光伏驅(qū)動(dòng)新能源同步機(jī)并網(wǎng)的調(diào)頻能力研究

付文啟，黃永章，2，楊鑫，管飛，谷昱君

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.華電（煙臺(tái)）功率半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

當(dāng)前，并網(wǎng)新能源機(jī)組不含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被隱藏起來(lái)[1-2]，隨著電力系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)型升級(jí)為光伏、風(fēng)電等新能源主導(dǎo)的電網(wǎng)形態(tài)，具備慣性響應(yīng)能力和調(diào)頻能力的火電機(jī)組的占比將逐漸減小，這勢(shì)必會(huì)削弱電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定能力。因此，合理安排光伏、風(fēng)電等新能源機(jī)組補(bǔ)充一部分慣量，承擔(dān)電力系統(tǒng)一次調(diào)頻任務(wù)是未來(lái)電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3-4]。

為使新能源機(jī)組具備慣性響應(yīng)能力和一次調(diào)頻能力，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者聚焦于對(duì)新能源并網(wǎng)換流器控制策略的改造。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組，文獻(xiàn)[5-6]采用虛擬慣量控制，建立起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的耦合關(guān)系，使得風(fēng)機(jī)能夠釋放部分轉(zhuǎn)子慣量以響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，并配合下垂控制參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。而光伏機(jī)組不同，由于不含旋轉(zhuǎn)元件，無(wú)法通過(guò)控制調(diào)動(dòng)與電網(wǎng)解耦而隱藏的“慣量”，只能利用減載運(yùn)行或配備儲(chǔ)能方式下的有功備用提供虛擬慣量[7]，目前對(duì)該方面研究多為光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)（photovoltaic virtual synchronous generator，PV-VSG）控制[8-10]，通過(guò)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程嵌入換流器控制中來(lái)模擬慣量，其能量來(lái)源與實(shí)現(xiàn)方式與新能源機(jī)組的虛擬慣量控制無(wú)異。為增強(qiáng)新能源電網(wǎng)的一次調(diào)頻能力，新能源機(jī)組通常通過(guò)在換流器控制環(huán)節(jié)中引入下垂控制模擬常規(guī)機(jī)組參與一次調(diào)頻[11-12]，其本質(zhì)是建立新能源輸出功率與電網(wǎng)頻率之間的耦合關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，新能源機(jī)組能根據(jù)反饋信號(hào)作出功率響應(yīng)，與常規(guī)機(jī)組調(diào)速器較慢的開(kāi)關(guān)汽門(mén)的機(jī)械動(dòng)作速度不同的是，憑借電力電子換流器的快速響應(yīng)能力，新能源機(jī)組能更加迅速地調(diào)動(dòng)有功儲(chǔ)備參與系統(tǒng)調(diào)頻[13-14]。目前已有在大電網(wǎng)中的試驗(yàn)證明，在相同故障水平和慣量水平下，并網(wǎng)光伏機(jī)組的快頻響應(yīng)作用能提供比常規(guī)機(jī)組調(diào)速器作用更強(qiáng)的一次調(diào)頻能力[15]。若光伏機(jī)組具備無(wú)延時(shí)慣性響應(yīng)能力來(lái)搭配下垂控制，光伏機(jī)組將為電網(wǎng)提供優(yōu)于常規(guī)機(jī)組的頻率支持能力。以上改進(jìn)都是著眼于換流器控制策略上，下垂控制得益于換流器的快速響應(yīng)，能提供優(yōu)越的一次調(diào)頻能力，然而，由于模擬慣性響應(yīng)的控制存在檢測(cè)時(shí)延或?yàn)榉乐惯^(guò)高能量沖擊而在其中加入一階慣性環(huán)節(jié)等原因，導(dǎo)致控制仍然無(wú)法如同步機(jī)組一般做到無(wú)響應(yīng)延遲[16-17]，因而未能真正滿足系統(tǒng)需求。

為此，文獻(xiàn)[18]提出了新能源驅(qū)動(dòng)新能源同步機(jī)（motor-generator pair，MGP）并網(wǎng)的新方法，利用同步電機(jī)的優(yōu)良屬性，可以為電網(wǎng)提供無(wú)延時(shí)的、真實(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；文獻(xiàn)[19]提出了MGP的源-網(wǎng)相位差控制策略，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在該控制策略下MGP可以穩(wěn)定地向電網(wǎng)傳輸功率；文獻(xiàn)[20-21]證明MGP能提供比同容量火電機(jī)組更多的阻尼，增強(qiáng)新能源電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[22-23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證MGP能夠?yàn)楣夥到y(tǒng)提供慣性支持，并得出其慣性響應(yīng)能力比同質(zhì)量塊且同容量的火電機(jī)組更強(qiáng)的結(jié)論。

但上述文獻(xiàn)只著眼于MGP本身的性能屬性，并未進(jìn)一步研究MGP慣性響應(yīng)與光伏系統(tǒng)有功功率響應(yīng)配合參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻之間的控制方法。本文從MGP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略出發(fā)，揭示了MGP與虛擬慣量控制在慣量釋放機(jī)制上存在本質(zhì)區(qū)別，得出MGP能提供更強(qiáng)慣性響應(yīng)能力的結(jié)論，然后在光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的控制策略基礎(chǔ)上引入下垂控制，使得MGP能調(diào)動(dòng)光伏系統(tǒng)的有功儲(chǔ)備參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻，最后通過(guò)PSCAD 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)和5 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 MGP系統(tǒng)與控制策略

1.1 MGP并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MGP系統(tǒng)主體由一個(gè)聯(lián)動(dòng)軸串聯(lián)兩臺(tái)同容量的同步電機(jī)組成，其中一臺(tái)作為同步電動(dòng)機(jī)（synchronous motor，SM），另一臺(tái)作為同步發(fā)電機(jī)（synchronous generator，SG），忽略軸兩端兩個(gè)旋轉(zhuǎn)剛體間振蕩的影響，則兩臺(tái)電機(jī)始終保持運(yùn)行在同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向的狀態(tài)。MGP的SM與SG內(nèi)部各有一個(gè)功角δM和δG，若忽略兩個(gè)轉(zhuǎn)子間初始相角差，則MGP系統(tǒng)外特性上表現(xiàn)出來(lái)的兩端電壓相角差為

圖1 MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The grid connection system structure of MGP

根據(jù)圖1可知，新能源驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)的有功功率傳輸方式以轉(zhuǎn)矩形式表現(xiàn)為：新能源發(fā)出的有功會(huì)給SM施加一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩TeM，該電磁轉(zhuǎn)矩TeM會(huì)帶動(dòng)SM旋轉(zhuǎn)并輸出一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩TmM，由于MGP系統(tǒng)的SG與SM同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因而SG將獲得一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩TmG，然后向電網(wǎng)輸出一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩TeG，SG的機(jī)械轉(zhuǎn)矩TmG與SM的機(jī)械轉(zhuǎn)矩TmM關(guān)系為

式中：ΔTm為兩臺(tái)電機(jī)之間功率傳輸?shù)臋C(jī)械轉(zhuǎn)矩?fù)p耗。

1.2 直流電壓反饋策略

從MGP的功角特性[19]可知，MGP輸出功率與MGP兩端電壓相角差δMGP成正比，當(dāng)MGP并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，MGP發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓相角跟隨參考電網(wǎng)電壓固定，因此通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)側(cè)電壓相角變化就能控制MGP的輸出功率。

只要根據(jù)MGP的功角特性與光伏板的運(yùn)行特性，建立MGP電動(dòng)機(jī)側(cè)電壓相角與光伏板直流母線電壓間的關(guān)系式作為換流器的控制信號(hào)，就能通過(guò)控制光伏板直流母線電壓以實(shí)現(xiàn)控制MGP傳輸功率的目的，由此可得圖2所示的MGP的電壓反饋控制的控制框圖?？刂圃頌椋寒?dāng)光伏板直流母線參考電壓Uref與實(shí)際電壓Udc存在偏差時(shí)，該偏差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)和脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換為相位偏差信號(hào)，控制MGP輸出功率變化，直流母線電壓也隨之改變，最后穩(wěn)定在參考值上。

圖2 MGP直流電壓反饋控制Fig.2 DC voltage feedback control of MGP

直流電壓反饋控制實(shí)現(xiàn)了MGP對(duì)光伏系統(tǒng)傳輸有功功率的跟蹤，但并未建立光伏系統(tǒng)有功傳輸與負(fù)荷端有功需求間的耦合關(guān)系，當(dāng)源-網(wǎng)功率不平衡造成系統(tǒng)頻率突變時(shí)，光伏系統(tǒng)依然無(wú)法對(duì)此做出功率響應(yīng)。

2 MGP慣性與改進(jìn)控制策略

2.1 MGP的慣性響應(yīng)原理

2.1.1 MGP的電氣-機(jī)械模型

MGP同軸旋轉(zhuǎn)的兩臺(tái)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠提供無(wú)延時(shí)的、真實(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)同步電機(jī)理論可得MGP慣性時(shí)間常數(shù)表達(dá)式為

式中：MSM，MSG分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；mSM，mSG分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)質(zhì)量；RSM，RSG分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)截面半徑；ω0為MGP額定轉(zhuǎn)速；SB為MGP額定容量。

假設(shè)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子截面半徑都相同，與火電機(jī)組相比，盡管MGP額外多了一個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊，但不具備原動(dòng)機(jī)部分低壓缸和高壓缸兩個(gè)質(zhì)量塊的質(zhì)量，因此通過(guò)計(jì)算可得MGP的慣性時(shí)間常數(shù)約為同容量火電機(jī)組的0.66倍[19]。

根據(jù)同步電機(jī)理論，以MGP發(fā)電機(jī)端電壓相角為參考值，SG的轉(zhuǎn)矩方程為

式中：EG，UG分別為SG的內(nèi)電勢(shì)和端電壓；XGd為SG的定子d軸電抗。

將式（4）標(biāo)幺化，并給SG的功角δG施加一個(gè)小擾動(dòng)ΔδG，則SG的電磁轉(zhuǎn)矩變化量表達(dá)式為

將式（5）線性化后表示為

式中：KeG為SG的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

忽略MGP聯(lián)動(dòng)軸兩端剛體間的振蕩影響，可得：

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與功角之間的關(guān)系為

MGP轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為[14]

式中：KDM，KDG分別為SM和SG的阻尼系數(shù)；Δω*m為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的標(biāo)幺值。

將式（6）～式（8）代入式（9）的MGP的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，并以變化量形式表達(dá)：

對(duì)式（10）、式（11）進(jìn)行拉普拉斯變換后可得：

由式（12）、式（13）可得如圖3所示的MGP的電氣-機(jī)械模型。

圖3 MGP的電氣-機(jī)械模型Fig.3 Electrical-mechanical model of MGP

2.1.2 與虛擬慣量控制的慣性響應(yīng)能力對(duì)比

由MGP的電氣-機(jī)械模型可知，MGP的慣性和阻尼表征為狀態(tài)量的形式，是其固有屬性。光伏經(jīng)MGP接入電網(wǎng)后呈現(xiàn)電壓源特性，一旦電網(wǎng)頻率變化引起SG電壓相角改變，由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性和電磁暫態(tài)特性，MGP將無(wú)延時(shí)發(fā)出阻尼和慣性響應(yīng)，對(duì)于時(shí)刻處在波動(dòng)狀態(tài)的電網(wǎng)頻率，MGP不需要通過(guò)控制手段就能自然地響應(yīng)頻率變化。光伏經(jīng)換流器直接并網(wǎng)，通過(guò)虛擬慣量控制調(diào)整光伏有功輸出來(lái)模擬同步電機(jī)的慣性響應(yīng)，虛擬慣量實(shí)際表征為輸出量的形式，響應(yīng)形式的本質(zhì)不同，并且控制也存在延時(shí)，并未滿足系統(tǒng)真正需求，而且，在電網(wǎng)頻率時(shí)常變動(dòng)情況下，控制的頻繁動(dòng)作也存在可靠性問(wèn)題。

光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)，僅憑MGP的慣性響應(yīng)就能平抑電網(wǎng)頻率小波動(dòng)，然而，一旦電力系統(tǒng)觸發(fā)大干擾事件，MGP短時(shí)的慣量支撐作用還不足以勝任調(diào)頻任務(wù)。根據(jù)圖3的電氣-機(jī)械模型可知，通過(guò)改進(jìn)MGP的直流電壓反饋控制，加入一個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)，建立起SM的電磁轉(zhuǎn)矩TeM與SG功角δG或轉(zhuǎn)速ωm之間的聯(lián)系，就能調(diào)用光伏系統(tǒng)有功儲(chǔ)備參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。

2.2 基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制策略

參考常規(guī)發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)功頻特性，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化后，發(fā)電機(jī)組將改變有功功率出力保證電網(wǎng)頻率偏差在允許范圍之內(nèi)，根據(jù)發(fā)電機(jī)組有功出力與電網(wǎng)頻率偏差之間的關(guān)系，可得光伏系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)MGP的下垂控制系數(shù)的表達(dá)式：

式中：ΔPpv，PpvN分別表示光伏系統(tǒng)的輸出功率變化值和額定值為光伏系統(tǒng)輸出功率變化量對(duì)應(yīng)的MGP電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化量的標(biāo)幺值。

從MGP的直流電壓反饋控制策略和電氣-機(jī)械模型可知，下垂控制的實(shí)現(xiàn)需將MGP轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差值與下垂控制系數(shù)Kpv乘積作為偏差信號(hào)施加到光伏直流母線電壓參考值上，經(jīng)過(guò)PI控制和SPWM調(diào)制后改變變流器的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而控制輸出到SM電磁轉(zhuǎn)矩的大小，最終使得光伏系統(tǒng)的功率輸出能響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，由此可得如圖4所示的MGP的基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制結(jié)構(gòu)圖。

圖4 基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 DC voltage feedback control structure based on PV droop control

需要注意的是，為保證光伏系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，還要控制光伏直流母線電壓的調(diào)節(jié)范圍不超過(guò)運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定區(qū)域，因而需要對(duì)下垂控制輸出的電壓調(diào)節(jié)信號(hào)設(shè)置限幅，當(dāng)光伏系統(tǒng)處于滿發(fā)狀態(tài)，下垂控制不再對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)一步的跌落作出響應(yīng)。

3 仿真分析

為驗(yàn)證MGP的慣性響應(yīng)能力，并對(duì)比控制策略改進(jìn)前后光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的一次調(diào)頻能力，以及比較控制策略改進(jìn)后光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)與光伏采用虛擬慣量控制+下垂控制并網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，本文運(yùn)用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行算例分析，搭建了如圖5所示的經(jīng)典3機(jī)9節(jié)點(diǎn)仿真模型。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如下：同步機(jī)組G1/G2/G3出力150 MW，光伏系統(tǒng)最大輸出功率110 MW，G1/G2/G3的慣性時(shí)間常數(shù)M=5，MGP慣性時(shí)間常數(shù)MMGP=3.3，工頻50 Hz。光伏系統(tǒng)運(yùn)行在BUS5，仿真中可以分別切換光伏系統(tǒng)采用直接并網(wǎng)和MGP并網(wǎng)兩種并網(wǎng)方式，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后設(shè)置大容量負(fù)荷突然切入/退出故障，對(duì)比光伏系統(tǒng)在兩種運(yùn)行方式下的調(diào)頻情況。

圖5 經(jīng)典3機(jī)9節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)Fig.5 Classical 3 machines and 9 nodes simulation system

3.1 MGP慣性響應(yīng)能力與控制策略改進(jìn)前/后一次調(diào)頻能力的驗(yàn)證

設(shè)光伏系統(tǒng)初始階段處在減載運(yùn)行情況下（減載儲(chǔ)備15 MW），在60 s時(shí)，BUS6突然切入/切除40 MW負(fù)荷致使電網(wǎng)頻率突變，對(duì)比光伏系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)在有/無(wú)下垂控制下的并網(wǎng)輸出功率和電網(wǎng)頻率的變化情況，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較1Fig.6 Comparison of system dynamic responses 1

由圖6的MGP功率響應(yīng)曲線和系統(tǒng)頻率變化曲線可知，未加入下垂控制的MGP在電網(wǎng)頻率變化將瞬時(shí)釋放轉(zhuǎn)動(dòng)慣量抑制頻率跌落，這是MGP自發(fā)的慣性響應(yīng)，但由于光伏系統(tǒng)未參與一次調(diào)頻，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程中會(huì)吸收一部分能量，造成一段時(shí)間MGP的輸出有功功率低于故障前輸出水平，不利于電網(wǎng)頻率的快速恢復(fù)。加入下垂控制后的MGP控制系統(tǒng)可以快速調(diào)用光伏的減載儲(chǔ)備用于一次調(diào)頻，在電網(wǎng)突然增/減40 MW負(fù)荷的情況下，MGP輸出功率也相應(yīng)增發(fā)/減發(fā)了故障前約10%的輸出功率，承擔(dān)一部分功率不平衡沖擊，降低了電網(wǎng)頻率波動(dòng)過(guò)程中的頻率變化率，最大頻率偏差也分別減小了0.012/0.009 Hz。通過(guò)以上分析可知，在一次調(diào)頻過(guò)程中，采用基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制策略的MGP能快速調(diào)動(dòng)光伏系統(tǒng)的減載功率儲(chǔ)備，參與同步機(jī)組的功率分配，分擔(dān)一部分調(diào)頻壓力，有效地增強(qiáng)了電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，但考慮到不同下垂控制系數(shù)Kpv的選取、變換器的功率變化速率限制和光伏實(shí)際減載情況的影響因素，控制改進(jìn)的實(shí)際效果會(huì)有所不同。

3.2 光伏系統(tǒng)不同并網(wǎng)方式下的調(diào)頻能力對(duì)比

為對(duì)比光伏采用虛擬慣量控制+下垂控制并網(wǎng)與采用基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制策略的光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，參考文獻(xiàn)[10]搭建了光伏直接并網(wǎng)的一次調(diào)頻仿真模型。

在圖5所示的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)中，設(shè)置光伏在BUS5并網(wǎng)，在忽略MGP并網(wǎng)的電機(jī)損耗情況下，光伏直接并網(wǎng)與光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的初始階段輸出功率相同，一段時(shí)間后，在BUS8設(shè)置大容量負(fù)荷突然切入/退出故障，觀察兩種方式下的系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況，為保證一次調(diào)頻調(diào)用能量相同，控制仿真中將保持兩種并網(wǎng)方式的調(diào)頻增發(fā)/減發(fā)功率峰值和故障后穩(wěn)態(tài)功率一致。設(shè)光伏系統(tǒng)初始階段運(yùn)行在減載情況下（減載儲(chǔ)備15 MW），在60 s時(shí)，BUS8突然切入/切除80 MW負(fù)荷致使頻率下降，對(duì)比光伏直接并網(wǎng)與光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)兩種方式下的并網(wǎng)輸出功率和電網(wǎng)頻率的變化情況，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較2Fig.7 Comparison of system dynamic response 2

由圖7的光伏輸出功率響應(yīng)曲線和頻率變化曲線可知，即使兩種并網(wǎng)方式增發(fā)/減發(fā)的有功功率最大值相同，但由于MGP旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子無(wú)延時(shí)的慣性響應(yīng)，在電網(wǎng)負(fù)荷突變后的最初階段，其與虛擬慣量+控制相比，有功功率響應(yīng)速度更快，頻率變化率更小，并且光伏采用虛擬慣量控制的響應(yīng)時(shí)延間接導(dǎo)致最后的頻率偏差幅值大于光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的頻率偏差幅值。仿真結(jié)果表明，在相同下垂控制作用效果下，MGP真實(shí)的慣性響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率支撐能力的提升效果要優(yōu)于光伏直接并網(wǎng)下的虛擬的慣量響應(yīng)。

4 控制改進(jìn)效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制策略改進(jìn)效果，搭建了如圖8所示的5 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)如下：光伏模擬器額定容量10 kW，變頻器額定容量30 kW，MGP額定容量5 kW，可編程負(fù)載最大容量30 kW，電網(wǎng)頻率50 Hz。實(shí)驗(yàn)中光伏模擬器有足夠的減載儲(chǔ)備。

圖8 MGP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Experimental platform of MGP

實(shí)驗(yàn)設(shè)定可編程負(fù)載初始時(shí)刻運(yùn)行在單相600 W功率條件下，并根據(jù)光伏運(yùn)行曲線，設(shè)置直流電壓反饋控制的參考電壓約為570 V，待變頻啟動(dòng)MGP至額定轉(zhuǎn)速后，調(diào)節(jié)設(shè)定參考電壓與實(shí)測(cè)光伏直流電壓一致后約9.4 s，進(jìn)行變負(fù)載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩次，分別為單相負(fù)載600 W突增至700 W和單相負(fù)載600 W突降至400 W，并在控制策略中引入下垂控制環(huán)（下垂控制系數(shù)Kpv取1.5）后重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，測(cè)量到的MGP發(fā)電機(jī)端的電壓頻率響應(yīng)如圖9所示。

圖9 MGP變負(fù)載實(shí)驗(yàn)Fig.9 Variable load experiment of MGP

由圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在引入下垂控制后，負(fù)載端負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，光伏系統(tǒng)主動(dòng)的功率響應(yīng)能迅速配合MGP參與調(diào)頻，減小了功率擾動(dòng)過(guò)程中的最大頻率偏差以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)至額定值過(guò)程中的超調(diào)量，因而提升了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定能力。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不具有二次調(diào)頻功能，因此負(fù)荷變化后的穩(wěn)態(tài)頻率與變化前存在靜態(tài)偏差。

5 結(jié)論

本文提出了一種MGP的基于PV下垂控制的直流電壓反饋控制策略，在仿真中實(shí)現(xiàn)了MGP慣性響應(yīng)與光伏系統(tǒng)有功功率響應(yīng)配合參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻，有效提高了電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力；然后對(duì)控制策略改進(jìn)后的光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)與光伏采用虛擬慣量+下垂控制并網(wǎng)的一次調(diào)頻能力進(jìn)行了仿真對(duì)比，證明了MGP轉(zhuǎn)子無(wú)延時(shí)的慣性響應(yīng)能減小電網(wǎng)頻率變化率和偏差幅度，提供更強(qiáng)的頻率支撐，并在最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)在控制策略改進(jìn)后對(duì)系統(tǒng)頻率支撐能力的提升作用。