基于虛擬同步機(jī)的光伏發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定性研究

李倬凡

摘 要：光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)非常多，不但能夠做到無噪聲無污染，而且能夠在發(fā)電過程中不消耗燃料，這相對(duì)于其他的發(fā)電方式來說有著明顯的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電的過程非常簡(jiǎn)單，因此在近些年逐漸發(fā)展為最有前景的發(fā)電方式之一，這種新型的新能源發(fā)電方式，并網(wǎng)容量越來越大，隨著其規(guī)模的迅速拓展，被迅速的應(yīng)用到實(shí)際生活中。本文針對(duì)虛擬同步機(jī)的光伏發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：虛擬同步機(jī);光伏發(fā)電;并網(wǎng)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0143-02

近些年來，電網(wǎng)中接入了很多新能源，這些新能源的大規(guī)模接入，使電網(wǎng)滲透率得到了增加，光伏就是其中之一。光伏發(fā)電的電網(wǎng)，由于受環(huán)境的影響，很容易出現(xiàn)較大頻率的波動(dòng)，特別是當(dāng)光照劇烈變化時(shí)，光伏系統(tǒng)所輸出的功率波動(dòng)會(huì)更大。光伏系統(tǒng)的不穩(wěn)定性讓電網(wǎng)在調(diào)度規(guī)劃以及運(yùn)行上出現(xiàn)了一系列的問題，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)中的頻率和電壓，這些都將導(dǎo)致光伏并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行出現(xiàn)困難，限制了光伏發(fā)電并網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)特性控制原理

本文在儲(chǔ)能電池逆變器中引入同步發(fā)電機(jī)的方程，在對(duì)整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用了類似同步發(fā)電機(jī)的控制器理論，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)特性能夠得以實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，是虛擬同步發(fā)電機(jī)特性控制原理圖。

從圖1中能夠看到，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)，采用B點(diǎn)表示，系統(tǒng)具備的同步發(fā)電機(jī)特性的輸出電壓用uvs表示;光伏發(fā)電單元所發(fā)出的有功功率和無功功率分別是Pp、Qpv;儲(chǔ)能電池與光伏發(fā)電單元交互的有功功率和無功功率分別是Pbat、Qhat;最后，能夠?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸送有功功率和無功功率的是PVSG、QvG;這部分也被稱作虛擬同步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的功率。

圖中還展示了儲(chǔ)能電池三項(xiàng)逆變器低通LC濾波器的濾波電感和濾波電容，分別用L和C表示，線路電阻（i=a，b，c）用R表示，直流電壓用U表示，點(diǎn)處的端電壓幅值、系統(tǒng)頻率和無功功率分別為Um、f、QB;Pe、Pr和E0分別為儲(chǔ)能電池輸出有功功率（虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率）、原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械功率和勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)幅值;i為儲(chǔ)能電池輸出電流;U為SVPWM控制算法的指令電壓。

正如同中所見到的，在儲(chǔ)能電池逆變器控制方法上形成了虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)有兩部分構(gòu)成，分別是控制部分和同步發(fā)電機(jī)模型部分，控制部分又包括功頻控制器與勵(lì)磁控制器，這兩個(gè)控制器的存在能夠?qū)夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)做出特別的控制，尤其是在輸出特性上，控制的更全面。

上述對(duì)于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)做出了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)的主電路主要是有三項(xiàng)電壓源型逆變器構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)輸出特性的控制，在整個(gè)光伏發(fā)電并網(wǎng)的過程中，需要完成以下步驟，首先以圖中的并網(wǎng)點(diǎn)作為控制目標(biāo)，也就是B點(diǎn)，采用測(cè)量的方式對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)Uvs處的電壓信號(hào)值進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)這一處的無功功率進(jìn)行計(jì)算，隨后將其輸入到控制部分，控制部分會(huì)對(duì)這些信息進(jìn)行控制和計(jì)算，從而獲得能夠使同步發(fā)電機(jī)本體模型所需要的P與i，在工作過程中將這些信號(hào)帶入到同步發(fā)電機(jī)模型中，由信號(hào)所構(gòu)成的信息能夠合成虛擬同步發(fā)電機(jī)的電壓，此電壓為發(fā)電機(jī)的端電壓，剛好可以反映整個(gè)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的特性。再通過對(duì)電壓信號(hào)的控制，可以發(fā)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)所輸出的電壓信號(hào)也具備同樣的特性，將輸出的信號(hào)作為參考值，送入到PI控制器中，實(shí)際測(cè)量值和參考值之間就會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一比較，若要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，可以這樣將控制器輸送到SVPWM算法中。

2 濾波器對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

關(guān)于光伏發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性研究，首先要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)在電流的輸出上能夠滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，由于在光伏發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于電能質(zhì)量有著一定的約束和要求，所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中必須對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中輸出電流所出現(xiàn)的大量諧波要采取有效的濾波裝置來進(jìn)行控制，單電感L濾波器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出濾波器中最常用的，但是，單電感L濾波器不太適用于大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于在大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，想要滿足濾波要求，所需要的電感L會(huì)非常大，正意味著并網(wǎng)逆變裝置的體積和成本都需要成倍增加，相比之下，在大功率的場(chǎng)合中應(yīng)用LCL型濾波器就會(huì)好很多，這種濾波器的優(yōu)勢(shì)非常明顯，首先對(duì)于高頻，LCL型濾波器會(huì)起到抑制作用，其次，如果想要滿足同樣的濾波要求，從電感值上看，LCL型濾波器能夠?qū)㈦姼兄到档阶钚?，從而使體積和重量都能夠降到最低，但是，LCL型濾波器最致命的弱點(diǎn)就在于它是一個(gè)三階不穩(wěn)定系統(tǒng)，3G不穩(wěn)定系統(tǒng)是非常容易導(dǎo)致諧振出現(xiàn)的。研究證實(shí)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電流經(jīng)過濾波器柔性的接入到弱電網(wǎng)時(shí)，對(duì)于電網(wǎng)阻抗，LCL濾波器會(huì)表現(xiàn)得非常敏感，從而導(dǎo)致濾波器的濾波特性及聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性都受到了影響。

如果從光伏逆變器對(duì)接入條件的適應(yīng)性角度來進(jìn)行分析，關(guān)于濾波性能好壞和諧振穩(wěn)定性則需要從LCL濾波器的設(shè)計(jì)方面出發(fā)，由于LCL無源網(wǎng)絡(luò)模型并用能夠?qū)Ψ植际桨l(fā)電系統(tǒng)多逆變器的諧振問題進(jìn)行描述，所以通過對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特征方程的推導(dǎo)，采用Routh Hurwitz作為L(zhǎng)CL濾波器對(duì)穩(wěn)定性影響的判斷依據(jù)，通過該濾波器在系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮的作用，結(jié)合上述描述和分析便可知曉，光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到濾波器的影響。

3 鎖相環(huán)（PLL）對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

鎖相環(huán)能夠在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中對(duì)電壓的相位信息進(jìn)行檢測(cè)，并將該信息傳遞到控制環(huán)節(jié)，從而對(duì)逆變器和電網(wǎng)的同步運(yùn)行進(jìn)行控制，當(dāng)前在鎖相這一環(huán)節(jié)，能夠運(yùn)用到的方法有很多，比較常見的方法有三種，分別是零點(diǎn)比較法、基于低通濾波器鎖相法和d-q變換同步鎖相環(huán)法。這三種不同的方法分別有著不同的優(yōu)勢(shì)，例如，d-q變換同步鎖相環(huán)法的優(yōu)勢(shì)就在于這種方法能夠最簡(jiǎn)單明了的對(duì)電網(wǎng)諧波干擾進(jìn)行抑制，因此這種方法在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，但是這種方法的運(yùn)用，在電網(wǎng)背景諧波和三相電壓不平衡時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)不平衡的狀態(tài)，鎖相精度就會(huì)受到影響，不精確的鎖相將會(huì)影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對(duì)三相電壓不平衡的研究，采用時(shí)域響應(yīng)分析方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在鎖相環(huán)性能變差時(shí)會(huì)受到一定的干擾。為了避免這種問題，隨著現(xiàn)在技術(shù)的不斷發(fā)展，可以采用一種可變式周期的鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)這種方法，主要要求在采樣的過程中頻率是可以變化的，當(dāng)然這種方法是不適用于固定的采樣頻率，以此為基礎(chǔ)當(dāng)電網(wǎng)不平衡時(shí)，針對(duì)電網(wǎng)電壓中的頻率和相位，鎖相環(huán)能夠做出及時(shí)的檢測(cè)，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而迅速做出調(diào)整來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光伏并網(wǎng)規(guī)模想要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的擴(kuò)大，對(duì)于鎖相環(huán)性能的分析是必不可少的，同時(shí)，這種方法對(duì)于并網(wǎng)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

4 弱電網(wǎng)接入條件對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

在進(jìn)行光伏并電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)面對(duì)兩種情況，一種是擁有理想電網(wǎng)條件而進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一種是基于弱電網(wǎng)接入條件進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。若能夠?qū)崿F(xiàn)理想電網(wǎng)條件，自然在設(shè)計(jì)時(shí)諧波對(duì)其的影響較弱，設(shè)計(jì)的發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地抑制諧波的負(fù)面影響。但在現(xiàn)實(shí)情況中，一般大規(guī)模光伏電站都是在弱電網(wǎng)接入條件下進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此時(shí)電網(wǎng)阻抗將會(huì)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)造成負(fù)面影響，直接導(dǎo)致其減弱對(duì)諧波的抑制功能，從而使諧波發(fā)揮更強(qiáng)的阻力，一旦并網(wǎng)電流中存在大量的諧波將會(huì)十分影響光伏電站的應(yīng)用。另外，電網(wǎng)阻抗也會(huì)直接對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)造成影響。當(dāng)其進(jìn)入到并網(wǎng)系統(tǒng)后容易與其產(chǎn)生諧振，從而使諧波進(jìn)化為擁有一定頻率的高次諧波?，F(xiàn)象會(huì)使并網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)對(duì)總諧波畸變率提出更高的需求，而現(xiàn)有的并網(wǎng)電流無法滿足這一需求。諧波電流的存在還能夠使電網(wǎng)阻抗中出現(xiàn)諧波電壓，這種電壓將會(huì)直接影響并網(wǎng)點(diǎn)的電壓質(zhì)量，使并網(wǎng)點(diǎn)的電壓質(zhì)量不斷下降，從而使并網(wǎng)逆變器無法做到精準(zhǔn)控制，甚至?xí)霈F(xiàn)并網(wǎng)逆變器脫網(wǎng)的情況發(fā)生，極大程度的阻礙了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)規(guī)模。

根據(jù)研究表明，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，電網(wǎng)阻抗主要分為三個(gè)方面：電網(wǎng)內(nèi)部阻抗、傳輸線路阻抗、變壓器阻抗。而電網(wǎng)阻抗對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的主要途徑是它與逆變器輸出阻抗形成相互作用的關(guān)系，并且直接影響輸出濾波器的工作。另外，那弱電網(wǎng)條件下，受到電網(wǎng)阻抗的影響，單幅聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器在公共接入點(diǎn)上會(huì)形成波形畸變的電壓，這會(huì)直接影響電壓過零點(diǎn)檢測(cè)的精準(zhǔn)性。一旦電壓過零點(diǎn)檢測(cè)精準(zhǔn)性發(fā)生偏差，將會(huì)直接影響鎖相環(huán)的準(zhǔn)確作業(yè)。

在電網(wǎng)阻抗已存在的情況下，針對(duì)聯(lián)網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)這一系統(tǒng)情況進(jìn)行小信號(hào)建模，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小干擾，并通過特征值對(duì)干擾后的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行具體研究。利用參與因子對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量變進(jìn)行分析，研究其靈敏度。在得出特征值軌跡的基礎(chǔ)上，利用分析結(jié)果對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。如此可以有效提高發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

綜上所述，若想最大程度消除若電網(wǎng)接入條件對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。首先應(yīng)分析電網(wǎng)接入阻抗值能夠?qū)夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)我造成的具體影響。其次可以通過對(duì)松弛聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器控制策略的研究，提高發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文從虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制原理入手，分別對(duì)濾波器、PLL、數(shù)字延時(shí)以及若電網(wǎng)接入條件四方面對(duì)光纖并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了具體分析。通過分析結(jié)果可得出，這四方面對(duì)其穩(wěn)定性的影響較為明顯，應(yīng)采取針對(duì)性措施。如，不斷優(yōu)化濾波器的參數(shù)、鎖相環(huán)鎖相精度不斷加強(qiáng)、強(qiáng)化數(shù)字控制延時(shí)、通過改善電網(wǎng)阻抗對(duì)逆變器影響優(yōu)化接入電網(wǎng)條件。以上措施都是針對(duì)基于虛擬同步機(jī)的光伏并網(wǎng)穩(wěn)定性不佳而提出的針對(duì)性措施。而科技在不斷發(fā)展，相關(guān)研究不能停止前進(jìn)的腳步，相關(guān)科技人員應(yīng)針對(duì)這一問題不斷進(jìn)行深入研究，從而提出更加有效的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海崢.基于虛擬同步機(jī)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

[2] 陳毛欣.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏逆變技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué)，2016.

[3] 鄭燕.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏逆變器并網(wǎng)控制的研究[D].安徽理工大，2015.