基于光伏-MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的控制參數(shù)整定方法

王 岳，李晨陽，黃永章，張馨月，王 童，趙海森

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）；2.國網(wǎng)南京市供電公司，江蘇南京 210000）

0 引言

近年來，新能源發(fā)電在國民經(jīng)濟(jì)與生活中發(fā)揮日益重要的作用。新能源的大規(guī)模接入使電網(wǎng)呈現(xiàn)電力電子化特性，進(jìn)而引發(fā)一系列的穩(wěn)定性問題，如頻率調(diào)節(jié)能力下降、電壓穩(wěn)定問題突出等[1-2]。

根據(jù)控制對象的不同，并網(wǎng)逆變器的控制主要分為電流源模式和電壓源模式。電流源模式的并網(wǎng)逆變器主要采用基于鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）控制的電壓定向方案[3-4]。在強(qiáng)電網(wǎng)下具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，但在電網(wǎng)阻抗波動時(shí)，電流源模式逆變器的穩(wěn)定裕度會下降[5]。針對此問題，有學(xué)者提出了無需使用PLL 的電壓源模式并網(wǎng)逆變器控制策略[6-7]，但該控制在系統(tǒng)大擾動時(shí)會出現(xiàn)機(jī)理更為復(fù)雜的同步暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象[8]。針對同步暫態(tài)失穩(wěn)問題，有學(xué)者從控制環(huán)節(jié)、參數(shù)整定等角度對逆變器控制進(jìn)行優(yōu)化[9-13]，但仍然不能從根本上解決高占比電力電子逆變器對電網(wǎng)帶來的弱阻尼和低慣量等穩(wěn)定性問題。

為克服逆變器的不足，有學(xué)者提出了一種基于電動機(jī)-發(fā)電機(jī)對（Motor-Generator Pair，MGP）的并網(wǎng)新方式[14]，也稱為新能源同步機(jī)。相比于傳統(tǒng)新能源并網(wǎng)，新能源同步機(jī)具有多種優(yōu)點(diǎn)[15-17]。文獻(xiàn)[16]通過實(shí)驗(yàn)證明MGP 能顯著抑制系統(tǒng)震蕩，并能為新能源電力系統(tǒng)提供足夠的慣性響應(yīng)。文獻(xiàn)[17]通過仿真研究證明，將MGP 集成到電網(wǎng)可以減小系統(tǒng)的頻率變化率（Rate of Change of Frequency，RoCoF）約20%，降低光伏輸出直流電流沖擊約17%。

新能源采用MGP 并網(wǎng)首先要確?？刂频姆€(wěn)定性，即對控制參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確整定。然而目前國內(nèi)外學(xué)者提出的參數(shù)整定方法均針對于電力電子變流器[18-22]，由于MGP 在并網(wǎng)環(huán)節(jié)與常規(guī)新能源并網(wǎng)存在較大差異，常規(guī)變流器控制參數(shù)整定方法無法直接用于新能源-MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)，因此亟需研究適用于MGP 系統(tǒng)的控制參數(shù)整定方法。

本文將從理論計(jì)算的角度對MGP 系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行整定。以光伏-MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過分析光伏采用直流電壓反饋控制驅(qū)動MGP 的控制原理，建立適用于描述該系統(tǒng)動態(tài)特性的簡化傳遞函數(shù)；基于頻域內(nèi)系統(tǒng)的幅值和相位裕度，以及系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)中的超調(diào)量、峰值時(shí)間為衡量標(biāo)準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制參數(shù)，最終形成用于光伏-MGP 并網(wǎng)控制參數(shù)整定的通用性方法。

1 光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)的直流電壓反饋控制

1.1 MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

新能源采用MGP 并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。光伏、風(fēng)機(jī)等新能源電力通過變流器逆變?yōu)榻涣麟?，?qū)動同步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)拖動同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。

圖1 MGP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 MGP system structure diagram

關(guān)于光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)的效率、成本等方面，已有學(xué)者進(jìn)行了研究[23-25]。文獻(xiàn)[24]通過搭建新能源經(jīng)MGP 并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，計(jì)算出MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率約為90%。雖然該效率略低于光伏經(jīng)逆變器并網(wǎng)，但MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[25]通過理論計(jì)算與仿真分析，得出50 MW 的新能源經(jīng)MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)的投資成本，是同容量、提供相同慣性的光伏經(jīng)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的1/10。因此將MGP 應(yīng)用于光伏等新能源并網(wǎng)系統(tǒng)，較傳統(tǒng)新能源并網(wǎng)方式具有更多優(yōu)勢。

1.2 MGP的功角特性及運(yùn)動方程

MGP 系統(tǒng)由2 臺同步機(jī)組成，MGP 的相位和電壓矢量關(guān)系如圖2 所示。

圖2 MGP系統(tǒng)的電壓矢量圖Fig.2 Voltage vector diagram of MGP system

圖2 中，UM和EM為電動機(jī)的端電壓和內(nèi)電勢；U′M和E′M為變化后的電動機(jī)端電壓和內(nèi)電勢；U0和E0為發(fā)電機(jī)的端電壓和內(nèi)電勢，U0也代表并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)電壓；δM和δG為電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的功角；δC為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的夾角；Δθ為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)端電壓的夾角，稱為MGP 系統(tǒng)的功角；Δθ′為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)端電壓相位變化后的夾角。

基于圖2 的電壓矢量關(guān)系，MGP 系統(tǒng)的功率傳輸方程可以表示為式（1）和式（2），功角關(guān)系可以表示為式（3）：

式中：PM為同步電動機(jī)的有功功率；PG為同步發(fā)電機(jī)的有功功率；XM為電動機(jī)定子同步電抗；XG為發(fā)電機(jī)定子同步電抗；Δδ為MGP 的功角變化量。

根據(jù)圖2 并結(jié)合式（1）—式（3）可知，當(dāng)以U0為電壓相位參考時(shí)，UM相位的變化可以造成MGP 系統(tǒng)功角的變化，從而改變MGP 系統(tǒng)的功率傳輸，這就是MGP 系統(tǒng)的功角特性。由于MGP 系統(tǒng)由2臺同步電機(jī)組成，根據(jù)單臺同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，可以得到MGP 系統(tǒng)的運(yùn)動方程，如式（4）和式（5）所示：

式中：HM與HG為同步電動機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)；TeM與TeG為同步電動機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；KDM與KDG為同步電動機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)；ω0為額定轉(zhuǎn)速；Δωr為MGP 轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速偏差量。

1.3 MGP的直流電壓反饋控制

改變MGP 輸出有功功率的關(guān)鍵，是改變圖1中MGP 的源-網(wǎng)相位差Δθ，而控制Δθ的關(guān)鍵是改變UM的相位。為此，有學(xué)者提出了基于調(diào)頻的MGP 功率反饋控制[22]。當(dāng)MGP 并網(wǎng)時(shí)，U0的頻率為50 Hz，通過控制逆變器調(diào)制波的頻率，調(diào)節(jié)UM的相位，最終實(shí)現(xiàn)對MGP 輸出有功功率的控制。

MGP 功率反饋控制的控制環(huán)節(jié)簡單，但在光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏端電壓將會發(fā)生波動，MGP 將無法以恒定功率輸出運(yùn)行。為解決此問題，有學(xué)者提出了MGP 的直流電壓反饋控制，簡稱MGP電壓反饋控制。電壓反饋控制的控制框圖如圖3 所示。

圖3 MGP直流電壓反饋控制Fig.3 DC voltage feedback control for MGP

圖3 中，光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking，MPPT）提供光伏最大輸出功率點(diǎn)對應(yīng)的參考電壓Udc0。根據(jù)光伏端電壓與變頻器傳輸功率的變化特性，可以制定MGP 直流電壓反饋控制策略：對比光伏端電壓Udc與Udc0，將偏差值ΔUdc乘比例系數(shù)Kp與積分系數(shù)Ki后，轉(zhuǎn)化為頻率修正量Δf，并對電網(wǎng)電壓頻率fg進(jìn)行修正，得到變頻器調(diào)制波的頻率參考值fref，最終改變電動機(jī)端電壓頻率。調(diào)制波的電壓幅值|U|與初始相位φ0為定值。由于發(fā)電機(jī)端電壓的頻率被電網(wǎng)鉗位并穩(wěn)定在額定值，電動機(jī)與發(fā)電機(jī)端電壓的相位差會出現(xiàn)改變，可以實(shí)現(xiàn)對MGP 有功功率輸出的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電容電壓，改變光伏輸出功率與Udc，實(shí)現(xiàn)Udc對Udc0的跟蹤效果。

2 電壓反饋并網(wǎng)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法

2.1 控制系統(tǒng)建模

為了進(jìn)行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及參數(shù)整定，首先建立基于電壓反饋的控制框圖如圖4 所示。

圖4 MGP系統(tǒng)電壓反饋控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of voltage feedback control for MGP system

圖4 中，G1，G2為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的功角-功率傳遞函數(shù)；G3為MGP 系統(tǒng)的功角-功率傳遞函數(shù)；G4為MGP 輸出功率與光伏板端電壓的傳遞函數(shù)；C為PI 控制器的傳遞函數(shù)；Ploss為MGP 系統(tǒng)的損耗；Udc為光伏端電壓；Udcref為光伏端電壓設(shè)定值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；控制信號用來切換直流電壓參考值的設(shè)定方式，由控制裝置給出或手動選擇。

2.1.1 傳遞函數(shù)G1，G2，G3

根據(jù)式（1）與式（2）可知，同步電機(jī)發(fā)出或吸收的有功功率P與功角δ呈正弦函數(shù)的關(guān)系，不易直接得出傳遞函數(shù)。由于功角曲線上局部功率與功角近似呈線性化關(guān)系，因此采用線性化與仿真/實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方式，近似構(gòu)造出功率-功角的傳遞函數(shù)：

式中：kδ-G，kδ-M為同步電機(jī)功率-功角近似的線性關(guān)系系數(shù)；TG，TM分別為同步電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的時(shí)間常數(shù)。

因?yàn)镸GP 系統(tǒng)是由2 臺參數(shù)相同的同步電機(jī)組成，故MGP 系統(tǒng)的特性可認(rèn)為是2 臺同步機(jī)特性的疊加。對于MGP 系統(tǒng)的功角-功率傳遞函數(shù)G3，其形式仍滿足于：

式中：kδ-MGP為MGP 系統(tǒng)功率與功角近似的線性關(guān)系系數(shù)；TMGP為MGP 系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。

2.1.2 傳遞函數(shù)G4

本文通過一種線性化的實(shí)用性等效方法，對該傳遞函數(shù)進(jìn)行構(gòu)造。MGP 系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，光伏運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，輸出的有功功率PMGP為定值，且光伏端電壓Udc一般變化不大。因此在短時(shí)間尺度內(nèi)PMGP與Udc的比值可近似計(jì)算為定值，即認(rèn)為傳遞函數(shù)G4為常數(shù)。

2.1.3 傳遞函數(shù)CPI 控制器的傳遞函數(shù)為:

式中：Kp與Ki為比例系數(shù)與積分系數(shù)。

PI 控制器將光伏端電壓偏差轉(zhuǎn)化為對逆變器調(diào)制波的修正量，是直流電壓反饋控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Kp與Ki參數(shù)的選取，將直接影響控制系統(tǒng)的控制效果與MGP 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。Kp與Ki的整定，是本文研究的重點(diǎn)。

2.2 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定方法

完成直流電壓反饋控制中控制環(huán)節(jié)與傳遞函數(shù)的構(gòu)建后，將對各個(gè)傳遞函數(shù)中涉及的參數(shù)進(jìn)行整定計(jì)算。

2.2.1 傳遞函數(shù)G1～G4中參數(shù)的整定

根據(jù)式（6）可知，傳遞函數(shù)G1中涉及同步發(fā)電機(jī)線性關(guān)系系數(shù)kδ-G和時(shí)間常數(shù)TG。

線性關(guān)系系數(shù)kδ-G可以通過線性化同步發(fā)電機(jī)功角-功率曲線進(jìn)行整定：通過運(yùn)行MGP 系統(tǒng)的仿真模型或樣機(jī)平臺，繪制出同步發(fā)電機(jī)的功率-功角曲線，將該曲線進(jìn)行局部線性化并計(jì)算斜率，即可得到同步發(fā)電機(jī)的功率-功角線性關(guān)系系數(shù)kδ-G；時(shí)間常數(shù)TG即為同步發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

由于MGP 系統(tǒng)中電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的參數(shù)完全相同，故傳遞函數(shù)G2中涉及的kδ-M，TM與同步發(fā)電機(jī)完全相同，即kδ-G=kδ-M，TG=TM。

由于MGP 系統(tǒng)的功角為發(fā)電機(jī)與電動機(jī)功角之和，同時(shí)其輸出功率與發(fā)電機(jī)相同，故有：kδ-MGP=（kδ-M+kδ-G）/2。根據(jù)式（4）與式（5）中MGP 系統(tǒng)的運(yùn)動方程可知：TMGP=TM+TG。

根據(jù)光伏輸出有功功率與端電壓的關(guān)系可知，當(dāng)光伏端電壓的設(shè)定值為Udc=Udc0時(shí)，光伏輸出的有功功率為Pdc=Pdc0。由于MGP 系統(tǒng)的功率損耗為定值，設(shè)為P0。故此時(shí)G4可近似表示為：G4=Udc0/（Pdc0-P0）。

2.2.2 比例系數(shù)Kp的選取

在分析比例系數(shù)Kp的選取前，先確定能使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的Kp的范圍。首先忽略積分系數(shù)Ki，即令Ki=0，C=Kp。由于初始轉(zhuǎn)子角和功率損耗基本固定，在分析Kp對系統(tǒng)的影響時(shí)，可以先忽略δC與Ploss對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。據(jù)圖4 的系統(tǒng)框圖，可以得到：

根據(jù)式（9）、式（10），可以將MGP 電壓反饋控制進(jìn)行進(jìn)一步化簡，得到系統(tǒng)的開環(huán)增益為：

通過分析系統(tǒng)的開環(huán)增益，可以得到系統(tǒng)關(guān)于比例系數(shù)Kp的閉環(huán)根軌跡與極點(diǎn)在虛軸左半平面的運(yùn)動情況，最終可確定出能使系統(tǒng)穩(wěn)定的kp的范圍。

在能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的Kp范圍內(nèi)，選取使控制系統(tǒng)的阻尼比接近于0.707 的多組Kp參數(shù)，作出對應(yīng)的系統(tǒng)Bode 圖與單位階躍響應(yīng)曲線，綜合考慮相位裕度、幅值裕度、峰值時(shí)間與超調(diào)量等性能指標(biāo)，選取控制效果最優(yōu)的Kp參數(shù)，作為最終的參數(shù)整定結(jié)果。

2.2.3 積分系數(shù)Ki的選取

為分析積分系數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為以Ki為增益的廣義傳遞函數(shù)，由于控制器C的傳遞函數(shù)為式（8），此時(shí)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

將2.2.2 小節(jié)中選取的Kp參數(shù)代入式（12）并化簡為Ki·GKp=-1 的形式，即可得到關(guān)于Ki的等效開環(huán)傳遞函數(shù)GKi。系統(tǒng)的廣義開環(huán)增益如式（13）所示：

根據(jù)系統(tǒng)的廣義開環(huán)增益，可以繪制出控制系統(tǒng)關(guān)于Ki的廣義根軌跡圖。通過觀察根軌跡中極點(diǎn)在虛軸左半平面的運(yùn)動情況，即可確定Ki的合適范圍。

在能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的Ki范圍內(nèi)，選取多組Ki參數(shù)，作出系統(tǒng)Bode 圖與單位階躍響應(yīng)曲線，對比控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，最終選取最優(yōu)Ki參數(shù)。

3 MGP控制參數(shù)整定的仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過在仿真軟件PSCAD/EMTDC 中搭建光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)的仿真模型，對直流電壓反饋控制中涉及的控制參數(shù)進(jìn)行整定，并將整定結(jié)果應(yīng)用于同容量的MGP 實(shí)驗(yàn)平臺，對控制參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 控制參數(shù)整定

在PSCAD/EMTDC 中搭建5 kW 光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型，主電路如圖5 所示。仿真所用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和同步機(jī)的參數(shù)如表1 所示，控制環(huán)節(jié)根據(jù)圖3 進(jìn)行搭建。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與5 kW同步電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of experimental system and 5 kW synchronous motor

圖5 光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的PSCAD模型主電路Fig.5 Main circuit in electromagnetic transient simulation model of photovoltaic grid connection using MGP in PSCAD

圖5 中，G，T 分別為光伏電池元件的光照強(qiáng)度與溫度；P1-P6為晶閘管的觸發(fā)脈沖；Tm，ω為輸入同步機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ωm為同步機(jī)輸出的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Ef為輸入同步機(jī)的勵磁電壓，If為同步機(jī)輸出的勵磁電流；Tem為同步電動機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；Teg，Tmg為同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

首先根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率-功角曲線，計(jì)算出系數(shù)kδ-G=kδ-M=0.01，時(shí)間常數(shù)TG=TM=0.5 s，MGP 系統(tǒng)的比例系數(shù)kδ-MGP=0.01，時(shí)間常數(shù)為TMGP=1。因此傳遞函數(shù)G1～G3可表示為：

本仿真設(shè)置的光伏PV 曲線為：端電壓為560 V時(shí)，光伏輸出有功功率為5 kW。故根據(jù)2.2.1 所述，MGP 輸出有功功率與光伏端電壓間的傳遞函數(shù)G4=70。下面整定PI 控制器中的Kp與Ki參數(shù)。

3.1.1Kp的參數(shù)整定

先令PI 傳遞函數(shù)中Ki=0，將得到的G1～G4代入式（9）與式（10），即可得到控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)GKp，如式（16）所示。系統(tǒng)的根軌跡如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)關(guān)于kp的閉環(huán)根軌跡圖Fig.6 Diagram showing closed loop root locus of kp for control system

由圖6 可知，不論Kp取何值，特征方程的根都在左半平面，系統(tǒng)都可以穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)Kp=0.11 時(shí)，控制系統(tǒng)的阻尼比接近于0.707。這里取Kp=0.11，0.20，0.30，0.40 作Bode 圖，如圖7 所示，并研究控制系統(tǒng)的范圍階躍響應(yīng)，對比不同Kp的值對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

圖7 不同Kp取值時(shí)控制系統(tǒng)的Bode圖與單位階躍響應(yīng)Fig.7 Bode diagram and unit step response of control system with different values of Kp

根據(jù)圖7 可知，當(dāng)Kp=0.11 時(shí)，控制系統(tǒng)的相位裕度最大，超調(diào)量最小，阻尼比更加接近于0.707，故選為最終參數(shù)。

3.1.2Ki的參數(shù)整定

將Kp=0.11 代入式（17）—式（20），可得系統(tǒng)關(guān)于Ki的等效開環(huán)傳遞函數(shù)Gki，如式（17）所示：

將式（17）代入式（13）所示的系統(tǒng)廣義開環(huán)增益，可以繪制出控制系統(tǒng)關(guān)于Ki的廣義根軌跡圖，如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)關(guān)于Ki的廣義根軌跡圖Fig.8 Generalized root locus of Ki for control system

根據(jù)圖8 可知，當(dāng)Ki=0.107 時(shí)，特征方程的極點(diǎn)穿過虛軸，進(jìn)入非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。當(dāng)Ki=0.01 時(shí)，系統(tǒng)的阻尼比接近于0.707。取Ki=0.01，0.02，0.03，0.04，作控制系統(tǒng)的Bode 圖與單位階躍響應(yīng)曲線，對比不同Ki的值對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)圖9 可看出，隨著Ki的減小，控制系統(tǒng)的相位裕度減小，單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量增大，峰值時(shí)間減小。從保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度考慮，本文取Bode 圖中幅值裕度最大時(shí)對應(yīng)的Ki，即Ki=0.01。

3.2 仿真驗(yàn)證

取Kp=0.11，分別取Ki為0.01，0.02，0.03，0.04，輸入至PSCAD 光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)仿真模型的PI 控制器中，設(shè)置光伏端電壓參考值為560 V；仿真運(yùn)行到5 s時(shí)，將光伏端電壓參考值改變至590 V。光伏端電壓波形、MGP 輸出有功功率分別如圖10（a）和10（b）所示。

圖10 光伏端電壓與MGP輸出有功功率Fig.10 Photovoltaic terminal voltage and MGP output active power

根據(jù)圖10 可知，當(dāng)Ki取值不同時(shí)，光伏端電壓Udc都能跟隨設(shè)定值變化，但Ki=0.01 時(shí)，Udc的波動最小、進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最短；MGP 輸出有功功率略有波動，但基本能維持穩(wěn)定。仿真結(jié)果說明，MGP電壓反饋控制的控制參數(shù)整定結(jié)果準(zhǔn)確，整定方法合理，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，且具有較高的穩(wěn)定性。

4 MGP控制參數(shù)整定的實(shí)驗(yàn)

通過搭建5 kW 光伏經(jīng)MGP 系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，對第3 章整定的控制參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺如圖11 所示。

圖11 光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)平臺Fig.11 Experiment platform of photovoltaic grid connection using MGP

圖11 中，PLC 為可編程邏輯控制器，用于輸出控制信號。設(shè)置光伏模擬器的PV 曲線與PSCAD仿真一致，在PLC 中分別設(shè)置兩組控制參數(shù)：（1）采用工程經(jīng)驗(yàn)法得到的控制參數(shù)，即通過工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與嘗試后得到的能讓MGP 穩(wěn)定運(yùn)行的控制參數(shù)；（2）采用本文所提理論計(jì)算法整定出的控制參數(shù)，即4.1 節(jié)中整定的控制參數(shù)Kp與Ki。設(shè)置光伏端電壓參考值進(jìn)行如下變化：（1）從560 V 增加至590 V；（2）從580 V 降低至545 V。通過錄波儀記錄光伏端電壓、MGP 輸出電壓與電流波形，最終得到光伏端電壓與MGP 輸出有功功率變化波形，如圖12 所示。

圖12 光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results of photovoltaic grid connection using MGP

根據(jù)圖12（a）可知，當(dāng)光伏端電壓參考值改變時(shí)，PLC 采用工程經(jīng)驗(yàn)法與理論計(jì)算法得到的控制參數(shù)，都能實(shí)現(xiàn)光伏端電壓對設(shè)定值的跟蹤，但采用理論計(jì)算法對應(yīng)的端電壓波形，穩(wěn)態(tài)時(shí)對于端電壓參考值的跟蹤效果有大幅提升，將穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓波動從±8 V 降為±1 V，波動減小約87.5%。端電壓參考值變化時(shí)，理論計(jì)算法得到的控制參數(shù)下對于端電壓的跟蹤速度也大幅提升，重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間從8 s 縮短為2 s，時(shí)間縮短約75%。根據(jù)圖12（b）可知，理論計(jì)算法下端電壓波形更為穩(wěn)定，對應(yīng)MGP輸出的有功功率波形也更加穩(wěn)定，暫態(tài)過渡過程更加短暫。

第三章的仿真實(shí)驗(yàn)與第四章的實(shí)物實(shí)驗(yàn)說明，本文提出的MGP 控制參數(shù)理論計(jì)算方法可以有效提升光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，即減小直流側(cè)電壓與MGP 輸出有功功率的波動，增強(qiáng)直流側(cè)電壓對于參考值的跟蹤能力。

5 結(jié)論

本文通過分析新能源同步機(jī)系統(tǒng)的控制特性，研究了光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)控制參數(shù)的整定方法，并取得了以下的研究成果和結(jié)論：

1）以MGP 的功角特性與功率反饋控制為基礎(chǔ)，推導(dǎo)并建立了MGP 系統(tǒng)直流電壓反饋控制的頻域模型，并通過揭示傳遞函數(shù)中參數(shù)對MGP 系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，制定了用于光伏并網(wǎng)的控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法。

2）以5 kW 光伏經(jīng)MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)為例，搭建了仿真模型與實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了本文提出的控制參數(shù)整定方法，相較于傳統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)法，可以減小光伏端電壓穩(wěn)態(tài)波動約87.5%，減小端電壓對參考值的跟蹤時(shí)間約75%。結(jié)果證明本文提出的控制參數(shù)整定方法提升了MGP 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，為推進(jìn)MGP 系統(tǒng)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。