李樂 段樂 閆斌斌 潘文斌

摘 要：介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和光伏逆變器控制策略典型的三環(huán)結(jié)構(gòu)，闡述了基于VSG控制策略的電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)系統(tǒng)。隨著光伏發(fā)電滲透率不斷提高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量逐漸減少，考慮到光伏系統(tǒng)的波動性和隨機(jī)性會引起母線電壓、頻率的波動，光伏發(fā)電系統(tǒng)主動參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)十分必要。鑒于此，具體說明了通過降低光伏陣列的輸出功率而預(yù)留有功備用和通過直流側(cè)配置儲能電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電兩種抑制頻率波動的方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動慣量;頻率調(diào)節(jié);有功備用;儲能電池

0? ? 引言

光伏電站以電力電子逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的接口裝置，電力電子裝置具有快速性、靈敏性的特點(diǎn)，但卻缺乏傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣量特性和阻尼特性，而慣量特性和阻尼特性對于同步機(jī)抑制頻率波動、優(yōu)化動靜態(tài)響應(yīng)具有重要意義。當(dāng)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到一定比例時，必然威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。隨著光伏發(fā)電滲透率不斷提高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量逐漸減少，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重下降，因此迫切需要光伏發(fā)電主動參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞光伏發(fā)電的減載控制、直流側(cè)配置儲能電池等已展開研究。

1? ? 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1? ? 光伏陣列工程應(yīng)用模型

單個光伏電池產(chǎn)生的功率很小，往往會將電池經(jīng)過合理串并聯(lián)形成能夠輸出較大功率的光伏陣列。由于光伏組件輸出功率與端電壓之間的關(guān)系為典型的非線性特征，在實(shí)踐中往往采用給出關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)的形式對光伏組件輸出特性進(jìn)行描述。設(shè)一個光伏陣列光伏電池串并聯(lián)個數(shù)為NP、NS，當(dāng)NP、NS確定后，會得到光伏陣列UPV/IPV的特性方程以及輸出功率PPV和光伏組件的標(biāo)稱短路電流、光伏組件的標(biāo)稱開路電壓有關(guān)。

由光伏陣列輸出特性可知，光伏陣列輸出電壓和功率曲線是一個先增后減的函數(shù)。在一定的工作環(huán)境下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，因此為了使電池輸出功率最大，應(yīng)實(shí)時調(diào)節(jié)電池的工作點(diǎn)，一般跟蹤光伏陣列最大輸出功率的過程稱為MPPT（Maximum Power Point Tracking）。一般采用自尋優(yōu)類MPPT方法進(jìn)行最大功率跟蹤，通過程序?qū)ぷ鼽c(diǎn)進(jìn)行搜索以找到某一環(huán)境下的最大功率點(diǎn)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)基本工作方式為多片光伏面板串聯(lián)形成一個光伏組串，再由多個組串并聯(lián)接入一臺大功率逆變器進(jìn)行電能變換，最后經(jīng)變壓器進(jìn)行升壓與隔離，將電能送入電網(wǎng)。

1.2? ? 控制結(jié)構(gòu)

典型光伏逆變器控制策略為圖1所示的三環(huán)結(jié)構(gòu)。其中外環(huán)負(fù)責(zé)最大功率跟蹤（MPPT），中環(huán)控制直流電壓，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)輸入電網(wǎng)的有功、無功電流及電流的解耦，電壓、電流控制器通常為PI控制器。采用這種控制方式的逆變器在正常運(yùn)行時，通過最大功率跟蹤算法與矢量控制使逆變器工作在單位功率因數(shù)下，將光伏陣列產(chǎn)生的有功功率全部輸送至電網(wǎng)，以求發(fā)電效益最大化。

電壓外環(huán)中，為了穩(wěn)定直流母線電壓，將采樣得到的電壓Udc與Udc*比較，再經(jīng)過一個PI模塊即可控制Udc。根據(jù)光伏陣列輸出特性可知，通過控制直流母線電壓可以控制輸出功率。將PI模塊的輸出作為idref，將采樣得到的id與idref比較，經(jīng)過一個PI模塊即可控制id，從而實(shí)現(xiàn)逆變器輸出P的調(diào)節(jié)。將采樣得到的電流iq與iqref比較，經(jīng)過一個PI模塊即可控制q軸電流iq，從而實(shí)現(xiàn)逆變器輸出Q的調(diào)節(jié)。

2? ? 光伏發(fā)電系統(tǒng)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)

由于光伏系統(tǒng)的波動性和隨機(jī)性，需要通過增加備用容量來解決光伏波動性問題。對于光伏微網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載突變和光伏陣列輸出有功功率波動時會引起母線電壓、頻率的波動，下面介紹兩種抑制頻率波動的方法。

2.1? ? 光伏發(fā)電系統(tǒng)有功備用

由于光伏陣列不能吸收能量，因此在高于基準(zhǔn)頻率的調(diào)頻事件中只能通過降低發(fā)電量來調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率，其調(diào)頻效果要弱于直流側(cè)配置儲能電池系統(tǒng)，因此該方法主要應(yīng)對低于基準(zhǔn)頻率的調(diào)頻事件。

光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在MPPT模式時，沒有功率調(diào)節(jié)能力，所以需要根據(jù)備用容量來確定光伏陣列工作電壓，使其有調(diào)頻能力。在電壓區(qū)間[0，Uoc]內(nèi)，只有唯一的最大功率點(diǎn)，需要有備用容量時輸出功率低于最大功率點(diǎn)，會出現(xiàn)兩個功率相同的運(yùn)行點(diǎn)A和B，并且對應(yīng)于不同的輸出電壓。以最大功率點(diǎn)為界，在左半平面dP/dU>0，在右半平面dP/dU<0。在左半平面功率和電壓關(guān)系為正反饋，右半平面功率和電壓關(guān)系為負(fù)反饋。對于同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動特性而言，正反饋意味著不穩(wěn)定，負(fù)反饋意味著穩(wěn)定。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有功備用運(yùn)行狀態(tài)下需保證運(yùn)行電壓大于最大功率點(diǎn)電壓，即在右平面。

在光伏發(fā)電備用一定有功功率的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)功率缺額，通過電壓外環(huán)來控制直流母線電壓，從而增加光伏系統(tǒng)的有功輸出來穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。在Boost變換器的直流電壓控制器中引入線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，通過把檢測到的電網(wǎng)頻率的波動量反饋給直流電壓來修正參考值，光伏陣列通過調(diào)節(jié)低壓直流電容電壓就可以改變其輸出功率。光伏發(fā)電雖可提供功率支撐，但要受限于光伏發(fā)電的備用功率。對于傳統(tǒng)汽輪機(jī)組，當(dāng)轉(zhuǎn)速不等率為5%、調(diào)頻深度為0.25 Hz時，一次調(diào)頻所需功率為額定功率的10%，因此選擇光伏電站總備用容量占總?cè)萘康?0%。

2.2? ? 直流側(cè)配置儲能單元

為模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和電磁方程設(shè)計分布式并網(wǎng)逆變器的控制策略，通過直流側(cè)配置儲能單元以儲能裝置的充放電模擬轉(zhuǎn)子動能變化，使得逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相似的外特性。作為虛擬慣量的物理基礎(chǔ)，儲能單元是VSG的重要組成部分。直流側(cè)配置儲能電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電，可以應(yīng)對低于基準(zhǔn)頻率和高于基準(zhǔn)頻率的調(diào)頻事件。

儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，光伏陣列直接連接到逆變器直流母線，與帶buck/boost變換器的儲能裝置并聯(lián)。儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過模擬同步發(fā)電機(jī)特性，具有頻率慣性及阻尼頻率偏移的能力，通過控制儲能的充放電功率可以克服光伏陣列輸出功率波動性與間歇性的影響。

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)子運(yùn)動所儲存的動能有關(guān)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時虛擬慣量H的定義為：

2H=

式中，J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量;Sn為同步發(fā)電機(jī)額定容量。

儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的虛擬慣量配置的大小與儲能單元有關(guān)，儲能單元儲存的能量等效為轉(zhuǎn)子運(yùn)動所儲存的能量。根據(jù)上式可以求得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時虛擬慣量H為：

H=

式中，SN為系統(tǒng)額定容量;CS為儲能電容器電容;US為額定電壓。

實(shí)際工程應(yīng)用中，配置儲能單元將大幅增加微網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行成本，所以儲能單元的合理配置就尤為重要?？紤]VSG有慣量支撐和一次調(diào)頻功能，儲能單元容量配置要求取決于其在慣量支撐和一次調(diào)頻過程中的最大輸出能量。

3? ? 結(jié)語

文中介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和光伏逆變器控制策略典型的三環(huán)結(jié)構(gòu)，闡述了基于VSG控制策略的電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)系統(tǒng)。考慮到光伏系統(tǒng)的波動性和隨機(jī)性會引起母線電壓、頻率的波動，提出了光伏系統(tǒng)有功備用和直流側(cè)配置儲能單元兩種抑制頻率波動的方法。針對光伏系統(tǒng)有功備用，今后需要繼續(xù)討論對于設(shè)定的有功備用量如何跟蹤光伏陣列的直流側(cè)電壓;針對直流側(cè)配置儲能單元，今后需要繼續(xù)通過虛擬慣量控制策略來更合理地優(yōu)化儲能單元容量配置。

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收稿日期：2020-04-13

作者簡介：李樂（1990—），男，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向：新能源發(fā)電。