適用于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)型控制仿真分析

蔣德秋

(成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都610091)

《中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》指出，到2030年我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到12億kW以上[1]。新能源發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子變流器并入電網(wǎng)，未來高滲透率、分布廣泛的電力電子設(shè)備將極大地改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式。

本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)為例，光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化電能，與直流母線相連，然后經(jīng)電力電子變流器向電網(wǎng)輸送電能。將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷碾娏﹄娮幼兞髌鞣Q為逆變器。通過不同的控制策略控制逆變器中的開關(guān)器件的開斷可實(shí)現(xiàn)電能的交換和功率的傳輸，常見的逆變器以三相橋式全控整流電路為基礎(chǔ)。跟網(wǎng)型控制和組網(wǎng)型控制是并網(wǎng)逆變器兩種不同類型的控制策略[2]。跟網(wǎng)型控制通常用于連接高短路比的強(qiáng)電網(wǎng)，一般以鎖相環(huán)作為同步的基本結(jié)構(gòu)。組網(wǎng)型控制借鑒了同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程，可連接低短路比的弱電網(wǎng)，是目前研究的重點(diǎn)。常見的組網(wǎng)型控制包括：下垂控制、虛擬同步機(jī)控制、DCVQ控制等[3]。

目前常見的對(duì)逆變器控制策略的研究中將直流側(cè)等效為恒定直流電壓源，用于簡化分析。本文搭建了含光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型，將DCVQ控制應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器；研究了在不同故障場景下的響應(yīng)情況，總結(jié)了DCVQ控制策略的特點(diǎn)，為將來暫態(tài)穩(wěn)定分析、控制方式改進(jìn)等提供了參考。

1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)接入三相交流網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池在直流母線連接，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器與上級(jí)電網(wǎng)連接。

圖1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)電氣接線圖

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器采用BOOST升壓電路接入直流母線，如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器電路拓圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變流器采用基于擾動(dòng)觀察法[4]的最大功率跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）控制，擾動(dòng)步長為0.0001s。在MPPT輸出光伏電壓參考值VMPPT后，采用電壓電流雙內(nèi)環(huán)的控制方法，電壓外環(huán)輸出光伏電流參考值IMPPT作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。光伏DC/DC控制原理如圖3所示。

圖3 光伏DC/DC控制原理圖

1.2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

圖4為鉛酸蓄電池經(jīng)過雙向DC/DC變流器接入直流母線的電路拓?fù)鋱D。能量從蓄電池流向直流母線時(shí)，直流變換器工作在升壓模式下，實(shí)現(xiàn)升壓功能；能量從直流母線流向蓄電池時(shí)，直流變換器工作在降壓模式下，實(shí)現(xiàn)降壓功能?？刂撇呗詾楹阒绷麟妷旱碾p環(huán)PWM控制。

圖4 電池儲(chǔ)能接入電路拓?fù)鋱D

DC/DC變流器的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，為恒直流電壓的雙環(huán)控制[5]。為防止蓄電池工作在極端的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）區(qū)間，添加了邏輯判斷環(huán)節(jié)，其中NXOR是異或非門，當(dāng)且僅當(dāng)偶數(shù)個(gè)輸入為真時(shí)輸出為真。VDCref和VDC分別為直流母線電壓參考值和實(shí)際值；ILB為流過電感IB的電流。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC控制原理圖

1.3 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)建模

并網(wǎng)逆變系統(tǒng)包含電壓源逆變器（voltage source converter，VSC）和LC濾波器，如圖6所示，其中為直流母線并聯(lián)的電容。本文研究了直流母線電壓/無功功率控制（DCVQ）控制對(duì)于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的適用性。

圖6 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D

DCVQ控制屬于新型組網(wǎng)型控制。DCVQ控制的具體策略可由同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程推得。搖擺方程如式（1）所示：

式中：J和D分別為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)；ω為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；PT和Pe分別為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率。

在DCVQ控制中，將直流母線電容Cdc的充放電類比同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加減速，可得DCVQ控制的同步環(huán)路控制律如式（2），

式中：Gm為虛擬電導(dǎo)；Cdc為直流母線電容值；Vdc為直流母線電壓。

聯(lián)立式（1）和式（2），可得DCVQ控制的同步環(huán)路控制律如式（3）：

DCVQ控制的無功-電壓控制環(huán)路見式（4）。式中：U d,rdf為電壓內(nèi)環(huán)的電壓參考值；Qref和Qe分別為無功輸出的參考值和實(shí)際值；U N和U分別是公共連接點(diǎn)（PCC）處電壓參考值和實(shí)際值；Dq和Kq分別是下垂系數(shù)和無功比例系數(shù)。

由此可得DCVQ控制的控制結(jié)構(gòu)如圖7所示，上方為DCVQ控制的直流母線電壓-頻率控制環(huán)，可以在控制直流母線電壓的同時(shí)跟蹤電網(wǎng)的頻率信息與相位信息；下方為無功-電壓控制環(huán)[6]。

圖7 DCVQ控制結(jié)構(gòu)圖

2 仿真分析

本文基于MATLAB/SIMULINK搭建了如圖1所示的光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)的元件參數(shù)和控制參數(shù)如表1所示。分析了并網(wǎng)逆變器在采用DCVQ控制策略時(shí)面臨不同故障時(shí)的輸出特性，故障類型為變壓器低壓側(cè)母線發(fā)生不同程度的金屬性三相接地短路故障，如圖1中的變壓器低壓側(cè)母線（圖6電路結(jié)構(gòu)中PCC處）所示；或電網(wǎng)頻率發(fā)生跌落。所有故障均在t=1s發(fā)生，t=3 s清除。

表1 仿真參數(shù)

2.1 PCC處發(fā)生三相對(duì)稱短路

圖8為變壓器低壓側(cè)母線（PCC處）經(jīng)電阻接地，并網(wǎng)逆變器采用DCVQ控制策略時(shí)的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果圖。其中實(shí)線表示并網(wǎng)逆變系統(tǒng)出口處的有功功率，虛線表示光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT處有功功率。

由圖8可以看出，在不同故障情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率基本相等，為MPPT控制的輸出功率。采用DCVQ控制的并網(wǎng)逆變器在面臨嚴(yán)重的接地故障時(shí)頻率仍能維持在50 Hz附近，直流側(cè)電壓在1000 V附近。此外，接地電阻越小，故障期間輸出的功率越小，蓄電池儲(chǔ)能充電越快，此時(shí)需及時(shí)清除故障，否則會(huì)面臨電池飽和，系統(tǒng)與電網(wǎng)失去同步的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 PCC處三相接地短路仿真結(jié)果對(duì)比

2.2 上級(jí)電網(wǎng)發(fā)生頻率波動(dòng)

圖9為上級(jí)電網(wǎng)發(fā)生不同程度的頻率波動(dòng)時(shí)采用DCVQ控制的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果。

由圖9可以看出DCVQ控制基本上可以保持頻率、直流電壓穩(wěn)定，但是在頻率跌落至49.90 Hz時(shí)出現(xiàn)功率為負(fù)值的情況，意味著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，如圖9(d)所示，此時(shí)的儲(chǔ)能SOC迅速上升，在頻率恢復(fù)后仍未在短時(shí)間內(nèi)回到正常運(yùn)行狀態(tài)?？梢婋娋W(wǎng)的頻率波動(dòng)對(duì)DCVQ控制的影響較大。

圖9 上級(jí)電網(wǎng)頻率波動(dòng)仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語

本文分析了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在不同故障工況下，采用DCVQ組網(wǎng)型控制時(shí)的電磁暫態(tài)特性。當(dāng)變壓器低壓母線側(cè)遭受三相接地短路時(shí)，DCVQ控制通常能保持更好的暫態(tài)穩(wěn)定性，但對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求較高。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，DCVQ的暫態(tài)穩(wěn)定性大大降低。雖然DCVQ控制能在短時(shí)間內(nèi)保持頻率穩(wěn)定和直流母線電壓穩(wěn)定，但功率并未恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)能將快速充放電，遭受損害。