谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

MGP提升光伏發(fā)電系統(tǒng)慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力的研究

谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

新能源通過(guò)變流器并網(wǎng)，由于采用電網(wǎng)頻率定向和最大功率跟蹤控制使其不具備慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力，同步電機(jī)對(duì)（Motor-generator Pair，MGP）成為解決這一問(wèn)題的可行方案。本文給出了光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方程，針對(duì)負(fù)荷變化引起的長(zhǎng)時(shí)間尺度的電網(wǎng)頻率變化分析其慣性響應(yīng)和參與調(diào)頻的原理。在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)直流電壓反饋控制方法，通過(guò)在控制環(huán)節(jié)中引入減載率使得調(diào)頻范圍增加。分別搭建了多機(jī)的仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)與傳統(tǒng)火電廠和光伏通過(guò)逆變器并網(wǎng)的頻率響應(yīng)對(duì)比得出，MGP可以有效提升光伏發(fā)電單元的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力。

光伏發(fā)電；同步電機(jī)對(duì)；慣性響應(yīng)；頻率調(diào)整；頻率穩(wěn)定性

0 前言

在全球化石能源供需矛盾日益加深的背景下，各國(guó)角力于新能源發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。截至2019年上半年，中國(guó)風(fēng)電和光伏的發(fā)電量分別達(dá)到2145億kW·h和1067kW·h，同比增長(zhǎng)分別為11.5%和30%，棄風(fēng)、棄光率分別同比下降3%和1.2%[1]。在新能源并網(wǎng)容量持續(xù)增加的同時(shí)，電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性隨之下降。這一問(wèn)題主要?dú)w咎于新能源發(fā)電單元不具備常規(guī)火電機(jī)組的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力[2, 3]。一方面，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于其內(nèi)部不含旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能設(shè)備而不具備慣性。雖然風(fēng)機(jī)葉片和轉(zhuǎn)子具備慣性，但由于新能源并網(wǎng)逆變器以電網(wǎng)頻率為參考，風(fēng)機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存的動(dòng)能無(wú)法響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化而提供慣性支撐。另一方面，無(wú)論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電，其發(fā)電側(cè)一般均采用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，沒(méi)有備用容量參與電網(wǎng)的頻率調(diào)整。

為了提升新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，有學(xué)者針對(duì)性地提出了提升新能源慣性和頻率響應(yīng)的改進(jìn)控制方法。文獻(xiàn)[4]提出了基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的雙饋風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)控制方法，實(shí)質(zhì)上是利用風(fēng)機(jī)變流器的有功快速調(diào)節(jié)特性根據(jù)電網(wǎng)頻率變化改變其輸出功率大小。但是，該方法沒(méi)有考慮風(fēng)機(jī)本身的調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[5]和[6]根據(jù)火電機(jī)組調(diào)差率定義風(fēng)電機(jī)組的減載水平，通過(guò)在變流器控制中引入與其相關(guān)的比例系數(shù)以實(shí)現(xiàn)與火電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)相似的效果。文獻(xiàn)[7]為了充分利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能和槳距角的可調(diào)性，提出了虛擬慣量和槳距角聯(lián)合控制方法，既可以提升風(fēng)機(jī)慣性和頻率響應(yīng)，又可有效抑制頻率的二次跌落。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]考慮了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提出了高風(fēng)速機(jī)組優(yōu)先調(diào)頻的調(diào)度策略，有效地提高了風(fēng)電場(chǎng)頻率響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[9]針對(duì)風(fēng)機(jī)超速控制中控制器參數(shù)整定方法，用以提高風(fēng)機(jī)調(diào)頻響應(yīng)能力，但是整定參數(shù)表由仿真計(jì)算得到，未考慮實(shí)際運(yùn)行因素的影響。文獻(xiàn)[10]提出了基于變減載率的光伏調(diào)頻控制策略，可以根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化主動(dòng)改變變流器有功輸出，并在半實(shí)物仿真平臺(tái)中進(jìn)行了算例驗(yàn)證。

上述方法均是借助改進(jìn)變流器控制策略使新能源具備類似火電機(jī)組的慣性和頻率響應(yīng)，達(dá)到提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的目的。但是，這些方法都存在控制器參數(shù)選取和電網(wǎng)頻率采集準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題和局限，無(wú)法達(dá)到火電廠的調(diào)頻水平。新能源同步電機(jī)對(duì)（Motor-Generator Pair，MGP）的提出成為一種提升新能源慣性和頻率響應(yīng)的新方法[11]。文獻(xiàn)[12]和[13]分別研究了MGP的慣性特性和短時(shí)頻率變化響應(yīng)特性，證明新能源通過(guò)MGP并網(wǎng)具備良好的慣性和頻率響應(yīng)特性，但是研究的場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單，且僅在單機(jī)無(wú)窮大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)研究尚待完善。

本文以光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)為例討論其頻率調(diào)整特性。首先，給出了光伏驅(qū)動(dòng)MGP的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方程。然后，分析其頻率響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上提出了基于光伏減載運(yùn)行的電壓反饋控制方法。在PSCAD中搭建了含光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)仿真模型，與相同負(fù)荷變化下火電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性仿真對(duì)比可知，光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)具備與火電機(jī)組類似的頻率調(diào)整特性。最后，在多機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行光伏直接并網(wǎng)和光伏通過(guò)MGP并網(wǎng)負(fù)載變化對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MGP系統(tǒng)可以使光伏具備慣性響應(yīng)，并且在負(fù)荷增加時(shí)增加輸出有功功率，有利于提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1 光伏經(jīng)MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

MGP系統(tǒng)由兩臺(tái)同軸相連的同步電機(jī)構(gòu)成，光伏發(fā)電單元作為輸入驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)，同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電單元并網(wǎng)，這種并網(wǎng)新結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏通過(guò)MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于兩臺(tái)電機(jī)采用對(duì)拖方式，分別從兩臺(tái)同步電機(jī)定子繞組看進(jìn)去的轉(zhuǎn)速方向相反，所以兩臺(tái)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相反。為使MGP能夠并網(wǎng)運(yùn)行，兩側(cè)三相交流電的相序必須相反。因此，如果同步電動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)慣例，而同步發(fā)電機(jī)采用發(fā)電機(jī)慣例，MGP的運(yùn)動(dòng)方程中兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向一致。這樣可以得到MGP系統(tǒng)在dq軸坐標(biāo)系下矢量形式的標(biāo)幺值運(yùn)動(dòng)方程如下：

其中，eM，eG分別是同步電動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Δr為MGP轉(zhuǎn)子角速度變化量；MGP，D_MGP分別為MGP系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)。

由公式（1）可知，MGP系統(tǒng)兩臺(tái)同步電機(jī)雖然并未有電氣的直接連接，但是存在著電磁-機(jī)械耦合關(guān)系，一側(cè)電氣量的變化會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)子軸系引起另一側(cè)電氣量的變化，這一特性使得電網(wǎng)頻率的變化與新能源輸出功率存在了耦合關(guān)系，使得新能源具備了參與電網(wǎng)頻率調(diào)整的條件。而光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化的速率不僅由電網(wǎng)頻率變化速率決定，還與MGP系統(tǒng)的慣性和阻尼參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)可以有效抑制頻率跌落幅度和變化速率，有利于電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

2 光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)頻率響應(yīng)特性和改進(jìn)控制策略

當(dāng)電網(wǎng)頻率由于負(fù)荷增加/減小而變化時(shí)，同步發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子側(cè)頻率會(huì)出現(xiàn)差值。由于新能源的功率波動(dòng)周期相對(duì)較長(zhǎng)，可以假設(shè)電網(wǎng)頻率變化過(guò)程中新能源出力不變。當(dāng)電網(wǎng)頻率降低瞬間，新能源逆變器輸出頻率不變，MGP系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸仍然以同步速旋轉(zhuǎn)，同步發(fā)電機(jī)的定子電壓頻率隨著并網(wǎng)點(diǎn)頻率降低而降低，MGP系統(tǒng)在并網(wǎng)點(diǎn)頻率變化瞬間會(huì)產(chǎn)生慣性響應(yīng)，通過(guò)釋放儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能抑制發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率的變化，這是目前新能源并網(wǎng)逆變器通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)頻率實(shí)現(xiàn)慣性響應(yīng)所無(wú)法比擬和實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)由于功角隨之增加，同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)增加，使得逆變器直流側(cè)電容放電速度增加，直流母線電壓隨之降低，從而增加逆變器輸出有功功率。

由上述分析可知，MGP系統(tǒng)向電網(wǎng)增發(fā)的有功功率來(lái)自于直流電容和轉(zhuǎn)軸儲(chǔ)存的能量，但是這部分能量較小，只在電網(wǎng)頻率變化后較短時(shí)間內(nèi)起作用，無(wú)法滿足電網(wǎng)調(diào)頻的要求。為了具備類似火力發(fā)電廠一次調(diào)頻的功能，新能源應(yīng)能根據(jù)電網(wǎng)頻率的降低自動(dòng)向電網(wǎng)增加輸出的有功功率。為了使MGP系統(tǒng)能夠參與電網(wǎng)調(diào)頻，需要對(duì)文獻(xiàn)[14]中的直流電壓反饋控制方法進(jìn)行改進(jìn)。為使光伏驅(qū)動(dòng)MGP具備類似火電機(jī)組的頻率響應(yīng)，光伏逆變器需要用減載控制替代傳統(tǒng)的控制，其中減載率的選取參考文獻(xiàn)[5]。但是，光伏發(fā)電單元并未直接并網(wǎng)，需要考慮MGP系統(tǒng)有功功率損耗的影響。大型同步電機(jī)的效率一般為98%，MGP系統(tǒng)的效率可以近似為96%，所以實(shí)際運(yùn)行中要考慮電機(jī)對(duì)的運(yùn)行效率。在此基礎(chǔ)上，需要改進(jìn)PV變流器的控制以滿足上述要求，控制框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)直流電壓反饋控制結(jié)構(gòu)

其中，d%為光伏減載率；dc_ref為采用MPPT算法得到的直流電壓參考值；dc_1為考慮減載率的直流電壓給定值。

鑒于兩臺(tái)電機(jī)間存在電氣-機(jī)械耦合關(guān)系，當(dāng)MGP系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，直流母線電壓控制系統(tǒng)開(kāi)始起作用。此時(shí)，直流母線電壓實(shí)際值小于給定參考值，在直流母線電壓控制的作用下，逆變器的輸出頻率會(huì)隨之減小，而轉(zhuǎn)子釋放儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能后轉(zhuǎn)速下降直至穩(wěn)定在新的運(yùn)行點(diǎn)上，直流母線電壓會(huì)隨著MGP系統(tǒng)的輸出有功功率減小逐漸穩(wěn)定在參考值附近。由于減載率的引入，直流母線電壓可以變化的區(qū)間增加，這樣對(duì)于不同電網(wǎng)頻率變化的場(chǎng)景，光伏通過(guò)MGP并網(wǎng)的頻率響應(yīng)在這一過(guò)程中，MGP系統(tǒng)兩側(cè)的功率由于電網(wǎng)頻率的變化和逆變器控制的雙重作用下出現(xiàn)振蕩過(guò)程，由于MGP的阻尼作用使其加快衰減。

3 三機(jī)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真研究

由上節(jié)的分析可知，通過(guò)采用改進(jìn)直流電壓反饋控制策略，光伏通過(guò)MGP并網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)類似火電機(jī)組的慣性和頻率響應(yīng)。為此，在PSCAD中搭建了如圖3所示含光伏驅(qū)動(dòng)MGP的三機(jī)九節(jié)點(diǎn)仿真模型。

圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)

其中，G1、G2、G3的容量分別為300MW、500MW和400MW；L1、L2、L3的有功負(fù)荷分別為125 MW、90MW和30MW。光伏通過(guò)MGP并入母線7，在50s時(shí)投入L1，得到母線7的頻率、光伏驅(qū)動(dòng)MGP輸出有功功率和火電機(jī)組2輸出有功功率，如圖4所示。

圖4 負(fù)荷變化仿真結(jié)果圖

由上圖可知，負(fù)荷增加引起電網(wǎng)頻率下降，光伏驅(qū)動(dòng)MGP和火電機(jī)組均瞬時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，增發(fā)有功功率。通過(guò)對(duì)比兩者的有功曲線可得，兩者功率響應(yīng)速度基本一致，在電網(wǎng)頻率恢復(fù)的過(guò)程中，前者的輸出特性主要由控制系統(tǒng)決定，存在一個(gè)波動(dòng)的過(guò)程，而火電機(jī)組的有功輸出響應(yīng)特性滿足下垂特性，且由于配置了PSS使得有功功率的波形比較平滑。因此，在電網(wǎng)頻率變化初期光伏通過(guò)MGP并網(wǎng)具備類似火電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性，從而使得光伏具備了類似火電機(jī)組的頻率調(diào)整能力。但是，由于控制系統(tǒng)的作用，使其在頻率恢復(fù)過(guò)程中的有功響應(yīng)時(shí)間較短。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述關(guān)于MGP系統(tǒng)的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整特性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備主要包括一臺(tái)致茂電子（Chroma）62100H-600S型10kW光伏模擬器、一套5.5kW兩機(jī)MGP系統(tǒng)（包括兩臺(tái)STC-5.5型5.5kW同步電機(jī)）、一套模擬火電系統(tǒng)（包括一臺(tái)STC-5型5kW同步電機(jī)、一臺(tái)Z2-52型7.5kW直流電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)調(diào)速器）、一個(gè)控制柜（包括一臺(tái)北京中源動(dòng)力DF900型30kW變頻器和一套直流母線電壓控制系統(tǒng)）、一臺(tái)北京群菱ACLT-3803H型33.33kW可編程交流負(fù)載和一臺(tái)華為（HUAWEI）SUN2000L-5KTL型12kW光伏逆變器。

圖5 光伏系統(tǒng)經(jīng)MGP并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整特性，分別在圖5的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中做了兩組相同的變負(fù)載實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)的負(fù)載三相有功功率均是由2.1kW增加至2.7kW，主要差別是光伏是否經(jīng)MGP并網(wǎng)，這樣使得兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果更為可信。實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）啟動(dòng)直流電機(jī)調(diào)速器，將模擬火電機(jī)組帶至同步速，閉合開(kāi)關(guān)K1、K3，啟動(dòng)負(fù)載并設(shè)置三相有功功率初值，啟動(dòng)光伏模擬器；

（2）打開(kāi)光伏逆變器開(kāi)關(guān)，逆變器按照MPPT控制算法運(yùn)行，待逆變器輸出穩(wěn)定后，設(shè)置負(fù)載變化，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（3）關(guān)閉光伏逆變器，打開(kāi)控制柜中變流器開(kāi)關(guān)，變流器采用直流母線電壓控制并啟動(dòng)，減載率選取為40%（這是由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)的損耗較大，多預(yù)留一些備用容量），待MGP轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速時(shí)通過(guò)控制柜中自動(dòng)并網(wǎng)同期裝置閉合開(kāi)關(guān)K2，待MGP系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，設(shè)置負(fù)載變化，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

將兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電壓、電流數(shù)據(jù)分別通過(guò)單相功率計(jì)算模塊和鎖相環(huán)得到PV和PV+MGP并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率和單相輸出有功功率如圖6所示。

圖6 相同負(fù)荷變化下頻率和有功功率實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由圖6（a）中并網(wǎng)點(diǎn)頻率波形對(duì)比圖可知，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)的頻率偏移量大約只有光伏直接并網(wǎng)時(shí)頻率偏移量的60%，而且頻率的恢復(fù)速度更快，說(shuō)明MGP轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在負(fù)荷變化時(shí)提供了慣性支撐，有效抑制了頻率的變化量，僅在頻率恢復(fù)時(shí)的振幅略微大于光伏直接并網(wǎng)時(shí)的振幅。而由（b）中有功功率的波形對(duì)比圖可知，在負(fù)載變化過(guò)程中，光伏直接并網(wǎng)組的有功功率出力并沒(méi)有明顯變化，這是由于光伏逆變器采用MPPT算法使其輸出的有功功率保持不變。相比之下，由于采用基于減載的直流母線電壓控制方法，在負(fù)載增加時(shí)，光伏驅(qū)動(dòng)MGP的有功出力快速增加，其增速與并網(wǎng)點(diǎn)頻率下降速度相符，說(shuō)明其出力特性與火電機(jī)組的下垂控制特性相似，在電網(wǎng)頻率變化初期能夠提供類似火電機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)。

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率從最低點(diǎn)開(kāi)始上升時(shí)，MGP系統(tǒng)在直流母線電壓控制的作用下，有功出力開(kāi)始下降，但是仍然增發(fā)有功功率，而有功出力下降速度受電容充放電速度和控制參數(shù)的影響較大。需要注意的是，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)過(guò)程還是頻率恢復(fù)過(guò)程，有功功率的波形不是穩(wěn)定在一個(gè)恒定值上，這與控制系統(tǒng)的控制精度直接相關(guān)。這是由于實(shí)驗(yàn)室電氣量測(cè)量裝置存在一定的誤差，使得實(shí)際輸出有功功率和給定值存在偏差，波形也有一定的波動(dòng)，這些均有待測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，從側(cè)面也反應(yīng)出控制系統(tǒng)的性能對(duì)于光伏頻率調(diào)整特性也發(fā)揮很重要的作用。

5 結(jié)論

本文給出了光伏驅(qū)動(dòng)MGP的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方程，并基于其頻率響應(yīng)特性的分析提出了改進(jìn)控制方法。在多機(jī)系統(tǒng)中分別與傳統(tǒng)火電機(jī)組和光伏直接并網(wǎng)的情況進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)論表明，MGP使得光伏發(fā)電系統(tǒng)具備良好的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力，光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)具備與火電機(jī)組相似的頻率響應(yīng)特性，從而提高了高比例新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

[1] 2019年前三季度風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況[R]. 北京: 國(guó)家能源局, 2019.

[2] Yang X, Song Y, Wang G, et al. A comprehensive review on the development of sustainable energy strategy and implementation in China[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2010, 1(2): 57-65.

[3] 姚偉, 文勁宇, 黃瑩, 等. 大規(guī)模風(fēng)電參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的技術(shù)展望[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(3): 638-646.

[4] 李和明, 張祥宇, 王毅, 等. 基于功率跟蹤優(yōu)化的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬慣性控制技術(shù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(7): 32-39.

[5] 付媛, 王毅, 張祥宇, 等. 變速風(fēng)電機(jī)組的慣性與一次調(diào)頻特性分析及綜合控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(27): 4706-4716.

[6] 趙晶晶, 呂雪, 符楊, 等. 基于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬慣量和槳距角聯(lián)合控制的風(fēng)光柴微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(15): 3815-3822.

[7] 丁磊, 尹善耀, 王同曉, 等. 結(jié)合超速備用和模擬慣性的雙饋風(fēng)機(jī)頻率控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(9): 2385-2391.

[8] 范冠男, 劉吉臻, 孟洪民, 等. 電網(wǎng)限負(fù)荷條件下風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(7): 2030-2037.

[9] 胥國(guó)毅, 等. 超速風(fēng)電機(jī)組的改進(jìn)頻率控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(8): 39-44.

[10] 鐘誠(chéng), 周順康, 嚴(yán)干貴, 等. 基于變減載率的光伏發(fā)電參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(5): 1013-1024.

[11] Wei S, Zhou Y, Xu G, et al. Motor-generator pair: a novel solution to provide inertia and damping for power system with high penetration of renewable energy[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2017, 11(7):1839-1847.

[12] 武倩羽, 周瑩坤, 李晨陽(yáng), 等. 新能源同步機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)慣性特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2019(6): 41-46.

[13] 谷昱君, 黃永章, 付文啟, 等. MGP系統(tǒng)參與新能源電網(wǎng)調(diào)頻的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2020(1): 38-42.

[14] Y. Gu, Y. Huang, Q. Wu, et al. Isolation and Protection of the Motor-Generator Pair System for Fault Ride-Through of Renewable Energy Generation Systems[J]. IEEE Access, 2020(8): 13251-13258.

Research on the Ability of Motor-generator Pair(MGP) to Improve the Inertial Response and Frequency Regulation of Photovoltaic Power Generation System

GU Yujun, HUANG Yongzhang,YANG Xin, FU Wenqi, ZHAO Haisen

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

The renewable energy is connected to the power grid through converters. Because of the adoption of grid frequency orientation and maximum power tracking control, the renew energy generation units do not have the ability of inertial response and frequency adjustment. The Motor- generator Pair (MGP) becomes a feasible solution to this problem. In this paper, the grid-connection structure and motion equation of photovoltaic through MGP are given. The principle of inertial response and frequency regulation is analyzed for the long-time grid frequency change caused by load changes. On this basis, an improved DC voltage feedback control method is proposed. By introducing de-loading rate into the control link, the frequency regulation range increases accordingly. The simulation model and experimental platform of multi- machines are built respectively. By comparing with the frequency response of traditional thermal power plant and photovoltaic grid-connection through inverter, MGP can effectively improve the inertial response and frequency adjustment ability of photovoltaic power generation unit.

photovoltaic generation; motor-generator pair;inertial response; frequency regulation; frequency stability

TM712

A

1000-3983(2021)01-0029-05

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（067600KK52180007）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2019QN102）

2020-08-10

谷昱君（1990-），華北電力大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，電氣工程專業(yè)，博士研究生在讀，主要研究方向?yàn)楦邼B透率新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。