含新能源接入的多應急電源組網系統功率自適應控制策略

張 偉，王宇強，武文麗，何晉偉，張雨舟，陳 敏

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.天津大學自動化與信息工程學院，天津 300072；3.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

近年來，國內外發生了不少由冰災、雪災、臺風、地震等極端災害導致的大面積長時間停電事件[1]。據統計，2019年全國用戶平均停電時間13.72 h/戶，其中城市地區4.50 h/戶，農村地區17.03 h/戶，計劃停電占用戶總停電時間的59.84%，影響用戶平均停電時間為8.21 h/戶，故障停電占總停電的40.16%，影響用戶平均停電時間為5.51 h/戶。作為直接服務于用戶的關鍵環節，提升配電網在特殊場景下的持續運行、故障預測和規避以及故障后的快速恢復能力，對抵御災害影響、保障人民正常生產生活和維持經濟、社會穩定發展具有重要戰略意義。因此，有必要對特殊情況下的應急保電措施進行研究，減少電力供應中斷導致的經濟損失。

國家能源局2018年印發的《電力行業應急能力建設行動計劃（2018—2020年）》中提出，要全面加強電力行業應急能力建設，探索電力應急產品、技術和服務綜合應用解決方案。目前的應急電源主要采用柴油發電車，但是存在供電成本高、應用場景單一、容量有限等不足，且在多應急電源功率精確控制和無通訊并聯等方面存在局限性。

目前，由多應急電源構成的應急供電系統主要采用有通訊線控制和無通訊控制，其中有通訊線控制以集中式控制為主，無通訊線控制以下垂控制為主。無通訊線的下垂控制以其即插即用、成本和復雜程度低等優點成為在應急電源組網控制中的研究熱點[2-5]。文獻[6-8]提出了不借助分布式電源間或者分布式電源與中央控制器間通訊的條件下，基于全分散理念的適用于各種工作場景的分布式電源自趨優控制方法；文獻[9-11]提出了基于本地信息的二次控制實現低偏差的母線頻率和電壓，然而這類控制方式無法工作在區域功率倒送的情況下，也很難協調移動柴發同步機和新能源逆變器的出力。

為了克服上述情況的不足，通過研究移動柴發同步機和新能源并網逆變器的協調控制，基于下垂控制提出了適用于新能源接入的應急組網系統功率自適應控制策略，在無中央控制器和通訊情況下，通過本地信息實現系統效益最大化的同時實現系統功率的自適應分配。所提的控制策略主要在同步機無通訊下垂控制的前提下，借助新能源并網逆變器在檢測輸出端的頻率信息實現新能源能夠在系統不同的負荷功率情況下自適應地調整自身的輸出功率，能夠很好地均衡系統的經濟性和穩定性。通過功率自適應控制策略，利用本地的柴油機、分布式新能源、移動柴發電源車等應急電源快速組建應急電網，通過多類型應急電源協調配合，保證居民用電負荷供電的連續性，降低特殊場景下帶來的經濟損失。

1 新能源接入的多應急電源組網系統

在應急電源組網系統中，柴發同步機、新能源并網逆變器和用戶負荷并聯在交流母線。系統中的發電功率和用戶負荷實時平衡，多應急電源組網系統的等效電路如圖1所示。

圖1 多應急電源組網系統Fig.1 Multi-emergency power supply networking system

根據傳統下垂控制理論[4]，系統中同步機輸出電壓和母線電壓的相位差θi很小，近似認為sinθi≈θi，cosθi≈1。當連線阻抗呈現感性即 ?i=90°時，此時柴發同步機輸出的有功功率P和無功功率Q可表示為

進一步可以得到柴發同步機的輸出功率和系統整體功率的關系式可以表示為

式中：Pi為第i臺柴發同步機的輸出有功功率；Pmppt為系統中電流源型并網逆變器的總輸出功率；Pload為系統的總負載功率。應急供電系統的總負載功率等于柴發同步機輸出功率和新能源并網逆變器輸出功率之和。在用戶負載功率波動時，并網逆變器保持在最大功率點工作，柴發同步機負責維持交流母線電壓頻率，根據下垂曲線調節輸出功率維持系統功率平衡。當用戶負載功率小于并網逆變器功率時，由于柴發同步機單向輸出功率，在柴發同步機工作在下垂模式的同時并網逆變器工作在有限功率點模式。

2 多應急電源組網功率自適應控制

考慮到新能源接入的多應急電源組網系統中柴發同步機和并網逆變器的功率控制差異，且在特殊場景下用戶負荷波動范圍大，若并網逆變器始終工作在最大功率點，對柴發同步機而言易工作在輕載模式，極端情況下甚至會出現功率倒送。

在新能源接入的多應急電源組網系統中，為了實現功率自適應分配避免系統功率倒送，提出了基于下垂控制的柴發同步機和并網逆變器的功率自適應控制策略，在維持多應急電源穩定工作運行的同時，實現特殊場景下新能源并網發電的最大化利用，進一步提升系統持續發電能力并降低柴油消耗。

2.1 柴發同步機的無通訊并聯下垂控制策略

柴發同步機的無通訊下垂控制不需要集中式控制方式中的微型電網控制中心MGCC（micro-grid control center）和復雜通訊系統，在降低系統成本和復雜度的同時維持系統功率的動態平衡。

該柴發同步機的功率控制策略采用傳統的下垂控制方式[12-15]，其中有功頻率下垂系數等于系統的所允許的頻率偏差比上額定有功功率，無功電壓下垂系數等于系統所允許的電壓偏差比上額定無功功率，表達式為

式中：P和Q分別為輸出有功功率和輸出無功功率；Pref和Qref分別為有功功率和無功功率基準值；f和U分別為輸出頻率和輸出電壓；f?和U?分別為輸出功率等于基準值時的頻率和電壓基準值；m和n為柴發同步機下垂系數，其分別由最大工作頻率fmax、最小工作頻率 fmin、額定有功功率Pr和最大母線電壓Umax、最小母線電壓Umin、額定無功功率Qr決定。

相應的控制策略如圖2所示。通過傳感器檢測柴發同步機輸出的三相電壓電流量，進而基于下垂控制表達式得到調速器和勵磁器的頻率和電壓參考，通過柴發同步機的調速器環節和勵磁器環節控制同步機的轉速和電壓達到給定的參考量。由于柴發同步機并聯在公共母線上，其輸出電壓的幅值和頻率保持一致，所以依據下垂曲線柴發同步機均分系統的公共功率和無功功率。

圖2 柴發同步機無通訊并聯下垂控制策略Fig.2 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

2.2 電流源型并網逆變器的自適應控制策略

光伏、風力等新能源發電系統的并網逆變器常使用最大功率點跟蹤控制來實現新能源發電的最大功率輸出。

正常情況下，對于同時含有柴發同步機和電流源型并網逆變器的微電網系統，若系統用戶負荷功率始終大于并網逆變器的最大輸出功率，則分布式柴發同步機依據下垂控制方程調節輸出電壓幅值頻率實現功率均分。而在檢修供電、應急及保電、局部黑啟動等特殊場景下，應急組網供電系統中用戶負荷波動性和隨機性強。因此其用電功率會低于系統中新能源發電的最大功率，此時若不對新能源發電功率加以控制，系統將出現功率倒送，柴發同步機無法維持母線電壓和系統穩定。

為實現多應急電源組網系統復雜工況下的功率協調優化，提出一種基于電流源下垂控制的功率自適應控制策略，以光伏發電為例其控制框圖如圖3所示。

圖3 電流源型并網逆變器自適應控制策略Fig.3 Adaptive control strategy for current source grid-connected inverter

在柴發無通訊并聯下垂控制策略中，系統母線頻率和柴發同步機輸出功率是一對耦合量。基于并網逆變器檢測交流系統的頻率，電流源型并網逆變器的功率控制環的控制方程為

式中：Pout為電流源型并網逆變器的實際輸出功率；PMPPT為電流源型并網逆變器最大功率點跟蹤控制的最大功率點；f為多應急電源組網系統的母線頻率；f0為最大功率控制和有限功率控制的頻率臨界點；fmax為系統設計的最大工作頻率；fmin為系統設計的最小工作頻率；m′為電流源型并網逆變器有限功率點控制的下垂系數。

由上述的輸出功率控制方程可知，當系統的運行頻率處于最大功率輸出區時，控制電流源型分布式電源工作在最大功率點跟蹤控制模式，保證新能源并網逆變器的最大出力；當其運行頻率處于輸出功率調節區時，控制電流源型并網逆變器的輸出功率隨頻率的增加而減少，且使調節幅度呈線性變化，保證多應急電源組網系統的穩定運行。

多應急電源組網系統中，柴發同步機、并網逆變器的輸出功率和負載功率同母線頻率的關系為

設系統的頻率臨界點 f0等于頻率基準值 f?，則包含j臺柴發同步機和k臺并網逆變器的多應急電源組網系統的負載功率可以表示為

在系統工作頻率范圍內，電流源型并網逆變器的輸出功率如圖4（a）所示。當j和k等于1，且頻率臨界點 f0等于頻率基準值 f?時，多應急電源組網系統中柴發同步機、并網逆變器的輸出功率和負載功率同母線頻率的關系如圖4（b）所示。

圖4 電流源型并網逆變器輸出功率和系統各應急電源輸出功率關系Fig.4 Output power of current source grid-connected inverter,and the relationship between output powers of various emergency power supplies in the system

電流源型并網逆變器的自適應控制策略通過檢測輸出端口的母線頻率，選擇功率控制環路中的最大功率點跟蹤策略或者有限功率點控制策略，故在無通訊條件下能夠實現并網逆變器的功率自適應調節。

綜上所述，基于傳統微電網中的下垂控制策略，多應急電源組網系統的柴發同步機通過輸出功率和頻率的線性下垂關系調節系統的母線頻率。在多應急電源系統的電流源型并網逆變器中的功率控制環加入下垂控制策略，檢測系統的工作頻率，判斷多應急電源組網系統的負載狀態。當系統處于輕載狀態時，自動調節并網逆變器的輸出功率，使柴發同步機、并網逆變器的輸出功率與負載功率相匹配。

3 仿真驗證

根據所提出的含新能源接入的多應急電源組網系統功率自適應控制策略，在檢修供電、應急及保電、局部黑啟動等特殊場景下典型的孤島交流系統，基于Matlab/Simlink建立了一個由2臺柴發同步機和1臺電流源型逆變器的多應急電源組網供電系統，如圖5所示，并對該系統進行了應急電源投切仿真和負載投切仿真。柴發同步機的調速器和勵磁系統分別采用伍德沃德調速器和IEEE Type AC1A勵磁系統，并網逆變器為三相全橋電流控制型逆變器。多應急電源組網系統的仿真參數如表1所示。

圖5 柴發同步機無通訊并聯下垂控制策略Fig.5 Parallel droop control strategy for diesel generator synchronous machine without communication

表1 仿真系統主要參數Tab.1 Main parameters of simulation system

3.1 應急電源投切仿真實驗

多應急電源組網系統首先要能實現分布式柴發同步機和新能源并網逆變器的接入，實現分布式的多應急電源系統的組網供電。對于仿真算例，在0～3.00 s時為狀態1，系統的初始負荷為480 kW；在3.00～3.76 s時為狀態2，系統中DG2開始并機預同步；在3.76～8 s時為狀態3，系統中DG1和DG2開始均分負荷；在8～10 s時為狀態4，系統中切除負荷至420 kW；在10～16 s時為狀態5，系統中100 kW的電流源型并網逆變器接入系統，所得的仿真結果如圖6所示。仿真過程中，為驗證柴發同步機的下垂控制環在系統有功頻率上的影響，多應急電源母線頻率變化如圖7所示。

由圖6可以看到，在多應急電源組網系統中，柴發同步機采用無通尋并聯下垂控制后系統有功功率變化曲線。可以看到在狀態1～狀態4中，柴發同步機投入時系統能夠很好的均分系統的功率，在負荷功率波動時，柴發同步機在暫態和穩態的功率都能夠實現很好的均分。在狀態5中，電流源型并網逆變器接入工作在最大功率點，此時柴發同步機的發電功率進一步降低系統保持穩定。由圖7可以看出，柴發同步機和新能源并網逆變器接入后，系統母線頻率依據柴發同步機設定的下垂曲線變化，在穩態時系統母線頻率保持不變。

圖6 多應急電源組網系統有功功率變化曲線Fig.6 Active power variation curves of multi-emergency power supply networking system

圖7 多應急電源母線頻率變化曲線Fig.7 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply

由以上數據分析可知，柴發同步機的無通訊下垂控制策略在負荷功率大于新能源發電功率時能夠很好地實現系統功率的分配。在新能源接入過程和負荷用電功率變化中系統的母線頻率工作在49.95～50.05 Hz間，穩態時系統母線頻率保持穩定。但是若電流源型并網逆變器未采用自適應控制策略，可知系統無法正常工作在負荷功率小于新能源發電功率的情況下，需進一步對新能源并網逆變器的控制策略進行設計。

3.2 應急電源投切仿真實驗

多應急電源組網系統在負荷功率大范圍波動時，要能夠在不同負荷功率情況下系統的功率自適應分配。對于仿真算例，在0～3.00 s時為狀態1，系統的初始負荷為480 kW；在3.00～3.76 s時為狀態2，系統中DG2開始并機預同步；在3.76～8.5 s時為狀態3，系統中DG1和DG2開始均分負荷；在8.5～11 s時為狀態4，系統中增加負荷至960 kW；在11～13 s時為狀態5，系統中100 kW的電流源型并網逆變器接入系統；在13～16 s時為狀態6，系統中減少負荷至480 kW；在16～20 s時為狀態7，系統中減少負荷至240 kW，所得的仿真結果如圖8所示。仿真過程中，為驗證新能源并網逆變器自適應控制策略引起的負荷變化過程中多應急電源組網系統的頻率變化，多應急電源母線頻率變化如圖9所示。

圖8 自適應策略下多應急電源組網系統有功功率變化曲線Fig.8 Active power variation curve of multi-emergency power supply networking system under adaptive strategy

圖9 自適應策略下多應急電源母線頻率變化曲線Fig.9 Bus frequency variation curve of multi-emergency power supply under adaptive strategy

圖8和圖9中的狀態1～狀態5與應急電源投切仿真實驗的工作狀態一致。從狀態5到狀態6的切換過程中，系統母線頻率從49.965 Hz變換到50.01 Hz，其中并網逆變器的輸出功率從100 kW降低至80 kW；從狀態6到狀態7的切換過程中，系統母線頻率從50.01 Hz變換到50.03 Hz，其中并網逆變器的輸出功率從80 kW降低至40 kW。可以得出系統的運行頻率和應急電源輸出功率的關系負荷系統多應急電源自適應功率控制策略。

基于多應急電源的自適應功率控制可以實現無通訊條件下用電負荷全范圍變換情況下的功率自適應分配，解決了原來并網逆變器最大功率點跟蹤下可能出現向柴發同步機倒送功率的問題。

4 結語

本文所提含新能源接入的多應急電源組網系統功率自適應控制策略在負荷的多個狀態下得到了仿真算例驗證，結果表明包含柴發同步機和新能源并網逆變器的功率自適應控制方法能夠實現多應急電源在無通訊的條件下自適應的分配系統功率。在輕載情況下，自適應限制新能源并網逆變器的并網輸出功率始終保持系統功率平衡防止出現系統功率倒送的情況，并為現階段普遍出現的節點功率倒送問題提供了重要的參考解決方案。

在下一階段，將進一步考慮自適應功率控制策略在復雜多應急電源系統的協調控制效果。由于多應急電源組網系統中連線阻抗的復雜性以及應急電源自身控制模式的多樣性，后續研究需要考慮不同的電壓源型和電流源型逆變器的差異以及電力電子變換器和同步機在慣性的區別，改進該系統的自適應功率控制策略，增強控制策略的適用能力，實現在復雜工況下多類型應急電源的組網供電。