跟踪上指令值。

图7 采用计算法时储能功率解耦图

3 基于微电网频率稳定的储能控制方案

储能控制系统包含电流控制器和功率控制器，如图8所示。该系统应用了电压前馈控制来增强控制器的抗扰动能力。由于采用计算法时Uq=0，电压前馈控制中，只有Ud的前馈控制。

由于低压微电网线路的阻抗比≫1，如果忽略线路中的滤波电感，则输电线路可近似为纯阻性。微电网的频率主要受系统中无功功率的影响。基于以上分析，对传统的基于功率跟踪的储能控制方案进行了改进，使储能的无功功率直接跟踪系统频率。图9描述了这两种功率控制器结构。

传统功率控制器（图9左）:假设微电网在某一恒定风速下保持稳定运行，储能装置与风机共同向微电网提供功率为Pref/Qref，风速扰动时储能可对风机输出功率波动进行快速缓冲，储能与风机这个整体共同向系统提供的功率Pref/Qref保持不变，两者可以视为一个有功/无功功率输出稳定的DG［6－7］。储能控制的目的是抑制DG有功/无功功率波动，提高系统稳定性。

图8 储能控制系统结构图

基于频率跟踪的功率控制器（图 9右）:该控制的有功功率调

节方式与传统功率控制一致，无功功率输出则跟随系统交流母线上频率frms的变化，将frms与频率参考值fref的差值经由PI调节器后的输出值作为储能的无功功率输出参考值［8］。当frms低于fref时，储能向微电网输出部分无功功率来提高frms，否则储能将吸收部分无功功率。储能控制的目标是抑制交流母线上的频率波动，改善系统频率稳定性。

图9 传统功率控制器和基于频率跟踪控制器结构图

4 仿真结果与分析

微电网采用电缆线路，单位阻抗为 0.4487+j0.07（Ω/km），储能装置采用基于频率跟踪的功率控制方案。设风机稳态风速为12 m/s，微电网孤岛运行。图10～12分别描述了t=5 s出现阵风干扰时风速变化和储能的有功、无功功率响应情况（储能以吸收功率为正方向，储能配置于PCC处）。由仿真结果可知:

图10 风速变化曲线图

（1）在5 s～10 s之间时，风速低于稳态风速，风机输出的有功功率小于Pref，吸收的无功功率也小于Qref。储能装置输出有功功率，同时吸收无功功率，其吸收/输出功率的大小随风速的变化而变化，风速变化越大，储能装置吸收/输出功率越大。

图11 储能有功功率响应曲线图

（2）在10 s～20 s之间时，风速高于稳态风速，风机输出的有功功率大于Pref，并且吸收的无功功率大于Qref。储能装置吸收有功功率，输出无功功率。风速变化越大，储能装置吸收/输出功率越大。

（3）20 s～25 s之间的分析与（1）一致。

图12 储能无功功率响应曲线

可见，在出现阵风扰动时，采用本文提出的基于频率跟踪的储能控制方案，可以较快的跟踪系统的功率波动，并且分别对系统的有功和无功功率波动进行缓冲。

图13 未配置储能

图13～15分别为系统（交流母线）频率在无储能和储能采用不同控制方案下的波动曲线图。

图14 储能采用传统功率控制

可以看出，系统未配置储能时频率波动较显著，最大频率偏差达到2.4%;配置储能后，有效地抑制了交流母线上的频率波动。在使用传统功率控制策略时最大频率偏差0.8%，频率恢复时间由无储能时的10 s缩短至5 s。在使用基于频率跟踪的功率控制时频率的最大偏差为0.4%，频率恢复时间由无储能时的10 s缩短为1 s。

图15 储能采用基于频率跟踪功率控制

5 结束语

微电网孤岛运行时，可以通过配置快速储能装置来平滑系统的功率波动，从而减少AWT运行时对系统频率稳定性造成的不利影响。在阵风扰动时，储能无论采用传统功率控制还是采用基于频率跟踪的功率控制都可以达到有效抑制交流母线上功率波动，减小交流母线上的频率偏差，缩短频率恢复时间的效果，从而改善了系统的频率稳定性。储能采用基于频率跟踪的功率控制方案时对频率波动的抑制效果优于传统功率控制方案，频率的恢复时间也比采用传统功率控制方案时要短。

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