开源创新— YXDG-GFM基于构网储能控制技术的开放式能量路由器


一、研究背景

随着“碳达峰、碳中和”战略的深入实施,国家大力推进可再生能源的开发与利用。提升分布式新能源并网的渗透率,一方面需要依靠坚强稳固的配电网架构和科学的运行管控;另一方面,基于能量路由器的微电网能量管理成为未来提升新能源利用率的重要方式。配电台区的微电网是未来配电网规划建设的重要领域,具有多能互补、多源协调、集中与分布式结合、供需友好的特点,对其开展基于能量路由器的架构研究具有重要的理论和应用价值。

 

二、构网储能控制技术

变流器控制模式可分为跟网型(grid-following, GFL)和构网型(grid-forming, GFM) 。目前变流器多采用 跟 网 控制,与电网同步需要 锁 相 环(phase-locked loop, PLL) 测 量 并 网 点 (point ofcommon coupling, PCC)的相位信息,在弱电网中存在稳定问题。在系统强度弱、物理惯性低的电网中,变流器宜采用构网控制。构网型变流器采用与同步发电机类似的功率同步策略,不需要借助锁相环便可实现同步。辅以储能元件或预留备用容量时,构网型变流器还能为系统提供虚拟惯性和阻尼。

随着新能源和电力电子设备的渗透率增加,电力系统有着惯性减小、系统强度变弱的趋势,稳定性问题愈发严重。构网(grid-formingGFM)控制技术可以提高变流器的电压、频率支撑能力,增强电力系统稳定性。

 

三、研旭构网型能量路由器介绍

 

研旭构网型能量路由器主要分为光储型能量路由器和风储型能量路由器。储能系统在电网中的作用包括:为系统提供有功或无功支撑、提高新能源并网能力、参与调峰调频、故障期间短时供电等。采用构网控制技术来控制储能变流器,可以提高新型电力系统的稳定性。

 

研旭构网型能量路由器示意图

 

南京研旭创新性的采用了单独的统一控制器,摒弃了传统的多分布式控制器通讯控制的方式,将所有变流器的控制由统一控制器完成控制,保证了系统严格意义上的实时性和即插即用功能。配置液晶显示界面,可以实现就地人机交互。

 

研旭构网型能量路由器拓扑结构

 

四、构网储能变流器的特点及控制策略

1、对电网事件的响应:

构网型变流器具有电压源特性,瞬时响应时将保持内电势 E 恒定,有利于系统电压稳定性,但缺陷是导致 I 幅值跃升,存在过流风险。

2、同步策略:

在功率同步策略下,构网型变流器不需要锁相环跟踪电网频率/相位,而是通过有功功率输送过程来实现同步。

3、适用场景:

当电网发生波动时,构网型变流器通过改变输出电压相位/幅值以调节有功/无功功率输出,可为系统提供频率/电压支撑,且调频/调压过程的时延短、响应快。在高比例新能源的电力系统中,由于同步发电机减少而导致系统强度降低,此时变流器更宜采用构网控制方式,以减小系统频率与电压波动。构网型变流器借助功率同步策略实现同步,不依赖外部电网相位信息,在孤网和并网模式下均能工作。

4、常见的构网控制策略:

  1. 下垂控制;
  2. 虚拟同步发电机控制;
  3. 匹配控制;
  4. 虚拟振荡器控制。

5、构网控制技术在未来电力系统中的作用:

  1. 提升系统短路电流水平,提高系统强度;
  2. 为系 统提供阻尼和惯性,改善系统频率稳定性;
  3. 当系统失步解列时快速响应,提升系统的第一摇摆周期稳定性,主动支撑系统恢复;
  4. 削弱电力系统间谐波和不平衡电压带来的影响。

6能量路由器协调控制方法

设备级控制面向底层接口变换器,接口变换器接入能源的种类、变换器类型、控制目标不同,变换器级控制方法也不同。常见变换器级控制方法有:最大功率点跟踪、母线电压控制、直接功率控制、PQ 控制(恒功率控制)、V/F 控制(恒压恒频控制)、VSG 控制(虚拟同步机控制)、Droop 控制(下垂控制)、恒压/恒流/恒功率充放电控制等。

系统级控制面向系统运行目标,通过对系统内各接入能源和负载变换器进行集中管理,实现能量管理和目标最优运行。变换器级控制与系统级控制组成了直流微网的控制体系。

 

 

五、能量路由器监控软件平台

1、监测与显示功能:上位机平台通过通讯口(以太网、CAN)与能量路由器进行信息交互,能显示能量路由器的端口电压、功率、负荷等多种信息;

2、控制功能:通过上位机平台能对能量路由器发布指令,如并网功率因数控制、各端口的功率控制,光伏发电、风力发电MPPT控制与给定功率控制;

3、上位机平台接受路由器上传数据及电网信息,正常运行方式下不干预路由器运行;异常情况下,综合处理各项信息后,可统一发布指令至各路由器;

4、能量路由管理:高峰时段,蓄电池进行放电控制,光伏(风力)进行MPPT控制;低谷时段,市电供给负载,储能电池进行充电控制。一般情况下,由底层能量路由器自行进行控制,高峰时段、低谷时段则由平台进行设置;

 

 

六、设备开放性

南京研旭研发的产品最大的特点就是开放性,目的是全面支撑用户二次开发。所能提供的资料为:

  • 硬件图纸,包含原理图和PCB图(PDF格式);
  • 柜体内部布线图、设计说明书,方便用户进行二次开发
  • DSP运行源代码,能量路由器控制器程序的源代码,包括程序主框架、硬件驱动功能、硬件配置功能、通讯功能、保护功能、采样功能、SVPWM算法等;设备操作说明书;
  • 硬件开发设计说明;
  • 软件开发设计说明(需选配软件资源开放);

   

用户获取以上资料后,可以从硬件、软件两个方面进行深度研究,硬件方面可以了解这类变流器的设计思路,以及一些特定成熟的电路。软件方面不仅可以从编程技巧等基础方面获取经验,而且更可以从探究、验证自己的控制算法等理论方面获得成果。

 

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