隋秋楠

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光儲(chǔ)；PSCAD；VSG；故障穿越；電力系統(tǒng)

引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)對(duì)能源的更深層次需求，大電網(wǎng)的發(fā)展可以在很大程度上滿足對(duì)電力的需求，但在面對(duì)多元的需求時(shí)其不足也開(kāi)始顯現(xiàn)，如不同的工業(yè)用電、居民用電的需求以及個(gè)性化供電需求。分布式發(fā)電以其經(jīng)濟(jì)性和靈活性越來(lái)越受到重視，實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置，從而提高電力利用效率。盡管分布式發(fā)電本身有很多優(yōu)點(diǎn)，但不可否認(rèn)對(duì)比大電網(wǎng)，其更容易受到干擾甚至脫網(wǎng)，進(jìn)而造成電網(wǎng)安全事故。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，由于大量的電力電子設(shè)備的接入，使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量很小，并且風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有不穩(wěn)定性，負(fù)載的多變導(dǎo)致系統(tǒng)在頻率和電壓控制的難度上陡增，為了保證穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就會(huì)更為復(fù)雜。儲(chǔ)能系統(tǒng)的增加，采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)使得系統(tǒng)具有傳統(tǒng)同步電機(jī)特性，增加系統(tǒng)的阻尼分量和旋轉(zhuǎn)慣性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和新能源的友好性。清潔能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，儲(chǔ)能技術(shù)的加入，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備能量、不浪費(fèi)能源和實(shí)現(xiàn)能源資源科學(xué)利用的關(guān)鍵所在，且對(duì)今后能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型產(chǎn)生直接影響，所以清潔能源開(kāi)發(fā)利用與儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有密切關(guān)聯(lián)，需要促成兩項(xiàng)工程的順利推進(jìn)、協(xié)同發(fā)展，可有效推動(dòng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也希望本次研究具有較強(qiáng)借鑒與參考價(jià)值。

一、VSG原理

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

VSG技術(shù)就是參考同步電機(jī)的機(jī)械方程與電磁方程構(gòu)建虛擬的網(wǎng)壓和頻率的控制器，這是一種系統(tǒng)控制的策略，大量的電力電子器件使用使得這種策略可以實(shí)現(xiàn)，控制電力電子設(shè)備時(shí)采用這種控制策略使其可以具有同步電機(jī)的特征。將虛擬同步機(jī)技術(shù)運(yùn)用在風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)的電源側(cè)變流器中，構(gòu)成同步變流器，其可以等效為同步發(fā)電機(jī)，其一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)直流母線互聯(lián)，儲(chǔ)能系統(tǒng)直接并聯(lián)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器直流母線和光伏系統(tǒng)逆變器直流側(cè)輸入端。通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流和電壓信號(hào)的采集完成整個(gè)系統(tǒng)電力電子設(shè)備的控制信號(hào)調(diào)制，完成能量的交互。系統(tǒng)的控制重點(diǎn)其實(shí)就是控制直流母線電壓的穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載功率與輸入功率不匹配時(shí)，可以造成直流母線電壓的波動(dòng)從而不穩(wěn)定，對(duì)于這種波動(dòng)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以吸收或者釋放直流母線能量來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓，最終平滑抑制功率的波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入使得風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)具有同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征。

二、系統(tǒng)建模

（一）永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

本文只對(duì)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)P M S G（Permanent Magnet Synchronous? Generator）而言，采用PSCAD/EMTDC仿真軟件中的現(xiàn)成模塊搭建模型[1]。設(shè)置額定容量20kW，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速15r/min，直流母線電壓1050VDC，直流電容10mF，定子繞組電感42mH，極對(duì)數(shù)42，額定風(fēng)速10（m/s），空氣密度ρ=1.275（kg/m³），槳距角β=0，最佳葉尖速比λ_opt=7.75，風(fēng)機(jī)切入轉(zhuǎn)速3.5（r/s）。

（二）光伏系統(tǒng)

太陽(yáng)能電池主要利用光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電能[2]。在PSCAD/EMTDC中搭建輸出0-750V的直流電源。在標(biāo)準(zhǔn)1000 W/m2照度和25℃測(cè)試溫度下為參考，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以開(kāi)路電壓29V的單個(gè)太陽(yáng)能電池板為例，其特征值為22.4V的單體額定電壓，8A的單體短路電流，單體的額定電流為6.92A，太陽(yáng)能電池組件按照26個(gè)單體串聯(lián)后并聯(lián)3組構(gòu)成，則系統(tǒng)輸出的最大短路電流為24A，開(kāi)路電壓可達(dá)到754V，最大輸出功率可達(dá)到16kW。

（三）儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除峰谷差、平滑負(fù)荷及提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性等功能[3]。本文以磷酸鐵鋰蓄電池為例，在不相同的使用工況下釋放出的電能也不同，故其效率也是不同，因此效率分析尤其重要，實(shí)際使用中需要測(cè)試其在不同的放電率下的效率。電池的損耗主要由損失的電荷和其損失的能量造成的，通常放電效率滿足表達(dá)式：η_d=η_v×η_c，其中放電效率等于電壓效率與容量效率的乘積，容量效率通常情況下取值為1?？梢钥闯鲭娀瘜W(xué)儲(chǔ)能電池的放電效率主要取決于電壓效率，電化學(xué)儲(chǔ)能電池的電壓效率為放電前后實(shí)際的電壓比值，參見(jiàn)式（1）。

電網(wǎng)發(fā)生故障和穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略不同在于，雖機(jī)側(cè)變流器所含的控制策略依然采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，但此時(shí)網(wǎng)側(cè)逆變器已經(jīng)不再處于是正常電壓下的單位功率因數(shù)的狀態(tài)，其雖也采用電網(wǎng)電壓的定向矢量控制，但一旦電網(wǎng)側(cè)的電壓突然進(jìn)入故障穿越時(shí)，風(fēng)電機(jī)組則就需要按照期間電壓變化值與額定無(wú)功補(bǔ)償電流值至少1∶2的原則對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行就地補(bǔ)償。與高穿不同，低穿時(shí)電網(wǎng)電壓在發(fā)生三相對(duì)稱跌落的瞬間時(shí)刻，電流的跟隨特性使得網(wǎng)側(cè)電流不能隨之立刻變化，但電壓跌落最終導(dǎo)致有功功率的降低，而對(duì)于機(jī)側(cè)依然和故障前狀態(tài)相同，正常輸出功率，系統(tǒng)為了維持直流母線電壓平衡，就會(huì)造成網(wǎng)側(cè)電流增大，往往變流器設(shè)計(jì)選型時(shí)功率器件是有容量限制的，就會(huì)導(dǎo)致其過(guò)流而失效。為了保證功率器件的有效性，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落到一定深度和時(shí)間后，不能一味增加網(wǎng)側(cè)電流來(lái)維持平衡了。下面就以高穿為例分析：

網(wǎng)側(cè)變流器通常以滿功率因數(shù)狀態(tài)模式運(yùn)行，當(dāng)并網(wǎng)電壓因故障導(dǎo)致下跌或上升時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器從滿功率因數(shù)狀態(tài)模式切換進(jìn)入到故障補(bǔ)償模式，優(yōu)先通過(guò)發(fā)出或吸收無(wú)功來(lái)去支撐電網(wǎng)的電壓；變流器的無(wú)功輸出受限于本身的電抗器和電容器容量，此時(shí)若變流器發(fā)出的無(wú)功補(bǔ)償電流已經(jīng)達(dá)到輸出上限，自身已無(wú)法再滿足其無(wú)功補(bǔ)償需要時(shí)，這時(shí)可以采用發(fā)電機(jī)側(cè)功率補(bǔ)償控制，也就是降功率來(lái)保證無(wú)功的輸出，隨著功率的下降，轉(zhuǎn)矩不變的情況下，轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之升高或者超限故障，但是這不符合低電壓和高電壓穿越的要求，在保證輸出功率不變的同時(shí)，保證無(wú)功輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但結(jié)合直流側(cè)VSG控制策略就是剛好彌補(bǔ)了這個(gè)空缺，而且該VSG控制策略可以根據(jù)電壓跌落程度選擇對(duì)應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了穿越裕度的同時(shí)，也避免了直流側(cè)繼續(xù)升壓，快速穩(wěn)定直流母線電壓。

三、仿真分析

（一）系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

圖2 VSG 仿真模型

為了驗(yàn)證正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及故障穿越時(shí)VSG 控制策略的有效性。呂志鵬、劉洋等人提出的設(shè)計(jì)方法是在PSCAD/EMTDC搭建一套風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)，在系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具有同步電機(jī)的特性[4-5]。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

參照模擬風(fēng)機(jī)在三相短路故障情況下，此時(shí)分別以并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟升30%和驟降20%為例，驟升至1.3p.u.左右，故障起始時(shí)間為1.0s，要求風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間0.2s；驟降到了 0.8p.u.數(shù)值，持續(xù)了有 100ms的時(shí)間，且之后幾秒時(shí)間內(nèi)電壓出現(xiàn)遞減下降的趨勢(shì)和維持時(shí)間變長(zhǎng)的現(xiàn)象，直至 1.0s后才恢復(fù)正常數(shù)據(jù)。當(dāng)處在電網(wǎng)電壓驟升驟降的時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)故障狀態(tài)下永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組不采用VSG策略時(shí)，網(wǎng)側(cè)一直維持單位功率因數(shù)的狀態(tài)運(yùn)行即其無(wú)功輸出為零。

圖3 故障穿越時(shí)直流母線電壓對(duì)比

由于風(fēng)速和光照本身具有波動(dòng)性，并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量有功功率P以及直流母線電壓在0.5s前波動(dòng)較強(qiáng)，波動(dòng)幅度分別最高可達(dá)400V左右；同樣測(cè)試環(huán)境條件下，基于VSG策略的風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)接入直流母線DC750V后，在并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量的不論是有功功率還是無(wú)功功率的最高波動(dòng)幅度都不超過(guò)200V，無(wú)明顯超調(diào)，系統(tǒng)可以在更短的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定輸出，在0.1s內(nèi)直流母線電壓即可保持穩(wěn)定在750V。

光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都是易受環(huán)境因素影響的間歇性能源，故在加入VSG控制策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電輔助調(diào)控運(yùn)行下，直流母線電壓的穩(wěn)定性得到了顯著的提升。由此可見(jiàn)，充足容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制方式可有效平抑功率波動(dòng)。

結(jié)論

本文根據(jù)變流器網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)部分結(jié)構(gòu)和功能控制特性的不同，研究了VSG策略在風(fēng)光儲(chǔ)多源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中，對(duì)VSG策略系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在風(fēng)光儲(chǔ)多源系統(tǒng)的搭建，以及系統(tǒng)的功能做了介紹，通過(guò)故障穿越時(shí)傳統(tǒng)控制策略和VSG控制策略直流母線數(shù)據(jù)的分析，重點(diǎn)對(duì)高電壓穿越時(shí)功率特性及影響展示了系統(tǒng)性能評(píng)估的有效性。在仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建仿真平臺(tái)驗(yàn)證控制策略的有效性和可行性。