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(dòng)迅速增長(zhǎng)。對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)功能, 許多研究和學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了探索和設(shè)想, 然而對(duì)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(duì)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(biāo), 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(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)建立能量函數(shù), 從能量這一本質(zhì)角度進(jìn)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(shí)間、穩(wěn)定域等運(yùn)行指標(biāo), 進(jìn)而設(shè)計(jì)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(shì), 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(jìn)行轉(zhuǎn)化傳輸。針對(duì)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(duì)系統(tǒng)各類型發(fā)電及負(fù)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(diǎn)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?duì)比驗(yàn)證, 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(shí)間對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)能的影響遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。進(jìn)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(shí)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(jì)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(dòng)能、電壓-勢(shì)能之間的關(guān)系, 設(shè)計(jì)脈沖反饋控制及其相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)脈沖反饋分為監(jiān)測(cè)和控制動(dòng)作兩部分, 如圖3所示。針對(duì)能量函數(shù)計(jì)算速度的考慮, 本文利用動(dòng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 省去勢(shì)能積分環(huán)節(jié)帶來的延時(shí), 滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)動(dòng)作的要求。直至監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示需要進(jìn)行脈沖反饋控制調(diào)節(jié), 進(jìn)入控制步驟。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

4算例驗(yàn)證

為驗(yàn)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(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并網(wǎng)系統(tǒng)由能量函數(shù)計(jì)算與監(jiān)測(cè)設(shè)備、風(fēng)光互補(bǔ)平臺(tái)、光伏陣列及相應(yīng)電力電子變換器構(gòu)成, 實(shí)驗(yàn)過程考慮短路故障, 通過與現(xiàn)行微網(wǎng)控制策略進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證, 驗(yàn)證所提出算法的有效性。仿真過程如下: 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí), 發(fā)電及負(fù)載設(shè)備運(yùn)行正常; 在0.4s時(shí)B點(diǎn)發(fā)生短路故障, 并在1.4s切除故障。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中, 實(shí)時(shí)記錄各點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)比?？梢钥闯霈F(xiàn)行的運(yùn)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(jìn)一步, 由于可以有效的對(duì)系統(tǒng)的能量進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法和運(yùn)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(jì)了典型的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備, 同時(shí)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(jìn)而設(shè)計(jì)了脈沖反饋控制, 從能量角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制, 同時(shí)降低故障對(duì)其他區(qū)域的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出算法的有效性。在本文所提出的架構(gòu)下, 針對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng), 可以考慮進(jìn)一步加入熱電聯(lián)產(chǎn)等設(shè)備進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)等。（孫秋野, 張藝?yán)_, 何海波, 馬大中, 張化光）

原標(biāo)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(jì)