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8月9—10日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會聯(lián)合中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司、西安北大科技園、中國科學院電工研究所儲能技術組、深圳市科陸電子科技股份有限公司等單位聯(lián)合主辦“第二屆全國發(fā)電側(cè)儲能技術與應用高層研討會”在陜西西安金磐酒店舉行。來自政府主管部門、能源監(jiān)管部門、行業(yè)專家、設計院、新能源發(fā)電業(yè)主單位、電力公司、系統(tǒng)集成商、項目承包商、投融資機構等單位的260余位嘉賓出席了本次研討會。

主辦方邀請到上海電力大學趙晉斌教授就“儲能電站虛擬同步機控制方法研究與應用”做主題報告，以下為其報告主要內(nèi)容。

 

 

 

趙晉斌

我前面也聽了一下，大家可能對做電池本體和電池的應用說的多一點 我更偏重于研究儲能變換裝置。接下來把我們做的內(nèi)容做一些匯報，我的題目是“儲能電站虛擬同步機控制方法研究與應用”。

我們講的內(nèi)容是三個方面，第一個問題是研究背景。第二個是關鍵技術。第三個是展望。

在講之前我們都要講一下我們的研究背景，截至2018年底，我國峰巔并網(wǎng)峰巔并網(wǎng)容量達到1.84千瓦，光伏并網(wǎng)容量達到1.75億千瓦，規(guī)模均居世界首位。高比例新能源成為未來電網(wǎng)的重要特征。那么存在的問題是主動支撐電網(wǎng)的能力缺失怎么辦？我們知道它不具備根據(jù)機端頻率合電壓信號進行自主調(diào)節(jié)的能力，比如說慣量支撐和一次調(diào)頻和主要跳崖能力等主動支撐能力比較弱一點，但是我們說新能源的二次調(diào)頻和二次調(diào)壓可能在某些方面可以去支持。

 

會議現(xiàn)場

我們現(xiàn)在虛擬同步機是什么？虛擬同步機技術通過在變換器控制環(huán)節(jié)中模擬同步發(fā)電機的運行機制，使新能源發(fā)電設備具備主動支撐電網(wǎng)能力，由“被動調(diào)節(jié)”轉(zhuǎn)為“主動支撐”，當然前提條件是我前面接的源是好的?，F(xiàn)在我們來說你這個儲能建的大，我們所需資金太高，但是你可以借助與光、風等能源來進行互補。

我們知道以前做電網(wǎng)，大電網(wǎng)的電壓都是由它來決定的。但是我們一般的光伏只要輸入最大功率就可以了。那么這個東西能不能支撐？不一定的。我們通過這個圖可以看出虛擬同步機直流側(cè)儲能系統(tǒng)對維持直流母線電壓的穩(wěn)定和系統(tǒng)功率平衡起著關鍵作用。儲能單元作為功率緩沖單元通過控制逆變器的不同運行狀態(tài)實現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡，研究儲能系統(tǒng)和虛擬同步機之間的交互影響，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行起著關鍵作用。

接下來我們要考慮SOC特性的微電網(wǎng)VSG運行參數(shù)邊界的分析，我的虛擬機首先要考慮到儲能可以提供多少能量，我才可以讓我的虛擬機做一個控制來做選擇，然后我必須要給它配置一定比例的儲能單元以及提供慣性功率，因此儲能的荷電會對系統(tǒng)穩(wěn)定性能產(chǎn)生的影響。然后分析VSG各參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定以及對儲能充放電功率的影響。第一，我們需要通過模型的建立，得出以保護儲能為目標的實時功率限值。也就是說這個我可以通過SOC進行舉例。一般來說蓄電池在某一SOC的情況下，需充放電的雙向特性使得蓄電池具有不同的充放電功率的限值，因此VSG控制參數(shù)在便捷里面會發(fā)生相應的改變，我們會有一個放電限值和充電的限值。

那么現(xiàn)在是慣量問題，它對我們的輸出率有什么影響？慣量減小，蓄電池輸出功率上升。如果轉(zhuǎn)動慣量增大的話，它的頻率變化速度和變化量就會減小，頻率改善效果增強。

下面我們要考慮的是導入靜態(tài)轉(zhuǎn)子和虛擬調(diào)節(jié)閥的虛擬同步機控制，我的儲能的種類比較多樣化，因為我的儲能的特性是不一樣的，也就是說我們一般要考慮超級電容和鋰電池甚至是一些其他儲能的截至，一般來說超級電容可以非常短的時間來響應輸出率的需求。但是功率的密度和能量密度之間產(chǎn)生了矛盾，如果純粹靠電池那是可以的，但是我們一旦選擇一個最佳的，怎么選？所以我們就考慮到超級電容和鋰電怎么融合？我可以通過鋰電容量的配置來實現(xiàn)這樣的效果。我們通過分析VSG的暫態(tài)響應過程，可以分解出不同動態(tài)響應特性的轉(zhuǎn)子慣性功率和調(diào)節(jié)閥功率。這樣就引入了鉛酸蓄電池和超級電容，通過反饋不同的參考量使得不同特性的靜態(tài)儲能模擬旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和機械調(diào)節(jié)閥的特點。

這個是我們跟傳統(tǒng)同步發(fā)電機的對比，這樣看可能更清楚一點，可以看到調(diào)節(jié)閥起到什么樣的作用。我們一般來說輸出電功率表現(xiàn)出二階振蕩特性，調(diào)節(jié)閥功率表現(xiàn)出一階慣性特性，轉(zhuǎn)子慣性功率表現(xiàn)出振蕩衰減特性。調(diào)節(jié)閥功率變化速度較慢，沒有超調(diào)量，對響應速度要求不高。而轉(zhuǎn)子慣性功率響應快同時振蕩幅值比較大，但是暫態(tài)時間短釋放的容量較小，因此在儲能配置時需要更關注功率密度。

下面我們看一下不同儲能類型有什么特點，比如說不同蓄電池充分方法電倍率、不同蓄電池階躍響應，可以看到可將一定容量的鉛酸電池及控制器等效為調(diào)節(jié)閥作為虛擬調(diào)節(jié)，超級電容可以代替發(fā)電機轉(zhuǎn)子作為靜態(tài)轉(zhuǎn)子。這個是我們自己所提出來的，這個是我們發(fā)表的一個系列，其實我們當時沒有做虛擬機，我們知道新能源接入最大的一個問題是電流元和電壓元的問題，因為你的大系統(tǒng)是電壓元，我接進去以后可能不會支持電壓。所以我們當時考慮的像UPS一樣，兩個接入嘛，并嘛，這樣算是間接增強了，所以這是我們當時考慮了入網(wǎng)電壓控制器。我們當時考慮利用軸壓調(diào)節(jié)的輸出電壓和內(nèi)阻抗控制換，它包含了四個環(huán)路：調(diào)壓軸控制換、輸出電壓控制換、并網(wǎng)電流前饋環(huán)、濾波器電容電流補償環(huán)。第三張圖片是帶軸壓調(diào)節(jié)的頻率控制單元，就是說是單向鎖相環(huán)，特增加了調(diào)頻軸用于改變逆變器輸出頻率。

這個是我們當時做的在有功功率動態(tài)響應過程中，Tf決定了其振蕩頻率，Kf決定了其振蕩衰減速率。隨著Tf增大，VIA定效轉(zhuǎn)子量J增大，振蕩頻率較大。隨著Kf增大，其等效阻尼D增大，振蕩衰減速率變起。因此我們在基礎上做了不同電網(wǎng)電壓下采用自適應控制策略前后的有功輸出分析，分析結(jié)論是未采用比例系數(shù)自適應控制策略前，逆變器在不同無功輸出以及不同電網(wǎng)電壓下，逆變器有功輸出與有功指令的偏差均迅速減小，最終穩(wěn)定在功率指令值2kW附近，因此我才能實現(xiàn)比較好的并網(wǎng)。這樣它存在兩個問題：1.電壓型逆變器直接并網(wǎng)瞬間存在較大沖擊電流。2.基于一次同步調(diào)節(jié)和二次調(diào)頻調(diào)節(jié)和預同步并網(wǎng)技術，可實現(xiàn)離并網(wǎng)無縫切換，抑制并網(wǎng)電流沖擊。這個是我們整個同步調(diào)節(jié)單元控制的框圖（圖示）

這個是我們?yōu)榱俗霾煌r的同步圖，這個是我同步指令前到同步過程的兩個并網(wǎng)，大家可以看到它影響大不大，這樣我要考慮我的電網(wǎng)電壓是200V，50Hz工況下同步過程實驗波形。還有一個問題是當電壓電網(wǎng)是240V，55Hz的情況下同步過程實驗波形，相對來說它會受到一些界限的影響，它的效果會差一點，但是沖擊是沒有的，這是我們當時做的一個分析。也就是說，盡管同步開始時逆變器輸出電壓與電網(wǎng)在幅值、頻率、相角方面均有較大差異，所涉及的同步控制策略能夠正常工作，使逆變器輸出向電網(wǎng)電壓逐步不僅。無論是同步控制啟動或者是并網(wǎng)開關閉合，均未造成明顯暫態(tài)沖擊，實驗效果良好，符合并網(wǎng)的標準要求。

我們還做了一個功率控制，我們做了一個逆變器PQ控制策略，使逆變器基本實現(xiàn)功率的自主管理而且具備一次調(diào)壓調(diào)頻特性。這個PQ控制策略實現(xiàn)了逆變器與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率交換，同時通過下垂機制可以有效的調(diào)節(jié)有功和無功輸出，可以使它參與到微網(wǎng)的電壓頻率調(diào)節(jié)，為電網(wǎng)提供一定的頻率和電壓支撐，這個是我們一直強調(diào)的，只要我可以提供支撐，因為以后分布式是一個大問題，現(xiàn)在你是發(fā)電者，它中間這個長度是比較小的，但是你最后還是要用到負荷層，和用電層。那么如果你有提供支撐能力的話，這樣也為增強電力系統(tǒng)包括電壓頻率穩(wěn)定在內(nèi)的安全穩(wěn)定運行目標提供了一種有效的技術手段。的

當時我們做了一個電網(wǎng)頻率變化圖，當電網(wǎng)頻率低于或者高于額定值時，VCI能夠相應地增加或者合乎減少有功輸出。第二個圖表明VCI可以有效地跟蹤電網(wǎng)頻率，另一方面，當電網(wǎng)頻率波動的時，VCI的無功輸出波動很小，表明VCI具有良好的功率解耦性能，我是完全把它的耦合性降低了。這個是我們做的一個實驗圖，大家可以看出它為了比較好的表示出來，為什么指令在1000瓦和0閥的時候，這個是有功支撐，這個是我純粹輸出無功的時候，我無功支撐，這里是有功支撐的時候。那么在我負的1000瓦，我吸收有功時候的一個事情。這個是做了一個0瓦和負的1000閥的時候，也就是說我的所有的有功和無功都可以按照我的需求來做支撐。因此我們的第一個結(jié)果表明在初始階段，設置參考功率PPfil乘為0W，Qfil乘為Var，不此時VCI輸出電流為0A。然后以一定速率改變參考功率值，當系統(tǒng)穩(wěn)定一段時間后重新設置參考功率為0。結(jié)果表明VCI可以精確地跟蹤參考功率，實現(xiàn)入網(wǎng)電壓控制型逆變器與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率交互。

然后我們做了多臺VSG五參與二次調(diào)頻的研究，我做一臺非常大的肯定不劃算，但是我可以先做一臺小的，然后不夠再加，這個對我的投入來說無非是一個過程。可以看出可以按照自己本身的功率來實現(xiàn)，我們不是按照平均的，因為我們的輸出率是不一樣的，比如說二者近似2：1，那么是可以做的，這樣可以承擔負荷功率的特點。

我們還做了到底誰更適用于接入弱電網(wǎng)，我們把電壓型VSG與電流型VSG進行了比較，在弱點網(wǎng)下或者VSG高滲透率下，電壓控制型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)依舊可以穩(wěn)定運行，而且無鎖相環(huán)的約束，而電流控制型VSG非常容易發(fā)生振蕩。電流控制型VSG并網(wǎng)臺數(shù)由1臺增加到2臺時，系統(tǒng)開始振蕩，電壓控制型VSG并網(wǎng)數(shù)量增加到3臺不會發(fā)生振蕩。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來說，電壓控制型VSG比電流控制型VSG更適合應用在新能源發(fā)電中。

還有就是VSG對弱電網(wǎng)的適應能力較強，并且在VSG滲透率高的時候系統(tǒng)衣衫穩(wěn)定。另外，VSG像同步發(fā)電機一樣，穩(wěn)定運行時無須鎖相環(huán)。

現(xiàn)在我們還對電池內(nèi)阻進行了檢測，基于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構特點，提出了一種主動阻抗檢測方法，即通過主動注入單脈沖擾動，檢測變換器輸出電壓、電流變化，獲得線路阻抗信息。進而對下垂系數(shù)進行補償，最終改善負荷分配精度和母線電壓電能質(zhì)量。通過對下垂系數(shù)進行補償，可削弱線路阻抗對分布式電源負荷分配和電壓電能質(zhì)量的影響。這是我們做的一個效果圖（圖示）

這個是我們實驗室做的一些情況，我們現(xiàn)在差不多有30個人，大家如果有機會可以一起來做相關的事情，感謝大家！

 

原標題：趙晉斌：儲能電站虛擬同步機控制方法研究與應用