基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的風(fēng)光并網(wǎng)技術(shù)

邵海， 李平， 付薇冰， 楊國(guó)華

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

風(fēng)光等可再生能源的出力通常會(huì)受環(huán)境、天氣等綜合因素的影響，具有一定的有限性和隨機(jī)性，因此其特性區(qū)別于常規(guī)能源，會(huì)導(dǎo)致交流母線上頻率變化過快，降低了供電質(zhì)量與可靠性。風(fēng)電、光伏等發(fā)電系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組呈現(xiàn)出低慣性和少阻尼的特點(diǎn)，沒有能力對(duì)維持電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

隨著系統(tǒng)電力電子化程度越來越高,電力電子變流器低慣量和欠阻尼的天然缺陷日益暴露,電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到了挑戰(zhàn)。如何通過對(duì)關(guān)鍵控制策略的革新，保證高比例、大規(guī)模風(fēng)光友好接入已成為學(xué)界討論的熱點(diǎn)。本文對(duì)一種風(fēng)電、光伏系統(tǒng)虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator，VSG)的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制策略進(jìn)行了研究，并在MATLAB/Simulink仿真軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)并進(jìn)行分析，該方案在減緩微電網(wǎng)交流母線頻率變化速率和幅值的同時(shí)，有利于增強(qiáng)光伏系統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)的靈活性、可靠性和易擴(kuò)展性，可以大大增強(qiáng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的即插即用性[1]。

1 基于虛擬同步機(jī)的風(fēng)、光分布式能源并網(wǎng)方案

圖1 直驅(qū)式虛擬同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的風(fēng)、光分布式能源并網(wǎng)方案有直驅(qū)式風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和光伏陣列并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但存在一些缺陷：在孤島運(yùn)行情況下，儲(chǔ)能變流器往往采用V/f控制，提供交流母線上的電壓和頻率支撐。而且，當(dāng)風(fēng)光出力不能滿足調(diào)度出力或者當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障甚至瀕臨解列時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在原有的控制策略下，常規(guī)控制下的儲(chǔ)能逆變器面對(duì)功率和潮流的迅速突變無法提供足夠的電壓和頻率支撐，從而增加了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性的要求。

圖2 虛擬同步機(jī)光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

為解決風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)缺乏母線頻率支撐能力的問題，本文介紹了一種實(shí)用性強(qiáng)、易擴(kuò)展的風(fēng)光并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用圖1、圖2所示的拓?fù)浞桨?。圖1所示的是直驅(qū)式風(fēng)機(jī)與儲(chǔ)能裝置聯(lián)運(yùn)的拓?fù)鋱D，該方案保留了原有風(fēng)機(jī)背靠背的電力電子變流器設(shè)計(jì)，再與儲(chǔ)能逆變器并聯(lián)運(yùn)行。圖2所示的光伏并網(wǎng)方案，對(duì)于光伏并網(wǎng)單元仍保留了DC/DC 變流器和光伏逆變器。以上兩種拓?fù)渲袃?chǔ)能逆變器采用VSG控制策略。

綜合來看，該方案在實(shí)際運(yùn)行中具有靈活裝配、方便擴(kuò)展和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)光并網(wǎng)所需的逆變器所采用的常規(guī)控制策略不需要改變，而對(duì)并聯(lián)的儲(chǔ)能逆變器采用VSG控制策略[2]，生成風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)系統(tǒng)整體類同步機(jī)特性。該結(jié)構(gòu)可削弱風(fēng)、光出力變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響，減緩頻率變化速率。

2 虛擬同步機(jī)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的控制策略分析

2.1 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)控制策略分析

直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的控制策略集中于對(duì)背靠背電壓源性變流器(Voltage Source Converter，VSC)的控制。背靠背VSC的控制策略取決于兩端交流系統(tǒng)互聯(lián)的控制目標(biāo)。與風(fēng)機(jī)相連的變流器定直流電壓和無功功率，并網(wǎng)逆變器定有功功率和無功功率的控制策略。因?yàn)橹彬?qū)型風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)一般是單向的，所以背靠背VSC連接風(fēng)機(jī)和網(wǎng)側(cè)兩個(gè)交流系統(tǒng)。

2.2 光伏逆變器控制策略分析

光伏逆變器的控制策略一方面與上一級(jí)的DC/DC變流器控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)，另一方面需要實(shí)現(xiàn)MPPT的功能。本文仍采用較為成熟的光伏電池工程實(shí)用化數(shù)學(xué)模型以及基于定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法。風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)運(yùn)的情景相似，如果風(fēng)光可用最大功率過剩，即風(fēng)光可用最大出力大于調(diào)度指令所需的功率或者實(shí)際的負(fù)載，在此情景下，容易出現(xiàn)系統(tǒng)頻率突增和電壓越限。風(fēng)光過剩功率應(yīng)饋送至儲(chǔ)能裝置或者適當(dāng)棄風(fēng)棄光，這取決于實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行的情境需求。如果風(fēng)光最大可用功率不足，即負(fù)載或調(diào)度的功率需求大于風(fēng)光電源可用最大功率，功率缺額由儲(chǔ)能電池承擔(dān)，本文側(cè)重探討光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的控制策略。

2.3 儲(chǔ)能逆變器控制策略

對(duì)于風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能逆變器采用虛擬同步機(jī)的控制策略。根據(jù)不同階次的同步發(fā)電機(jī)模型可以實(shí)現(xiàn)不同階次的VSG，這里選用簡(jiǎn)單明了和實(shí)用性強(qiáng)的同步發(fā)電機(jī)二階模型。該建模方式包括同步機(jī)的電磁特性和機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征，不僅較好地實(shí)現(xiàn)了同步發(fā)電機(jī)的外特性模擬，還考慮了同步發(fā)電機(jī)的電磁和機(jī)電特性。式(1)和式(2)分別是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁鏈的關(guān)系和有功、無功功率在VSG控制策略下的計(jì)算式。

(1)

(2)

式中：if為勵(lì)磁電流;e為虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);θ為虛擬同步機(jī)功角 。

圖3 虛擬同步機(jī)基本控制結(jié)構(gòu)

分析式(1)、式(2)可知，VSG數(shù)學(xué)模型主要給定了定子電氣方程、虛擬轉(zhuǎn)子方程以及系統(tǒng)阻抗之間的關(guān)系，具體建模過程以及各參數(shù)含義可見參考文獻(xiàn)[3]所述。圖3給出虛擬同步機(jī)基本控制結(jié)構(gòu)，主要包括：虛擬調(diào)速、虛擬勵(lì)磁以及VSG本體的數(shù)學(xué)模型，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔易懂，易于搭建仿真模型實(shí)現(xiàn)。

需要特別說明的是，為模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，在一定程度上弱化了虛擬同步發(fā)電機(jī)的物理意義，主要保留虛擬調(diào)速和虛擬勵(lì)磁部分，省去VSG本體數(shù)學(xué)模型，并采用量測(cè)的電壓和電流計(jì)算獲得功率參考。為更加突出虛擬同步發(fā)電機(jī)的物理意義，同時(shí)為保證虛擬同步機(jī)的原生特性，本文仍采用VSG 本體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模和計(jì)算。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)為例，研究VSG控制策略在改善交流母線動(dòng)態(tài)性能，降低系統(tǒng)頻率變化率上的作用，在MATLAB/Simulink中搭建了光儲(chǔ)并網(wǎng)仿真模型。

3.1 仿真工況描述

風(fēng)儲(chǔ)模型和光儲(chǔ)模型具有很強(qiáng)的相似性，尤其是當(dāng)不啟用MPPT功能的時(shí)候，因此這里以光儲(chǔ)模型為例仿真采用傳統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。光伏逆變器采用基于擾動(dòng)觀測(cè)法的MPPT算法[4]，儲(chǔ)能逆變器分別采用傳統(tǒng)控制策略和本文介紹的這種虛擬同步機(jī)控制策略。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

仿真中，針對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行模式，分別試驗(yàn)光伏最大出力改變給傳統(tǒng)控制策略與VSG控制策略分別帶來的影響，來驗(yàn)證VSG控制策略對(duì)于減緩母線頻率變化率所起的作用。

3.2 與其他風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)拓?fù)涞膶?duì)比

本文介紹的如圖1和圖2所示的風(fēng)儲(chǔ)和光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如圖4、圖5所示的風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行的虛擬同步機(jī)結(jié)構(gòu)將儲(chǔ)能裝置設(shè)置在直流母線上，增加了直流環(huán)節(jié)控制的難度，不利于裝配擴(kuò)展，降低了該拓?fù)涞膶?shí)用性[5]。

圖4 第二種直驅(qū)式風(fēng)機(jī)-儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)

圖5 第二種光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)

3.3 光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)控制方案對(duì)比

由上文分析，采用VSG控制策略的光伏虛擬同步機(jī)能夠維持交流母線電壓頻率穩(wěn)定，減慢頻率的變化速率。VSG控制策略中起到模擬同步機(jī)運(yùn)行模式的兩個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和阻尼系數(shù)D。以下是對(duì)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)對(duì)VSG控制策略對(duì)頻率的影響特點(diǎn)。

1)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)穩(wěn)定頻率的影響

圖6 不同慣性下光伏功率變化時(shí)的頻率響應(yīng)

并網(wǎng)條件下，當(dāng)太陽能光照度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列的輸出功率會(huì)發(fā)生變化。為了觀測(cè)光伏出力對(duì)交流母線上所連負(fù)荷的影響，擾動(dòng)發(fā)生前后均未執(zhí)行最大功率跟蹤。圖6為負(fù)荷所連母線上的電壓經(jīng)過 PLL 鎖相得到的頻率。圖6中曲線分別代表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.1 kg·m2和J=1 kg·m2的情形。

可以看出，隨著光伏輸出功率的變化，儲(chǔ)能逆變器將相應(yīng)增加暫態(tài)過程的輸出功率來維持母線頻率的穩(wěn)定。慣性越大，母線頻率的變化速度越低，頻率變化的幅度越小，動(dòng)態(tài)性能越好。由此可得，合理設(shè)計(jì)控制器的虛擬慣量有利于應(yīng)對(duì)光伏功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)頻率的擾動(dòng)。

2)不同阻尼系數(shù)對(duì)穩(wěn)定頻率的影響

圖7 不同阻尼系數(shù)下光伏功率變化時(shí)的頻率響應(yīng)

并網(wǎng)條件下，不同阻尼系數(shù)下光伏出力變化時(shí)光伏系統(tǒng)出口母線電壓經(jīng)過PLL鎖相得到的頻率如圖 7所示。圖7中的曲線分別代表虛擬同步機(jī)阻尼系數(shù)D=30 N·m·s/rad 和D=150 N·m·s/rad的情形。

由仿真波形圖可以看出，阻尼參數(shù)越大，頻率波動(dòng)的速度越小、幅度越小，向穩(wěn)態(tài)頻率回復(fù)的速度越快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相應(yīng)變短。設(shè)計(jì)合適的阻尼參數(shù)有利于虛擬同步機(jī)遏制失穩(wěn)，提升逆變器動(dòng)態(tài)特性，使得光伏并網(wǎng)具有友好的特性。

4 結(jié)束語

本文介紹了分布式微電網(wǎng)中，一種應(yīng)用了虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的風(fēng)儲(chǔ)、光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)，分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略及動(dòng)態(tài)性能三個(gè)層面進(jìn)行了研究。該結(jié)構(gòu)具有靈活性高、易于擴(kuò)展和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。理論分析和仿真試驗(yàn)佐證了VSG技術(shù)融合了電力電子設(shè)備的靈活性與同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制，通過設(shè)置合理的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)可以有效彌補(bǔ)電力電子化電力系統(tǒng)欠阻尼、慣性小的問題。該方案能平抑發(fā)電系統(tǒng)頻率波動(dòng)，并在風(fēng)光出力波動(dòng)時(shí)，有效改善交流母線的頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高用電側(cè)的電能質(zhì)量，使風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)具有友好接入電網(wǎng)的能力。