高海力 譚建成

目前伴隨全球能源危機(jī)日益突出，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，全球分布式發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展。太陽能取之不盡、用之不竭且可以無污染利用，成為了當(dāng)今被利用的可再生能源的首選。但目前光伏的不確定性，隨機(jī)波動對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成挑戰(zhàn)。例如光伏具有間歇性，在經(jīng)歷快速發(fā)展的十年后，面臨著嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象。光伏發(fā)電的消納與并網(wǎng)成為其發(fā)展的瓶頸[1-2]。

為解決全球能源危機(jī)，以清潔能源為基礎(chǔ)的能源變革正在興起。世界各國在大力規(guī)劃和發(fā)展清潔能源。預(yù)計(jì)到2050年，我國可再生能源發(fā)電占總量的份額將超過30%。在全球各發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略計(jì)劃中，都把更多的分布式發(fā)電列入發(fā)展計(jì)劃，電力系統(tǒng)正在發(fā)生向分布式發(fā)電轉(zhuǎn)變的趨勢[3]。新能源發(fā)展的速度比預(yù)想快得多，但新能源技術(shù)的安全穩(wěn)定性還需要很多措施。在風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電接入電網(wǎng)中，快速、高頻電力電子系統(tǒng)接入大慣性、低速、工頻電力系統(tǒng)中[4]，產(chǎn)生了不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)、不支撐電網(wǎng)故障恢復(fù)等諸多適應(yīng)性難題。這些問題也阻礙了可再生能源的消納，目前棄風(fēng)棄光問題嚴(yán)重[5-6]。

產(chǎn)生這個問題的原因，主要如風(fēng)力或太陽發(fā)電能接入電網(wǎng)時。在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)占大多數(shù)的電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)具有慣性與阻尼特性，不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大影響[7]。然而，新能源電網(wǎng)的接入量越來越高后，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的接入比例降低，慣性和阻尼特性的減少，不能很好地維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。分布式發(fā)電和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，不具有慣性和阻尼，且光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率容易出現(xiàn)波動。電力系統(tǒng)更容易受系統(tǒng)故障的影響[8-9]。在全球可再生能源的裝機(jī)容量迅速增長，尤其是火電為主力發(fā)電的系統(tǒng)下，應(yīng)對新能源發(fā)電對系統(tǒng)調(diào)頻的挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)問題[10]。

電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，其并網(wǎng)具有的優(yōu)勢有：①優(yōu)良的慣性與阻尼特性；②同步發(fā)電機(jī)參與大電網(wǎng)的電壓與頻率調(diào)節(jié)。在目前的常規(guī)并網(wǎng)中，逆變器響應(yīng)速度過快，沒有轉(zhuǎn)動慣量，所以需要不同的控制方式[11]。因此，把可再生能源并網(wǎng)用同步發(fā)電機(jī)的形式進(jìn)行控制，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是通過對逆變器上各物理量的調(diào)節(jié)，模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，使并網(wǎng)逆變器從內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制可以模擬同步發(fā)電機(jī)的有功調(diào)頻、無功調(diào)壓，使可再生能源并網(wǎng)在外部運(yùn)行特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出相似的特性[12]。最終達(dá)到促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)的穩(wěn)定性以防止脫網(wǎng)的目的[13]。

1997年，“靜態(tài)同步發(fā)電機(jī)”概念被提出，是最早虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的思想。2007年，全球多個研究中心與多所知名大學(xué)相繼提出 VSG控制策略。2013年，中國電力科學(xué)研究院開發(fā)完成“Synchronverter”內(nèi)核50kW虛擬同步發(fā)電機(jī)。2016年，全球首套分布式光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)在天津并網(wǎng)成功，VSG技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)內(nèi)容得到很大的豐富。虛擬同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用于光伏、風(fēng)機(jī)、負(fù)荷等[14]。光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)主要難點(diǎn)是光伏輸入MPPT、儲能和并網(wǎng)的逆變器協(xié)調(diào)策略[15]，具體為：①光伏出力的隨機(jī)性；②并網(wǎng)逆變器算法需要根據(jù)實(shí)時電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行調(diào)整[16]；③光儲系統(tǒng)的充放電需要管理。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)需要兼顧這3個因素[17-18]。

本文主要介紹光伏儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，介紹了適合光伏儲能系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功無功調(diào)控策略，對光儲系統(tǒng)以虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的并網(wǎng)策略進(jìn)行了討論。

1 光伏儲能系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀

對于光儲系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)在主要的研究論文是分為光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)與儲能虛擬同步發(fā)電機(jī)的研究，目前虛擬同步發(fā)電機(jī)的研究類型如圖1所示。主要目前有3種主流的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，分別為比利時魯汶大學(xué)提出的VSG控制策略、德國勞克斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出的“VSIMA”控制策略、鐘慶昌教授提出的“Synchronverter”控制策略[19]。

目前對于光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)的不同控制方案，實(shí)現(xiàn)虛擬慣量和阻尼的原理相同，主要的不同在于模擬同步發(fā)電機(jī)的電暫態(tài)方程的程度有差異[20]。

圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)的分類

光儲虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)是采用同步發(fā)電機(jī)的電機(jī)暫態(tài)方程在電力電子變流器的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，光儲虛擬同步發(fā)電機(jī)與常規(guī)的光伏相比，需要將傳統(tǒng)逆變器控制升級，并增加儲能單元[21]。使光伏儲能成為具有同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的慣性、有功調(diào)頻、無功調(diào)壓、阻尼特征等特征的新型技術(shù)[22]。

光儲虛擬同步發(fā)電機(jī)是并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)引入儲能，集成同步發(fā)電機(jī)控制模型，以優(yōu)化控制，使可再生能源并網(wǎng)單元與同步發(fā)電機(jī)在物理和數(shù)學(xué)上實(shí)現(xiàn)基本等效[23]，降低大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對大電網(wǎng)造成的影響。

儲能單元作為 VSG系統(tǒng)的重要組成部分，為VSG提供穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)節(jié)和動慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量[24]。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時減小體積和成本，對儲單元量配置問題進(jìn)行研究[25]。

2 逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在VSG中，元件上的對應(yīng)關(guān)系為光伏發(fā)電可以視作同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械驅(qū)動，儲能單元及其變換器對應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣性，逆變器對應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程[26]。

此外，VSG的數(shù)學(xué)模型與控制的原理是光伏并網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)存在對應(yīng)關(guān)系，具體關(guān)系為逆變器橋臂中點(diǎn)的輸出電壓可以等效為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢[27]；在對應(yīng)關(guān)系上，并網(wǎng)逆變器的濾波電感L可以等效為同步發(fā)電機(jī)的同步電感。

同步發(fā)電機(jī)與VSG共同的機(jī)械運(yùn)動方程可以表示為

在同步發(fā)電機(jī)中J為轉(zhuǎn)動慣量；D為阻尼系數(shù)；ω為機(jī)械角速度、ωref為額定角速度；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、Te為電磁轉(zhuǎn)矩。在虛擬同步電機(jī)中：J為VSG轉(zhuǎn)動慣量；D為定常阻尼系數(shù)；ω 為實(shí)際電網(wǎng)的角速度；ωref為電網(wǎng)同步角速度；Tm和 Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩。同步發(fā)電機(jī)與虛擬同步發(fā)電機(jī)中具有相互聯(lián)系的特性。

對于同步發(fā)電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本方程有

圖2 虛擬同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

式中，Pe為虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率。

在逆變器的控制中引入了J與D。J的存在，使并網(wǎng)逆變器在功率動態(tài)過程中產(chǎn)生了慣性，出現(xiàn)了一些與同步發(fā)電機(jī)類似的特性[28]；D的存在，使可再生能源并網(wǎng)產(chǎn)生了阻尼電網(wǎng)功率振蕩[29]。這兩個變量對大型光儲系統(tǒng)的并網(wǎng)頻率改善具有不可替代的作用。

對于虛擬同步發(fā)電機(jī)的電磁方程為

式中，L為虛擬同步電機(jī)的同步電感；Uabc為虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓；R為虛擬同步發(fā)電機(jī)的同步電阻；等效在電力電子設(shè)備上，L為逆變器的濾波電感[30]；R為濾波電感的計(jì)生電阻。電阻R越大，并網(wǎng)電流中高頻振蕩分量的抑制能力越高[31]。

3 有功功率與無功功率的調(diào)節(jié)

3.1 有功調(diào)節(jié)策略

在有功調(diào)節(jié)過程中，電網(wǎng)逆變器的主動調(diào)整指令是通過調(diào)整虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩 Tm來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上是調(diào)整頻偏指令和機(jī)械轉(zhuǎn)矩指令。

頻率響應(yīng)的調(diào)整可以通過虛擬自動頻率調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)，AFR是比例環(huán)節(jié)，機(jī)械功率偏差指令ΔT可以表示為

式中，f為虛擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的頻率；f0為電網(wǎng)基準(zhǔn)頻率；kf為調(diào)頻系數(shù)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)的主動同步有功調(diào)節(jié)與一般并網(wǎng)逆變器的 PQ控制策略不同。主要在于虛擬同步發(fā)電機(jī)可以分析并網(wǎng)功率跟蹤對接入點(diǎn)頻率的偏差，從而有效提高并網(wǎng)逆變器應(yīng)對頻率異常事件的能力[32]。

另一個實(shí)際的控制方案是虛擬同步發(fā)電機(jī)在控制中模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程[33]，有功-頻率控制方程為

式中，H是虛擬慣性時間常數(shù)；ω、ωg是逆變器和公共總線的角頻率；Dp是有功功率的下垂系數(shù)；Kd是阻尼系數(shù)。VSG有功-頻率在PSCAD/EMTDC中的控制框圖如圖3所示。

圖3 VSG有功-頻率控制框圖

在電力系統(tǒng)中，由于調(diào)頻單元涉及發(fā)電機(jī)組和自動發(fā)電控制系統(tǒng)[34]，所以調(diào)節(jié)速度慢。為了適應(yīng)短波動周期和小變化范圍的負(fù)載，非調(diào)頻單元都配備有快速調(diào)速器，以減少系統(tǒng)的頻率變化[35]。

3.2 無功調(diào)節(jié)策略

在傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)中調(diào)節(jié)無功輸出的方式是調(diào)節(jié)勵磁。在虛擬同步發(fā)電機(jī)模型中，類似的，調(diào)節(jié)無功功率的方式是虛擬電勢 E[36]。E由兩部分部分組成[37]：①虛擬同步發(fā)電機(jī)的空載電勢E0；②對應(yīng)于無功功率調(diào)節(jié)的部分ΔEQ，其表達(dá)式為

在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，逆變器保持無功-電壓下垂控制，無功-電壓控制方程為

式中，Qref和 Qmea分別為無功功率的參考值和其測量值，Eref和 Emag分別代表逆變器相電壓幅值和控制器輸出的電壓幅值，Km為下垂系數(shù)。VSG無功-電壓控制在PSCAD/EMTDC中的框圖如圖4所示。

圖4 VSG無功-電壓控制框圖

4 結(jié)論

本文針對虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在大型光儲聯(lián)合系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械、電磁暫態(tài)方程，用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的逆變器與同步發(fā)電機(jī)的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)壓、調(diào)頻控制策略，也給出了有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)及物理模型。VSG的優(yōu)勢分兩點(diǎn)：①虛擬同步發(fā)電機(jī)其實(shí)是在下垂控制基礎(chǔ)上引入一個一階慣性環(huán)節(jié)，在輸出側(cè)出現(xiàn)擾動時，頻率響應(yīng)更加平滑，很大程度避免新能源發(fā)電領(lǐng)域逆變器出工不出力的現(xiàn)象；②在于VSG間接作用于輸出電壓的相位，當(dāng)負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)擾動時，VSG輸出頻率的暫態(tài)過程和電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)角速度變化能夠保持一致，避免了電網(wǎng)中低頻振蕩的發(fā)生。而虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)則將這一劣勢最大程度的避免。虛擬同步發(fā)電機(jī)的劣勢在于，沒有發(fā)揮電力電子元件更好的特性，在儲能過程中因儲能技術(shù)的瓶頸，不能更好發(fā)展。

未來虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)不趨向于模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，而是借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的條件下，發(fā)揮電力電子裝置自身的優(yōu)勢。

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