趙卓立，楊 蘋，蔡澤祥，周少雄，Timothy C.Green，雷金勇

（1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2.帝國理工學院，英國 倫敦 SW7 2AZ；3.華南理工大學 風電控制與并網(wǎng)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 511458；4.華南理工大學 廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 511458；5.南方電網(wǎng)科學研究院，廣東 廣州 510080）

0 引言

可再生和綠色分布式發(fā)電系統(tǒng)滲透率的不斷提高，將促進發(fā)電方式、輸配電方式和電能使用方式出現(xiàn)新的變革。作為實現(xiàn)智能電網(wǎng)中主動配電網(wǎng)的有效方式，微電網(wǎng)有利于引入大量可再生能源發(fā)電，減少太陽能、風能等強波動性/間歇性能源的接入對大電網(wǎng)造成沖擊，在中低壓層面上有效解決分布式電源高滲透率運行時的問題，同時降低電網(wǎng)脆弱性，使電力系統(tǒng)更可靠、安全、清潔和經(jīng)濟[1-4]。當微電網(wǎng)由于外部電網(wǎng)故障或應用于偏遠地區(qū)和海島供電時，需孤島運行。孤立微電網(wǎng)是由分布式電源DG（Distributed Generation）、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷，聯(lián)合協(xié)調(diào)控制保護裝置和智能調(diào)度系統(tǒng)組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)[5-7]。

與定速異步風電機組相比，雙饋異步風力發(fā)電機組 DFIG（Doubly-Fed Induction Generator）能通過轉(zhuǎn)子繞組的交流勵磁控制來實現(xiàn)有功、無功功率的解耦控制，改善風電機組的功率因數(shù)[8]。在孤立微電網(wǎng)中引入DFIG，能夠提高微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性[9-10]。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)系統(tǒng)慣性較小，而DFIG受風速影響輸出功率具有強間歇性、隨機性和弱支撐性的特點，其動態(tài)特性給微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來較大影響，風電高滲透率將帶來微電網(wǎng)中穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量問題[11]。在擾動下，高滲透率微電網(wǎng)表現(xiàn)出包含連續(xù)和離散事件驅(qū)動的更為頻繁與復雜的混合動態(tài)特性[12]。DFIG對微電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響和改善措施成為微電網(wǎng)研究面臨的重要課題。

文獻[9]研究通過引入DFIG改善微電網(wǎng)的動態(tài)特性，建立微電網(wǎng)中DFIG的動態(tài)模型，并提出增加額外的電壓控制環(huán)和頻率控制環(huán)，以提高并網(wǎng)和計劃/非計劃孤島切換穩(wěn)定性；然而，該研究忽略考慮風速擾動下系統(tǒng)的動態(tài)表現(xiàn)。文獻[13-15]較早考慮了風速波動對微電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響；文獻[13]在DFIG中通過引入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和超級電容的方式實現(xiàn)虛擬慣量，以提高風速波動情況下微電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性；文獻[14-15]分別引入超級電容和蓄電池儲能控制策略以減緩由于風功率波動引起的微電網(wǎng)頻率與電壓波動。然而，在風速、負荷以及儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）變化時，實際上微電網(wǎng)運行方式安排和電源投運安排將發(fā)生改變，目前這些文獻提出的用于改善風速波動情況下微電網(wǎng)穩(wěn)定性的控制策略均沒有考慮微電網(wǎng)運行方式約束。因此，考慮微電網(wǎng)運行方式約束的靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理還需進一步探討。

與此同時，微電網(wǎng)作為弱電網(wǎng)，容量較小，負荷特性對系統(tǒng)的穩(wěn)定有不可忽視的影響，負荷形式對微電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要影響。目前研究微電網(wǎng)穩(wěn)定性的論文中，微電網(wǎng)中所有負荷都用恒定阻抗或恒定功率負荷仿真模擬[16-18]，但在配電網(wǎng)負荷中，大體上60%的負荷由直接連接感應電動機組成[19-20]，因此使用恒定阻抗或恒定功率負荷進行仿真會導致仿真結(jié)果不具備可信性。

針對上述問題，本文以主從控制模式微電網(wǎng)為研究對象，在研究微電網(wǎng)中雙饋風電機組的功率電壓特性的基礎(chǔ)上，考慮微電網(wǎng)運行方式約束，提出基于就地層儲能穩(wěn)定控制、DFIG快速變槳控制的靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強控制策略，以改善風速擾動下微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。在PSCAD/EMTDC中建立了中壓海島微電網(wǎng)系統(tǒng)及微電網(wǎng)穩(wěn)定控制策略模型，微電網(wǎng)系統(tǒng)包含柴油發(fā)電機、雙饋風電機組、儲能系統(tǒng)以及由靜態(tài)負荷和動態(tài)負荷組成的綜合負荷模型，研究結(jié)果驗證了所提靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強控制策略的有效性。

1 研究系統(tǒng)描述

研究系統(tǒng)為珠海萬山海島新能源微電網(wǎng)示范項目東澳島智能微電網(wǎng)。東澳島微電網(wǎng)為10 kV中壓海島微電網(wǎng)，系統(tǒng)規(guī)劃單線圖如圖1所示。系統(tǒng)由10 kV等級的3條輻射狀配電饋線組成，并通過靜態(tài)開關(guān)SS（Static Switch）、變壓器后經(jīng)35 kV海底電纜連接至桂山海上升壓站、大萬山島微電網(wǎng)以及桂山島微電網(wǎng)。饋線2與饋線3接有感應電動機動態(tài)負荷、靜態(tài)負荷1與靜態(tài)負荷2。系統(tǒng)包括3個分布式發(fā)電單元：饋線1上的柴油發(fā)電機組（1.275 MV·A）、饋線 3 上的 DFIG（0.9 MV·A）和儲能系統(tǒng)（0.8 MV·A）。其中，柴油發(fā)電機組裝備有固態(tài)電子調(diào)速器和數(shù)字式自動勵磁調(diào)整裝置。儲能系統(tǒng)配置2臺500 kW變流器，直流側(cè)分別接一組2000 A·h閥控式鉛酸蓄電池組（電池組出口電壓600 V），交流側(cè)經(jīng)1臺380 V/10 kV升壓變壓器接入10 kV母線。東澳島微電網(wǎng)中遠期主要考慮以海島聯(lián)網(wǎng)為主的孤島運行方式，為海島用戶供電。

2 微電網(wǎng)中雙饋風電機組運行特性分析

DFIG接入微電網(wǎng)的等效電路如圖2所示，所有轉(zhuǎn)子側(cè)分量已折算到定子側(cè)，其中Rs為定子電阻，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，Xls為定子漏抗，Xlr為轉(zhuǎn)子漏抗，Xm為定轉(zhuǎn)子之間互抗，Zeq為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的等效阻抗，s為發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，E與U分別對應微電網(wǎng)10 kV母線1以及風機并網(wǎng)點的電壓。DFIG通過等值線路（阻抗Zgrid=Rgrid+jXgrid）連接到微電網(wǎng)母線1。

圖1 東澳島中壓海島微電網(wǎng)系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single-line diagram of Dongao Island medium-voltage microgrid

圖2 DFIG接入微電網(wǎng)的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of microgrid-connected DFIG

風速擾動下，DFIG注入微電網(wǎng)系統(tǒng)功率變化時，會使線路上的電流產(chǎn)生ΔI的變化，在風機并網(wǎng)點的電壓變化值為[21-22]：

其中，ΔSn為DFIG的注入功率變化；Sk為并網(wǎng)點短路容量；φ為從DFIG接入點看入的電網(wǎng)阻抗角；θ為DFIG的功率因數(shù)角。

將ΔU分解為縱分量ΔUR和橫分量ΔUX，并進行歸一化：

一般地，電壓變化量的橫分量ΔUX產(chǎn)生電壓相角差，在實際分析中，往往可以忽略；而電壓變化量的幅值主要由縱分量ΔUR決定。ΔP與ΔQ之間的關(guān)系取決于DFIG運行功率因數(shù)。

傳統(tǒng)低壓微電網(wǎng)中線路參數(shù)Rgrid?Xgrid，因此可忽略由于無功功率ΔQ產(chǎn)生的電壓降落變化，認為系統(tǒng)節(jié)點電壓主要取決于有功潮流。而10 kV中壓微電網(wǎng)中線路參數(shù)Rgrid≈Xgrid，呈阻感混合特性，中壓微電網(wǎng)將出現(xiàn)強耦合情況，因此系統(tǒng)節(jié)點電壓同時受有功潮流與無功潮流影響。由式（2）可見，DFIG在風速擾動下的電壓穩(wěn)定性與接入點的短路容量的大小、DFIG與微電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的阻抗參數(shù)以及DFIG的功率因數(shù)大小有密切的關(guān)系。

3 微電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強控制策略

3.1 小擾動電壓穩(wěn)定增強控制策略

由于微電網(wǎng)中高壓柴油發(fā)電機電壓穩(wěn)定時間為4 s，電壓調(diào)節(jié)速度相對較慢；同時東澳島微電網(wǎng)柴油發(fā)電機與DFIG地理位置相距4.34 km，DFIG并網(wǎng)點遠端的柴油發(fā)電機無法對并網(wǎng)點電壓進行快速調(diào)整。因此DFIG在風速擾動下導致輸出功率的快速波動將降低微電網(wǎng)小擾動電壓穩(wěn)定性，嚴重時將引起微電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。

由式（2）可知，對于單位功率因數(shù)運行的DFIG，ΔQ=0；若令 ΔP=0，可使 ΔU≈0；因此，風速擾動過程中，通過控制儲能系統(tǒng)輸出或DFIG槳距角減小ΔP，可有效抑制節(jié)點電壓波動ΔU，增強微電網(wǎng)小擾動電壓穩(wěn)定性。

針對微電網(wǎng)不同運行方式約束，設(shè)計小擾動電壓穩(wěn)定增強控制策略。根據(jù)東澳島實測風速數(shù)據(jù)，雙饋風力發(fā)電機組典型日出力特性曲線如圖3所示；統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風電出力大于70%的情況多集中于20∶00至次日08∶00?？紤]東澳島微電網(wǎng)電源構(gòu)成及出力特性，采用的運行方式安排與小擾動電壓穩(wěn)定增強控制策略如表1所示。

圖3 東澳島微電網(wǎng)DFIG典型日出力特性曲線Fig.3 Typical daily output curve of DFIG of Dongao Island microgrid

表1 運行方式安排與小擾動電壓穩(wěn)定增強控制策略Table1 Operating modes and enhanced voltage stability control strategy under small disturbance

大方式一與小方式一下，儲能系統(tǒng)分別處于放電、充電狀態(tài)平滑風電功率波動，儲能有功功率給定值為設(shè)定的有功參考值與DFIG輸出的有功功率之差（ΔP=0）。小方式二（通常出現(xiàn)在夜晚）下通過快速變槳降低ΔP，可減小風電功率波動；同時由于微電網(wǎng)負荷較小，柴油發(fā)電機組在風速擾動下容易偏離正常運行區(qū)間，因此該策略可避免風機頻繁啟停以及柴油發(fā)電機組長期低載運行。

3.2 就地層儲能穩(wěn)定控制

儲能系統(tǒng)配置在DFIG并網(wǎng)點附近，與DFIG聯(lián)合運行。圖4所示為儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及對應的控制策略，蓄電池組通過三相并網(wǎng)逆變器和LC濾波器并入DFIG附近母線4，儲能采用有功電壓（PV）控制策略，有功功率控制器參與平抑DFIG由于風速變化而產(chǎn)生的功率波動；電壓控制器作用是在微電網(wǎng)電壓波動過程中通過控制儲能系統(tǒng)提供快速無功支撐，參與微電網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制，以改善微電網(wǎng)系統(tǒng)小干擾電壓穩(wěn)定性。如圖4所示，PDFIG為母線4風機出口功率，Urms為母線4的瞬時電壓有效值；Cu、Cp、Cq、Cid和 Ciq為相應的比例積分控制器，控制器參數(shù)見表2。

圖4 儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略Fig.4 Structure and control strategy of energy-storage system

表2 增強控制策略控制器參數(shù)Table 2 Controller parameters of enhanced control strategy

有功功率控制器以設(shè)定的有功參考值與DFIG輸出的有功功率之差Pref-PDFIG作為控制器的輸入?yún)⒖夹盘?，從微電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)看，風速波動時儲能系統(tǒng)與DFIG共同向微電網(wǎng)注入功率Pref保持恒定。給定額定電壓參考值Uref與Urms之差反饋到電壓控制器，生成儲能系統(tǒng)響應的無功參考值Qref。Pref和Qref經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流控制器生成儲能變流器PWM驅(qū)動信號，從而調(diào)整儲能系統(tǒng)輸出有功和無功給定的參考值。通過平滑DFIG的有功功率波動和參與擾動過程中的電壓調(diào)整，從而保持微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

3.3 就地層DFIG快速變槳控制

由3.1節(jié)可知，在風速擾動過程中，小方式二下DFIG快速變槳控制可有效提高微電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，其控制策略如圖5所示。

圖5 DFIG快速變槳控制Fig.5 Fast pitch-angle control of DFIG

微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）根據(jù)風速、負荷以及儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)安排運行方式。在大方式一與小方式一下，當風速小于額定風速時，機械功率PM小于額定機械功率PMref，DFIG運行在最大風能追蹤狀態(tài)，槳距角參考值βref=0°；當風速大于額定風速時，DFIG槳距角控制將功率保持在額定值。在小方式二下，機械功率PM大于額定機械功率PMref，DFIG響應MGCC 有功調(diào)度信號 Pref，βref＞0°。 為反映真實的變槳控制系統(tǒng)伺服機構(gòu)的動態(tài)響應特性，槳距角控制系統(tǒng)模型中采用伺服時間常數(shù)TSERVO，槳距角調(diào)節(jié)的限值及槳距角變化速率限值描述?？紤]實際變槳伺服控制系統(tǒng)的限制，快速變槳調(diào)節(jié)器的最大執(zhí)行速度設(shè)為±10°/s，槳距角的變化范圍為 0°～25°。

4 系統(tǒng)仿真及算例分析

4.1 研究系統(tǒng)建模

在PSCAD/EMTDC中建立了圖1所示東澳島微電網(wǎng)系統(tǒng)和穩(wěn)定控制策略仿真模型，以驗證微電網(wǎng)電壓協(xié)同控制策略對于改善電壓穩(wěn)定性的有效性。其中，高壓柴油發(fā)電機組模型由調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器及原動機模型組成，同步發(fā)電機采用6階模型；儲能系統(tǒng)由蓄電池模型與雙向變流器組成，蓄電池模型采用考慮動態(tài)電容和時變內(nèi)阻的戴維南一階模型等效，可模擬充放電動態(tài)過程；DFIG包含直流Crowbar模塊。每條饋線用三相架空線或電纜表示，等效為RL集總參數(shù)模型。仿真系統(tǒng)中采用的負荷模型為靜態(tài)負荷并聯(lián)感應電動機動態(tài)負荷的綜合負荷模型，綜合負荷模型含40%靜態(tài)負荷和60%動態(tài)負荷。微電網(wǎng)系統(tǒng)具體參數(shù)如下。

柴油發(fā)電機組技術(shù)參數(shù)為：額定功率為1020 kW/1275 kV·A，備用功率為 1100 kW/1375 kV·A，額定電壓為10.5 kV，2.0倍額定功率過載運行時間為3 min，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為±1%，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為-15%～20%，電壓穩(wěn)定時間為4 s，直軸同步電抗Xd=1.758 p.u.，直軸暫態(tài)電抗X′d=0.213 p.u.，直軸次暫態(tài)電抗 X″d=0.139 p.u.，負序電抗 X2=0.15 p.u.，零序電抗X0=0.051 p.u.。

DFIG技術(shù)參數(shù)如下：額定功率為800 kW/900 kV·A，定子線電壓額定值為0.69 kV，定子繞組電阻Rs=0.0054 p.u.，定子漏感 Lls=0.1 p.u.，轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr=0.00607 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感 Llr=0.11 p.u.，勵磁電感Lm=4.5 p.u.。

綜合負荷技術(shù)參數(shù)如下：靜態(tài)負荷1為0.2 MW；靜態(tài)負荷2為0.36 MW；動態(tài)負荷（等值感應電動機）的額定功率為 600 hp（447.4 kV·A），電壓等級為6 kV，數(shù)量為2臺。

4.2 風速擾動仿真分析

（1）算例1：大方式一下儲能系統(tǒng)平滑風電功率波動改善小擾動電壓穩(wěn)定性。設(shè)定穩(wěn)態(tài)風速為12 m/s，從1.5 s開始發(fā)生連續(xù)陣風擾動，風速下降至6.5 m/s與5.5 m/s。圖6描述了儲能系統(tǒng)參與控制/無儲能2種情況下微電源有功響應與母線4電壓特性（均為標幺值）。

圖6 陣風擾動下微電源有功響應與母線4電壓特性（儲能控制/無儲能）Fig.6 Active power response of microsource and voltage characteristic of BUS 4 under gust wind disturbance（with/without energy-storage control）

由圖6可知，陣風擾動過程中，無儲能補償時柴油發(fā)電機組調(diào)節(jié)速度較慢，響應滯后風速波動約500 ms，微電網(wǎng)母線4電壓出現(xiàn)較大波動，波動幅值達8.9%，不滿足IEC61000-3-7國際標準對中壓電網(wǎng)電壓波動幅值技術(shù)要求。當儲能參與控制時，儲能系統(tǒng)毫秒級響應速度能夠快速平滑DFIG功率波動，并網(wǎng)點電壓波動得到良好的抑制，電壓波動幅值降低至1.6%，擾動后電壓穩(wěn)定時間從大于5 s減小為0.85 s。從仿真結(jié)果可見，在大方式一下儲能系統(tǒng)有效地改善了微電網(wǎng)小擾動電壓穩(wěn)定性。

由于大方式一與小方式一下儲能均用于平滑風電功率波動，放電與充電外特性相似，故僅選擇大方式一分析。

（2）算例2：小方式二下快速變槳控制改善小擾動電壓穩(wěn)定性。設(shè)定初始風速為9.5 m/s，從3 s開始受漸變風擾動，風速上升為12 m/s。圖7描述了DFIG槳距角參與控制/無槳距角控制2種情況下微電源有功響應與母線4電壓特性（均為標幺值）。

圖7 漸變風擾動下微電源有功響應與母線4電壓特性（快速變槳控制/無變槳）Fig.7 Active power response of microsource and voltage characteristic of BUS 4 under ramp wind disturbance（with/without pitch-angle control）

由圖7可知，DFIG快速變槳控制有效地抑制了母線4電壓波動，使電壓波動從5.25%降低至1.8%，擾動后電壓穩(wěn)定時間從6.2 s減至2.5 s。此外由表1知，小方式二下微電網(wǎng)負荷較小，儲能系統(tǒng)由于蓄電池充滿處于停運狀態(tài)。DFIG快速變槳控制增強小擾動電壓穩(wěn)定性的同時，可減少柴油發(fā)電機長期低載運行以及風機頻繁啟停對微電源運行壽命的影響。

5 結(jié)論

a.本文首先分析了中壓孤島微電網(wǎng)中DFIG的功率電壓特性，分析表明中壓微電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點電壓同時受有功潮流與無功潮流影響；利用DFIG可單位功率因數(shù)運行的優(yōu)勢，通過控制儲能系統(tǒng)輸出或DFIG槳距角平抑風電功率波動，可有效抑制并網(wǎng)點電壓波動。

b.針對微電網(wǎng)不同運行方式約束，為改善含DFIG微電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，提出了基于就地層儲能穩(wěn)定控制、DFIG快速變槳控制的靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立了東澳島微電網(wǎng)系統(tǒng)和穩(wěn)定控制策略仿真模型，仿真驗證了穩(wěn)定控制策略對于改善電壓穩(wěn)定性的有效性。研究結(jié)果表明，小擾動電壓穩(wěn)定增強控制策略能有效抑制陣風以及漸變風擾動下微電網(wǎng)母線和風機并網(wǎng)點電壓波動，補償遠端柴油發(fā)電機慢動態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力；小方式二下DFIG快速變槳控制同時可減少柴油發(fā)電機長期低載運行以及風機頻繁啟停。本文提出的電壓穩(wěn)定控制策略有利于微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

c.本文提出的微電網(wǎng)電壓協(xié)同控制策略可為多能互補微電網(wǎng)穩(wěn)定控制策略的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

致 謝

本文中微電網(wǎng)建模與實驗方案設(shè)計是在南方電網(wǎng)科學研究院和廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室等工作人員共同參與國家重點智能電網(wǎng)工程——“珠海萬山海島新能源微電網(wǎng)示范項目”下合作完成的，在此致以衷心的感謝。