学术︱孤岛模式下潮流能发电系统协调控制策略

沈阳工业大学电气工程学院、中国海洋大学工程学院的研究人员杨俊友、王海鑫等，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，为提高孤岛模式下潮流能发电系统稳定性，深入研究了潮流特性及逆变器控制策略，对孤岛电网内部各子系统进行了建模分析。孤岛电网采用基于V/f控制为主、PQ控制为从的运行方案，提出V/f逆变器直流母线并联适量储能装置的方案，既增加了系统可靠性与经济性，又解决了重要负荷供电问题。

为保证V/f逆变器直流母线电压稳定，提出基于直流母线电压变化系数的控制算法。考虑孤岛模式下负荷与微源出力变化对电网稳定性的影响，引入孤岛电网调节裕度，提出适用于潮流能发电调节裕度最优的控制算法。通过PSCAD软件进行仿真分析，结果表明提出的控制算法能够保持孤岛电网稳定。实验验证了所提控制算法的可靠性和有效性。

潮流能资源丰富，其应用技术尚处于开发阶段，作为可再生能源具有巨大的开发潜力。在与电网衔接困难的孤岛地区，利用潮流能发电建立孤岛电网可解决本地区供电问题，提高潮流能利用率。研究潮流能发电系统的协调控策略，提出孤岛电网安全、可靠运行方案，对潮流能应用技术的发展具有重要意义[1]。

目前针对孤岛电网运行，国内外学者从发电单元、储能单元及系统控制方面做了大量理论研究，而对于海洋潮流能孤岛发电的研究较少。从微电网通信角度而言，多逆变器并联运行的微电网主要包括无互联线和有互联线两种控制方式[2,3]。

采用无互联线控制方式的微电网逆变器之间不需要基于互联通讯方式进行协调控制，如多台逆变器采用下垂控制，微电网能量控制简单，实现分布式能源即插即用[4]。但由于其对微电网能量电能流动控制不足，不利于能源的有效利用及负荷供电可靠性。

采用有互联线控制方式的微电网逆变器接受上层能量管理控制的调度，如主从控制，能够优化管理系统能量，但系统调节冗余受到限制。为使孤岛电网稳定运行，一般需要稳定的电压源支撑，因此储能电池成为首选方案。而电池自身使用寿命短暂且对环境造成污染，因此减少甚至不使用储能电池将成为微电网发展趋势之一。

文献[5-6]提出改进下垂控制系数优化孤岛运行方案。文献[7]设计了以减少发电成本为目的的下垂控制策略。文献[8,9]设计上层电压调节控制器，提出两次调压分层控制策略。有互联线可实现微电网很好地均流及主动分配能量。文献[10]设计了整套微电网系统，在孤岛模式运行时，采用储能电池以V/f控制模式为主其他分布式能源以PQ控制为从的控制方案。

文献[11]提出一种高渗透率大规模风储孤立电网的控制策略，以经济最优为目标使储能容量控制在合理范围之内。文献[12]基于光伏和大容量储能电池，通过协同能量管理控制策略计算储能单元交流电流幅值给定与充电电流参考值。一般基于功率预测技术设定电池容量，一方面满足分布式电源出力与负荷之差对时间积分的最大值，即满足瞬时功率调节裕度，另一方面满足分布式能源出力为零时重要负荷供电需求[13]。

为了增加孤岛电网的稳定性，文献[14]为分布式电源所选择电池容量较大，没有结合海洋潮流能稳定、低速且规律性极强的特性。孤岛运行分布式能源不足时需要储能电池供电，而为了增强孤岛电网的稳定性储能电池一般采用V/f控制，不采用下垂控制[15,16]。对于瞬时功率波动较大的分布式电源如风电采用PQ控制，光伏采用PV控制。潮流能变化颇有规律性，稳定且可预测性强，采用潮流能配合适量储能电池取代大容量电池储能方案可以提高微电网稳定性，减少经济成本与环境污染。因此上述控制方案并不适用于潮流能发电系统下的孤岛电网运行。

本文基于主从控制方案，提出潮流能发电装置配合适量储能装置方案，提高系统稳定性、冗余性，减少使用储能电池容量，且在潮流能最低时期实现为重要负荷供电，进而提出适用于孤岛模式下潮流能发电系统协调控制策略。仿真与实验验证了所提控制算法的有效性。

结论

本文提出基于直流母线电压变化系数的控制算法，根据直流母线电压运行区域对发电机组分别实施最优功率控制与降功率控制。基于调节裕度的协调控制算法增大海洋潮流能孤岛电网冗余，提出的孤岛电网整体运行方案，为建设海洋潮流能发电系统提供了借鉴。通过仿真与实验得出以下结论：

(1)负荷发生骤变时，V/f系统响应迅速，基于储能装置抑制了V/f系统的直流母线电压波动，使直流母线电压变化系数在合理范围内，并实现PQ系统提高孤岛电网调节裕度。

(2)实验中V/f系统直流母线电压变化系数的波动幅度远小于设定范围(-0.19~0.21)，且与潮流能流速趋势变化一致。为潮流能协调控制提供了有效参考系数，明显抑制了直流母线电压波动。

(3)孤岛电网在潮流流速较低以及换向期间，由于为重要负荷持续供电导致调节裕度偏离最优值较大。在潮流能流速较大时发电机组出力增大，调节裕度稳定且接近最优值。