嚴干貴，張禮玨，趙偉哲，張 鈺

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

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基于虛擬同步發(fā)電機的光-儲調頻控制策略研究

嚴干貴，張禮玨，趙偉哲，張 鈺

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

太陽能光伏發(fā)電作為一種可再生能源發(fā)電在電網中滲透率不斷升高，與此同時，對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也越來越不得忽視。首先，對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性進行分析。針對光伏并網發(fā)電在遇到頻率波動時不具備慣性和調頻能力的問題，提出了應用儲能補償系統(tǒng)的調頻需求，通過對儲能逆變器采用虛擬同步發(fā)電機控制策略，使光-儲作為一整體對外具備類似同步發(fā)電機特性，同時該系統(tǒng)還擁有保證光伏對外輸出功率穩(wěn)定的能力。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真驗證了所提出調頻控制策略的有效性。

虛擬同步發(fā)電機；光伏；儲能；調頻；控制策略

隨著世界各國對能源的需求量逐步增高，化石能源短缺，環(huán)境問題日益凸顯[1-2]。光伏發(fā)電憑借其節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)點得到大力發(fā)展。

然而，光伏滲透率水平不斷增高，為了維持電力供需平衡，同步發(fā)電機的容量需要相對減少。這導致了較低的系統(tǒng)慣性，而光伏并網基于電力電子并網單元動態(tài)響應速度快，無慣性補充[3]。當系統(tǒng)負荷變化發(fā)生頻率不穩(wěn)定時，不具備像同步發(fā)電機一樣對電網有頻率支撐能力。文獻[4]提出增大或降低光伏電池直流電壓，使光伏電池輸出功率偏離最大功率點運行，從而減載運行。當系統(tǒng)頻率跌落時，降低或增高電壓使光伏增加出力，但該方法沒考慮到運行經濟性，實用性不強。為使光伏發(fā)電系統(tǒng)具備同步機特性，有學者提出利用儲能來提供功率支持，并提出虛擬同步發(fā)電機控制方法[5-8]。

文獻[9-10]建立了虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)數學模型，并對其控制策略及特性研究。文獻[11-12]提出采用儲能作為備用進行虛擬同步發(fā)電機控制，從而使儲能表現為頻率補償器。當電網電壓出現三相不平衡時，文獻[13]對不平衡原因及存在的問題進行探討，并應用VSG平衡控制方法解決。

為使光-儲系統(tǒng)在儲能自身荷電狀態(tài)的限制內接入系統(tǒng)具備同步發(fā)電機的虛擬慣量，由于頻率波動時發(fā)電機轉子釋放動能較小，所以配置較少儲能容量即可得到該效果。文獻[14]經過計算，提出通過合理的儲能控制，配置5%的風電場額定容量即可達到同步發(fā)電機的慣性。

本文首先從光伏電池輸出特性曲線切入對光伏發(fā)電特性進行研究，按照最大功率追蹤運行，提高了運行經濟性；然后提出虛擬同步發(fā)電機控制策略，并應用于儲能并網系統(tǒng)；最后利用PSCAD/EMTDC進行了仿真驗證。結果表明，該方法保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，功率調節(jié)性能良好，并使系統(tǒng)慣量得到有效補償。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

光伏發(fā)電具有永久、綠色、靈活、迅速等優(yōu)點?；驹硎歉鶕馍匦?，利用光伏電池板將太陽能轉化為電能。光伏電池等效電路，如圖1所示。其中，Ipv和Vpv為光伏電池輸出電流和電壓，光生電流Ipc與光伏電池溫度及光伏電池接收的有效光照強度成正比。

圖1 光伏電池等效電路

在日照強度SB=1 000 W/m2，電池溫度TB=25 ℃的標準條件下，根據開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點電壓Vm、最大功率點電流Im可以得出光伏電池輸出特性的方程為

(1)

將最大功率點電壓、電流參數代入式(1)得：

(2)

(3)

圖2(a)、圖2(b)分別為光伏電池電壓-電流、功率-電壓輸出特性曲線。

圖2 光伏電池輸出特性曲線

圖3 MPPT示意圖

Pmpp為確定光照強度及溫度條件下，光伏電池能夠輸出的最大功率。Vmpp為最大功率點電壓，Impp為最大功率點電流。由圖2(a)和圖2(b)可知，光伏電池的輸出電流隨著電壓的增加先基本保持不變再迅速減??；輸出功率隨著輸出電壓的增加先增后減，為一條單峰曲線，P-V、I-V特性曲線均具有明顯的非線性特征。

一般來說，系統(tǒng)工作點并不一定是光伏陣列最大功率輸出點，而是或大或小偏離極值點，這時系統(tǒng)是低效率的。若可追蹤光伏電池最大功率點，便可有效提高系統(tǒng)發(fā)電的整體效率。采用Boost變換器和MPPT控制可以使工作點保持在最大功率點，即圖2(b)中單峰曲線的極值點Pmpp。該方法不受外界環(huán)境影響，通過獨立控制光伏陣列輸出電壓和電流實現。應用有效MPPT控制，便可使系統(tǒng)時刻運行在最大功率點處，對于系統(tǒng)功率穩(wěn)定輸出、提高運行效率有重要的意義。光伏電池MPPT示意圖，如圖3所示。

2 虛擬同步發(fā)電機控制策略

同步發(fā)電機轉子具備的慣性和機組調頻能力是保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的關鍵特性。由于光伏并網逆變器動作快，無轉動慣量應對頻率波動不能有效地調控。通過配置儲能單元使光-儲并聯運行連入電網，整體具備同步發(fā)電機的特性。光伏發(fā)電機組時刻運行在最大功率輸出下，根據系統(tǒng)的調頻需求，獨立控制儲能并網逆變器的有功功率輸出，作為常規(guī)發(fā)電機組的備用容量，在功率不平衡時，吸收或釋放能量。即可使光伏-儲能系統(tǒng)擁有慣性，又可以保證光伏功率輸出效率，同時具備同步發(fā)電機的調頻特性。圖4為光-儲系統(tǒng)并網等效結構圖。

圖4 儲系統(tǒng)并網等效結構圖

2.1 虛擬慣量控制

同步發(fā)電機的轉子運動方程為

(4)

式中：J為同步發(fā)電機轉動慣量；ω為機械角速度，當極對數為1時，機械角速度與電網電角速度相等；Tm為機械轉矩；Tm=Pm/ω；Pm為機械功率；Te為電磁轉矩；Te=Pe/ω，Pe為電磁功率。

轉子運動方程模擬同步發(fā)電機的機械部分，當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，虛擬發(fā)電機轉子向外輸出功率為

(5)

式中：△P1為模擬轉子釋放能量的輸出功率，J決定系統(tǒng)慣性的大小。當電網頻率下降時，虛擬同步發(fā)電機釋放“轉子動能”以獲取能量來補充功率，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。當頻率上升時，吸收功率。

2.2 有功調節(jié)

根據發(fā)電機輸出隨負荷變化而做出動作，相應系統(tǒng)頻率對比額定值會有偏差。將系統(tǒng)頻率偏差成比例的有功功率增量加入到轉子側有功功率控制環(huán)節(jié)，此過程為同步發(fā)電機調速器動作的一次調頻。

圖5 P-f特性曲線

(6)

式中：kf為下垂系數。

由公式(6)可得到單個機組調節(jié)方程為

(7)

式中：σ%為同步發(fā)電機組調差系數；PN為機組額定容量。

在頻率發(fā)生變化的同時，若光照強度也發(fā)生變化，會對于系統(tǒng)的穩(wěn)定和功率的輸出有很大影響，優(yōu)化后的一次調頻功率輸出為

ΔP2=Ppv_N+ΔP-Ppv，

(8)

其中：Ppv_N為額定情況下光伏輸出的功率；Ppv光伏實際輸出功率。

通過同步發(fā)電機轉子慣性和一次調頻特性的模擬，可以得到光-儲系統(tǒng)輸出有功功率為

P=Ppv+ΔP1+ΔP2.

(9)

當系統(tǒng)頻率發(fā)生跌落時，光伏保持MPPT運行，儲能作為光伏的輔助電源進行動作，釋放出△P1+△P2的有功功率，不同的kf反映同步發(fā)電機的調速器性能，決定了儲能功率輸出。其中發(fā)電機轉子釋放的功率與頻率的變化率成正比，即為暫態(tài)過程中釋放，若系統(tǒng)頻率變至穩(wěn)定值后，穩(wěn)態(tài)時△P1=0。光-儲作為整體表現出類似于具備調頻能力的同步發(fā)電機特性，使系統(tǒng)中的能量平衡并增加了慣性。

根據瞬時功率理論，系統(tǒng)的瞬時有功功率和無功功率為

(10)

基于電網電壓定向時，uq=0。上式簡化為

(11)

不考慮電壓波動，ud為定值。所以有功、無功電流指令為

(12)

圖6 控制策略

VSG控制框圖，如圖6所示。當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，不同調差系數決定機組功率響應，調差系數越小，對于輸出提升越明顯。相同調差系數，機組額定容量越大，對于系統(tǒng)功率補充能力越強。常規(guī)汽輪發(fā)電機組σ%取值為3至5。一般情況下，頻率波動范圍不超過±0.2 Hz，考慮到儲能系統(tǒng)上、下調整容量的調頻需求和經濟性，通過配置光伏系統(tǒng)額定容量10%的儲能容量即可滿足效果。

綜上分析，通過模擬發(fā)電機轉子釋放能量以及一次調頻，對于頻率穩(wěn)定性具備良好的控制力。通過不改變原有光伏控制避免了一系列機組間協調、配合的問題，顯著提升了光-儲系統(tǒng)的運行可靠性；同時對于光伏受外界變化儲能也能做出相應的補充，從而提升了電網對光伏發(fā)電在接納性。

3 仿真分析

本文對光伏發(fā)電特性和儲能VSG控制模型進行研究的同時，應用PSCAD/EMTDC平臺仿真驗證。

光伏并網逆變器采用常規(guī)的電壓電流雙環(huán)控制，開關頻率fs，光伏電池輸出最大功率追蹤采用擾動觀測法。儲能并網系統(tǒng)采用本文提出的虛擬同步發(fā)電機控制策略，光-儲并聯于交流母線處，共同接入無限大功率電源。系統(tǒng)參數，如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數

Ppv曲線為光伏并網機組運行時的功率輸出，在0.5 s時機組穩(wěn)定，Ppv=4.11 kW，此時頻率為50 Hz，儲能不啟動Pess=0(發(fā)出功率為正，吸收功率為負)。直至1 min時，頻率跌落至49.8Hz，儲能快速接入并輸出功率為0.8 kW。至2 min由于外界光照強度由1 000 W/m2下降至950 W/m2，光伏輸出功率下降至3.85 kW。從仿真結果圖7(b)、圖7(c)中清楚的可以看出，儲能輸出功率升高0.26 kW，對于頻率跌落時光照強度的下降儲能快速增加出力使并網總功率保持恒定，從而保證了調頻的功率需求。當3 min時頻率恢復至50 Hz，儲能減少頻率波動相應的輸出，同時為使光-儲系統(tǒng)對外輸出功率穩(wěn)定在Ppv_N，儲能應對光照強度降低的功率輸出繼續(xù)保持作用。接下來兩秒內又做了對于頻率上升時的模擬，在光照強度恒定時，對于頻率的上升儲能吸收一部分能量，同樣保證了功率穩(wěn)定。

圖7 仿真結果

圖8 仿真對比

通過模擬系統(tǒng)頻率在1 s時發(fā)生跌落，分別應用本文提出的虛擬同步發(fā)電機控制策略和傳統(tǒng)的下垂控制方法進行仿真對比，仿真結果如圖8。結果表明，通過在頻率跌落時，虛擬同步發(fā)電機控制策略模擬發(fā)電機轉子釋放動能，提高了在暫態(tài)過程中的輸出，有效地增加系統(tǒng)慣性，表現出優(yōu)于傳統(tǒng)下垂控制的調頻性能。

采用虛擬同步發(fā)電機控制策略的作用下，儲能單元當頻率變動時功率輸出響應迅速，對于外界頻率的變化響應準確，對每一次頻率波動都在0.2 s內介入，表現出較強的可靠性。在電網頻率驟升后降低了有功出力，系統(tǒng)的動態(tài)過程呈現出類似于同步發(fā)電機的特性，較好的提高了并網逆變器的運行性能。

4 結 論

近年來，太陽能光伏發(fā)電得到了廣泛的關注，不僅是因為它作為綠色能源逐步補充了短缺的化石能源發(fā)電，而且也是因為當大規(guī)模接入電網時，不具備慣性和調頻能力的特點，使電網的穩(wěn)定性得到挑戰(zhàn)。本文提出在光伏發(fā)電并網中加入儲能單元，作為一個整體模擬同步發(fā)電機的特性。通過應用虛擬同步發(fā)電機控制策略對儲能單元逆變器控制，避免了傳統(tǒng)光伏逆變器不具備調頻特性的劣勢，同時也使其具備調節(jié)光伏輸出不穩(wěn)定的能力，提高了電網對于光伏并網的接納性。通過仿真分析，驗證了虛擬同步發(fā)電機控制策略的在頻率波動情況下的有效性。

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Strategic Studies on Frequency-modulated Controlling of Photovoltaic-Energy Storage System Based on Virtual Synchronous Generator

Yan Gangui，Zhang Lijue，Zhao Weizhe，Zhang Yu

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

As a kind of renewable-energy-based power generation，photovoltaic power generation has been increasingly used for power system.And meanwhile，more attention is paying to the effect of system stability.The paper began with analysis of the output characteristics of photovoltaic system.In view of the absence of inertia of grid-connected photovoltaic power generation in the event of frequency fluctuation，the ideas to make up for the system virtual inertia with the stored energy were presented in the paper.By using the controlling strategies for virtual synchronous generator to the energy storage inverter，the integrated photovoltaic-storage system would work as a whole the same way with the synchronous generator.And meanwhile，it would maintain the stable output PV power of the integrated photovoltaic-storage system.At last，PSCAD/EMTDC simulation was used to verify the effectiveness of making up for the virtual inertia through the controlling strategies presented in the paper.

Virtual synchronous generator；Photovoltaic；Energy storage；Frequency regulating；Control strategy

2016-08-20

吉林市科技局杰出青年人才培養(yǎng)計劃(20156407)

嚴干貴(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：風力發(fā)電、柔性交流輸電技術.

1005-2992(2017)03-0001-06

TM615；TM464；TM732

A

電子郵箱： yangg@nedu.edu.cn(嚴干貴)；546381684@qq.com(張禮玨)；420577454@qq.com(趙偉哲)；191601980@qq.com(張鈺)