光伏減載驅(qū)動新能源同步機參與電.系統(tǒng)調(diào)頻的研究*

付文啟， 楊 鑫， 管 飛， 谷昱君， 黃永章,2

[1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.華電(煙臺)功率半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司，山東 煙臺 264000]

0 引 言

隨著新能源機組發(fā)電量的不斷上升，同步電機電源數(shù)量急劇下降，電網(wǎng)呈現(xiàn)空心化態(tài)勢[1]。由于電力電子換流器是新能源機組與大電網(wǎng)的能量交互節(jié)點，受限于換流器的物理特性，新能源機組無法為系統(tǒng)提供足夠的慣性，且通常運行在最大功率點跟蹤(MPPT)模式，不參與電力系統(tǒng)調(diào)頻。因此，新能源裝機容量的擴大持續(xù)降低了電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性[2-3]。

傳統(tǒng)的同步機組參與電力系統(tǒng)調(diào)頻可以劃分為2個階段：(1)基于電磁耦合特性的發(fā)電機組釋放轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的自發(fā)性慣性響應(yīng)階段，該階段出現(xiàn)的頻率變化率(ROCOF)最大值，是頻率保護(hù)裝置動作的指標(biāo)之一[4]，因此具備足夠無延時的、真實的轉(zhuǎn)動慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必備條件；(2)基于能量守恒定律的發(fā)電機組增發(fā)有功功率的主動性功率響應(yīng)階段，該階段中的頻率最低點(NF)，同樣是頻率保護(hù)裝置動作的指標(biāo)之一[5]，因此系統(tǒng)具備足夠的功率備用容量和快速的功率響應(yīng)能力是降低頻率偏差幅值、進(jìn)而增強電網(wǎng)頻率支撐能力的關(guān)鍵因素。

目前研究主要通過對電力電子換流器控制進(jìn)行改造來“補充”光伏(PV)系統(tǒng)慣量，采用減載控制[6]或配置儲能[7]與虛擬慣量相結(jié)合[8]的方法。雖然是借鑒同步電機的慣性響應(yīng)理論，但是虛擬慣量不同于真實旋轉(zhuǎn)慣量，并非基于電磁耦合特性的自發(fā)響應(yīng)，而是基于檢測偏差信號進(jìn)行反饋控制的主動功率響應(yīng)，響應(yīng)存在計算時延[9]，即使采用虛擬同步發(fā)電機控制能消除計算時延，受制于電力電子換流器的開關(guān)頻率物理限制，其模擬的慣性響應(yīng)依舊存在數(shù)十毫秒的時延，無法對ROCOF最大值起到有效的抑制作用，因而并未滿足系統(tǒng)的真正需求。為此，文獻(xiàn)[10]根據(jù)同步電機理論，提出了新能源驅(qū)動新能源同步機(MGP)并網(wǎng)的新型并網(wǎng)方式，使MGP成為電網(wǎng)與新能源機組的能量交互節(jié)點，利用同步電機的優(yōu)良屬性提升新能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的能力。文獻(xiàn)[11]提出了MGP的源-網(wǎng)相位控制策略，并通過仿真和試驗驗證了MGP可以追蹤電網(wǎng)功率，安全有效并網(wǎng)。文獻(xiàn)[12]證明MGP能提供比同容量火電機組更多的阻尼，增強新能源電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]證明MGP系統(tǒng)具備無延時的、真實的轉(zhuǎn)動慣量，能夠為PV機組提供慣性支持，并且其慣性響應(yīng)能力比同質(zhì)量塊的同容量火電機組更強。因此，PV驅(qū)動新能源并網(wǎng)是一種解決高比例新能源電網(wǎng)慣量不足的有效辦法。

PV驅(qū)動MGP并網(wǎng)能增強電網(wǎng)的真實慣性，從而有效減小ROCOF的幅值。與此同時，若PV機組能預(yù)留一定減載儲備，并憑借電力電子換流器的快頻響應(yīng)能力參與系統(tǒng)調(diào)頻，則可提高頻率調(diào)節(jié)第2階段的NF，進(jìn)一步增強電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力。在減載控制方面，文獻(xiàn)[14]在仿真中通過控制直流參考電壓高于最大功率點電壓的方式實現(xiàn)PV減載運行，但由于控制簡單，存在誤差較大的問題。文獻(xiàn)[15]考慮溫度和光照強度的影響，采用擬合二次多項式方法估算最大功率，據(jù)此控制PV變減載運行，但由于需要進(jìn)行二次擬合，結(jié)果依然存在實際減載率與給定減載率誤差較大的問題。

綜上，本文基于MGP的直流電壓反饋控制策略，提出了一種PV定減載率算法用于控制PV出力，并引入頻率反饋環(huán)，形成了MGP綜合控制策略，從而能調(diào)用PV減載有功儲備配合轉(zhuǎn)動慣量參與電力系統(tǒng)調(diào)頻。在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC的3機9節(jié)點仿真模型中對該綜合控制策略的有效性進(jìn)行了驗證。

1 MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與慣性作用

1.1 MGP系統(tǒng)

MGP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。MGP系統(tǒng)由2臺相同容量的同步電機組成，由于同軸相連，2臺電機始終保持在同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向的運行狀態(tài)。MGP系統(tǒng)工作方式為：新能源發(fā)電(PV、風(fēng)電)經(jīng)電力電子換流器驅(qū)動MGP系統(tǒng)的同步電動機(SM)，再由同步電動機帶動同步發(fā)電機(SG)發(fā)電并網(wǎng)。

圖1 新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MGP的主體為2臺同步電機，能夠為新能源電網(wǎng)提供真實的旋轉(zhuǎn)慣性?？梢酝ㄟ^定義相同容量下MGP機組與火電機組的轉(zhuǎn)動慣量之比η對比MGP的慣性：

(1)

式中：mSG和mSM為MGP中SG和SM的轉(zhuǎn)子質(zhì)量；mexciter為勵磁機質(zhì)量；r為MGP轉(zhuǎn)子截面半徑；mG為火電機組同步發(fā)電機電機質(zhì)量；mLP和mHP為火電機組低壓缸和高壓缸質(zhì)量；R為火電機組同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子截面半徑。

假設(shè)MGP與火電機組的轉(zhuǎn)子截面半徑相同，參考文獻(xiàn)[13]，對比同容量下的MGP與火電機組的轉(zhuǎn)子總質(zhì)量，可得轉(zhuǎn)動慣量比η約為0.66。

1.2 MGP的真實慣量水平提升作用

電力系統(tǒng)發(fā)生功率擾動后，電網(wǎng)功頻動態(tài)過程的最初階段為慣性響應(yīng)階段。MGP無延時的、真實的慣性作用可以降低電網(wǎng)頻率的變化速率，延緩頻率抵達(dá)最低點的時間，間接減小最大頻率偏差，并為一次調(diào)頻動作爭取時間。

對于新能源占比為k的電網(wǎng)，由于其模擬的慣性響應(yīng)存在時延，假設(shè)其對初始時刻頻率變化的抑制不作貢獻(xiàn)，則初始時刻的ROCOF表達(dá)式為

(2)

式中：fN為額定頻率；ΔP為功率不平衡量；M為系統(tǒng)等效慣性時間常數(shù)；SB為系統(tǒng)額定容量。

由式(2)可知，隨著新能源滲透率的不斷加大，相同功率缺額下電網(wǎng)的初始ROCOF不斷惡化。若新能源中有占比為R的機組經(jīng)MGP并網(wǎng)，則式(2)變換為

(3)

由式(3)可知，新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)提升了電網(wǎng)的真實慣量水平，因而可以減小初始ROCOF，進(jìn)一步提高新能源電網(wǎng)的最大滲透率。

2 減載控制算法

2.1 直流電壓反饋控制策略

由2臺電機組成的MGP系統(tǒng)，其功角特性會呈現(xiàn)新的特點。在MGP并網(wǎng)運行后，同步電動機和同步發(fā)電機將產(chǎn)生2個功角δM和δG，MGP傳輸有功功率與2臺電機功角密切相關(guān)。當(dāng)新能源端輸出有功功率發(fā)生變化時，相應(yīng)地改變MGP兩端電壓的相位差，就能實現(xiàn)MGP對新能源端輸出功率的跟蹤。

當(dāng)新能源端為PV系統(tǒng)時，由PV特性可知，控制PV陣列直流母線電容電壓就能控制PV輸出有功功率變化，并根據(jù)文獻(xiàn)[11]，可得圖2所示的基于PV系統(tǒng)的MGP直流電壓反饋控制策略?？刂茖崿F(xiàn)步驟為：(1)給PV陣列設(shè)定一個直流母線電容電壓參考值Uref，以此來控制PV輸出參考對應(yīng)的有功功率;(2)采集實際直流電壓Udc，將二者差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到換流器的相位偏差信號作為頻率調(diào)節(jié)信號，通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制MGP輸出的有功功率。

圖2 直流電壓反饋控制策略

2.2 減載運行算法

在實際運行過程中，PV系統(tǒng)受到環(huán)境溫度和光照強度不斷變化的影響，輸出有功功率呈現(xiàn)波動性特點。在PV運行曲線隨機變動情況下，保證減載率始終維持在某一數(shù)值，是定減載控制策略的實現(xiàn)目標(biāo)。

PV系統(tǒng)的減載率表達(dá)式可定義為

(4)

式中:kG為功頻靜態(tài)特性系數(shù);Δf為電網(wǎng)頻率偏差;fN為電網(wǎng)額定頻率。

電力系統(tǒng)中頻率變化的允許范圍通常為±0.2 Hz，kG取50，則可計算得d為20%，即PV系統(tǒng)輸出有功功率為額定功率的80%。

由MGP直流電壓反饋控制策略可知，給定PV直流母線電容電壓，就能控制PV系統(tǒng)輸出功率，由此將減載算法的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為對PV直流母線電容電壓Uref的控制。

本文采用文獻(xiàn)[16]中的PV電池模型，并以該PV電池為單位搭建了模擬PV電站的PV陣列模型，其關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 PV陣列模型參數(shù)

以該PV陣列為例，不同光照強度和溫度下的PVP-U曲線如圖3所示。

圖3 不同溫度和光照強度對應(yīng)的P-U曲線

由于環(huán)境溫度和光照強度對PV輸出功率的影響是解耦的，可以分別求解不同光照強度和溫度在對應(yīng)減載率下PV直流電壓的離線表達(dá)式，最后再將兩式的乘積作為定減載率下的直流參考電壓擬合表達(dá)式。

分析光照強度的影響，設(shè)定環(huán)境溫度恒定為25 ℃，以每秒上升100 W/m2為間隔，記錄100～1 400 W/m2區(qū)間的PV陣列在20%減載率下對應(yīng)的PV直流電壓Udc，如圖4所示。

圖4 不同光照強度對應(yīng)的Udc

根據(jù)圖4擬合曲線，可設(shè)光照強度與直流電壓的擬合表達(dá)式為

UdG=a0G0.4+b0G0.3+c0

(5)

式中:G為光照強度;a0、b0和c0為擬合系數(shù)。

代入表達(dá)式求得各項擬合系數(shù)：a0=-1.380 1，b0=-3.476 6，c0=9.449 8, 殘差平方和、R判定系數(shù)、調(diào)整R系數(shù)分別為0.000 6、0.999 9、0.999 8。

分析光照強度的影響，設(shè)定光照強度恒定為1 000 W/m2，在PV陣列中以每5 ℃為間隔，記錄0～45 ℃區(qū)間的PV陣列在20%減載率下對應(yīng)的PV直流電壓Udc，如圖5所示。

圖5 不同溫度對應(yīng)的Udc

根據(jù)圖5擬合曲線，設(shè)擬合表達(dá)式為

UdT=a1T+b1

(6)

式中：T為環(huán)境溫度；a1和b1為擬合系數(shù)。

代入表達(dá)式求得各項擬合系數(shù)：a1=-0.028 0，b1=15.889 8,殘差平方和、R判定系數(shù)、調(diào)整R系數(shù)分別為0.185 4、0.999 8、0.999 6。

最后聯(lián)立式(5)和式(6)可得不同光照強度和溫度對應(yīng)于20%減載率下PV直流母線電容電壓的擬合函數(shù)表達(dá)式為

(7)

隨機選取6個溫度和光照強度，與該PV陣列的實際最大功率進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

由表2可以得出，本文選取的擬合函數(shù)表達(dá)式計算得到的PV曲線減載20%情況下的Uref，其對應(yīng)的輸出功率與目標(biāo)減載輸出功率間的差值最大不超過0.5 MW，說明選取的曲線擬合表達(dá)式能較為準(zhǔn)確地估算出該PV陣列減載率為20%時對應(yīng)的直流母線電壓參考值。

表2 估算結(jié)果對應(yīng)的實際減載率

3 頻率反饋控制環(huán)的引入

電網(wǎng)處在功率不平衡狀態(tài)時，減載運行下的PV系統(tǒng)可以釋放有功儲備，配合MGP的慣性響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻。參考常規(guī)發(fā)電機組的功-頻靜態(tài)特性曲線與MGP的直流電壓反饋控制策略，只要建立電網(wǎng)頻率變化量與PV直流母線參考電壓之間的耦合關(guān)系，PV系統(tǒng)的輸出功率就能響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化，由此可得頻率反饋控制系數(shù)的表達(dá)式：

(8)

式中：Δf為電網(wǎng)頻率偏差量；ΔUdc為直流母線電壓參考值改變量;fN為額定頻率。

MGP的頻率反饋控制框圖如圖6所示。為使PV板一直處在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，需要對最終輸出到SPWM控制中的電壓信號進(jìn)行限幅處理。

圖6 頻率反饋控制框圖

在基于PV系統(tǒng)驅(qū)動MGP并網(wǎng)的直流電壓反饋控制策略基礎(chǔ)上引入減載控制和頻率反饋控制，可得圖7所示的MGP綜合控制策略。

圖7 MGP的綜合控制策略

由綜合控制策略的控制邏輯可知，正常運行狀態(tài)時，PV系統(tǒng)跟隨環(huán)境溫度和光照強度變化驅(qū)動MGP輸出額定減載下的有功功率，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，MGP觸發(fā)無延時慣性響應(yīng)，與此同時頻率反饋控制動作，根據(jù)頻率變化量修改直流母線電壓參考值，釋放減載儲備響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，配合MGP的慣性響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻。

4 仿真算例分析

為驗證本文所提綜合控制策略的有效性，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建了圖8所示的3機9節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行算例驗證。系統(tǒng)中PV滲透率約為44%，火機組G1/G2/G3共出力260 MW，慣性時間常數(shù)H取10 s，PV機組出力200 MW，MGP慣性時間常數(shù)HMGP取6.6 s。仿真中，在母線4節(jié)點可以切換PV并網(wǎng)和PV經(jīng)MGP并網(wǎng)2種方式。仿真分為2部分：第1部分驗證減載運行算法，第2部分對比PV經(jīng)采用綜合控制策略的MGP并網(wǎng)和PV直接并網(wǎng)在源、網(wǎng)兩端功率波動下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定能力。

圖8 3機9節(jié)點系統(tǒng)

4.1 減載運行算法驗證

在圖8所示3機9節(jié)點系統(tǒng)中BUS4切換至PV經(jīng)MGP并網(wǎng)，設(shè)置的仿真場景中溫度、光照強度變化曲線如圖9(a)、圖9(b)所示，測量的PV系統(tǒng)直流電容電壓和MGP輸出功率的變化情況如圖9(c)、圖9(d)所示。

圖9 減載算法的驗證結(jié)果

對比圖9設(shè)定光照強度變化曲線和溫度變化曲線可知，直流電壓反饋控制能較為迅速準(zhǔn)確地追蹤擬合曲線得出給定直流電壓值的結(jié)果，MGP輸出功率曲線表明MGP能按給定減載率輸出有功功率，實現(xiàn)在環(huán)境光照強度和溫度變化情況下PV系統(tǒng)的定減載運行。

4.2 不同并網(wǎng)方式的調(diào)頻能力對比

綜合控制策略下的PV經(jīng)MGP并網(wǎng)，PV本身出力隨機波動或電網(wǎng)出現(xiàn)功率不匹配時，MGP均能釋放無延時慣性響應(yīng)。在電網(wǎng)頻率變化時，MGP還能調(diào)用PV有功儲備參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻。相比之下，由于PV直接并網(wǎng)不參與電網(wǎng)調(diào)頻，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性會隨PV滲透率增加而變差。

4.2.1 負(fù)荷突變

為對比不同并網(wǎng)方式對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響，忽略MGP的內(nèi)部損耗，在仿真系統(tǒng)中設(shè)置BUS6在50 s時負(fù)荷突增/減40 MW，觀測系統(tǒng)響應(yīng)情況，仿真結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖10 負(fù)荷突增下的電網(wǎng)響應(yīng)情況

圖11 負(fù)荷突降下的電網(wǎng)響應(yīng)情況

由圖10和圖11可知，PV經(jīng)MGP并網(wǎng)可以為系統(tǒng)提供慣性響應(yīng)，采用綜合控制后還能調(diào)用PV減載儲備參與系統(tǒng)調(diào)頻。對比電網(wǎng)頻率改善情況可知，PV采用MGP并網(wǎng)可以減小系統(tǒng)的初始ROCOF，進(jìn)而延遲頻率偏差最大點到來，并間接減小最大頻率偏差。在采用綜合控制策略后，由于存在控制時延，系統(tǒng)初始ROCOF并未得到明顯改善，但PV減載儲備觸發(fā)的功率響應(yīng)能參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，較大幅度地減小了系統(tǒng)頻率偏差，進(jìn)一步提升電網(wǎng)的頻率支撐能力。

4.2.2 PV隨機波動

在PV實際運行中，光照強度和溫度變化會導(dǎo)致出力水平改變。為探究PV出力隨機波動對系統(tǒng)頻率變化的影響，在仿真系統(tǒng)中設(shè)置光照強度隨機變動，觀察電力系統(tǒng)的頻率變化情況，光照強度變化曲線和系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖12所示。

圖12 PV出力波動下的電網(wǎng)響應(yīng)情況

由圖12可知，在光照強度隨機波動的情況下，PV出力也會不斷變動。在PV經(jīng)MGP并網(wǎng)的情況下，MGP的慣性響應(yīng)會對PV輸出功率的變化起“削峰填谷”的作用，使得電網(wǎng)頻率波動明顯減小。而MGP采用綜合控制策略后，PV功率響應(yīng)的動作可以進(jìn)一步減小PV出力波動的幅度，增強系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文提出了一種考慮PV出力波動性的PV系統(tǒng)定減載率驅(qū)動MGP并網(wǎng)的綜合控制策略，該控制策略可根據(jù)光照強度和溫度變化調(diào)整PV系統(tǒng)的直流母線電壓，保持減載率始終處于特定值。在MGP的直流電壓反饋控制中引入頻率反饋環(huán)，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，PV系統(tǒng)可以因此釋放減載備用容量參與一次調(diào)頻。最后在3機9節(jié)點仿真系統(tǒng)中驗證了在源、網(wǎng)兩端發(fā)生功率波動情況下，PV經(jīng)采用綜合控制策略的MGP并網(wǎng)均能為系統(tǒng)提供更強有力的頻率支撐。