黃 鶴，鄭發(fā)松

(國(guó)家電投貴州金元金元股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步離不開(kāi)能源的支持，傳統(tǒng)的化石燃料會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的重視，逐步開(kāi)發(fā)了一系列清潔能源作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要基石。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是我國(guó)應(yīng)用比較廣泛的新能源，將其接入到傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，可以在一定程度上減少化石燃料的燃燒[1-4]。但是受到資源分布和性能的影響，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在接入太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，會(huì)受到太陽(yáng)照射等不可抗力的影響，導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在低頻振蕩，影響整體供電的穩(wěn)定性。在發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生的這種低頻振蕩會(huì)造成跳閘或機(jī)組失步解列，對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在著非常大的影響。因此，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的低頻振蕩進(jìn)行控制，是目前研究的重要問(wèn)題。

一些學(xué)者和專(zhuān)家在低頻振蕩控制中做出了一些研究，學(xué)者鄧偉等通過(guò)留數(shù)法建立一個(gè)電網(wǎng)等值單機(jī)系統(tǒng)模型，將低頻振蕩所產(chǎn)生的水錘效應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系問(wèn)題進(jìn)行深入剖析；而學(xué)者王鵬則利用非線(xiàn)性控制算法對(duì)振蕩阻尼進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)區(qū)域間低頻振蕩的控制。以上方法都在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果，但是上述方法中的控制原理都是基于基本運(yùn)行狀態(tài)所設(shè)計(jì)的，沒(méi)有兼顧多種運(yùn)行狀態(tài)下的外部干擾影響，導(dǎo)致不能很好地控制不同運(yùn)行狀態(tài)下的低頻振蕩，整體控制效率不理想，因此本文設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)低頻振蕩控制技術(shù)。

1 低頻振蕩控制

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池排列方式是建模過(guò)程的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，經(jīng)過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)后可以得到光伏陣列模型[5-6]。光伏陣列即太陽(yáng)能電池板，它可以將大部分太陽(yáng)能以電能的形式表現(xiàn)出來(lái)，這種經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化出來(lái)的電能成為整個(gè)電力系統(tǒng)的供電能源，用戶(hù)在連接到互聯(lián)網(wǎng)后就可以直接進(jìn)行集成并網(wǎng)發(fā)電。將經(jīng)過(guò)封裝的光伏電池和功率控制器等零部件進(jìn)行組合，得到的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure of solar power generation system

對(duì)于圖1所示的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要出現(xiàn)的低頻振蕩問(wèn)題就是光照間歇性以及負(fù)載變化。功率不平衡導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的功率出現(xiàn)低頻振蕩[7-8]。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)中單臺(tái)的逆變器來(lái)說(shuō)，需要對(duì)光伏電池的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行有功參考建模。

最大功率電流的計(jì)算公式為：

(1)

式中，Im為最大功率點(diǎn)電流；Sref為參考光照強(qiáng)度；S為外部變量中的光照強(qiáng)度。

光伏電池的最大功率電壓的計(jì)算公式為：

(2)

式中，Um為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)兩端的電壓[9-10]，光伏電池板經(jīng)過(guò)匯聚之后，輸出電流的計(jì)算公式為：

(3)

根據(jù)以上計(jì)算公式，可以得到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型：

(4)

式中，Ppv為光伏陣列輸出功率；Pref為發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的額定功率；Idc為光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流側(cè)的輸入電流；SB為系統(tǒng)中的基準(zhǔn)容量。

至此，完成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模。

1.2 附加阻尼控制器設(shè)計(jì)

本文的附加阻尼控制器在保證設(shè)計(jì)復(fù)雜度簡(jiǎn)化的同時(shí)，還需要在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行下兼顧多種運(yùn)行狀態(tài)下的外部干擾影響，有效實(shí)現(xiàn)振蕩抑制[13-14]。在阻尼器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將參數(shù)計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解求值問(wèn)題[15-16]。本文設(shè)計(jì)的附加阻尼控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行量測(cè)和隔直，TR表示反饋信號(hào)輸入時(shí)所測(cè)得的時(shí)間常數(shù)，TW表示隔直過(guò)程中的時(shí)間參數(shù)，在相位補(bǔ)償過(guò)程中，涉及到的T1-T4均為相位補(bǔ)償時(shí)間參數(shù)[17-18]；在放大環(huán)節(jié)中，Kp表示信號(hào)的輸入放大倍數(shù)，決定了在控制過(guò)程中阻尼釋放的大小，限幅主要是為了防止控制過(guò)程中產(chǎn)生超調(diào)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電源對(duì)于光照條件比較敏感，因此光照條件直接影響電池的輸出功率[19-20]。

圖2 附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of additional damping controller

本文對(duì)控制器的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并輸入不同狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行研究。控制器中需要優(yōu)化的變量可以設(shè)置為：

xk={Kp，k，T1，k，T3，k}

(5)

在上述變量集合中，在最優(yōu)搜索過(guò)程中都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)化的變量元素。也就是說(shuō)，在基于參數(shù)約束限制的條件下，生成人工蟻群搜索種群，表示為：

X={x1，x2，…，xn}T

(6)

根據(jù)不同的低頻振蕩狀態(tài)，金屬控制器的輸出阻尼比作為目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度，指導(dǎo)蟻群算法的巡游方向，并不斷迭代更新搜索最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)低頻的振蕩控制。至此完成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)低頻振蕩控制技術(shù)研究。

2 仿真算例

2.1 算例分析

本章為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)低頻振蕩控制技術(shù)的有效性，設(shè)計(jì)算例仿真實(shí)驗(yàn)。在MATLAB軟件下構(gòu)建太陽(yáng)能光伏接入經(jīng)典四機(jī)兩區(qū)域的發(fā)電系統(tǒng)，接線(xiàn)情況如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)仿真示意Fig.3 Schematic diagram of power system simulation

圖3中包含2個(gè)相似的區(qū)域系統(tǒng)，2個(gè)區(qū)域中依靠一條聯(lián)絡(luò)線(xiàn)連接，G1—G4為發(fā)電單元，L7、L9代表負(fù)荷，6為母線(xiàn)，其余為各部分的連接線(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)在正常工作過(guò)程中輸出的有功功率為300 MW，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的傳輸功率一般為450 MW。為了保證算例模型不會(huì)受到外界的過(guò)多干擾，算例中的各個(gè)發(fā)電機(jī)均不設(shè)置PSS。

設(shè)置算例中的不同運(yùn)行狀態(tài)，見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)Tab.1 System operation state parameters

在不同的運(yùn)行模式下，為了保證仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性，需要對(duì)控制技術(shù)中的控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此過(guò)程中利用人工蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化，將每只螞蟻中所包含的待優(yōu)化參數(shù)范圍設(shè)定好，即X={x1，x2，…，x10}T，將步長(zhǎng)、視野以及最大的迭代次數(shù)進(jìn)行設(shè)置，至此完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)低頻振蕩控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性，對(duì)負(fù)荷突變擾動(dòng)低頻振蕩控制結(jié)果以及光照突變擾動(dòng)低頻振蕩控制結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置不同類(lèi)型的擾動(dòng)分析機(jī)電低頻振蕩的抑制效果。負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的有功功率曲線(xiàn)變化情況如圖4所示。

圖4 負(fù)荷與光照突變擾動(dòng)低頻振蕩控制結(jié)果Fig.4 Control results of low frequency oscillation caused by load and illumination sudden change disturbance

以O(shè)C0為初始運(yùn)行狀態(tài)，并在仿真算例電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1 s時(shí)將線(xiàn)路的有功負(fù)荷增加10%。從圖4的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)有功功率的變化情況可以看出，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的有功功率隨時(shí)間的增加，由最開(kāi)始的180 MW變?yōu)?60 MW，在0～6 s，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的有功功率的變化還比較大；在6 s以后逐漸呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，說(shuō)明本文控制方法能夠更加有效且快速地抑制聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的低頻振蕩，具有更小的超調(diào)量。

由于太陽(yáng)能發(fā)電具有非線(xiàn)性波動(dòng)的特性，主要是由于光照條件會(huì)受到自然天氣的影響而發(fā)生突變。在加入光照突變擾動(dòng)的情況下，聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的有功功率曲線(xiàn)變化情況如圖4(b)所示。

在運(yùn)行狀態(tài)為OC0時(shí)，將光照在1 s時(shí)增加10%，得到的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的單回線(xiàn)路有功功率曲線(xiàn)出現(xiàn)了低頻振蕩。在不同的處理手段下，本文方法剛開(kāi)始出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，但是在初始控制時(shí)的超調(diào)量比較的小，且在7 s左右就趨于平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明本文的控制方法不容易受干擾、穩(wěn)定性較強(qiáng)。

綜上所述，當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在負(fù)荷或光照下發(fā)生突變時(shí)，本文控制方法對(duì)系統(tǒng)中聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的功率低頻振蕩起到一定的平穩(wěn)作用，驗(yàn)證了控制技術(shù)的有效性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，本文控制技術(shù)在設(shè)計(jì)附加阻尼器的過(guò)程中綜合考慮了多種狀態(tài)的外部干擾，因此在控制過(guò)程中能減少超調(diào)，快速完成低頻振蕩控制。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大的特點(diǎn)就是不存在慣性，因此電力系統(tǒng)中具有不確定的阻尼影響。由于光伏發(fā)電受到不可抗力的影響會(huì)存在一定間歇性，在這種具有一定儲(chǔ)能容量的系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)附加阻尼控制器，能夠有效地對(duì)低頻振蕩進(jìn)行控制。對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，計(jì)算出各項(xiàng)參數(shù)，得到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，利用阻尼控制器作為低頻振蕩整體控制手段，設(shè)計(jì)附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)，利用蟻群算法得到控制器中的最優(yōu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)低頻振蕩控制。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的控制技術(shù)取得了良好的控制效果，并且穩(wěn)定性較好。