梁亞波，郭樹(shù)鋒

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011 2.國(guó)網(wǎng)青海電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海西寧810000）

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)運(yùn)行控制策略的研究

梁亞波1，郭樹(shù)鋒2

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011 2.國(guó)網(wǎng)青海電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海西寧810000）

針對(duì)傳統(tǒng)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻無(wú)法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)問(wèn)題，借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制原理，通過(guò)調(diào)速器及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器完成頻率調(diào)節(jié)的方法，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的虛擬同步機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)，并對(duì)其控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：該控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

虛擬同步發(fā)電機(jī)；運(yùn)行控制；光伏發(fā)電

1 研究現(xiàn)狀及需解決的問(wèn)題

1.1 研究現(xiàn)狀

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)逆變器的控制以最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方式為主，保持光伏最大限度的利用，但對(duì)頻率的調(diào)節(jié)特性較差，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［3］提出了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤與電流控制的三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的方案，主要原理是應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器使得光伏陣列輸出電壓工作在最大功率工作點(diǎn)；文獻(xiàn)［4］總結(jié)和對(duì)比了各種光伏發(fā)電MPPT控制策略。上述各種光伏發(fā)電控制系統(tǒng)方案中，均將光伏發(fā)電系統(tǒng)看做電流源，其出力特性決定了輸出功率波動(dòng)性較大，與一次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制結(jié)果類(lèi)似，不能有效地參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。

1.2 需解決的問(wèn)題

（1）隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率的變化，一次調(diào)頻控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率有效調(diào)節(jié)，且不能維持在額定水平，需要解決輸出有功功率的變化造成頻率變化的問(wèn)題［5］。

（2）需要解決二次調(diào)頻控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出的有功功率變化后頻率的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)問(wèn)題［6］。

2 光伏發(fā)電控制策略

2.1 整體控制結(jié)構(gòu)

本文對(duì)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的調(diào)速器及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)出基于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）的運(yùn)行控制系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的輸出頻率也將隨之發(fā)生變化，調(diào)速器調(diào)節(jié)測(cè)量的輸出頻率與給定頻率值的差值，輸出調(diào)節(jié)后用來(lái)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)汽門(mén)的開(kāi)度，以此來(lái)減小或增加原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率輸出，最終同步發(fā)電機(jī)的輸出功率與系統(tǒng)負(fù)荷相等［7］。

圖1 基于VSG的運(yùn)行控制系統(tǒng)

典型的傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制原理見(jiàn)圖2。傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)機(jī)械功率輸出大小由汽門(mén)開(kāi)度（由蒸汽容積效應(yīng)改變）來(lái)決定，相對(duì)變化較為緩慢，存在一定時(shí)間滯后［8-11］。

圖2 傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)控制原理

虛擬同步發(fā)電機(jī)中模擬的機(jī)械功率可以直接快速調(diào)節(jié)［12-15］（配置一定的儲(chǔ)能裝置），代替圖2中的原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)，具體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)

2.2 改進(jìn)型的功頻控制器設(shè)計(jì)

在分散式調(diào)頻中的PI調(diào)節(jié)過(guò)程中，一般相應(yīng)的參數(shù)比較難于選取，同時(shí)存在因負(fù)荷變化過(guò)大而導(dǎo)致超調(diào)問(wèn)題，以及采用集中式二次調(diào)頻速度較慢等問(wèn)題［16］。本節(jié)針對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)頻率調(diào)節(jié)的有差性，同時(shí)由于虛擬同步發(fā)電機(jī)主要硬件為電力電子設(shè)備，考慮到快速響應(yīng)的特性，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)型的功頻控制器。

根據(jù)調(diào)速器控制原理，如果參考值設(shè)定固定時(shí)候，將會(huì)存在實(shí)際負(fù)荷值與參考值的差值。因此，虛擬同步發(fā)電機(jī)也存在輸出有功功率與參考有功功率的差值，只簡(jiǎn)單改變調(diào)頻系數(shù)，只能改變其差值的大小，而不能消除掉差值。為此，根據(jù)調(diào)速器特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以使調(diào)頻系數(shù)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的方案。圖4為改進(jìn)型調(diào)節(jié)的功頻曲線。

圖4 改進(jìn)型調(diào)節(jié)的功頻曲線

圖4中，初始運(yùn)行狀態(tài)A對(duì)應(yīng)的功頻曲線1的斜率方程［17］可表示為

式中：kω—曲線1的斜率；

F0—有功功率為零時(shí)的頻率值；

Fref—參考頻率；

Pref—曲線1中fref對(duì)應(yīng)有功功率。

改進(jìn)型功頻控制方法可以使虛擬同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由功頻曲線1工作運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡到功頻曲線2工作狀態(tài)，這樣可以保證虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出有功與系統(tǒng)負(fù)荷有功相等，讓實(shí)際頻率與參考頻率實(shí)時(shí)保持一致。其曲線斜率方程［17］如式（2）所示。

式中：kω—曲線2的斜率；

Pm—曲線2中fref對(duì)應(yīng)有功功率。

斜率與初始狀態(tài)斜率之間的關(guān)系與頻率控制方程［18-19］分別見(jiàn)式（3）和式（4）。

由上述研究可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在A點(diǎn)初始狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)頻率為參考頻率，而虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出值為參考有功功率。

2.3 仿真驗(yàn)證

2.3.1 仿真條件

在MATLAB中搭建一個(gè)有功功率輸出為3 MW，頻率為50 Hz的光伏發(fā)電系統(tǒng)。采用改進(jìn)型功頻控制器，其原理見(jiàn)圖5。

圖5 采用改進(jìn)型調(diào)節(jié)的調(diào)速器控制

虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出功率隨著系統(tǒng)負(fù)荷增大而增大，調(diào)頻系數(shù)也隨功頻曲線1向曲線2移動(dòng)而增大，直到VSG輸出功率值與系統(tǒng)負(fù)荷值相等，此時(shí)系統(tǒng)將運(yùn)行C點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)，而系統(tǒng)頻率值維持不變。采用改進(jìn)型功頻器的虛擬同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功頻曲線，這樣就可以使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)點(diǎn)均保持在參考頻率下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)頻率無(wú)差控制。

2.3.2 仿真結(jié)果

將一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)頻結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果對(duì)比如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 仿真結(jié)果對(duì)比

由圖6（a）和圖6（b）可以看出：

（1）在0.18 s到0.22 s時(shí)段，輸出功率從3 MW降至2 MW，一次調(diào)頻在0.2 s到0.23 s時(shí)段，頻率穩(wěn)定在50.18 Hz，0.23 s到0.4 s時(shí)段，頻率維持在50.18 Hz，0.35 s到0.37 s時(shí)段，功率從2 MW升至5 MW，頻率從50.18 Hz降至49.65 Hz。

（2）二次調(diào)頻控制器在0.2 s到0.24 s時(shí)段，頻率有突變，在0.22 s時(shí)段，達(dá)到最大值50.13 Hz，在0.24 s到0.4 s時(shí)段，頻率維持在50 Hz，在0.35 s到0.37 s時(shí)段，功率從2 MW升至5 MW，頻率從50 Hz降至49.62 Hz，經(jīng)過(guò)0.04 s恢復(fù)至50 Hz。

（3）在0.18 s至0.37 s時(shí)段輸出功率的變化過(guò)程中，改進(jìn)型控制器的頻率幾乎沒(méi)有變化，維持在50 Hz。

3 效果評(píng)價(jià)

（1）仿真結(jié)果表明，在0.18 s到0.2 s時(shí)段，光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率輸出驟降，0.35 s到0.37 s時(shí)段有功功率輸出驟升時(shí)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制策略頻率不受有功變化影響，持續(xù)保持在50 Hz。本文所提控制策略解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)問(wèn)題。

（2）自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)了輸出有功功率的變化不影響頻率變化，且能保證頻率在額定頻率50 Hz，解決了一次調(diào)頻存在頻率隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)有功輸出變化而變化的問(wèn)題。

（3）在光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率發(fā)生變化時(shí)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的頻率可實(shí)時(shí)保持在額定頻率（50 Hz），解決了二次調(diào)頻無(wú)法時(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)頻率的問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)光伏有功輸出發(fā)生變化時(shí)，采用傳統(tǒng)一、二次調(diào)頻控制策略存在系統(tǒng)頻率突變現(xiàn)象，而且頻率波動(dòng)隨系統(tǒng)有功輸出的突變量的增大而增大。無(wú)論光伏發(fā)電系統(tǒng)功率怎樣驟變，自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制都可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率實(shí)時(shí)維持在額定頻率。

（2）通過(guò)3種頻率調(diào)節(jié)控制策略的對(duì)比分析可知，采用改進(jìn)型（自適應(yīng)）功頻調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，頻率可以實(shí)現(xiàn)跟蹤參考頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略，并可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的頻率無(wú)差調(diào)節(jié)。

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Research on operation control strategy based on virtual synchronous generator

LIANG Yabo1,GUO Shufeng2
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011，China;2.Economic&Technological Research Institute of State Grid Qinghai Power Co.,Xi’ning Qinghai 810000，China)

Aiming at the problem of traditional primary frequency adjustment and secondary frequency adjustment are unable to achieve zero error adjustment,useing control principle of traditional synchronous generator for reference,and by the method of the governor and the excitation regulator to complete the frequency adjustment,designes a modified virtual synchronous generator governor system,simulates and validates the control strategy.The result shows that the control strategy realizes frequency zero error adjustment of photovoltaic power generation,reaches the aim of stable operation.

virtual synchronous generator;operation control;photovoltaic power generation

TM 761.2

A

1672-3643（2017）04-0011-04

有效訪問(wèn)地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.003

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.003

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的一些特性可以由虛擬同步發(fā)電機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，同時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)又具備分布式光伏電源逆變器電力電子設(shè)備的基本特性［1］，所有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)和逆變器電源的控制策略均可以應(yīng)用于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制中去，這樣一來(lái)，虛擬同步發(fā)電機(jī)也就具備了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的輸出外特性，從而可以友好地并入電網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和新能源消納具有重要的意義［2］。

2017-05-10

梁亞波（1984）,男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化應(yīng)用研究。