光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制方法研究

楊雨涵

(西安科技大學(xué) 電氣工程工學(xué)院，西安 710000)

0 引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電機組是由分布式電源和電力電子化系統(tǒng)共同組成的大規(guī)模電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[1]，通過利用光伏陣列裝置，將接收到的太陽能的輻射轉(zhuǎn)換為高電壓的直流電。通過逆變器進行反向轉(zhuǎn)換，將與電壓同頻同相的正弦型交流電流輸入到電力系統(tǒng)中。因具備較為優(yōu)越的有功備用能力，常作為可再生能源的接入電網(wǎng)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、機械制造、煤礦挖掘等多種領(lǐng)域。然而即便是機電發(fā)展尤為迅速的現(xiàn)代社會，光伏并網(wǎng)發(fā)電機組仍存在不容忽視的內(nèi)部缺陷，即機組慣量阻尼極易受到干擾因素的影響，出現(xiàn)作用規(guī)律不穩(wěn)定等問題。為了提高光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的工作效率，相關(guān)人員投入到機組慣量阻尼控制方法的研究之中。

例如，申志鵬[2]等人提出基于柔性直流輸電系統(tǒng)的雙邊慣量和阻尼模擬控制方案，通過兩端互聯(lián)交流電網(wǎng)推導(dǎo)發(fā)電系統(tǒng)雙邊慣量和阻尼系數(shù)，并將推導(dǎo)值作為建模依據(jù)，參考BIDE控制方案建立基于光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的三相接地線路控制模型，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制，該方法存在控制性能較差的問題。岳家輝[3]等人提出基于自適應(yīng)慣量阻尼的雙饋風電機組虛擬同步控制策略，通過模擬有功功率突變條件下虛擬電流閉環(huán)的二階信號，獲取有功功率變化閾值內(nèi)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)。通過制定系統(tǒng)輸入量，并沿輸入軌跡交錯控制電機組恒參數(shù)，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制。孫宇新[4]等人提出基于虛擬同步發(fā)電機的慣量和阻尼自適應(yīng)控制，通過將微電網(wǎng)與協(xié)同控制模型結(jié)合，獲取自適應(yīng)虛擬慣量和阻尼系數(shù)的協(xié)同控制策略，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制。上述兩種方法雖然實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制，但是卻存在光伏并網(wǎng)發(fā)電機組同步性能較差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出了光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制方法研究的方法，重點與難點在于基于VSG的慣量阻尼控制模型，將慣量阻尼控制過程作為核心算法，將轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)視為光伏系統(tǒng)的控制變量，匹配低頻慣性效應(yīng)和低頻阻尼效應(yīng)，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和振動應(yīng)力抵抗性。實驗結(jié)果顯示，在慣量阻尼控制性能測試中，所提方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組，在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下，能夠不受Kp和Dp干擾，其輸出功率的振動幅度較?。辉谕叫詼y試中，所提方法能夠在Kp和Dp突變的第一時間，控制機組慣量阻尼，并且能夠維持功率振幅。表明所提方法的控制性能好、同步性能好。

1 穩(wěn)定性和振動應(yīng)力抵抗性平衡控制

光伏發(fā)電技術(shù)作為21世紀應(yīng)用價值最高的發(fā)電技術(shù)之一，已成為現(xiàn)代社會的重點發(fā)展項目，被記錄在《國家能源發(fā)展規(guī)劃》當中。想要控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼，需要優(yōu)先分析影響機組慣量阻尼的干擾因素，并以此為基礎(chǔ)，建立基于光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的平衡控制模型，以此實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼的自動化控制。

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電機組暫態(tài)特性分析

從宏觀視角來看，光伏并網(wǎng)發(fā)電機組是由光伏組件、前級Boost變換器和后級逆變器共同組成的光伏高比例發(fā)電系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的靜止式發(fā)電機，光伏并網(wǎng)發(fā)電機組在暫態(tài)電壓的調(diào)度方面和一次能源的蓄電強度方面均具有獨特的優(yōu)勢。光伏組件負責疊加系統(tǒng)光伏滲透率，以維持接入式電力系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定[5-6]。通常情況下，一次能源注入過程需要同時測量接入式電力系統(tǒng)低壓側(cè)和高壓側(cè)直流母線的電容值，以保證系統(tǒng)恒定功率與無窮大電網(wǎng)之間的等效電壓和等效電流始終不超過電池儲能與機械能轉(zhuǎn)換途中產(chǎn)生的額定電壓和額定電流。

前級Boost變換器負責接收光伏組件釋放的電壓指令和電流指令，其具有較小的射頻干擾和較低噪聲的優(yōu)點。由于光伏組件缺乏電力元件，無法將疊加成功的光伏滲透率并行投射至系統(tǒng)全層[7]，因此需要以指令的形式提高前級Boost變換器電壓和電流，以達到系統(tǒng)全層并網(wǎng)的目的。后級逆變器近似一個頻率下垂環(huán)，主要負責響應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)運行途中的電阻和電感，以及時診斷系統(tǒng)電源側(cè)及負荷側(cè)的擾動因素，維持系統(tǒng)正常狀態(tài)[8]。光伏滲透率疊加公式如下：

(1)

式中，a為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的功角；Δt為直流電壓時間尺度；q為并網(wǎng)變換器的勵磁電勢幅值；θi為出口電壓的基波分量。

直流母線電容值計算公式如下：

(2)

式中，Δω為直流電容參考電壓；pi為并網(wǎng)變換器電壓等級；pj為輸出電壓與電網(wǎng)電壓間的相位角。

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電模型

機組慣量阻尼是光伏并網(wǎng)發(fā)電機組按標準動態(tài)方程運行途中產(chǎn)生的物理參數(shù)，對系統(tǒng)工作起到變量增益的作用。光伏并網(wǎng)的基本思路是：以太陽能電池為基礎(chǔ)，通過采用半導(dǎo)體器件的電子性能，在太陽光照射的作用下，形成一種強大的內(nèi)部靜電場，將光能量轉(zhuǎn)換成電能，再通過逆變器進行反向轉(zhuǎn)換后，能夠向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。

考慮到機組慣量阻尼與系統(tǒng)慣性水平和阻尼能力存在明顯對應(yīng)關(guān)系，且慣性水平?jīng)Q定系統(tǒng)發(fā)生位置變化的概率，慣性水平越強[9-10]，系統(tǒng)出現(xiàn)隨機運動的概率越小、系統(tǒng)整體裝置越穩(wěn)定；阻尼能力決定系統(tǒng)機械零件間的共振振幅，阻尼能力越強，系統(tǒng)因震動應(yīng)力達到極限而造成的零件損壞概率越低，因此將慣量阻尼的變化規(guī)律視為光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的研究重點，試圖通過提高機組慣量阻尼控制能力，優(yōu)化光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的工作效率[11-12]。由于不可抗力和動態(tài)失穩(wěn)機制的存在，機組慣量阻尼并不總是維持在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和穩(wěn)態(tài)工作點參數(shù)共同決定的理想狀態(tài)，而是在外界干擾因素的作用下，以低頻慣性效應(yīng)和低頻阻尼效應(yīng)的形式呈現(xiàn)在不平衡系統(tǒng)能量源圖中。不平衡系統(tǒng)能量源如圖1所示。

圖1 不平衡系統(tǒng)能源圖

由圖1可見，影響機組慣量阻尼的干擾因素是頻率下垂系數(shù)Dp和變比例-退飽和式PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp[13-14]。頻率下垂系數(shù)Dp指的是有功功率參考值與頻率偏差的系數(shù)，當逆變器的容量越大時，其對應(yīng)的下垂系數(shù)越小。變比例-退飽和式PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp是指根據(jù)系統(tǒng)的誤差、利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。當系統(tǒng)中出現(xiàn)偏差時，可以通過比例調(diào)節(jié)來減少系統(tǒng)的偏差。通過在電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中建立光伏并網(wǎng)發(fā)電模型，并在模型中添加抑制干擾能力處于活躍狀態(tài)的Dp和Kp，模擬發(fā)電機與電流、電壓諧波一體化條件下機組慣量阻尼的低頻特性。低頻特性指的是系統(tǒng)在低頻區(qū)域運行時，由于其起動力值較低，導(dǎo)致其啟動性能不夠理想。在低頻穩(wěn)定狀態(tài)下，由于電網(wǎng)的電壓和負荷的變化，以及變頻器的輸出電壓波形的異常，會引起系統(tǒng)啟動困難甚至無法啟動，同時還會造成電機的振動。如果變頻調(diào)速裝置與電機之間的間隔過長，以及由于高次諧波的影響，很容易造成電機的爬行。

根據(jù)低頻特性分析慣量阻尼影響規(guī)律，可知Dp和Kp的值越大，慣量越小。其中，Kp對慣量的影響強度較Dp更甚，Dp對阻尼的影響強度較Kp更甚。隨著Dp和Kp與機組慣量阻尼的耦合程度越高，系統(tǒng)功率回路的載荷越大[15-16]，光伏并網(wǎng)發(fā)電機組輸出功率幅值越振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性和振動應(yīng)力抵抗性越差。

標準動態(tài)方程的表達式如下：

K=xn+xm-e-1

(3)

式中，xn為蓄電池電壓；xm為光伏系統(tǒng)的功率變化量；e-1為光伏容量。

光伏并網(wǎng)發(fā)電模型的函數(shù)表達式如下：

(4)

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制

在深入分析機組慣量阻尼，并掌握二者干擾因素后，以此為基礎(chǔ)，建立光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的慣量阻尼控制模型。

VSG是建立在微電網(wǎng)逆變控制策略基礎(chǔ)上的一種自動化慣量阻尼綜合控制器[17-18]，該控制器的核心思路圍繞并網(wǎng)輸出的虛擬慣量和虛擬阻抗展開，即通過將虛擬慣量和虛擬阻抗分別與二階、三階、五階模型結(jié)合，達到簡化原動機本地負載、放大光伏系統(tǒng)輸出功率微小變化的目的。參與結(jié)合的各階模型在影響因素的多個擾動周期內(nèi)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)特性和功率振蕩的超調(diào)量有關(guān)。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)特性和功率振蕩的超調(diào)量依賴虛擬慣量和虛擬阻抗在擾動后的自適應(yīng)變化，因此可以將轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)視為光伏系統(tǒng)的控制變量[19]。

VSG的拓撲結(jié)構(gòu)包括：直流電源，電力電子變換器，輸出LC濾波器。將同步發(fā)生器的方程式嵌入到變換器的控制中，VSG可以根據(jù)同步發(fā)生器的特性，使VSG實現(xiàn)直流電源和系統(tǒng)之間的功率交換。VSG的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

二階、三階、五階模型的表達式如下：

(5)

式中，gm為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；α為衰減因子；Δb為期望阻尼；λvac為阻尼偏差；t′為模型權(quán)重；u為慣性響應(yīng)間隔；In為發(fā)動機轉(zhuǎn)子角頻率基準值；si為有功負荷擾動閾值；sj為聯(lián)絡(luò)線功率振蕩幅值。

VSG是將同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，融入到逆變電路的控制中。將靜態(tài)功率器件模擬為旋轉(zhuǎn)電機的運行技術(shù)，對同步發(fā)電機進行一次調(diào)頻調(diào)壓，使其具備快速波動的阻尼、頻率、功率自動分配、同步電網(wǎng)運行等作用。VSG控制原理是在有功控制的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)子慣量，模擬發(fā)電機慣量，以此實現(xiàn)對電網(wǎng)運行性能的提升。

根據(jù)VSG控制策略的基本原理建立基于VSG的慣量阻尼控制模型[20-21]，其具體建立步驟如下：首先以VSG控制策略為外骨架，搭建容納虛擬慣量和虛擬阻抗的三組模型，然后計算變比例-退飽和式PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp在多個擾動周期內(nèi)抑制的虛擬慣量，以及頻率下垂系數(shù)Dp在多個擾動周期內(nèi)抑制的虛擬阻尼[22]。利用VSG本體算法削弱轉(zhuǎn)子存儲動能和功率譜變化率。

將VSG本體算法指導(dǎo)的慣量阻尼控制過程作為核心算法，與VSG控制策略的基本原理結(jié)合，建立基于VSG的慣量阻尼控制模型。VSG本體算法的表達式如下：

T=R′+|in-im|

(6)

式中，R′為轉(zhuǎn)子角速度；in為轉(zhuǎn)子線速度；im為負荷擾動后的暫態(tài)持續(xù)時間。

促使受抑制的虛擬慣量與虛擬阻尼在極短的時間內(nèi)自動回落，直至光伏并網(wǎng)發(fā)電機組輸出功率恢復(fù)初始振蕩幅值，完成機組慣量阻尼全局控制[23-24]。

慣量阻尼控制過程的輸出結(jié)果[25]表達式如下：

(7)

根據(jù)慣量阻尼控制模型的輸出結(jié)果，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼的自動化控制。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗環(huán)境

為了驗證光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制方法研究的整體有效性，需要對其測試。分別采用基于柔性直流輸電系統(tǒng)的雙邊慣量和阻尼模擬控制方案(以下簡稱：文獻[2]方法)和基于自適應(yīng)慣量阻尼的雙饋風電機組虛擬同步控制策略(以下簡稱：文獻[3]方法)作為對比方法。

擬定測試實驗平臺為MatlabR 2019b，利用MATLAB仿真軟件中的Simulink軟件包，模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電機組電路。仿真電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 仿真電路的拓撲結(jié)構(gòu)

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的主要電路參數(shù)如表2所示。

表2 光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的主要電路參數(shù)

3.2 慣量阻尼控制性能對比測試

根據(jù)上述表1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，以及表2光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的主要電路參數(shù)設(shè)置，完成了對模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電機電路的設(shè)置。分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下的慣量阻尼，實現(xiàn)對慣量阻尼控制性能的對比測試。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，影響光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量、阻尼的主要因素是頻率下垂系數(shù)Dp和變比例-退飽和式PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp。因此在驗證慣量控制性能時，首先，保證試驗對象Dp不變，觀察Kp持續(xù)下降過程中，不同方法對慣量的控制性能測試；其次，在驗證阻尼控制性能時，保證試驗對象Kp不變，觀察Dp持續(xù)下降過程中，不同方法對阻尼的控制性能測試。

考慮到Kp和Dp下降會直接干擾光伏并網(wǎng)發(fā)電機組的輸出功率，使其功率振幅明顯上升，而輸出功率的振幅大小與慣量阻尼大小密切相關(guān)，即功率振幅越小，機組慣量阻尼越大。因此將輸出功率作為縱坐標，觀察Kp和Dp強迫輸出功率振幅上升途中，不同方法下功率振幅的變化情況。充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下不同方法的功率振幅如圖4～7所示。

圖4 Kp變化時充電狀態(tài)下不同方法的功率振幅

圖6 Dp變化時充電狀態(tài)下不同方法的功率振幅

圖7 Dp變化時放電狀態(tài)下不同方法的功率振幅

從圖4～7的實驗結(jié)果可以得出，采用所提方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼，其在系統(tǒng)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下始終無視Kp和Dp干擾，將輸出功率維持在最小振蕩幅值，說明所提方法對Kp和Dp帶來的影響持有較高的防御能力，即所提方法的控制性能較好。這是因為所提方法在建立慣量阻尼控制模型前，優(yōu)先分析影響光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼的干擾因素，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合VSG實現(xiàn)慣量阻尼控制模型的構(gòu)建。而采用文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼，二者在系統(tǒng)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下均受到Kp和Dp干擾，出現(xiàn)功率幅值明顯振蕩的趨勢，說明文獻[2]方法和文獻[3]方法對Kp和Dp帶來的影響持有較低的防御能力，即文獻[2]方法和文獻[3]方法的控制性能較差。經(jīng)上述對比，可知所提方法對光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3.3 同步性能對比測試

圖8 Kp突變時不同方法的功率振幅變化情況

圖9 Dp突變時不同方法的功率振幅變化情況

為進一步測試所提方法的性能，分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼。通過觀察Kp和Dp突變時，不同方法的功率振幅變化情況，判斷不同方法的同步性能。不同方法的功率振幅變化情況如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9的實驗結(jié)果可知，所提方法在Kp和Dp突變的第一時間控制機組慣量阻尼，維持功率振幅，說明所提方法的同步性能較好。而文獻[2]方法和文獻[3]方法在Kp和Dp突變后一段時間才開始控制機組慣量阻尼，且控制功率振幅波動較大，說明文獻[2]方法和文獻[3]方法的同步性能較差。經(jīng)上述對比結(jié)果可知，文獻[2]方法和文獻[3]方法的控制機組慣量阻尼效果，較所提方法存在較大差距。因此，進一步驗證了所提方法的同步性更好。

4 結(jié)束語

光伏并網(wǎng)發(fā)電機組仍存在慣量阻尼控制效果不理想等缺陷。為了增強光伏并網(wǎng)發(fā)電機組穩(wěn)定性和振動應(yīng)力抵抗性，提出光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼控制方法研究的方法。通過分析光伏并網(wǎng)發(fā)電機組機械結(jié)構(gòu)，確定影響機組慣量阻尼的干擾因素，并分析光伏并網(wǎng)發(fā)電機組暫態(tài)特性。利用VSG本體算法模型核心算法，組建基于VSG的慣量阻尼控制模型。根據(jù)慣量阻尼控制模型的輸出結(jié)果，不斷平衡機組間的穩(wěn)定性和振動應(yīng)力抵抗性，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電機組慣量阻尼的自動化控制。實驗結(jié)果表明：

1)在慣量阻尼控制性能測試中，所提方法控制光伏并網(wǎng)發(fā)電機組，在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)下始終無視Kp和Dp干擾，其輸出功率的振動幅度維持在最小振蕩幅值，說明所提方法的控制性能較好。

2)在同步性測試中，所提方法在Kp和Dp突變的第一時間控制機組慣量阻尼，維持功率振幅，說明所提方法的同步性能較好。

根據(jù)實驗結(jié)果可知，所提方法取得了較好的實驗結(jié)果，但仍存在一些問題需要解決。如何在保證機組慣量阻尼控制性能的同時，縮減慣量阻尼控制時長，是研究人員下一步工作的重點。

致謝：感謝我的論文指導(dǎo)老師曹樂，她以嚴謹?shù)膶W(xué)風、淵博的知識詳細指導(dǎo)著我，使論文的質(zhì)量和學(xué)術(shù)水平有了提升，在此向曹樂老師致以真摯的謝意和崇高的敬意！