嚴干貴，張禮玨，趙偉哲，張 鈺

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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基于虛擬同步發(fā)電機的光-儲調(diào)頻控制策略研究

嚴干貴，張禮玨，趙偉哲，張 鈺

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

太陽能光伏發(fā)電作為一種可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率不斷升高，與此同時，對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也越來越不得忽視。首先，對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性進行分析。針對光伏并網(wǎng)發(fā)電在遇到頻率波動時不具備慣性和調(diào)頻能力的問題，提出了應(yīng)用儲能補償系統(tǒng)的調(diào)頻需求，通過對儲能逆變器采用虛擬同步發(fā)電機控制策略，使光-儲作為一整體對外具備類似同步發(fā)電機特性，同時該系統(tǒng)還擁有保證光伏對外輸出功率穩(wěn)定的能力。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真驗證了所提出調(diào)頻控制策略的有效性。

虛擬同步發(fā)電機；光伏；儲能；調(diào)頻；控制策略

隨著世界各國對能源的需求量逐步增高，化石能源短缺，環(huán)境問題日益凸顯[1-2]。光伏發(fā)電憑借其節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)點得到大力發(fā)展。

然而，光伏滲透率水平不斷增高，為了維持電力供需平衡，同步發(fā)電機的容量需要相對減少。這導(dǎo)致了較低的系統(tǒng)慣性，而光伏并網(wǎng)基于電力電子并網(wǎng)單元動態(tài)響應(yīng)速度快，無慣性補充[3]。當(dāng)系統(tǒng)負荷變化發(fā)生頻率不穩(wěn)定時，不具備像同步發(fā)電機一樣對電網(wǎng)有頻率支撐能力。文獻[4]提出增大或降低光伏電池直流電壓，使光伏電池輸出功率偏離最大功率點運行，從而減載運行。當(dāng)系統(tǒng)頻率跌落時，降低或增高電壓使光伏增加出力，但該方法沒考慮到運行經(jīng)濟性，實用性不強。為使光伏發(fā)電系統(tǒng)具備同步機特性，有學(xué)者提出利用儲能來提供功率支持，并提出虛擬同步發(fā)電機控制方法[5-8]。

文獻[9-10]建立了虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)數(shù)學(xué)模型，并對其控制策略及特性研究。文獻[11-12]提出采用儲能作為備用進行虛擬同步發(fā)電機控制，從而使儲能表現(xiàn)為頻率補償器。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)三相不平衡時，文獻[13]對不平衡原因及存在的問題進行探討，并應(yīng)用VSG平衡控制方法解決。

為使光-儲系統(tǒng)在儲能自身荷電狀態(tài)的限制內(nèi)接入系統(tǒng)具備同步發(fā)電機的虛擬慣量，由于頻率波動時發(fā)電機轉(zhuǎn)子釋放動能較小，所以配置較少儲能容量即可得到該效果。文獻[14]經(jīng)過計算，提出通過合理的儲能控制，配置5%的風(fēng)電場額定容量即可達到同步發(fā)電機的慣性。

本文首先從光伏電池輸出特性曲線切入對光伏發(fā)電特性進行研究，按照最大功率追蹤運行，提高了運行經(jīng)濟性；然后提出虛擬同步發(fā)電機控制策略，并應(yīng)用于儲能并網(wǎng)系統(tǒng)；最后利用PSCAD/EMTDC進行了仿真驗證。結(jié)果表明，該方法保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，功率調(diào)節(jié)性能良好，并使系統(tǒng)慣量得到有效補償。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

光伏發(fā)電具有永久、綠色、靈活、迅速等優(yōu)點。基本原理是根據(jù)光生伏特效應(yīng)，利用光伏電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池等效電路，如圖1所示。其中，Ipv和Vpv為光伏電池輸出電流和電壓，光生電流Ipc與光伏電池溫度及光伏電池接收的有效光照強度成正比。

圖1 光伏電池等效電路

在日照強度SB=1 000 W/m2，電池溫度TB=25 ℃的標準條件下，根據(jù)開路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點電壓Vm、最大功率點電流Im可以得出光伏電池輸出特性的方程為

(1)

將最大功率點電壓、電流參數(shù)代入式(1)得：

(2)

(3)

圖2(a)、圖2(b)分別為光伏電池電壓-電流、功率-電壓輸出特性曲線。

圖2 光伏電池輸出特性曲線

圖3 MPPT示意圖

Pmpp為確定光照強度及溫度條件下，光伏電池能夠輸出的最大功率。Vmpp為最大功率點電壓，Impp為最大功率點電流。由圖2(a)和圖2(b)可知，光伏電池的輸出電流隨著電壓的增加先基本保持不變再迅速減??；輸出功率隨著輸出電壓的增加先增后減，為一條單峰曲線，P-V、I-V特性曲線均具有明顯的非線性特征。

一般來說，系統(tǒng)工作點并不一定是光伏陣列最大功率輸出點，而是或大或小偏離極值點，這時系統(tǒng)是低效率的。若可追蹤光伏電池最大功率點，便可有效提高系統(tǒng)發(fā)電的整體效率。采用Boost變換器和MPPT控制可以使工作點保持在最大功率點，即圖2(b)中單峰曲線的極值點Pmpp。該方法不受外界環(huán)境影響，通過獨立控制光伏陣列輸出電壓和電流實現(xiàn)。應(yīng)用有效MPPT控制，便可使系統(tǒng)時刻運行在最大功率點處，對于系統(tǒng)功率穩(wěn)定輸出、提高運行效率有重要的意義。光伏電池MPPT示意圖，如圖3所示。

2 虛擬同步發(fā)電機控制策略

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子具備的慣性和機組調(diào)頻能力是保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的關(guān)鍵特性。由于光伏并網(wǎng)逆變器動作快，無轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)對頻率波動不能有效地調(diào)控。通過配置儲能單元使光-儲并聯(lián)運行連入電網(wǎng)，整體具備同步發(fā)電機的特性。光伏發(fā)電機組時刻運行在最大功率輸出下，根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)頻需求，獨立控制儲能并網(wǎng)逆變器的有功功率輸出，作為常規(guī)發(fā)電機組的備用容量，在功率不平衡時，吸收或釋放能量。即可使光伏-儲能系統(tǒng)擁有慣性，又可以保證光伏功率輸出效率，同時具備同步發(fā)電機的調(diào)頻特性。圖4為光-儲系統(tǒng)并網(wǎng)等效結(jié)構(gòu)圖。

圖4 儲系統(tǒng)并網(wǎng)等效結(jié)構(gòu)圖

2.1 虛擬慣量控制

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程為

(4)

式中：J為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量；ω為機械角速度，當(dāng)極對數(shù)為1時，機械角速度與電網(wǎng)電角速度相等；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；Tm=Pm/ω；Pm為機械功率；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Te=Pe/ω，Pe為電磁功率。

轉(zhuǎn)子運動方程模擬同步發(fā)電機的機械部分，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，虛擬發(fā)電機轉(zhuǎn)子向外輸出功率為

(5)

式中：△P1為模擬轉(zhuǎn)子釋放能量的輸出功率，J決定系統(tǒng)慣性的大小。當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時，虛擬同步發(fā)電機釋放“轉(zhuǎn)子動能”以獲取能量來補充功率，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)頻率上升時，吸收功率。

2.2 有功調(diào)節(jié)

根據(jù)發(fā)電機輸出隨負荷變化而做出動作，相應(yīng)系統(tǒng)頻率對比額定值會有偏差。將系統(tǒng)頻率偏差成比例的有功功率增量加入到轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率控制環(huán)節(jié)，此過程為同步發(fā)電機調(diào)速器動作的一次調(diào)頻。

圖5 P-f特性曲線

(6)

式中：kf為下垂系數(shù)。

由公式(6)可得到單個機組調(diào)節(jié)方程為

(7)

式中：σ%為同步發(fā)電機組調(diào)差系數(shù)；PN為機組額定容量。

在頻率發(fā)生變化的同時，若光照強度也發(fā)生變化，會對于系統(tǒng)的穩(wěn)定和功率的輸出有很大影響，優(yōu)化后的一次調(diào)頻功率輸出為

ΔP2=Ppv_N+ΔP-Ppv，

(8)

其中：Ppv_N為額定情況下光伏輸出的功率；Ppv光伏實際輸出功率。

通過同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性和一次調(diào)頻特性的模擬，可以得到光-儲系統(tǒng)輸出有功功率為

P=Ppv+ΔP1+ΔP2.

(9)

當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生跌落時，光伏保持MPPT運行，儲能作為光伏的輔助電源進行動作，釋放出△P1+△P2的有功功率，不同的kf反映同步發(fā)電機的調(diào)速器性能，決定了儲能功率輸出。其中發(fā)電機轉(zhuǎn)子釋放的功率與頻率的變化率成正比，即為暫態(tài)過程中釋放，若系統(tǒng)頻率變至穩(wěn)定值后，穩(wěn)態(tài)時△P1=0。光-儲作為整體表現(xiàn)出類似于具備調(diào)頻能力的同步發(fā)電機特性，使系統(tǒng)中的能量平衡并增加了慣性。

根據(jù)瞬時功率理論，系統(tǒng)的瞬時有功功率和無功功率為

(10)

基于電網(wǎng)電壓定向時，uq=0。上式簡化為

(11)

不考慮電壓波動，ud為定值。所以有功、無功電流指令為

(12)

圖6 控制策略

VSG控制框圖，如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，不同調(diào)差系數(shù)決定機組功率響應(yīng)，調(diào)差系數(shù)越小，對于輸出提升越明顯。相同調(diào)差系數(shù)，機組額定容量越大，對于系統(tǒng)功率補充能力越強。常規(guī)汽輪發(fā)電機組σ%取值為3至5。一般情況下，頻率波動范圍不超過±0.2 Hz，考慮到儲能系統(tǒng)上、下調(diào)整容量的調(diào)頻需求和經(jīng)濟性，通過配置光伏系統(tǒng)額定容量10%的儲能容量即可滿足效果。

綜上分析，通過模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)子釋放能量以及一次調(diào)頻，對于頻率穩(wěn)定性具備良好的控制力。通過不改變原有光伏控制避免了一系列機組間協(xié)調(diào)、配合的問題，顯著提升了光-儲系統(tǒng)的運行可靠性；同時對于光伏受外界變化儲能也能做出相應(yīng)的補充，從而提升了電網(wǎng)對光伏發(fā)電在接納性。

3 仿真分析

本文對光伏發(fā)電特性和儲能VSG控制模型進行研究的同時，應(yīng)用PSCAD/EMTDC平臺仿真驗證。

光伏并網(wǎng)逆變器采用常規(guī)的電壓電流雙環(huán)控制，開關(guān)頻率fs，光伏電池輸出最大功率追蹤采用擾動觀測法。儲能并網(wǎng)系統(tǒng)采用本文提出的虛擬同步發(fā)電機控制策略，光-儲并聯(lián)于交流母線處，共同接入無限大功率電源。系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

Ppv曲線為光伏并網(wǎng)機組運行時的功率輸出，在0.5 s時機組穩(wěn)定，Ppv=4.11 kW，此時頻率為50 Hz，儲能不啟動Pess=0(發(fā)出功率為正，吸收功率為負)。直至1 min時，頻率跌落至49.8Hz，儲能快速接入并輸出功率為0.8 kW。至2 min由于外界光照強度由1 000 W/m2下降至950 W/m2，光伏輸出功率下降至3.85 kW。從仿真結(jié)果圖7(b)、圖7(c)中清楚的可以看出，儲能輸出功率升高0.26 kW，對于頻率跌落時光照強度的下降儲能快速增加出力使并網(wǎng)總功率保持恒定，從而保證了調(diào)頻的功率需求。當(dāng)3 min時頻率恢復(fù)至50 Hz，儲能減少頻率波動相應(yīng)的輸出，同時為使光-儲系統(tǒng)對外輸出功率穩(wěn)定在Ppv_N，儲能應(yīng)對光照強度降低的功率輸出繼續(xù)保持作用。接下來兩秒內(nèi)又做了對于頻率上升時的模擬，在光照強度恒定時，對于頻率的上升儲能吸收一部分能量，同樣保證了功率穩(wěn)定。

圖7 仿真結(jié)果

圖8 仿真對比

通過模擬系統(tǒng)頻率在1 s時發(fā)生跌落，分別應(yīng)用本文提出的虛擬同步發(fā)電機控制策略和傳統(tǒng)的下垂控制方法進行仿真對比，仿真結(jié)果如圖8。結(jié)果表明，通過在頻率跌落時，虛擬同步發(fā)電機控制策略模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)子釋放動能，提高了在暫態(tài)過程中的輸出，有效地增加系統(tǒng)慣性，表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)下垂控制的調(diào)頻性能。

采用虛擬同步發(fā)電機控制策略的作用下，儲能單元當(dāng)頻率變動時功率輸出響應(yīng)迅速，對于外界頻率的變化響應(yīng)準確，對每一次頻率波動都在0.2 s內(nèi)介入，表現(xiàn)出較強的可靠性。在電網(wǎng)頻率驟升后降低了有功出力，系統(tǒng)的動態(tài)過程呈現(xiàn)出類似于同步發(fā)電機的特性，較好的提高了并網(wǎng)逆變器的運行性能。

4 結(jié) 論

近年來，太陽能光伏發(fā)電得到了廣泛的關(guān)注，不僅是因為它作為綠色能源逐步補充了短缺的化石能源發(fā)電，而且也是因為當(dāng)大規(guī)模接入電網(wǎng)時，不具備慣性和調(diào)頻能力的特點，使電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到挑戰(zhàn)。本文提出在光伏發(fā)電并網(wǎng)中加入儲能單元，作為一個整體模擬同步發(fā)電機的特性。通過應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機控制策略對儲能單元逆變器控制，避免了傳統(tǒng)光伏逆變器不具備調(diào)頻特性的劣勢，同時也使其具備調(diào)節(jié)光伏輸出不穩(wěn)定的能力，提高了電網(wǎng)對于光伏并網(wǎng)的接納性。通過仿真分析，驗證了虛擬同步發(fā)電機控制策略的在頻率波動情況下的有效性。

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Strategic Studies on Frequency-modulated Controlling of Photovoltaic-Energy Storage System Based on Virtual Synchronous Generator

Yan Gangui，Zhang Lijue，Zhao Weizhe，Zhang Yu

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

As a kind of renewable-energy-based power generation，photovoltaic power generation has been increasingly used for power system.And meanwhile，more attention is paying to the effect of system stability.The paper began with analysis of the output characteristics of photovoltaic system.In view of the absence of inertia of grid-connected photovoltaic power generation in the event of frequency fluctuation，the ideas to make up for the system virtual inertia with the stored energy were presented in the paper.By using the controlling strategies for virtual synchronous generator to the energy storage inverter，the integrated photovoltaic-storage system would work as a whole the same way with the synchronous generator.And meanwhile，it would maintain the stable output PV power of the integrated photovoltaic-storage system.At last，PSCAD/EMTDC simulation was used to verify the effectiveness of making up for the virtual inertia through the controlling strategies presented in the paper.

Virtual synchronous generator；Photovoltaic；Energy storage；Frequency regulating；Control strategy

2016-08-20

吉林市科技局杰出青年人才培養(yǎng)計劃(20156407)

嚴干貴(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：風(fēng)力發(fā)電、柔性交流輸電技術(shù).

1005-2992(2017)03-0001-06

TM615；TM464；TM732

A

電子郵箱： yangg@nedu.edu.cn(嚴干貴)；546381684@qq.com(張禮玨)；420577454@qq.com(趙偉哲)；191601980@qq.com(張鈺)