1存在的问题

传统稳定性分析方法无法用于接入大规模、多类型分布式能源的能源互联网。

近年来, 随着能源互联网概念的提出和相关技术的发展, 包括电能、热能、天然气等多种形式的能源在能源主网和能源微网之间的流动迅速增长。对于能源互联网的结构功能, 许多研究和学者已经进行了探索和设想, 然而对于能源互联网的稳定分析和稳定控制还处于相对缺乏的状态。随着分布式电源规模的逐渐增加, 线路电阻、系统阻尼等影响日渐突出, 传统的微网稳定性分析方法, 如IEEE 1547提供的电压指标, 已经无法用于大规模、多类型分布式发电系统接入下的能源互联网。因此本文在所提出的能源互联网关键设备及典型结构中,针对能源互联网的特点建立能量函数, 从能量这一本质角度进行稳定性分析。在此基础上, 确定能源互联网稳定性判据、临界切除时间、稳定域等运行指标, 进而设计了基于能量的脉冲反馈控制, 以提高系统的稳定性和故障处理能力。

2能源互联网能量函数建模

由于电能的转换效率、传输速度及效率等优势, 使之成为能源互联网最为有效的能源转换中转和传输媒介。能源互联网的基本架构及关键设备如图1所示:

图1 能源互联网的基本架构及关键设备

在整合多种能源的基础上, 能源互联网以电网为核心架构, 利用电能进行转化传输。针对能源互联网的一次能源层和转换层, 本文首先完成对系统各类型发电及负荷设备的功率建模, 得到能源互联网功率平衡方程, 解决多种能源互联的分析和建模。另一方面, 高比例可再生能源发电的接入, 使得系统的阻尼系数和线路电阻无法忽略。本文在考虑上述特点的基础上, 提出了用于能源互联网的能量函数, 为能源互联网提供了一种稳定性分析工具。基于理论和仿真两方面的对比验证, 可以得到能量函数不同于传统输电网能量函数: 由于高渗透率的能源互联网中, 逆变器设备占比较大, 使得阻尼系数、故障切除时间对于系统动能的影响远大于发电机的转动惯量。进而, 得到系统临界稳定条件和稳定判定规则, 其与其他理论所得到的判稳规则相一致, 如图2所示。

图2 能量函数临界切除时间及稳定域判定

3能源互联网脉冲反馈控制

本文从能量角度的稳定性分析, 并在此基础上,设计了脉冲反馈控制, 为能量路由器等区域控制器设备提供可行的控制方法。通过频率-动能、电压-势能之间的关系, 设计脉冲反馈控制及其相应参数指标。系统脉冲反馈分为监测和控制动作两部分, 如图3所示。针对能量函数计算速度的考虑, 本文利用动能进行实时监测, 省去势能积分环节带来的延时, 满足系统实时监测、及时动作的要求。直至监测结果显示需要进行脉冲反馈控制调节, 进入控制步骤。

图3 系统控制流程图

4算例验证

为验证提出的稳定性分析方法和控制算法的可靠性, 本文在如图4所示的模拟能源互联网平台进行实验验证。并网系统由能量函数计算与监测设备、风光互补平台、光伏阵列及相应电力电子变换器构成, 实验过程考虑短路故障, 通过与现行微网控制策略进行对比验证, 验证所提出算法的有效性。仿真过程如下: 系统启动时, 发电及负载设备运行正常; 在0.4s时B点发生短路故障, 并在1.4s切除故障。在对比实验中, 实时记录各点电压为能量函数分析结果的正确性提供参考。图5和图6分别描述实验期间现行微网策略下和施加控制的系的能量函数对比。可以看出现行的运行策略无法避免系统失稳, 而本文提出的算法可以满足这一需求; 进一步, 由于可以有效的对系统的能量进行调整整形, 因此提出的算法可以有效地减少受故障影响区域范围。

图4 实验验证系统结构图

图5 传输线AD能量

图6 传输线AD能量

5总结与展望

针对于传统的稳定性分析方法和运行策略无法满足大规模分布式发电单元接入的能源互联网的控制要求, 设计了典型的能源互联网结构及关键设备, 同时在此网络架构下, 建立能量函数稳定性分析方法, 解决能量互联网稳定性分析的需求。进而设计了脉冲反馈控制, 从能量角度对系统进行稳定控制, 同时降低故障对其他区域的影响。仿真结果验证了所提出算法的有效性。在本文所提出的架构下, 针对于能源互联网系统, 可以考虑进一步加入热电联产等设备进行控制器设计等。（孙秋野, 张艺缤, 何海波, 马大中, 张化光）

原标题:基于能量函数的能源互联网稳定性分析及非线性控制设计