利用可变惯量飞轮和POWER-SONIC蓄电池储能系统增强低惯量孤岛微电网的频率控制
2026-07-09 20:36:31 点击： 次
孤岛微电网(IMGs)的频率调理因可再生能源(RESs)和低惯量逆变型发电单元的存在而成为要害问题。由于RESs通常不参加频率操控任务，微电网(MGs)必须装备一台或多台同步发电机（如柴油发电机(DEGs)或微型燃气轮机）。此外，与传统同步发电机比较，DEGs具有更低的转动惯量，这些因素一起导致微电网体系惯量严重不足。因而，在本研讨中，选用与可变惯量飞轮（VIF）相连的柴油机，依据电网运转工况和扰动类型对微电网（MG）的惯量进行操控和调理。VIF能够完成对MG等效惯量的调控，然后有效抑制频率动摇。此外，由于飞轮作为机械设备呼应速度相对较慢，本研讨还装备了蓄电池储能体系（BESS）以完成快速频率呼应。为评价所提操控Strategy的效能，本研讨开展了多组事例剖析。这些事例研讨在三种不同情境下进行，即恒定惯性、虚拟惯性及可变/虚拟惯性。结果表明，选用所提出的可变/虚拟惯性操控Strategy后，独立微电网（IMG）的频率在扰动过程中一直保持在允许范围内。此外，经过该计划还能完成最低频率（频率谷值）与频率改变率（RoCoF）的两层改进。
Load频率操控（LFC）对于保持发电量与需求间的动态平衡至关重要。由于可再生能源（RESs）具有动摇性与间歇性特征，其并网使得LFC面临更大挑战。为此，电力体系运营商选用储能体系等先进操控Strategy，快速呼应可再生能源出力改变以保持体系安稳性[1]。
微电网（MGs）已成为集中式电力体系的热门替代计划，能够一起运转于并网与孤岛两种方式。在并网方式下，微电网调理与主电网的功率交流；而在孤岛方式下，则自主管理其电压与频率。典型的微电网包括柴油发电机等分布式电源（DGs）、风力发电机（WTs）和光伏（PV）面板等可再生能源设备，以及电池储能体系（BESSs）和飞轮储能体系（FESSs）等储能设备。微电网频率受发电与需求间的平衡联系影响，这种平衡或许因负荷改变、可再生能源出力动摇或发电机可用性改变而产生动摇。当体系产生任何方式的扰动或频率事情时，电网频率会产生动摇。对于惯性较低的体系（特别是孤岛微电网），这类频率动摇或许更为剧烈，并引发诸如过频/欠频继电器误动作等不良后果[2]。在剖析体系频率呼应时，需重点重视两个目标——，最低频率（谷值）和频率改变率（RoCoF）至关重要。研讨表明这些特性取决于体系惯量。在微电网中，多数光伏与风力机组不参加频率调理任务，因而微电网等效惯量遍及较低[3]。针对该问题，学者们提出多种处理计划以消除微电网惯量缺点。现有主流增强微电网惯量的办法包括：
- •依据电力电子的处理计划：该办法经过DC/DC变换器、逆变器和静态同步补偿器（STATCOM）调控发电出力以供给虚拟惯性[4]。电力电子设备模仿传统发电机来保持频率安稳[5]，其能量源可选用电池储能体系或可再生能源。尽管使用变速风力发电机[6][7]和光伏单元[8][9]完成附加惯性的研讨引起了学界重视，但此类计划难以在小型微电网中供给明显惯量支撑。
- •动态制动技能：部分微电网选用动态制动，经过将过剩能量以热能方式耗散或存储于直流母线来推迟频率跌落。这种也称为再生制动的计划，可在负荷骤增时供给惯性支撑[10]。
- •氢燃料电池：得益于其快速呼应时刻，氢燃料电池能够在频率跌落时经过敏捷提高输出来支撑微电网惯性，这与传统发电机形成鲜明对比[11][12]。
- •智能负荷：此类负荷在微电网操控器引导下，经过呼应频率或电价信号调理用电量，然后安稳微电网运转。该机制可改进频率呼应、下降对传统发电机的依靠，并提高可再生能源消纳才能[2][13]。
- •柴油发电机组（DEG）：DEG与其他可调度发电机组能在微电网中经过突加Load时快速提高出力供给真实惯性，然后协助安稳频率[14]。
- •能量存储体系（ESS）：BESS、FESS等ESS经过频率Drop时快速释放储能来供给微电网惯性。其效能取决于技能经济性优化的容量装备与布局[15]。超级电容器[16]、BESS[17]、FESS[18]及混合体系[19]等ESS类型存在Trade-offs：BESS具有高能量密度但循环寿数有限，FESS呼应敏捷且寿数长，但能量密度较低且成本较高。
经过对文献的全面回顾能够推断，选用混合储能体系（ESS）是处理微电网（MG）频率相关问题的合理高效计划。尽管电池储能体系（BESS）常与可再生能源（RES）合作使用以应对功率不确定性，但其存在循环寿数有限和长期功能下降的缺点。比较之下，飞轮储能体系（FESS）经过旋转质量供给快速频率呼应、高循环寿数及固有惯性，但能量密度较低。柴油发电机（DEG）仍是保证可靠备用电源的要害。将FESS与DEG结合可一起兼顾体系安稳性与可靠性。变惯量飞轮（VIFs）经过动态调理惯量完成比传统飞轮或DEGs更快的呼应速度，然后供给更优异的频率操控功能。
需求注意的是，尽管孤岛微电网通常比大型互联体系能接受更宽泛的频率动摇，但将频率保持在运转限值内仍然至关重要。特别跟着依据逆变器的可再生能源发电占比持续提高，体系惯量明显下降，导致微电网在扰动后更易出现频率失稳问题。过大的频率误差或过高的频率改变率或许触发保护继电器动作、引发电源逆变器失稳或损坏灵敏负荷。
多项近期研讨[20][21][22][23]强调，必须选用增强型频率操控战略（如虚拟惯量与附加惯量）以补偿天然惯量缺失并保持体系安全性。因而，本研讨的主要动机在于规划并评价一种结合虚拟惯量与VIF的先进频率支撑机制，特别针对极地微电网等偏僻或苛刻环境中常见的不确定可再生能源发电场景。
据此，本研讨旨在提出一种新式和谐组合的储能体系(ESSs)，该组合包括可供给虚拟惯性的电池储能体系(BESS)、具有实践可变惯性的飞轮储能体系(FESS)以及配备固定实践惯量的柴油发电机(DEG)，以支撑微电网(MG)的频率安稳。该集成计划不只兼具混合储能体系的优势，其可调度的柴油发电机还能保证暂态与稳态运转方式下发电与负荷的动态平衡。值得注意的是，这种针对频率支撑任务规划的多元化计划具有明显优势：当任一发电单元产生故障时，其他单元可立即接收调控职责。换言之，本研讨提出经过柴油发电机机组、虚拟惯性设备(VIF)、电池储能体系及其电力电子接口的协同合作，为独立微电网(IMG)的频率操控供给充足惯量支撑。在此研讨框架下，本文的主要创新点可归纳如下：
- •本研讨提出了一种针对孤岛微电网（IMG）的全体频率操控模型，该模型整合了柴油发电机（DEG）、虚拟惯量设备（VIF）、电池储能体系（BESS）和可再生能源发电体系（RES），并经过具体的小信号剖析保证体系在变惯量和扰动工况下的安稳性。
- •研讨创新性地选用VIF体系替代传统DEG，经过转速相关的动能吸收/释放机制完成自适应惯量调理，并凭借弹簧-质量动力学特性进一步增强操控效果。
- •该计划提出将用于虚拟惯量的BESS与用于实践惯量的VIF协同组合，并结合分布式应急发电机(DEGs)，依据扰动类型和运转工况动态调整微电网惯量。
- •经过频率最低点(frequency nadir)和频率改变率(RoCoF)等目标验证表明，这种混合型可变/虚拟惯量战略在功能上明显优于固定惯量计划和纯虚拟惯量计划。