(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000)

0 引言

如今，新能源的發(fā)展勢不可擋，清潔且可再生不僅對環(huán)境友好，也可以滿足日益增長的用電需求。風(fēng)能、太陽能等清潔能源的應(yīng)用與發(fā)展也越來越受到人們的廣泛關(guān)注[1，2]。目前，順應(yīng)需求，分布式發(fā)電正在大力發(fā)展，風(fēng)光儲相結(jié)合形成的微電網(wǎng)分布越來越廣泛。分布式能源既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以進(jìn)行孤島運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)“即插即用，友好并網(wǎng)”[3，4]。

我國正在大力推動新能源的發(fā)展，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘空谥鹉暝黾?，風(fēng)電場的建設(shè)已經(jīng)逐步完善。1座風(fēng)電場的裝機(jī)容量至少在50 MW左右，而分布式風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量大概在1.5 MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)電場的裝機(jī)容量。而大功率的風(fēng)電并入電網(wǎng)會造成瞬間的沖擊，不僅影響電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，也會造成諧波污染。

同步發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)因?yàn)槠鋺T性使得當(dāng)用電功率發(fā)生突然變化時(shí)，系統(tǒng)的頻率不會立刻減小，而是由轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而減緩頻率的變化速度。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，可以使并網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理[5-7]。

文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)研究了基于VSG控制算法的分布式電源工作在孤島模式的情況，并對微電網(wǎng)中的虛擬慣性實(shí)現(xiàn)做了簡單的說明。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制算法，通過對比實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，構(gòu)造了對底層結(jié)構(gòu)的控制，外環(huán)控制中針對有功控制環(huán)和無功控制環(huán)分別加入了類似調(diào)速器和電壓調(diào)節(jié)器，并對鎖相環(huán)進(jìn)行了研究，但是該控制算法中的頻率調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器均是采用一階延遲環(huán)節(jié)來代替的，該簡化并不能準(zhǔn)確地反映出實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子特性和勵磁調(diào)節(jié)特性，并且采用該控制算法使得分布式電源工作在自治模式時(shí)較為困難和復(fù)雜。

為了使風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場具備更優(yōu)秀的功頻特性從而減小其并網(wǎng)以及運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)的干擾，國內(nèi)外學(xué)者們開展了大量研究。比較常見的方法是通過調(diào)整改變對風(fēng)電機(jī)組控制策略，使其模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率響應(yīng)特性，來使有大量電力電子設(shè)備參與發(fā)電的新能源發(fā)電系統(tǒng)也擁有一定慣性。本文從VSG的原理、與儲能的配合以及安裝方式進(jìn)行綜述、分析和展望，并且簡單研究了其對增減風(fēng)機(jī)數(shù)量的影響。

1 VSG原理及模型

1.1 VSG原理

VSG本質(zhì)是通過控制逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的工作原理，從而獲得類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。其原理圖見圖1。

圖1 VSG原理示意圖

圖1中，Pmea、Qmea分別為有功功率及無功功率的測量值；θ、f分別為鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)鎖出的角度及頻率；ma、mb、mc為三相調(diào)制信號。由圖可知VSG主要包括主電路和控制結(jié)構(gòu)，主電路就是傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)環(huán)節(jié)。其中前者包括直流電壓源、并網(wǎng)逆變器以及濾波電路，后者包括VSG本體模型與控制算法。本體模型主要是從運(yùn)行機(jī)制上模擬同步發(fā)電機(jī)的電磁方程與機(jī)械方程，而控制算法主要是從外特性上模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器與調(diào)頻器。

1.2 VSG數(shù)學(xué)模型

VSG控制就是在傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器控制中加入同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，目前已經(jīng)有二階、三階和四階模型正在研究[10]。本文采用的是同步發(fā)電機(jī)經(jīng)典的二階數(shù)學(xué)模型。

(1)

(2)

(3)

其中w為同步發(fā)電機(jī)的角速度，w0為額定角速度，PT為原動機(jī)的機(jī)械功率，Pe為同步發(fā)電機(jī)的電磁功率，D為阻尼系數(shù)，θ為電角度。

2 風(fēng)電場并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)分布受環(huán)境和地理位置影響較大，多建立在山區(qū)的迎風(fēng)坡或像內(nèi)蒙古草原這樣地勢開闊、風(fēng)能資源豐富的地區(qū)。傳統(tǒng)風(fēng)電場都會選擇距離負(fù)荷較近的區(qū)域，且因風(fēng)能的不確定性，電能大多就近消耗且大都供給于非中心負(fù)荷。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組，由風(fēng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)、機(jī)側(cè)變流器以及網(wǎng)側(cè)變流器組成。機(jī)組通過對2個(gè)逆變器的雙PWM變流器的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤(MPPT)，以充分利用風(fēng)力資源，提高風(fēng)能利用率。在風(fēng)電場出口并網(wǎng)處配置儲能系統(tǒng)，相比于在直流側(cè)或每臺風(fēng)機(jī)單獨(dú)配置儲能系統(tǒng)，其減少了一級能量變換，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，經(jīng)濟(jì)性更好，并便于集中控制。通過對并網(wǎng)側(cè)逆變器的控制，使風(fēng)電場與儲能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，協(xié)同作用等效為一臺虛擬同步發(fā)電機(jī)，可以更加穩(wěn)定的向電網(wǎng)輸送電能。

圖2為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)電場與VSG相結(jié)合，利用儲能與VSG控制使風(fēng)電場輸出的電能質(zhì)量提高，使得電壓、頻率和波形都可以達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，減少棄風(fēng)行為增加了可再生能源的利用率。

2.2 系統(tǒng)控制方法

系統(tǒng)的控制主要是指對并網(wǎng)逆變器的控制。逆變電源的外環(huán)控制方法主要有幾種。

2.2.1 恒功率控制，也即PQ控制

優(yōu)點(diǎn)：最大化利用新能源，能實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦跟蹤。

缺點(diǎn)：無調(diào)頻控制，當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動時(shí)，其輸出有功功率同樣會產(chǎn)生波動。

2.2.2 恒電壓—頻率控制，又稱v-f控制

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在孤島模式下時(shí)，可提供穩(wěn)定的輸出功率與電壓。

缺點(diǎn)：工作范圍有限，只在一定范圍內(nèi)適用。

2.2.3 下垂控制

優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)迅速，控制簡單，可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出調(diào)整。

缺點(diǎn)：只是模擬了同步發(fā)電機(jī)的下垂外特性，與同步發(fā)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行特性還有差距。

VSG控制則是在下垂控制的基礎(chǔ)上添加了內(nèi)環(huán)控制，使得虛擬同步發(fā)電機(jī)具有同步發(fā)電機(jī)的電磁特性與機(jī)械特性。以下為VSG的控制框圖(見圖3)。

圖3 有功-頻率控制框圖

圖中Pe為有功功率的測量值，Pref為設(shè)定的參考值，D為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，w為角頻率。

VSG的有功—頻率控制實(shí)際上是模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，用以體現(xiàn)有功功率和系統(tǒng)頻率的下垂特性。有功—頻率控制通過采集功率差值ΔP來控制虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率，并采用VSG阻尼系數(shù)D來描述頻率發(fā)生單位變化時(shí)的輸出功率變化量。選擇合適的參數(shù)就顯得尤為重要，可以通過容量以及波動來近似得到參數(shù)大小。

在上面的相關(guān)參數(shù)中，下垂系數(shù)D在選擇時(shí)與傳統(tǒng)的下垂控制算法相似，值過小會影響有功功率的調(diào)節(jié)精度；值過大會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，在阻尼系數(shù)的選擇上既要考慮有功功率調(diào)節(jié)的精度，又要考慮風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 無功-電壓控制框圖

圖4中Qref為設(shè)定的參考無功值，Qe為測量的實(shí)時(shí)無功值，Uref為設(shè)定的參考電壓值，km為電壓調(diào)整系數(shù)。

VSG的無功-電壓控制是為了模擬同步發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)功能，用以實(shí)現(xiàn)無功功率和電壓幅值的下垂特性。無功-電壓控制主要根據(jù)VSG所測得的輸出電壓幅值偏差ΔU與無功功率差額ΔQ調(diào)整輸出電壓，并采用電壓調(diào)整系數(shù)km來表示電壓調(diào)節(jié)的能力。其原理與有功-頻率控制類似，大致模擬了調(diào)節(jié)的方向，但是調(diào)節(jié)的精度還有待提高。

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

ATLAB/SIMULINK平臺上搭建了風(fēng)電場并網(wǎng)的仿真模型來進(jìn)行驗(yàn)證。具體參數(shù)如下。

1)每臺風(fēng)機(jī)的額定容量6 kW，額定風(fēng)速為9 m/s，儲能電池容量為3 kVA。

2)虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)為：J=0.05 kg·m2，Rs=0.001 Ω，Xs=0.025 Ω。電力電子元件參數(shù)十分靈活，可以視具體情況進(jìn)行調(diào)整。濾波電感L=25 mH，濾波電容C=60 μF，線路電阻R=0.02 Ω。

在圖5中，圖5(a)為風(fēng)速波動圖形，如圖所示，在t=0.5 s時(shí)和t=0.8 s時(shí)分別給定一個(gè)波動。0.5 s時(shí)峰值為1 m/s，波動幅度大約為11%。時(shí)長為0.2 s的波動；0.8 s時(shí)峰值為1.2 m/s，時(shí)長為0.2 s的波動。波動幅度大約為13%。

圖5(b)為在該風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)的輸出功率，從圖中可以看出，在0.5～0.7 s風(fēng)速波動時(shí)，功率波動最大達(dá)到1 500 W左右，波動幅度約為25%；而在0.8～1.0 s風(fēng)速波動時(shí)，功率波動最大達(dá)到2 000 W，波動幅度達(dá)到33%。(a)(b)兩圖對比可以看出，風(fēng)速對風(fēng)機(jī)輸出功率的影響十分顯著，當(dāng)風(fēng)速有很小的變化時(shí)，輸出功率的波動非常大。如果不加以調(diào)控，直接輸入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)造成干擾，使頻率發(fā)生變化影響整個(gè)系統(tǒng)的用電質(zhì)量。

圖5(c)中，藍(lán)色線為風(fēng)機(jī)在隨機(jī)風(fēng)速中輸出的有功功率；黃色線為虛擬同步發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出功率進(jìn)行功率平抑；紅色線為整個(gè)風(fēng)機(jī)-虛擬同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)向電網(wǎng)的輸送功率。由圖可以看出，當(dāng)有虛擬同步發(fā)電機(jī)參與功率平抑后，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的功率更加平滑，波動較小，對電網(wǎng)造成的沖擊小，并且對并網(wǎng)造成的頻率波動影響較小。

圖5 各輸出功率

4 結(jié)論與展望

大量的新能源發(fā)電電源接入對電網(wǎng)來說是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，新能源發(fā)電需要借助大量電力電子元件，會降低整個(gè)電網(wǎng)的慣性并增加諧波污染?；谕桨l(fā)電機(jī)原理所研究的VSG技術(shù)很好的模擬了同步發(fā)電機(jī)的特性，增加了網(wǎng)絡(luò)的慣性，但是對諧波卻不能起到很好的抑制作用，這也是今后的研究重點(diǎn)。