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

李樂(lè) 段樂(lè) 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(dòng)慣量逐漸減少，考慮到光伏系統(tǒng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性會(huì)引起母線電壓、頻率的波動(dòng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)十分必要。鑒于此，具體說(shuō)明了通過(guò)降低光伏陣列的輸出功率而預(yù)留有功備用和通過(guò)直流側(cè)配置儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電兩種抑制頻率波動(dòng)的方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;頻率調(diào)節(jié);有功備用;儲(chǔ)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(duì)于同步機(jī)抑制頻率波動(dòng)、優(yōu)化動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。目前，國(guó)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(chǔ)能電池等已展開(kāi)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(gè)光伏電池產(chǎn)生的功率很小，往往會(huì)將電池經(jīng)過(guò)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(duì)光伏組件輸出特性進(jìn)行描述。設(shè)一個(gè)光伏陣列光伏電池串并聯(lián)個(gè)數(shù)為NP、NS，當(dāng)NP、NS確定后，會(huì)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(kāi)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(gè)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(shí)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(guò)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(guò)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(gè)光伏組串，再由多個(gè)組串并聯(lián)接入一臺(tái)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(wú)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(shí)，通過(guò)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(guò)一個(gè)PI模塊即可控制Udc。根據(jù)光伏陣列輸出特性可知，通過(guò)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(guò)一個(gè)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(guò)一個(gè)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(dòng)性和隨機(jī)性，需要通過(guò)增加備用容量來(lái)解決光伏波動(dòng)性問(wèn)題。對(duì)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(dòng)時(shí)會(huì)引起母線電壓、頻率的波動(dòng)，下面介紹兩種抑制頻率波動(dòng)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(guò)降低發(fā)電量來(lái)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(chǔ)能電池系統(tǒng)，因此該方法主要應(yīng)對(duì)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(shí)，沒(méi)有功率調(diào)節(jié)能力，所以需要根據(jù)備用容量來(lái)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(shí)輸出功率低于最大功率點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)功率相同的運(yùn)行點(diǎn)A和B，并且對(duì)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(duì)于同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)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(guò)電壓外環(huán)來(lái)控制直流母線電壓，從而增加光伏系統(tǒng)的有功輸出來(lái)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(guò)把檢測(cè)到的電網(wǎng)頻率的波動(dòng)量反饋給直流電壓來(lái)修正參考值，光伏陣列通過(guò)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(duì)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(shí)，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(chǔ)能單元

為模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和電磁方程設(shè)計(jì)分布式并網(wǎng)逆變器的控制策略，通過(guò)直流側(cè)配置儲(chǔ)能單元以儲(chǔ)能裝置的充放電模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)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(chǔ)能單元是VSG的重要組成部分。直流側(cè)配置儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電，可以應(yīng)對(duì)低于基準(zhǔn)頻率和高于基準(zhǔn)頻率的調(diào)頻事件。

儲(chǔ)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(chǔ)能裝置并聯(lián)。儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)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(guò)控制儲(chǔ)能的充放電功率可以克服光伏陣列輸出功率波動(dòng)性與間歇性的影響。

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)所儲(chǔ)存的動(dòng)能有關(guān)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(dòng)慣量;Sn為同步發(fā)電機(jī)額定容量。

儲(chǔ)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(chǔ)能單元有關(guān)，儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量等效為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)所儲(chǔ)存的能量。根據(jù)上式可以求得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)虛擬慣量H為：

H=

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

實(shí)際工程應(yīng)用中，配置儲(chǔ)能單元將大幅增加微網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行成本，所以儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)程中的最大輸出能量。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

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)?？紤]到光伏系統(tǒng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性會(huì)引起母線電壓、頻率的波動(dòng)，提出了光伏系統(tǒng)有功備用和直流側(cè)配置儲(chǔ)能單元兩種抑制頻率波動(dòng)的方法。針對(duì)光伏系統(tǒng)有功備用，今后需要繼續(xù)討論對(duì)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(duì)直流側(cè)配置儲(chǔ)能單元，今后需要繼續(xù)通過(guò)虛擬慣量控制策略來(lái)更合理地優(yōu)化儲(chǔ)能單元容量配置。

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收稿日期：2020-04-13

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