1存在的問題

傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法無法用于接入大規(guī)模、多類型分布式能源的能源互聯(lián)網(wǎng)。

近年來, 隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 包括電能、熱能、天然氣等多種形式的能源在能源主網(wǎng)和能源微網(wǎng)之間的流動迅速增長。對于能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)功能, 許多研究和學者已經(jīng)進行了探索和設(shè)想, 然而對于能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制還處于相對缺乏的狀態(tài)。隨著分布式電源規(guī)模的逐漸增加, 線路電阻、系統(tǒng)阻尼等影響日漸突出, 傳統(tǒng)的微網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法, 如IEEE 1547提供的電壓指標, 已經(jīng)無法用于大規(guī)模、多類型分布式發(fā)電系統(tǒng)接入下的能源互聯(lián)網(wǎng)。因此本文在所提出的能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備及典型結(jié)構(gòu)中,針對能源互聯(lián)網(wǎng)的特點建立能量函數(shù), 從能量這一本質(zhì)角度進行穩(wěn)定性分析。在此基礎(chǔ)上, 確定能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定性判據(jù)、臨界切除時間、穩(wěn)定域等運行指標, 進而設(shè)計了基于能量的脈沖反饋控制, 以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。

2能源互聯(lián)網(wǎng)能量函數(shù)建模

由于電能的轉(zhuǎn)換效率、傳輸速度及效率等優(yōu)勢, 使之成為能源互聯(lián)網(wǎng)最為有效的能源轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)和傳輸媒介。能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備如圖1所示:

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備

在整合多種能源的基礎(chǔ)上, 能源互聯(lián)網(wǎng)以電網(wǎng)為核心架構(gòu), 利用電能進行轉(zhuǎn)化傳輸。針對能源互聯(lián)網(wǎng)的一次能源層和轉(zhuǎn)換層, 本文首先完成對系統(tǒng)各類型發(fā)電及負荷設(shè)備的功率建模, 得到能源互聯(lián)網(wǎng)功率平衡方程, 解決多種能源互聯(lián)的分析和建模。另一方面, 高比例可再生能源發(fā)電的接入, 使得系統(tǒng)的阻尼系數(shù)和線路電阻無法忽略。本文在考慮上述特點的基礎(chǔ)上, 提出了用于能源互聯(lián)網(wǎng)的能量函數(shù), 為能源互聯(lián)網(wǎng)提供了一種穩(wěn)定性分析工具?；诶碚摵头抡鎯煞矫娴膶Ρ闰炞C, 可以得到能量函數(shù)不同于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)能量函數(shù): 由于高滲透率的能源互聯(lián)網(wǎng)中, 逆變器設(shè)備占比較大, 使得阻尼系數(shù)、故障切除時間對于系統(tǒng)動能的影響遠大于發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量。進而, 得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件和穩(wěn)定判定規(guī)則, 其與其他理論所得到的判穩(wěn)規(guī)則相一致, 如圖2所示。

圖2 能量函數(shù)臨界切除時間及穩(wěn)定域判定

3能源互聯(lián)網(wǎng)脈沖反饋控制

本文從能量角度的穩(wěn)定性分析, 并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了脈沖反饋控制, 為能量路由器等區(qū)域控制器設(shè)備提供可行的控制方法。通過頻率-動能、電壓-勢能之間的關(guān)系, 設(shè)計脈沖反饋控制及其相應參數(shù)指標。系統(tǒng)脈沖反饋分為監(jiān)測和控制動作兩部分, 如圖3所示。針對能量函數(shù)計算速度的考慮, 本文利用動能進行實時監(jiān)測, 省去勢能積分環(huán)節(jié)帶來的延時, 滿足系統(tǒng)實時監(jiān)測、及時動作的要求。直至監(jiān)測結(jié)果顯示需要進行脈沖反饋控制調(diào)節(jié), 進入控制步驟。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

4算例驗證

為驗證提出的穩(wěn)定性分析方法和控制算法的可靠性, 本文在如圖4所示的模擬能源互聯(lián)網(wǎng)平臺進行實驗驗證。并網(wǎng)系統(tǒng)由能量函數(shù)計算與監(jiān)測設(shè)備、風光互補平臺、光伏陣列及相應電力電子變換器構(gòu)成, 實驗過程考慮短路故障, 通過與現(xiàn)行微網(wǎng)控制策略進行對比驗證, 驗證所提出算法的有效性。仿真過程如下: 系統(tǒng)啟動時, 發(fā)電及負載設(shè)備運行正常; 在0.4s時B點發(fā)生短路故障, 并在1.4s切除故障。在對比實驗中, 實時記錄各點電壓為能量函數(shù)分析結(jié)果的正確性提供參考。圖5和圖6分別描述實驗期間現(xiàn)行微網(wǎng)策略下和施加控制的系的能量函數(shù)對比。可以看出現(xiàn)行的運行策略無法避免系統(tǒng)失穩(wěn), 而本文提出的算法可以滿足這一需求; 進一步, 由于可以有效的對系統(tǒng)的能量進行調(diào)整整形, 因此提出的算法可以有效地減少受故障影響區(qū)域范圍。

圖4 實驗驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 傳輸線AD能量

圖6 傳輸線AD能量

5總結(jié)與展望

針對于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法和運行策略無法滿足大規(guī)模分布式發(fā)電單元接入的能源互聯(lián)網(wǎng)的控制要求, 設(shè)計了典型的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備, 同時在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下, 建立能量函數(shù)穩(wěn)定性分析方法, 解決能量互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定性分析的需求。進而設(shè)計了脈沖反饋控制, 從能量角度對系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制, 同時降低故障對其他區(qū)域的影響。仿真結(jié)果驗證了所提出算法的有效性。在本文所提出的架構(gòu)下, 針對于能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng), 可以考慮進一步加入熱電聯(lián)產(chǎn)等設(shè)備進行控制器設(shè)計等。（孫秋野, 張藝繽, 何海波, 馬大中, 張化光）

原標題:基于能量函數(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定性分析及非線性控制設(shè)計