杜粉瓊

（國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司宣威分公司，云南 宣威 655400）

0 前言

由于可再生能源的發(fā)展，其中傳統(tǒng)化石燃料所占比例逐步下降，對(duì)于可再生能源系統(tǒng)，提出了最佳的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）[1]，為節(jié)能減排提供了可持續(xù)解決方案[2]。光伏發(fā)電廠通常通過(guò)電力電子逆變器連接到電網(wǎng)，其目的是提高光伏發(fā)電和電網(wǎng)之間電能交換的能力[3]。

虛擬同步機(jī)（VSM）控制器可以通過(guò)控制頻率和電壓來(lái)模擬電網(wǎng)運(yùn)行[4-8]，文獻(xiàn)[4]、[9-10]通過(guò)VSM 模擬慣性來(lái)改善頻率調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)[11-12]中提出了基于小信號(hào)分析的自調(diào)諧波算法，確定慣性和阻尼的最佳參數(shù)，從而達(dá)到頻率變化最小。

同步功率控制器（SPC）是一種VSM 策略，它結(jié)合了電網(wǎng)的機(jī)電特性和電氣特性。機(jī)電相互作用通過(guò)慣性和阻尼因子調(diào)節(jié)逆變器的頻率，補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)頻率沖擊。電氣特性模擬電網(wǎng)的阻抗，控制交流電壓與輸出電流，從而產(chǎn)生欠電壓振蕩、跌落和諧波補(bǔ)償?shù)萚13-14]。

為了控制頻率和電壓穩(wěn)定輸出，本文提出了基于負(fù)載角調(diào)節(jié)的光伏電站集中同步控制策略。該集中控制模擬電網(wǎng)與電網(wǎng)連接點(diǎn)的機(jī)電特性，同時(shí)在每個(gè)光伏逆變器內(nèi)部模擬電氣特性。同步控制不是在每個(gè)逆變器內(nèi)獨(dú)立執(zhí)行，而是集中在上層控制層中，通過(guò)由多個(gè)逆變器形成的聚合虛擬同步控制來(lái)滿足電網(wǎng)接入要求。

1 同步功率控制器SPC

在傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器中，有功和無(wú)功電流通過(guò)內(nèi)部電流控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這種傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)方式中，電網(wǎng)是基于鎖相環(huán)（PLL）同步，逆變器的整體性能對(duì)其影響較大。然而，當(dāng)使用SPC 時(shí)，交流電流通過(guò)逆變器和電網(wǎng)之間的功率平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而與電網(wǎng)進(jìn)行同步。

基于SPC 的電氣連接如圖1 所示，SPC 和電網(wǎng)通過(guò)兩個(gè)阻抗連接，其中ZT表示交流濾波器和低頻變壓器之間的等效阻抗，而Zg表示電網(wǎng)阻抗。在SPC 中，功率逆變器通過(guò)內(nèi)部電壓E∠θE與虛擬導(dǎo)納1/ZV串聯(lián)來(lái)模擬虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）。

圖1 基于SPC的電氣連接圖

光伏發(fā)電廠向電網(wǎng)提供的有功無(wú)功計(jì)算公式[15]：

其中，Vg∠θg表示電網(wǎng)電壓，X表示等效電抗。δsm是負(fù)載角，即θE和θg之間的角度差，對(duì)有功功率有直接影響，其變化影響輸出功率。電網(wǎng)的機(jī)械功率和電功率之間的關(guān)系如下[15]：

其中，Δωr是轉(zhuǎn)子的角速度偏差，Pm和Pe是機(jī)械能量和電功率，J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D是阻尼常數(shù)，ωB是同步角速度。

2 同步集中角控制器(SCAC)

2.1 原理

SCAC 是一種基于SPC 的控制策略，即將多個(gè)逆變器作為單個(gè)VSG 進(jìn)行集中管理，同步控制不再是單獨(dú)調(diào)節(jié)每個(gè)逆變器，而是調(diào)節(jié)其中幾個(gè)逆變器的組合。這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)是在所有光伏逆變器之間提供功率自動(dòng)分配的能力，及協(xié)調(diào)產(chǎn)生的同步動(dòng)作更好接入電網(wǎng)的能力。此功能有助于使區(qū)域間振蕩達(dá)到最小，從而減少電能損失。如圖2 所示，光伏發(fā)電廠中e為集中輸出電壓，每個(gè)光伏發(fā)電單元模擬獨(dú)立的局部輸出電壓ei，局部電壓ei和集中電壓e之間的關(guān)系決定了每個(gè)光伏單元的有功和無(wú)功功率。

圖2 SCAC原理圖

在電網(wǎng)模型中，負(fù)載角δsm通過(guò)頻率偏差Δω定義電功率。在SCAC 中，該角度被稱為集中負(fù)載角δg，表示電網(wǎng)電壓Vg和集中電壓E之間的角度差值。因此，當(dāng)出現(xiàn)頻率偏差時(shí)，調(diào)節(jié)集中負(fù)載角δg來(lái)增加或減少功率。

SCAC 分為兩個(gè)主要模塊：集中控制和本地控制。集中控制模擬虛擬轉(zhuǎn)子控制有功功率所需的集中負(fù)載角δg，采用無(wú)功功率控制回路來(lái)設(shè)置E。轉(zhuǎn)子仿真由慣性H、阻尼系數(shù)ζ和頻率下降速度控制。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，可以在頻率波動(dòng)時(shí)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。嵌入在每個(gè)光伏發(fā)電機(jī)中的本地控制，負(fù)責(zé)控制虛擬導(dǎo)納產(chǎn)生的功率，該虛擬導(dǎo)納通過(guò)本地電壓ei和交流電壓vc,i之間的電壓差來(lái)影響每個(gè)光伏發(fā)電機(jī)的輸出電流。

2.2 集中控制

集中控制通過(guò)兩個(gè)控制回路（機(jī)電和無(wú)功功率控制器）調(diào)節(jié)電廠和電網(wǎng)之間的電能交換。在圖3 中，機(jī)電控制結(jié)構(gòu)決定了有功功率和負(fù)載角δg之間的關(guān)系，HM是將有功功率與頻率變化Δωr聯(lián)系起來(lái)的傳遞函數(shù)。該頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率ωB相加，并最終積分得到相位角θE，θE是與電網(wǎng)連接處的集中電壓e的相位角。傳遞函數(shù)HM基于擺動(dòng)方程（3）設(shè)計(jì)，其中阻尼系數(shù)和慣性可根據(jù)電網(wǎng)特征和提供的功能進(jìn)行調(diào)整。

圖3 集中控制回路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 虛擬同步參考坐標(biāo)變換示意圖

文獻(xiàn)[15] 中對(duì)機(jī)電控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)合文獻(xiàn)[15] 中的功率和頻率分析，功率回路HM計(jì)算公式：

其中，kp、ki和kD根據(jù)阻尼系數(shù)、慣性H和頻率下降速度進(jìn)行設(shè)計(jì)。此參數(shù)可獨(dú)立于阻尼和慣性參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)電網(wǎng)要求進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)公式（1）～（3），Pm和Pe之間的關(guān)系如下：

其中Pmax為EVg/X，J由慣性H=JωB2/2SN代替，SN為額定功率。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，阻尼系數(shù)D提供了ΔP/Δωr之間的固定頻率下降值。

公式（5）一個(gè)二階傳遞函數(shù)，其中阻尼因子和慣性分別由ζ和ωn決定。結(jié)合公式（4），Pe和Pref之間的關(guān)系如下：

其中公式（5）和（6），根據(jù)固有頻率ωn和阻尼因子ζ計(jì)算功率回路參數(shù)：

其中Dp是頻率下降值/s，ωn是固有頻率：

在集中控制中，機(jī)電部分通過(guò)θE和網(wǎng)格角θg之間的差值生成用于計(jì)算集中負(fù)載角δg的相位角θE。Park 變換用于通過(guò)將電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)到新的虛擬同步參考坐標(biāo)中來(lái)定義集中負(fù)載角。虛擬同步參考坐標(biāo)變換示意圖如下：

電網(wǎng)電壓Vg與E同相，因?yàn)镋與de同相。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，頻率ωe=ωg以及E與Vg之間的角度差是恒定的。因此得出：

其中，和表示虛擬同步參考坐標(biāo)變換下電網(wǎng)電壓的d和q分量。

電壓角度發(fā)生變化，可以使用低通濾波器來(lái)減少高頻分量。使用濾波后的電網(wǎng)電壓計(jì)算集中負(fù)載角δg：

2.3 本地控制

在本地控制器中使用由集中控制器設(shè)置的負(fù)載角和電壓來(lái)確定交流電流。在圖5 中，本地控制器的結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)模塊。負(fù)載角控制塊定義壓控振蕩器生成局部電壓ei的αβ分量所需的相位角θE,i。電交互模塊通過(guò)虛擬導(dǎo)納處理ei與交流側(cè)電壓之間的電壓差來(lái)定義功率逆變器的電流。

圖5 本地控制結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 （a）所示的負(fù)載角控制回路根據(jù)集中負(fù)載角基準(zhǔn)調(diào)節(jié)相位角θE,i。集中和局部負(fù)載角之間的誤差通過(guò)PI 控制器進(jìn)行處理，然后生成在虛擬同步參考坐標(biāo)變換后交流電壓vc,i所需的相位角，從而產(chǎn)生局部負(fù)載角δE,i。

如前所述，虛擬導(dǎo)納處理ei和vc,i之間的電壓差確定輸出電流。所有光伏發(fā)電機(jī)具有相同的集中負(fù)載角；因此，虛擬導(dǎo)納的取適當(dāng)值將影響其連接的所有逆變器之間的功率分布。其權(quán)重因子參數(shù)kYi計(jì)算公式如下：

其中Pi是每個(gè)光伏發(fā)電機(jī)注入的功率，PPCC是光伏發(fā)電廠的總功率，N是光伏發(fā)電機(jī)的數(shù)量。每個(gè)光伏發(fā)電機(jī)的虛擬導(dǎo)納計(jì)算公式如下：

電流控制器采用PR 結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)每個(gè)光伏單元的交流電流，達(dá)到零穩(wěn)態(tài)無(wú)誤差控制。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出策略的可行性，進(jìn)行小規(guī)模模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置由4 臺(tái)連接到電網(wǎng)的光伏發(fā)電機(jī)組成。每個(gè)光伏發(fā)電機(jī)都配有一個(gè)三相逆變器、一個(gè)LCL 濾波器和一個(gè)控制平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，集中控制集成到一個(gè)高級(jí)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)測(cè)量電網(wǎng)信號(hào)，通過(guò)控制集中負(fù)載角和集中電壓來(lái)調(diào)整輸送到電網(wǎng)的電能。這些控制變量通過(guò)通信控制器局域網(wǎng)總線傳輸?shù)矫總€(gè)光伏發(fā)電機(jī)。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1。

表1 光伏發(fā)電廠的模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1 情景1

為了證明SCAC 的可行性，模擬不同的場(chǎng)景下系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)期間的性能。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 不同場(chǎng)景下光伏發(fā)電廠的模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在模擬實(shí)驗(yàn)中，光伏發(fā)電機(jī)3 突然斷開(kāi)，光伏電站發(fā)電變?yōu)?.6 kW。圖6（a）是光伏發(fā)電廠輸出功率曲線，當(dāng)突然斷開(kāi)時(shí)，有功功率曲線有波動(dòng)，并在200 ms 后得到補(bǔ)償，從而將有功功率恢復(fù)到正常值。從圖6（b）中看出，當(dāng)斷開(kāi)時(shí)，電流ic3直接減小到零，而其余的發(fā)電機(jī)開(kāi)始增加電流來(lái)補(bǔ)償光伏發(fā)電機(jī)3 缺失的電能。

圖6 當(dāng)光伏發(fā)電機(jī)3斷開(kāi)時(shí)，不同權(quán)重下的電流和功率波形曲線圖

3.2 情景2

模擬不同的慣性值、電網(wǎng)頻率變化情況下，光伏發(fā)電廠輸出功率變化。模擬實(shí)驗(yàn)的光伏電站連接到30 kVA 微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)通過(guò)變速驅(qū)動(dòng)器控制，以－0.4 Hz/s 的速度改變電網(wǎng)頻率，模擬了三種不同慣性值（H=1、5 和7）下的有功功率變化過(guò)程。

如圖7 所示，光伏電站產(chǎn)生的有功功率隨著電網(wǎng)頻率的降低而增加。在電網(wǎng)頻率降低之前，發(fā)電廠發(fā)電功率6.4 kW。如圖7（a）所示，慣性值越高，有功功率補(bǔ)償越多。但是，當(dāng)電網(wǎng)頻率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（49 Hz），慣性提供的有功功率補(bǔ)償就不再起作用，此時(shí)輸出功率降低。

圖7 電網(wǎng)頻率變化下不同慣性值的有功功率響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于負(fù)載角調(diào)節(jié)的光伏電站集中同步控制策略，該控制策略能夠?qū)⒍鄠€(gè)光伏發(fā)電機(jī)作為一個(gè)同步單元進(jìn)行管理，從而向電網(wǎng)提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電能。在功率變化、光伏發(fā)電機(jī)斷開(kāi)和電網(wǎng)頻率變化的不同場(chǎng)景下，用四臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了SCAC 的可行性，即通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)光伏發(fā)電廠內(nèi)的幾個(gè)光伏逆變器之間的合作協(xié)調(diào)過(guò)程，同時(shí)也驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性。