基于虛擬同步補(bǔ)償器的常規(guī)風(fēng)電場(chǎng)“場(chǎng)站級(jí)”電壓源型協(xié)同控制策略

翟保豫, 邸強(qiáng), 郝紅巖, 樊國(guó)偉, 徐志, 樊國(guó)旗

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院, 烏魯木齊 830001; 2.新疆電力系統(tǒng)全過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830001;3.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 4.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司, 烏魯木齊 830011; 5.國(guó)網(wǎng)金華供電公司, 金華 321001)

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和實(shí)施,中國(guó)電網(wǎng)電源逐步由火力發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔娏﹄娮咏涌诘男履茉窗l(fā)電(inverter based resources, IBR)[1-2]。電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特性。由于IBR不能如傳統(tǒng)大型同步發(fā)電機(jī)(synchronous generator,SG)一樣為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼,因此在IBR逐步替代SG的過程中,系統(tǒng)慣量和阻尼不斷降低,應(yīng)對(duì)突發(fā)性頻率事件的能力不斷削弱,安全穩(wěn)定性面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3]。另外,當(dāng)前IBR并網(wǎng)控制方式主要為跟網(wǎng)型,其輸出特性表現(xiàn)為可控電流源,不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的交流電壓源特性,缺乏電壓支撐能力,導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓源不斷減少、電壓支撐能力不足,使電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題同樣日益凸顯[4]。

為解決高比例新能源系統(tǒng)帶來的電壓穩(wěn)定性問題,通過在新能源接入點(diǎn)處附加無功補(bǔ)償裝置,可以提高電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。常見的無功補(bǔ)償設(shè)備如并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)實(shí)際上是通過改變輸電線路的電納以補(bǔ)償無功功率,其電壓支撐效果欠佳,且響應(yīng)速度慢[5]。靜止無功發(fā)生器(static var generator,SVG)通過注入無功電流方式配上靈活的控制策略可以實(shí)現(xiàn)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,在一定程度上SVG可以提供無功功率以支撐系統(tǒng)電壓。然而,無功功率補(bǔ)償?shù)哪康氖蔷S持系統(tǒng)電壓水平,上述設(shè)備從根本上并沒有改變當(dāng)前新型電力系統(tǒng)電壓源缺失的現(xiàn)狀。因此,在這種新型電力系統(tǒng)中,亟須發(fā)展具有無功補(bǔ)償靈活調(diào)節(jié)能力與慣量主動(dòng)支撐能力的設(shè)備以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性與頻率穩(wěn)定性問題。

為解決“雙高”系統(tǒng)電壓源缺失性問題,學(xué)者已提出使用構(gòu)網(wǎng)變流器(grid-forming,GFM)代替跟網(wǎng)型變流器來模擬SG的電動(dòng)機(jī)制,從而使得新能源在并網(wǎng)過程中表現(xiàn)為電壓源特性,主動(dòng)形成電網(wǎng)電壓。構(gòu)網(wǎng)型變流器采用與同步發(fā)電機(jī)類似的功率同步策略,不需要借助鎖相環(huán)便可實(shí)現(xiàn)同步。輔以儲(chǔ)能元件或預(yù)留備用容量時(shí),構(gòu)網(wǎng)型變流器可額外提供電網(wǎng)慣量和阻尼支撐,提升系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定性。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種構(gòu)網(wǎng)控制策略。其中,基于模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理的改進(jìn)下垂控制[6]、 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制[7]的應(yīng)用較多;此外,匹配控制、虛擬振蕩器控制等非線性控制方法也得到了廣泛關(guān)注[8-11]。

然而,構(gòu)網(wǎng)型控制需要對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)/風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行換代升級(jí),經(jīng)濟(jì)投入較大,實(shí)現(xiàn)困難。并且新能源應(yīng)保持最優(yōu)出力運(yùn)行,保障有功功率輸出,導(dǎo)致難以保障無功功率的可靠提供。因此,在弱電網(wǎng)或長(zhǎng)鏈?zhǔn)侥┒穗娋W(wǎng)場(chǎng)景中,新能源仍需配置無功功率補(bǔ)償器。針對(duì)以上問題,研究人員結(jié)合構(gòu)網(wǎng)型控制策略和SVG各自的特點(diǎn),提出了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator,VSG)技術(shù)的無功補(bǔ)償器[12-14]及虛擬同步補(bǔ)償器(virtual synchronization compensator, VSCOM),實(shí)現(xiàn)以電壓源的方式快速補(bǔ)償無功功率,提升電壓穩(wěn)定性,擬解決新型電力系統(tǒng)中電壓源缺失問題。文獻(xiàn)[15]提出可在VSCOM配置小容量功率型的儲(chǔ)能裝置,提高同步穩(wěn)定性的同時(shí)支撐電網(wǎng)慣量和阻尼。應(yīng)用VSCOM不需要改造現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)的硬件與控制結(jié)構(gòu)即可提高電壓穩(wěn)定性。然而,現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)與交流側(cè)虛擬同步補(bǔ)償器的獨(dú)立控制策略,并未從根本上解決新能源場(chǎng)站整體表現(xiàn)為電壓源特性的問題。新能源與VSCOM在匯集站并網(wǎng)點(diǎn)(point of coupling,POC)處并聯(lián)運(yùn)行,風(fēng)力發(fā)電與虛擬慣量控制脫離,使該控制對(duì)風(fēng)速波動(dòng)引起的頻率波動(dòng)不具有直接平抑作用[16]。且當(dāng)新能源出力驟變時(shí),電流會(huì)倒灌注入VSCOM設(shè)備,危及VSCOM的安全運(yùn)行。

基于上述背景,現(xiàn)提出一種實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)變流站和VSCOM協(xié)同控制的解決方案及控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以期在保證VSCOM安全運(yùn)行的前提下,使得整個(gè)新能源場(chǎng)站表現(xiàn)出電壓源特性的同時(shí)又能為新能源電場(chǎng)提供阻尼支撐作用。其次,充分考慮超級(jí)電容儲(chǔ)能容量的限制作用,利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)所提方案的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證,最終給出超級(jí)電容容量的最佳配比。

1 虛擬同步補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法

虛擬同步補(bǔ)償器由現(xiàn)有的靜止無功發(fā)生器改進(jìn)而來,在控制層面上采用VSG控制策略,使之并網(wǎng)特性從電流源轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷涸?主動(dòng)支撐節(jié)點(diǎn)電壓。VSCOM主要作為無功補(bǔ)償器,其主要作用是提供無功功率,以支撐電網(wǎng)電壓。同時(shí)其虛擬同步機(jī)控制方法可為系統(tǒng)提供額外的阻尼和虛擬慣量,提高系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力和降低振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 虛擬同步補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

虛擬同步補(bǔ)償器在電網(wǎng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,直掛式連接于新能源場(chǎng)站的35 kV匯集站POC處,以補(bǔ)償新能源場(chǎng)站無功需求。

圖1 虛擬同步補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

虛擬同步補(bǔ)償器由SVG和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩部分組成。SVG為主體部分,包括直流電容和并網(wǎng)變換器,VSCOM無功補(bǔ)償控制和電壓支撐控制由構(gòu)網(wǎng)型變換器實(shí)現(xiàn);超級(jí)電容儲(chǔ)能用于提供電壓源型并網(wǎng)過程中所需有功功率以及慣量和阻尼支撐時(shí)的有功功率,其所連接的DC-DC變換器用于控制超級(jí)電容充放電及荷電狀態(tài)。注意,超級(jí)電容并非VSCOM必備結(jié)構(gòu),若直流電容足夠大,VSCOM功角同步暫態(tài)功率可由直流電容提供,但是其慣性和阻尼支撐能力減弱。根據(jù)新能源電站需求,提出VSCOM超級(jí)電容的容量配置方法,以提升新能源電站站內(nèi)和站外系統(tǒng)交互穩(wěn)定性。值得注意的是VSCOM仍然側(cè)重為無功補(bǔ)償設(shè)備,控制主體目標(biāo)是電壓支撐,而非儲(chǔ)能調(diào)頻功能。

1.2 虛擬同步補(bǔ)償器控制方法

VSCOM工作在構(gòu)網(wǎng)模式下,其控制由外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩部分組成。內(nèi)部控制回路用于POC點(diǎn)電壓跟蹤基準(zhǔn)值。外部控制回路用于功角同步、直流電壓調(diào)節(jié)和基準(zhǔn)電壓設(shè)置,從而為系統(tǒng)提供所需的電壓和頻率支撐。圖2是VSCOM并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖,通過測(cè)量虛擬同步補(bǔ)償器三相濾波器電感電流ILabc和電容電壓Uoabc,經(jīng)過Park變換后得到對(duì)應(yīng)的dp軸分量Idq和Udq,通過功率計(jì)算得到虛擬同步補(bǔ)償器輸出的有功功率P和無功功率Q。

Ea、Eb、Ec分別為變流器端電壓;Ia、Ib、Ic分別為三相濾波器電感電流;Iqd、Uqd分別為變換后的dq軸電流和電壓;Pset、Qset、Uref分別為有功功率、無功功率、電壓的參考值;Ppoc為匯集站處有功功率參考值;Em為參考電壓幅值;ωm為角頻率

1.2.1 電網(wǎng)同步

VSCOM的有功功率控制環(huán)模擬了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的擺動(dòng)方程以提供虛擬慣性和實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)同步[17],VSCOM 的并網(wǎng)暫態(tài)過程如下。

(1)

式(1)中:M為虛擬慣量;D為阻尼系數(shù);ωvscom為變流器內(nèi)部頻率;P*為有功功率參考值。在穩(wěn)態(tài)下,有功功率參考值P*設(shè)置為0,變換器頻率與電網(wǎng)頻率保持一致,母線潮流維持在額定值。此時(shí),虛擬同步補(bǔ)償器不輸出有功功率,只提供無功功率。在暫態(tài)過程中,ωvscom追隨電網(wǎng)頻率變化,但ωvscom的變化落后于電網(wǎng)頻率變化,從而造成變換器電壓和電網(wǎng)電壓之間的較大相位差,從而使VSCOM模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng),由超級(jí)電容向電網(wǎng)輸出功率P,以保持功角同步。在此過程中,超級(jí)電容釋放的能量可以用來支持系統(tǒng)的慣性。這里的阻尼系數(shù)D應(yīng)當(dāng)選取的足夠大,以降低直流電容的功率交換速度,從而保證直流電壓穩(wěn)定。

1.2.2 電壓支撐

在1.1節(jié),VSCOM作為一個(gè)電壓源,它可以直接建立POC節(jié)點(diǎn)電壓,支撐電網(wǎng)電壓。其控制方法表達(dá)式為

E=V*+Kv(V*-Vg)+Kq(Q*-Q)

(2)

式(2)中:Q*為參考無功功率;Q為輸出無功功率;V*為參考電壓;Vg為電網(wǎng)電壓;系數(shù)Kv、Kq為單位電壓變化對(duì)應(yīng)的無功功率調(diào)整值。

當(dāng)Kv=Kq=0時(shí),VSCOM運(yùn)行在恒電壓模式;當(dāng)Kv=0時(shí),VSCOM運(yùn)行在無功功率下垂控制模式;當(dāng)Kq=0時(shí),VSCOM運(yùn)行在勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式。無論運(yùn)行在何種模式,VSCOM始終采用電壓源控制方法,主動(dòng)控制POC電壓幅值,其輸出無功功率和相位根據(jù)負(fù)載自行改變。

需要注意的是,在故障期間若繼續(xù)保持端電壓的恒定,可能會(huì)發(fā)生過電流現(xiàn)象,造成設(shè)備的損毀。為防止VSCOM過電壓,參考電壓必須被限制和相應(yīng)降低。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中并網(wǎng)變換器的故障穿越模型,電壓限制設(shè)置規(guī)則如下。

V*≤Vmax

(3)

(4)

式中:Xf和Bf為VSCOM濾波器阻抗;Im為VSCOM正常工作的最大限制電流。

2 虛擬同步補(bǔ)償器協(xié)同控制

虛擬同步補(bǔ)償器在無額外控制的前提下,它與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行,在新能源出力驟變的時(shí)候,電流會(huì)倒灌注入VSCOM。并且由于它們分別對(duì)電網(wǎng)單獨(dú)注入功率,無法為風(fēng)電系統(tǒng)提供阻尼,及無法抑制風(fēng)電輸出的波動(dòng)性。通過協(xié)同控制迫使風(fēng)機(jī)能量流經(jīng)VSCOM,再由VSCOM控制電網(wǎng)功率輸入,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)新能源場(chǎng)站和VSCOM整體對(duì)外表現(xiàn)為電壓源特性,使得POC電壓可控。同時(shí),因儲(chǔ)能額定容量限制,其風(fēng)電功率不能完全注入儲(chǔ)能中,可以通過協(xié)同控制禁止功率倒灌入VSCOM,避免VSCOM過載。

2.1 協(xié)同控制電壓源場(chǎng)站特性實(shí)現(xiàn)

在傳輸電網(wǎng)中,電網(wǎng)電阻可以忽略,假設(shè)傳輸線上僅存在感性阻抗Xg,電網(wǎng)電壓Vg相位為0, 則變換器注入電網(wǎng)的功率為

(5)

(6)

式中:Vo、Vg分別為變換器POC電壓幅值和電網(wǎng)電壓幅值;δ為兩者電壓相位差;P、Q分別為有功功率和無功功率輸出,其大小由Vo和α確定。跟網(wǎng)型新能源電場(chǎng)直接控制入網(wǎng)的有功和無功功率。VSCOM直接控制接入點(diǎn)的電壓幅值和有功功率(其值為0,經(jīng)控制輸出相位實(shí)現(xiàn)有功功率控制)。因VSCOM協(xié)同控制目標(biāo)之一為整個(gè)新能源場(chǎng)站表現(xiàn)出電壓源特性,因此POC表現(xiàn)為PV節(jié)點(diǎn),其電壓幅值由VSCOM決定、其有功功率需與新能源場(chǎng)站輸出有功功率保持平衡。為對(duì)新能源電場(chǎng)提供阻尼支撐作用,其在POC處的輸出功率應(yīng)需由VSCOM的同步控制環(huán)[式(1)]實(shí)現(xiàn)。即VSCOM決定POC電壓相位,但其值應(yīng)滿足新能源有功功率輸出。

圖3為虛擬同步補(bǔ)償器與風(fēng)力發(fā)電的協(xié)同控制結(jié)構(gòu)。通過測(cè)量每臺(tái)風(fēng)機(jī)在PCC點(diǎn)處的三相濾波器電感電流Iabc和電容電壓Uabc,經(jīng)過功率計(jì)算得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出的有功功率Pwi。隨后將計(jì)算得到的數(shù)值輸入至協(xié)同控制中心,得到風(fēng)電廠發(fā)電總功率Pwt,即

Pw1、Pwn為單臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電功率;δ為虛擬同步補(bǔ)償器相位;ΔP為波動(dòng)功率;Pwt為風(fēng)電廠發(fā)電總功率;Pg為虛擬同步補(bǔ)償器注入電網(wǎng)的有功功率

Pwt=Pw1+Pw2+…+Pwn

(7)

穩(wěn)態(tài)時(shí),電網(wǎng)工作在額定頻率,虛擬同步補(bǔ)償輸出功率為零,即Pess=0。注入電網(wǎng)的功率Pg等于風(fēng)力發(fā)電功率。

Pwt=P*=Pg=Pwt0

(8)

當(dāng)風(fēng)電出力發(fā)生波動(dòng)瞬間,在VSCOM的協(xié)同控制下,波動(dòng)功率ΔP存入VSCOM的超級(jí)電容中,POC 相位不發(fā)生躍變。此時(shí),超級(jí)電容提供阻尼和慣性支撐作用。

(9)

隨后,VSCOM協(xié)同控制單元監(jiān)控到風(fēng)電出力發(fā)生波動(dòng),改變參考功率P*,在其并網(wǎng)同步暫態(tài)(1)的作用下,POC電壓相位發(fā)生緩慢連續(xù)變化,輸出功率Pg跟隨當(dāng)前參考功率P*,具體控制過程如下。

(10)

式(10)中:Pess為VSCOM對(duì)電網(wǎng)注入風(fēng)機(jī)增發(fā)功率量;N(t)為關(guān)于虛擬慣量、阻尼和電網(wǎng)阻抗的功率傳遞函數(shù)[16]。

當(dāng)注入電網(wǎng)功率等于當(dāng)前風(fēng)機(jī)發(fā)電總功率時(shí),VSCOM返回到有功功率零輸出狀態(tài),即Pess=0,系統(tǒng)到達(dá)新的穩(wěn)定點(diǎn),即

Pwt=P*=Pg=Pwt0+ΔP

(11)

在此協(xié)同控制過程中,所產(chǎn)生的功率波動(dòng)經(jīng)由儲(chǔ)能變換器中的 VSCOM 控制所抑制,而VSCOM的輸出相位則根據(jù)風(fēng)機(jī)功率的值進(jìn)行調(diào)節(jié),最終將匯集站電壓穩(wěn)定在設(shè)定值,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)“場(chǎng)站級(jí)”電壓源型控制目標(biāo),同時(shí)保證了系統(tǒng)具有足夠阻尼和慣量支撐的協(xié)同控制效果。

2.2 協(xié)同控制VSCOM超額功率前饋實(shí)現(xiàn)

在提供阻尼功能的協(xié)同控制中,由于POC相位已被VSCOM鎖定,風(fēng)機(jī)發(fā)電變換量Pw將首先注入VSCOM中的超級(jí)電容。在極端情況下,其功率變化量可為風(fēng)電場(chǎng)額定容量,而VSCOM主要為無功功率補(bǔ)償,不會(huì)投入與風(fēng)電場(chǎng)同等容量的無功補(bǔ)償設(shè)備。因此,VSCOM需限制有功功率交互。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)POC表現(xiàn)為電壓源,及VSCOM控制POC電壓相位,所提出的協(xié)同控制將進(jìn)一步針對(duì)新能源對(duì)VSCOM注入的過載功率進(jìn)行前饋控制VSCOM輸出相位跳變,保證VSCOM安全運(yùn)行的同時(shí)提供等容量阻尼支撐效應(yīng)。

ΔP=Pwt-P

(12)

Pex=|ΔP|-Pm

(13)

式中:Pm為VSCOM中超級(jí)電容變換器的額定功率;Pex為過載功率。當(dāng)功率變化ΔP大于超級(jí)電容額定值Pm,為避免儲(chǔ)能過載,協(xié)同單元直接將Pex注入電網(wǎng)而不是存入超級(jí)電容中。

在2.1節(jié)式(5)和式(6)中指出,風(fēng)電機(jī)組與VSCOM中的超級(jí)電容對(duì)電網(wǎng)的整體輸出由POC 電壓與系統(tǒng)電壓共同決定。該函數(shù)方程有4個(gè)變量,若調(diào)整任意兩個(gè)變量,則其余變量可隨之確定。其中POC電壓由VSCOM直接建立,為了向系統(tǒng)注入過載功率Pex,POC處電壓相位δ必須發(fā)生躍變。

Npi(s)是采用比例積分控制的傳遞函數(shù),可以將過載功率Pex轉(zhuǎn)換成相位δ,然后送入轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,其數(shù)學(xué)模型為:

(14)

式(14)中:Kp、Ki分別為PI控制器的比例和積分系數(shù)。

2.3 協(xié)同控制參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓源控制特性是響應(yīng)速度快,在協(xié)同控制環(huán)節(jié)還應(yīng)保持新能源+VSCOM對(duì)電網(wǎng)的整體響應(yīng)符合電壓源<200 ms的要求[19],因此規(guī)定了協(xié)同控制參數(shù)的選參方法。虛擬電勢(shì)相位δ由VSCOM直接控制,而變流器輸出電壓相位α可通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),故功率波動(dòng)與相位變化的關(guān)系表達(dá)式[16]為

(15)

式(15)中:

a1=Ug0LLg(Rsinδ0+Xcosδ0)-E0LXLg;

a2=2Ug0Lrg(Rsinδ0+Xcosδ0)-E0LXrg-

Ug0Lvsinδ0(R2-X2)+

2E0LvXsinδ0(Rsinδ0-Xcosδ0);

a3=Ug0(R2+X2)(Rsinδ0+Xcosδ0)-

2Ug0RvR2sinδ0+

2E0RvXsinδ0(Rsinδ0-Xcosδ0)。

其中,下標(biāo)“0”代表初始狀態(tài),R=Rg+Rv,X=Xv+Xg,L=Lv+Lg。(-R/L±jωg)為ZL(s)的極點(diǎn),在系統(tǒng)額定頻率ωg處發(fā)生諧振,相角從0°降到-180°。

VSCOM電壓電流控制環(huán)的數(shù)學(xué)公式為

式(16)中:Kpv、Kiv分別為電壓控制器的比例積分系數(shù);Cf為無源濾波器的容抗值;ti為電流控制器的時(shí)間常數(shù),通常小于 10 ms。當(dāng)Nvsc(s)的相角從 0°降為-180°時(shí),閉環(huán)增益由 0 dB 轉(zhuǎn)成負(fù)。

超額功率控制的頻率域特性為

(17)

當(dāng)VSCOM頻率等于額定頻率時(shí),Nex(s)相角降到-180 °。過載功率控制的比例積分轉(zhuǎn)角頻率為Kp,當(dāng)相角由-90°升到0°時(shí),為確保負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定,Kp需小于ωg。在該情況下,VSCOM電壓電流控制環(huán)可忽略不計(jì),變流器主要由PI環(huán)控制,ZL(s) 呈現(xiàn)為增益狀態(tài),其大小由虛擬阻抗決定,表達(dá)式為

(18)

此時(shí),超額功率控制的頻率域特性可由式(17)改寫為

(19)

(20)

為保證系統(tǒng)頻率升高后,開環(huán)增益下跌速度高于-20 dB/decade,ωco必須低于轉(zhuǎn)折頻率Ki/Kp,所以超額功率控制平衡點(diǎn)存在的條件應(yīng)滿足條件為

(21)

由此可得超額功率調(diào)節(jié)的前饋控制函數(shù)為

(22)

式(22)中:ti為時(shí)間常數(shù),表達(dá)式為

(23)

為快速控制超級(jí)電容輸出,超額功率調(diào)節(jié)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡量選取較小值。

當(dāng)增發(fā)電量ΔP小于超級(jí)電容額定限值時(shí),相角僅由VSCOM控制,即圖4中紫色框圖所示,其中N(s)的傳遞函數(shù)為

圖4 虛擬同步補(bǔ)償器傳遞函數(shù)

(24)

式(24)中:M為慣量。

綜上,風(fēng)電機(jī)組與虛擬同步補(bǔ)償器協(xié)同控制如圖4所示,其中紫色框圖是為電壓源場(chǎng)站特性實(shí)現(xiàn)功能,用于平抑超級(jí)電容所能容納的風(fēng)電波動(dòng)性;而綠色框圖是超額功率前饋實(shí)現(xiàn)功能,將大于超級(jí)電容額定值的增發(fā)電量直接輸注入系統(tǒng)。

3 案例分析

為驗(yàn)證所提方案的可行性和有效性,在MATLAB/Simulink 中搭建了圖3所示的虛擬同步補(bǔ)償器協(xié)同控制模型,其中,VSCOM參數(shù)設(shè)置如表1所示。電網(wǎng)系統(tǒng)等效為可控電壓源,超級(jí)電容用理想的直流電源表示。

表1 VSCOM參數(shù)設(shè)置

3.1 案例1:電壓源場(chǎng)站特性驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的協(xié)同控制方法在發(fā)電阻尼支持方面的動(dòng)態(tài)特性,比較了以下兩種新能源方案。

方案1跟網(wǎng)型新能源交流側(cè)配置VSCOM,無協(xié)同控制,及VSCOM僅控制POC電壓幅值,POC電壓相位由新能源輸出功率自動(dòng)變化。

方案2跟網(wǎng)型新能源交流側(cè)配置VSCOM,采用協(xié)同控制,及VSCOM控制POC電壓幅值和相位。

為了保障對(duì)比的公平性,在以上2組系統(tǒng)中其VSCOM和變換器內(nèi)部控制參數(shù)相同。

仿真僅考慮協(xié)同控制策略中的發(fā)電阻尼配置功能,即2.1節(jié)中內(nèi)容。因此未限制超級(jí)電容額定值,并將控制(圖3)中的功率限制Pm設(shè)置為無窮大。為測(cè)試其發(fā)電阻尼提供作用,測(cè)試系統(tǒng)在0.5 s時(shí)風(fēng)力發(fā)電功率從0 kW增加到500 kW,圖5中顯示了POC處風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)注入的有功和無功功率。

圖5 案例1:電壓源場(chǎng)站特性驗(yàn)證

在發(fā)電時(shí),即圖5(a)中0.5～1.1 s功率輸出響應(yīng)對(duì)比可知,在VSCOM無協(xié)同控制方案風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中,其VSCOM參考功率為P*=0 kW,風(fēng)機(jī)發(fā)出的電直接注入電網(wǎng),因此有功輸出呈現(xiàn)階躍變化。然而,在VSCOM采用協(xié)同控制方案時(shí),通過系統(tǒng)控制強(qiáng)制P*=Pw,從而使發(fā)出的風(fēng)電先注入交流側(cè)VSCOM再由儲(chǔ)能變換器控制輸入電網(wǎng),因?yàn)閮?chǔ)能變換器采用了相同參數(shù)的VSCOM控制,所以協(xié)同控制可使發(fā)電具備的阻尼特性,輸出功率較無協(xié)同控制更為平滑。圖5(c)是協(xié)同控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)POC處電壓波形,500 kW功率在0.5 s時(shí)刻注入電網(wǎng)后,POC處電壓出現(xiàn)上升波動(dòng)。由于VSCOM始終采用電壓源控制方法,主動(dòng)控制POC電壓幅值,在80 ms后匯集站POC處電壓恢復(fù)到初始狀態(tài)(1 p.u.)。這驗(yàn)證了所提出的協(xié)同控制方法可以使整個(gè)新能源場(chǎng)站表現(xiàn)出電壓源特性,同時(shí)通過超級(jí)電容為風(fēng)機(jī)提供阻尼,并使發(fā)電功率按預(yù)期式(8)～式(12)流動(dòng)。

3.2 案例2:VSCOM超額控制功能驗(yàn)證

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出總功率大于超級(jí)電容額定容量時(shí),風(fēng)機(jī)不能將全部功率先存儲(chǔ)到超級(jí)電容后再注入電網(wǎng)。為驗(yàn)證VSCOM在協(xié)同控制中的超額功率調(diào)節(jié)性能,設(shè)置超級(jí)電容額定功率為 100 kW,風(fēng)機(jī)輸出功率在0.5 s時(shí)刻從 0 kW躍變到200 kW,相應(yīng)的儲(chǔ)能功率和注入電網(wǎng)總功率波形變化如圖6(a)所示。

圖6 案例2:超額功率控制

可以看出,由于超級(jí)電容額定功率為100 kW,而風(fēng)電機(jī)組輸出總功率為200 kW(過載功率100 kW),VSCOM在協(xié)同控制下先向系統(tǒng)注入100 kW,剩余100 kW先存儲(chǔ)到超級(jí)電容后再緩慢釋放注入電網(wǎng)。圖6(b)則顯示了POC處電壓變化情況,在協(xié)同控制中加入儲(chǔ)能過載調(diào)節(jié)功能后電壓仍能快速返回到設(shè)定值,保持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定?？梢?VSCOM協(xié)同控制在避免功率過載的同時(shí)向系統(tǒng)提供阻尼支撐。

3.3 案例3:電壓支撐功能驗(yàn)證

VSCOM作為一個(gè)無功補(bǔ)償設(shè)備,其控制主體目標(biāo)是電壓支撐。在電力電網(wǎng)中模擬電壓事件,以驗(yàn)證采用協(xié)同控制時(shí)VSCOM電壓支撐特性。設(shè)置電網(wǎng)電壓在1 s時(shí)跌落至0.8 p.u.,持續(xù)時(shí)間100 ms后重新恢復(fù)。

圖7(a)顯示了故障期間新能源場(chǎng)站對(duì)電網(wǎng)注入的功率。電壓跌落后,VSCOM迅速反應(yīng),通過注入無功功率向系統(tǒng)提供電壓支撐。在故障發(fā)生以及解除的瞬間,由于巨大的擾動(dòng),風(fēng)電場(chǎng)向系統(tǒng)注入的有功功率在額定值500 kW附近發(fā)生振蕩。圖7(b)為新能源場(chǎng)站并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況。通過采用協(xié)同控制,POC點(diǎn)電壓僅在電網(wǎng)電壓跌落(1 s)和恢復(fù)(1.1 s)瞬間呈現(xiàn)半個(gè)周期的下跌和抬升現(xiàn)象,整個(gè)新能源場(chǎng)站對(duì)外展現(xiàn)出較好的恒壓源特性。

圖7 案例3:電壓跌落測(cè)試

3.4 案例4:儲(chǔ)能裝置容量配置

上述案例中為驗(yàn)證VSCOM協(xié)同控制功能,風(fēng)機(jī)出力設(shè)置過于理想,而實(shí)際上風(fēng)機(jī)輸出功率時(shí)刻在波動(dòng)變化。根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力情況,驗(yàn)證VSCOM協(xié)同控制的可行性以及超級(jí)電容容量配比對(duì)其調(diào)節(jié)作用的影響。

圖8中4根曲線分別代表超級(jí)電容上限功率設(shè)定為風(fēng)電場(chǎng)總功率(200 kW)的0、5%、15%和100%時(shí)對(duì)風(fēng)電出力變化的平抑效果。其中0表示不配置超級(jí)電容,100%時(shí)風(fēng)機(jī)可將全部功率先存入超級(jí)電容后再注入電網(wǎng),因而調(diào)節(jié)效果更平滑。配比為5%時(shí),系統(tǒng)具備一定阻尼支撐作用。然而在超級(jí)電容配比為15%時(shí),調(diào)控曲線與100%配比時(shí)幾乎重疊?？梢?超級(jí)電容額定功率為15%的風(fēng)機(jī)額定功率時(shí),其協(xié)同控制效果即可實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)電波動(dòng)性抑制和阻尼性能。

圖8 案例4:容量配置對(duì)風(fēng)電波動(dòng)性抑制的影響作用

4 結(jié)論

針對(duì)“雙高”系統(tǒng)電壓源缺失性及慣性和阻尼不夠帶來的電壓穩(wěn)定性問題,在風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯集站處配備虛擬同步補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的虛擬同步補(bǔ)償器協(xié)同控制方案,并得出以下結(jié)論。

(1)通過協(xié)同控制風(fēng)電場(chǎng)與虛擬同步補(bǔ)償超級(jí)電容的出力,能夠在保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下,整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)站表現(xiàn)出電壓源特性,同時(shí)可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供阻尼支撐作用。

(2)超級(jí)電容額定功率為15%的風(fēng)機(jī)額定功率時(shí),其協(xié)同控制效果即可實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)電波動(dòng)性抑制和阻尼性能。

(3)在充分考慮超級(jí)電容儲(chǔ)能容量的限制作用下,利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)驗(yàn)證了所提方案的有效性和可行性。