含高滲透光伏電源的臺(tái)區(qū)虛擬同步運(yùn)行控制方法

章雷其，趙 波，張雪松，徐 珂，蔣蔚蔚

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

大力發(fā)展以風(fēng)、光為代表的可再生能源是實(shí)現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)型的重要途經(jīng)[1-2]。一般來說，這些可再生能源有分布式和集中式2種并網(wǎng)方案。集中式并網(wǎng)在風(fēng)、光資源豐富，又有大量土地資源可利用的西北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[3]。而分布式并網(wǎng)主要在以戶用屋頂光伏為代表的配置區(qū)域蓬勃發(fā)展，比如浙江省“百萬家庭屋頂光伏工程”、江西省“萬家屋頂”、山東省“千萬屋頂”等。截至2017年底，浙江省家庭屋頂光伏并網(wǎng)戶數(shù)已達(dá)15.8萬戶，裝機(jī)規(guī)模89萬kW，安裝戶數(shù)和規(guī)模均位居全國第一[4]。

以屋頂光伏為代表的可再生能源大量接入配網(wǎng)用戶端，將給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來巨大變化與挑戰(zhàn)[5-6]。首先，光伏電源出力波動(dòng)性強(qiáng)，可能出現(xiàn)短時(shí)大幅波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來沖擊；其次，戶用光伏幾乎均以最大功率跟蹤方式運(yùn)行，其發(fā)電不受電網(wǎng)調(diào)度，而其日功率曲線與家庭負(fù)荷曲線并不相符，造成就地消納困難，部分時(shí)間段出現(xiàn)光伏功率倒送；再次，光伏接口變流器通常工作于恒功率模式，無法提供類似于同步發(fā)電機(jī)的慣性和一次調(diào)頻能力，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

為解決光伏并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的沖擊，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界提出了多種方式。微電網(wǎng)是解決光伏等波動(dòng)性分布式電源并網(wǎng)沖擊的重要手段，是過去10年的研究焦點(diǎn)[7-9]，然而，目前我國并網(wǎng)型微電網(wǎng)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的獨(dú)立供電能力[10]，限制了其與大電網(wǎng)的互動(dòng)與互濟(jì)；另一種方案是將光伏與儲(chǔ)能相結(jié)合，形成光儲(chǔ)一體機(jī)[11-12]，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑光伏波動(dòng)。然而，在目前的政策下，光儲(chǔ)一體機(jī)并不具備經(jīng)濟(jì)性，推廣性不強(qiáng)。

臺(tái)區(qū)是配電網(wǎng)至用戶的最后一道樞紐。因此，本文提出通過在臺(tái)區(qū)配置集中式儲(chǔ)能，與臺(tái)區(qū)電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的方法，以解決上述問題。首先，儲(chǔ)能靈活出力可以彌補(bǔ)光伏預(yù)測(cè)誤差，平抑光伏波動(dòng)，同時(shí)使得臺(tái)區(qū)可以響應(yīng)系統(tǒng)AGC/AVC（自動(dòng)發(fā)電控制/自動(dòng)電壓控制），提高其可控性；其次，通過儲(chǔ)能調(diào)蓄，可以提高光伏消納，減少倒送；再次，虛擬同步運(yùn)行的儲(chǔ)能接口變流器可以使得臺(tái)區(qū)電網(wǎng)具備類似于同步發(fā)電機(jī)的慣性和一次調(diào)頻能力[13]，對(duì)改善電網(wǎng)穩(wěn)定性具有積極的作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含高滲透光伏電源的虛擬同步運(yùn)行臺(tái)區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在常規(guī)負(fù)荷和光伏電源基礎(chǔ)上，配置了虛擬同步運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能裝置采用鋰電池，接口變流器采用虛擬同步控制，通過電力電子設(shè)備模擬同步發(fā)電機(jī)搖擺運(yùn)動(dòng)方程和下垂方程。虛擬同步機(jī)控制主要有電壓受控型（電壓源）和電流受控型（電流源）2種實(shí)現(xiàn)方式[14]，其中電壓受控型實(shí)現(xiàn)方式更能模擬同步機(jī)的本質(zhì)特性。

電壓受控型接口變流器虛擬同步控制框圖如圖2所示[15]，其關(guān)鍵模擬方程（搖擺方程和一次調(diào)頻方程）為：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 接口變流器虛擬同步控制

式中：ω為模擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率；Pm為模擬機(jī)械功率；P為輸出機(jī)械功率；D為阻尼系數(shù)；Pref為功率參考值；K為下垂系數(shù)；TJ為慣性時(shí)間常數(shù)；ω0為電網(wǎng)額定角頻率；ωgrid為測(cè)量電網(wǎng)角頻率。

與常規(guī)下垂控制相比，虛擬同步機(jī)控制多了一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，使得變流器輸出頻率變化不會(huì)突變，為系統(tǒng)提供了慣性支持。為了提高逆變器運(yùn)行的穩(wěn)定性，模擬同步機(jī)加入了一個(gè)阻尼環(huán)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式是同步機(jī)為系統(tǒng)提供慣性的關(guān)鍵，而其他一些環(huán)節(jié)，如同步電抗、電樞電阻、勵(lì)磁控制，與傳統(tǒng)下垂控制并無太大差異，并且可以在電壓、電流雙環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)[16-17]，因此其他幾個(gè)環(huán)節(jié)如電壓下垂控制，電壓、電流雙環(huán)控制與常規(guī)雙環(huán)電壓控制型變流器一致。

2 控制方法

儲(chǔ)能接口變流器虛擬同步運(yùn)行可以輔助臺(tái)區(qū)電網(wǎng)參與電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度調(diào)頻，并為電網(wǎng)運(yùn)行提供慣性，使得臺(tái)區(qū)電網(wǎng)具備同步特性。接口變流器參與一次調(diào)頻原理如圖3所示。在某一時(shí)刻系統(tǒng)額定運(yùn)行點(diǎn)為Pref，隨著電網(wǎng)頻率的變化，變流器出力的給定值會(huì)自動(dòng)變化。例如當(dāng)電網(wǎng)頻率的變化量為Δω時(shí)，變流器出力給定值變化為KΔω，為電網(wǎng)提供一次調(diào)頻支撐，與同步機(jī)動(dòng)態(tài)一致。

圖3 儲(chǔ)能輔助臺(tái)區(qū)電網(wǎng)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻原理示意

進(jìn)一步，通過改變接口變流器的參數(shù)Pref，儲(chǔ)能裝置可平抑光伏電源波動(dòng)與沖擊性負(fù)荷，并輔助臺(tái)區(qū)電網(wǎng)參與系統(tǒng)二次調(diào)頻與削峰填谷：

式中：Pset為日前功率設(shè)定值，可以根據(jù)日前光伏電源發(fā)電預(yù)測(cè)與臺(tái)區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)確定或根據(jù)峰谷電價(jià)確定，可以認(rèn)為是一種參與系統(tǒng)三次調(diào)頻的方式；ΔPAGC是來自上一層控制的AGC信號(hào)，根據(jù)電網(wǎng)頻率波動(dòng)而調(diào)整；ΔPsmooth是儲(chǔ)能裝置平抑光伏和沖擊性負(fù)荷的功率指令值。

ΔPsmooth的獲取方式如下：

式中：Pload與PRes分別為臺(tái)區(qū)負(fù)荷功率與分布式光伏出力（以發(fā)出功率為正方向），兩者之和可直接在臺(tái)區(qū)變壓器低壓側(cè)測(cè)量獲得；Tf為濾波常數(shù)，可根據(jù)需要設(shè)定，Tf越大，平滑效果越好，但對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的要求也越高，可通過優(yōu)化得到最優(yōu)數(shù)值。

3 仿真驗(yàn)證

仿真在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行，采用拓?fù)淙鐖D1所示，接口變流器參數(shù)如表1所示。下文將通過多個(gè)算例驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助臺(tái)區(qū)虛擬同步運(yùn)行功能，包括其慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻響應(yīng)、二次調(diào)頻響應(yīng)、負(fù)荷與光伏波動(dòng)平抑以及削峰填谷等功能。

表1 虛擬同步機(jī)控制型變流器參數(shù)

圖4給出了接口變流器在電網(wǎng)頻率變化時(shí)的慣性響應(yīng)。在5 s時(shí)刻，電網(wǎng)出現(xiàn)0.02/0.05/0.1 Hz 3種不同程度的頻率上升；在10 s時(shí)刻，頻率恢復(fù)至50 Hz。為了排除一次調(diào)頻的干擾，在仿真中屏蔽了一次調(diào)頻模塊。由圖4可知，在頻率階躍時(shí)刻，接口變流器具有慣性響應(yīng)：當(dāng)頻率上升時(shí)，接口變流器輸出功率下降；當(dāng)頻率下降時(shí)，接口變流器輸出功率上升，為電網(wǎng)提供了有效的支撐。同時(shí)頻率變化值越大，接口變流器提供的慣性支撐越大。圖5給出了接口變流器的一次調(diào)頻響應(yīng)，可以看出，頻率變化越大，接口變流器穩(wěn)態(tài)輸出功率變化越大，為電網(wǎng)提供的功率支撐越多。因此，通過將儲(chǔ)能系統(tǒng)接口變流器控制設(shè)計(jì)為虛擬同步運(yùn)行，臺(tái)區(qū)電網(wǎng)可以具備和同步機(jī)類似的慣性和一次調(diào)頻能力，有助于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 慣性響應(yīng)驗(yàn)證

圖5 一次調(diào)頻特性

圖6 二次調(diào)頻響應(yīng)

圖6給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)模擬接受電網(wǎng)AGC指令時(shí)的響應(yīng)。在5 s時(shí)刻，儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到0.3 p.u.的向上AGC指令；在10 s時(shí)刻，儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到0.5 p.u.的向下AGC指令。接口變流器在1 s內(nèi)完成AGC指令跟蹤（其超調(diào)與振蕩由模擬同步機(jī)搖擺方程引起），響應(yīng)速度和響應(yīng)精度遠(yuǎn)優(yōu)于一般同步發(fā)電機(jī)組。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以使得臺(tái)區(qū)電網(wǎng)接受系統(tǒng)的調(diào)度參與AGC，有效提高了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

圖7給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏出力和負(fù)荷波動(dòng)的平抑作用，其中虛線為臺(tái)區(qū)內(nèi)光伏出力與負(fù)荷功率之和（功率倒送），實(shí)線為疊加儲(chǔ)能功率后的臺(tái)區(qū)功率輸出。由圖7可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效平抑光伏與負(fù)荷波動(dòng)，使得其輸出功率更為平滑。通過儲(chǔ)能功率的靈活輸出，臺(tái)區(qū)總功率可以更好地跟蹤日前計(jì)劃值，降低光伏出力不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏和負(fù)荷波動(dòng)的平抑

圖8給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)在綜合了一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、削峰填谷、光伏與負(fù)荷波動(dòng)等功能后，24 h內(nèi)的響應(yīng)情況。其中，淺灰色區(qū)域?yàn)榻涌谧兞髌鲬T性響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)，其時(shí)間尺度較小，根據(jù)電網(wǎng)情況自動(dòng)響應(yīng)；曲線1為儲(chǔ)能系統(tǒng)二次調(diào)頻響應(yīng)和平抑光伏與負(fù)荷波動(dòng)響應(yīng)，其時(shí)間尺度相對(duì)較大；曲線2為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與削峰填谷響應(yīng)，可以在日前由調(diào)度設(shè)定或者根據(jù)峰谷電價(jià)設(shè)定；曲線3為儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)電網(wǎng)多功能虛擬同步運(yùn)行。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)在某一天的響應(yīng)特性

4 結(jié)論

作為一種全新的調(diào)蓄資源，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)可有效提高電力系統(tǒng)的靈活性和可控性。本文提出了一種含高滲透光伏電源的臺(tái)區(qū)電網(wǎng)虛擬同步運(yùn)行控制方法。將儲(chǔ)能系統(tǒng)配置于臺(tái)區(qū)，并將接口變流器設(shè)計(jì)為虛擬同步運(yùn)行，不僅可以使得臺(tái)區(qū)電網(wǎng)具備同步機(jī)運(yùn)行特性，為電網(wǎng)運(yùn)行提供慣性，參與電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度調(diào)頻，還可平抑臺(tái)區(qū)光伏和負(fù)荷的波動(dòng)，彌補(bǔ)預(yù)測(cè)誤差，使得臺(tái)區(qū)潮流的可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)。

一個(gè)虛擬同步運(yùn)行臺(tái)區(qū)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行而言是一個(gè)可觀可控的單元，可以認(rèn)為是能源互聯(lián)網(wǎng)的“元胞”。通過集中管理臺(tái)區(qū)，可提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且相比用戶側(cè)分散接入儲(chǔ)能具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與利用效率。本文后續(xù)工作包括儲(chǔ)能容量的最優(yōu)配置、虛擬同步相關(guān)參數(shù)的選取與穩(wěn)定性分析、最優(yōu)運(yùn)行策略、光伏協(xié)同參與調(diào)節(jié)等。