基于自適應(yīng)虛擬電廠電壓調(diào)峰控制方法

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；虛擬電廠；電壓調(diào)峰；功率系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712；TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0154-04

虛擬電廠可以綜合分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，還與主電網(wǎng)相連，以更好地調(diào)節(jié)和控制電力[1]。因此，虛擬電廠已成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)[2]。但目前用電負(fù)荷需求的增加會(huì)導(dǎo)致虛擬電廠峰值負(fù)荷增加，進(jìn)一步擴(kuò)大虛擬電廠電壓峰谷負(fù)荷之間的現(xiàn)有差異，增加調(diào)峰難度。如果不加以對(duì)虛擬電廠的電壓進(jìn)行引導(dǎo)和控制，將導(dǎo)致電壓質(zhì)量下降、發(fā)生諧波等[3]，嚴(yán)重影響虛擬電廠系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。因此需要采用電壓調(diào)峰控制策略，緩解虛擬電廠電壓負(fù)荷。如基于交換虛擬電路策略無(wú)法維持多母線電壓幅值[4]。提出了一種非線性微電網(wǎng)分布式控制策略[5]。利用控制一致性算法，通過(guò)改變逆變器的局部下垂曲線實(shí)現(xiàn)二次頻率或電壓調(diào)節(jié)[6]。利用改進(jìn)稀疏電壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了二次電壓控制[7]。而自適應(yīng)算法可以根據(jù)虛擬電廠的數(shù)據(jù)特征自動(dòng)調(diào)整，極大提高電壓控制策略的執(zhí)行效率[8-10]。基于此，本文利用自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整電壓峰值，不斷逼近電壓合適值的優(yōu)勢(shì)，并采用自適應(yīng)虛擬阻抗法重建虛擬電廠的輸出阻抗，進(jìn)一步提高電壓控制效率，將虛擬電廠功率系數(shù)設(shè)置為相同，采用同時(shí)補(bǔ)償機(jī)制來(lái)提高電壓，利用自適應(yīng)算法用于提高虛擬電廠單元的輸出電壓。研究結(jié)果可為虛擬電廠電壓調(diào)峰控制提供參考。

1虛擬電廠電壓調(diào)峰控制方法

1.1虛擬電廠電網(wǎng)配置

虛擬電廠微電網(wǎng)主要由電力電子裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制系統(tǒng)相結(jié)合的電壓控制單元組成。虛擬電廠電壓調(diào)峰控制主要通過(guò)饋線連接到公共母線，然后通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)并聯(lián)到主電網(wǎng)[11]。當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)關(guān)閉虛擬電廠電網(wǎng)來(lái)確保機(jī)器設(shè)備的自主運(yùn)行。且本文主要關(guān)注虛擬電廠的底層電壓調(diào)峰控制策略。

同步提高虛擬電廠輸出電壓不會(huì)改變虛擬電廠源的相對(duì)值，因此不會(huì)影響有功電廠配電行為。此外，式（8）中同步信號(hào)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，其數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于控制周期。假設(shè)虛擬電廠電壓控制同步信號(hào)存在延遲，這意味著每個(gè)虛擬電廠控制單元接收信號(hào)的時(shí)間不同，因此會(huì)出現(xiàn)電壓調(diào)峰誤差。然而，所提出的自適應(yīng)虛電壓控制策略將對(duì)虛擬電廠輸出的電壓進(jìn)行整流，從而實(shí)現(xiàn)新的平衡。因此，該策略對(duì)虛擬電廠電壓同步性的要求較低，魯棒性強(qiáng)，并有效解決虛擬電廠電壓及時(shí)控制的解決方案。

2基于自適應(yīng)的虛擬電廠電壓調(diào)峰控制案例分析

2.1電壓調(diào)峰波形

圖1為基于自適應(yīng)的虛擬電廠電壓調(diào)峰控制策略的電壓與電流波形。

在初始條件下，當(dāng)虛擬電廠系統(tǒng)功率保持平衡，電壓功率輸出足以維持虛擬電廠電壓穩(wěn)定時(shí)，虛擬電廠電流和超級(jí)電容電流處于混合儲(chǔ)能輸出0A，虛擬電廠電壓的穩(wěn)定值設(shè)為24V。當(dāng)虛擬電廠發(fā)電機(jī)以1.1s啟動(dòng)時(shí)，由于虛擬電廠用電的負(fù)載功率增加，虛擬電廠的輸出功率小于負(fù)載的消耗功率，導(dǎo)致產(chǎn)生1.9V的電壓差。此時(shí)，虛擬電廠和超級(jí)電容器采用放電以維持電壓的穩(wěn)定性，方便進(jìn)行電壓調(diào)峰控制。同時(shí)利用自適應(yīng)方法可以將虛擬電廠最大輸出電流控制在3.8A，然后逐漸降至0.5A，超級(jí)電容器最大輸出電流7.5A，然后逐步降至0.5A，虛擬電廠電壓快速穩(wěn)定在24V。在4.5s時(shí)，虛擬電廠直流電機(jī)關(guān)閉，電壓上升0.3V，超級(jí)電容器的輸出電流降至0A。因此基于自適應(yīng)方法可以將虛擬電廠的電壓穩(wěn)定在24V。

圖2為采用自適應(yīng)的控制策略時(shí)虛擬電廠啟動(dòng)和停止的電壓及電流調(diào)峰波形。

當(dāng)虛擬電廠在1.1s啟動(dòng)時(shí)，虛擬電廠可以產(chǎn)生5.3V的電壓降，儲(chǔ)能部分補(bǔ)償虛擬電廠系統(tǒng)功率。因此，虛擬電廠的輸出電流最大達(dá)到6.3A，超級(jí)電容器的最大輸出電流達(dá)到7.2A。由于虛擬電廠功率補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)能部分過(guò)大，虛擬電廠總線電壓在恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生1.1V的電壓過(guò)沖，導(dǎo)致超級(jí)電容器出現(xiàn)充電現(xiàn)象，并表現(xiàn)出總線電壓在24V時(shí)的振蕩和逐漸穩(wěn)定。當(dāng)虛擬電廠在4.3s關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生0.3V的電壓上升并迅速恢復(fù)穩(wěn)定，超級(jí)電容器的電流降至0A。當(dāng)虛擬電廠功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采用自適應(yīng)的電壓調(diào)峰控制策略更有利于分配超級(jí)電容的補(bǔ)償功率及電壓，充分發(fā)揮自適應(yīng)算法的優(yōu)勢(shì)，有利于快速補(bǔ)償虛擬電廠用電功率。但采用自適應(yīng)的電壓調(diào)峰控制時(shí)，儲(chǔ)能部分對(duì)電壓響應(yīng)敏感，會(huì)帶來(lái)過(guò)度補(bǔ)償、電壓過(guò)沖、超級(jí)電容充電現(xiàn)象以及虛擬電廠系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等問(wèn)題。因此當(dāng)虛擬電廠用電負(fù)載側(cè)產(chǎn)生較大功率波動(dòng)時(shí)，可以采用功率內(nèi)環(huán)控制策略提高電壓調(diào)峰能力。

2.2誤差比較試驗(yàn)分析及結(jié)果

采用自適應(yīng)電壓調(diào)峰后電壓穩(wěn)定性得到了改善。為進(jìn)一步驗(yàn)證基于自適應(yīng)的電壓調(diào)峰在虛擬電廠中的優(yōu)勢(shì)，比較了自適應(yīng)算法優(yōu)化前后在不同電壓調(diào)峰情況下的誤差率。不同電壓最大峰值分別取C1=100V、C2=200V和C3=300V，研究不同電壓調(diào)峰誤差率，可以幫助虛擬電廠及時(shí)調(diào)整用電功率，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著虛擬電廠電壓調(diào)峰測(cè)試運(yùn)行時(shí)間增加，誤差率也在增加。自適應(yīng)電壓調(diào)峰優(yōu)化前，當(dāng)測(cè)試時(shí)間從0s增加到60s。當(dāng)C1=100V時(shí)，誤差率從0.9%增加到12.4%；當(dāng)C2=200V時(shí)，誤差率從1.2%增加到8.2%。當(dāng)C3=300V時(shí)，誤差率從0.8%增加到5.1%。隨著電壓峰值的增大，誤差率也逐漸減小。而當(dāng)使用自適應(yīng)方法時(shí)，C1=100V時(shí)，使用自適應(yīng)算法的誤差率從0%增加到5.2%；當(dāng)C2=200V時(shí)，誤差率從0%增加到3.9%。當(dāng)C3=300V時(shí)，誤差率從0%增加到1.2%。自適應(yīng)算法的誤差率變化幅度遠(yuǎn)小于未優(yōu)化前的計(jì)算結(jié)果，且最大誤差率從12.4%下降到1.2%，下降率為90.32%。主要原因?yàn)椋谧赃m應(yīng)算法可以將虛擬電廠相同容量的電壓源DG_i和DG_j并聯(lián)運(yùn)行，其電壓調(diào)峰效率相同，因此可以有效將電壓調(diào)峰時(shí)的誤差降低。且虛擬電廠的輸出電壓E_i低于其允許的低限值，則該虛擬電廠將觸發(fā)電壓恢復(fù)操作，直到其輸出電壓恢復(fù)到額定值。

3結(jié)語(yǔ)

本文采用自適應(yīng)算法進(jìn)行虛擬電廠電壓調(diào)峰控制，該方法可以將虛擬電廠電壓快速穩(wěn)定在24V，且當(dāng)虛擬電廠功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采用自適應(yīng)的電壓調(diào)峰控制策略更有利于分配超級(jí)電容的補(bǔ)償功率及電壓，充分發(fā)揮自適應(yīng)算法的優(yōu)勢(shì)，有利于快速補(bǔ)償虛擬電廠用電功率。當(dāng)測(cè)試時(shí)間從0s增加到60s，自適應(yīng)算法的誤差率變化幅度遠(yuǎn)小于未優(yōu)化前的計(jì)算結(jié)果，最大誤差率從12.4%下降到1.2%。因此采用自適應(yīng)方法可以提高虛擬電廠電壓控制效率。