光儲聯合發電系統的功率振蕩特性分析與控制*

2017-01-10 00:57:00朱曉榮楊黎楊立濱張祥宇

電測與儀表 2017年8期

朱曉榮，楊黎，楊立濱，張祥宇

（1.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，河北保定071003；2.青海省光伏發電并網技術重點實驗室，西寧810000）

0 引言

近年來，隨著光伏與儲能技術的成本降低，光伏發電在電力系統中得到迅速推廣，裝機比重不斷上升。截止2014年底，中國光伏發電累計裝機容量達到了2 805萬千瓦。其中，新增裝機容量為1 060萬千瓦，約占全球新增裝機的五分之一［1］。目前，青海、甘肅等西部地區，高滲透光伏區域電網正逐步構建完成。在區域互聯的電力系統網架下，因新能源接入影響系統動態穩定等問題將會逐漸凸顯。

電網受到擾動后，并列運行的同步發電機轉子間的相對搖擺會引起低頻振蕩威脅系統的安全穩定運行［2］，而對于新能源比例較高的區域電網，功率的波動性、故障后機組解列等都會加劇區域電網內同步發電機所承受的振蕩功率，因而這一問題將變得更加突出。現今，對于電力系統低頻振蕩的抑制措施已有很多種。傳統電力系統抑制低頻振蕩通常利用電力系統穩定器（power system stabilizer，PSS）控制發電機勵磁以提高系統的阻尼［3-4］。然而，在新能源電力系統中，PSS會因大量傳統發電機組被新能源機組替代而無法繼續為系統提供有效阻尼。隨著電力電子器件大量應用于現代電網，利用其靈活的有功、無功調節抑制功率振蕩成為解決此問題的有效方法之一。如文獻［5-7］利用可控串補（TCSC）、靜止同步補償器（STATCOM）、靜止無功補償器（SVC）等無功補償裝置通過調節無功控制并網點電壓，改善了系統的阻尼特性。而基于電力電子變流器并網的變速風電機組則通過控制機組注入系統的有功功率同樣可以有效抑制故障引起的系統功率振蕩，使電力系統改善其動態穩定性具有了更為靈活多樣的調節手段［8-9］。與風電相似，光伏發電目前也已實現功率跟蹤控制功能，并因其無旋轉慣性，通常為其配備儲能系統抑制發電功率波動。雖然目前該聯合系統控制功能相對單一，尚缺乏并網友好性，但仍具備獨立調節有功、無功的控制潛力。文獻［10］基于光伏電池組的發電特性，利用其有功、無功功率的調節能力，針對單機無窮大系統內設計了附加阻尼控制器。由于光伏發電系統自身存在功率波動，且缺乏能量儲備，不具備持續性功率支持能力，因此需要結合儲能裝置提供有功儲備，抑制自身功率波動，實現有功、無功調節，使控制更加靈活。文獻［11］使用儲能裝置結合STATCOM成功實現了電力系統多模態振蕩的抑制。然而，光儲聯合系統參與抑制功率振蕩目前未見文獻研究，尚需深入探討。大規模光伏滲透區域電網同樣存在功率振蕩威脅，通過光儲系統增強阻尼，對于提高系統動態穩定性具有重要意義。

文章以建立三機系統為例，首先分析通過調節光儲系統的有功、無功增加系統阻尼的原理，并在光儲聯合系統并網功率控制的基礎上，提出光儲系統基于有功、無功控制的附加阻尼控制策略。該控制策略通過檢測光伏側直流電壓變化，實現功率振蕩過程中光伏并網逆變器和蓄電池儲能系統的控制模式切換，使聯合系統具備持續調節注入系統有功、無功功率的能力，并改善電網的阻尼特性。最后基于Matlab/Simulink建立含30%光伏容量的三機系統模型進行仿真，驗證了其抑制振蕩的有效性。

1 光伏儲能系統并網發電原理

1.1 光伏儲能系統的模型及控制策略

圖1 光儲發電系統拓撲結構圖Fig.1 Topological structure diagram of photovoltaic energy storage system

圖1為光儲聯合發電系統的拓撲結構圖。其中，Boost變換器與太陽能電池板連接，通常用于光伏的最大功率點追蹤控制，同時可抬升直流電壓滿足電壓源型逆變器的工作電壓。三相逆變器用于控制直流側電壓恒定，維持兩側功率平衡，實現光伏并網運行。蓄電池儲能元件配備雙向DC/DC變流器構成儲能系統，通常用于平抑光伏發電功率的波動［12-14］。當輻照強度高，光伏系統處于較強的工作狀態下，儲能系統通過檢測光伏輸出的波動功率，當其功率變化幅度超過限值時，利用功率外環調節，平抑光伏對電網的功率擾動。該運行模式儲能系統無需頻繁投入運行，其控制策略采用雙閉環控制，外環為功率環，內環為電流環。若光伏發電系統出力高于負荷需求，儲能元件利用DC/DC變流器運行于充/放電模式，蓄電池通過充電儲存光伏電池發出的多余能量，也可根據負載需求，利用已儲存的電能為重要負荷供電。此外，針對夜間無光照并且儲能系統存儲能量較高的情況下，聯合系統也可使儲能獨立運行，維持重要的負荷用電。

2 光儲抑制系統功率振蕩的控制策略

2.1 有功和無功控制增加系統阻尼的原理分析

光伏、儲能元件利用電力電子并網變流器，在矢量控制下均可獨立調節有功、無功功率，聯合運行后更具備了一定的功率儲備，具有持續功率支持能力。因而，在目前光儲發電系統功率控制的基礎上，通過進一步增加輔助功率控制，使其能夠在振蕩過程中對系統注入阻尼功率，可彌補目前針對功率振蕩缺乏抑制能力的這一不足之處，增強并網友好性。下面分析光儲系統通過有功和無功控制增加系統阻尼的原理［15-16］。

光儲聯合發電系統并網結構如圖2所示。其中，UG為光儲系統并網點電壓；E′為G1的q軸暫態電勢；U為G2端電壓；θ為E′與UG間的相角差；δ為E′與 U間的相角差。δ0、θ0、UG0分別為 δ、θ、UG的初始值；x1、x2分別為線路電抗參數。同步發電機 G1的有功、無功輸出可分別表示為：

圖2 光伏系統等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic system

如不考慮發電機勵磁系統和調速器的影響，則發電機經典二階模型的小擾動方程可寫成下式：

根據功率平衡關系得到：

為簡化分析，認為逆變器輸入電網的無功功率僅引起電網電壓UG幅值變化，增量為UG。分別對式（1）和式（2）求小擾動量得：

由上式可知，ΔQv取決于電壓UG的波動，故注入系統的無功功率即為ΔQv，設有功和無功增量分別為 ΔPg、ΔQg，kw、kp分別為有功、無功阻尼控制系數，則：

對式（4）求小擾動量得：

聯立上式得：

聯立上式得小擾動方程：

由式（12）可以看出，當kp＞0時，光儲發電系統的有功調節有效增加了電網阻尼；當kw＞0時，光儲系統的無功調節會進一步增加系統的阻尼，抑制功率振蕩的效果將更加顯著。

2.2 光儲系統附加阻尼控制的協調控制策略

電網發生功率振蕩后，由于光伏無旋轉慣性，不直接參與動態響應，電網電壓的跌落與恢復，將使直流側功率不平衡，導致直流母線電壓劇烈波動而影響其穩定運行。為了維持直流母線電壓穩定的同時抑制系統發生的功率振蕩，本文提出了光伏聯合儲能的多電源協調改善系統阻尼特性的控制策略。該策略通過檢測直流母線電壓，對蓄電池和光伏逆變器在不同工作模式下，進行合理的配合。為了避免工作模式的頻繁切換，在切換點處采用電壓滯環控制。如圖3，變量S=1、2分別表示儲能與光伏并網逆變器配合工作在第一工作模式和第二工作模式。

當直流電壓的變化量|ΔVdc|＜0.1時，S=1，此時光伏并網逆變器與蓄電池配合工作在第一工作模式，光伏并網逆變器采用傳統的雙閉環控制，外環電壓環，內環電流環；蓄電池此時僅用來平抑光伏因外界環境影響而產生的功率波動。

圖3 工作模式切換控制方法Fig.3 Switch controlmethod of work mode

由功率守恒可知雙向DC/DC變換器直流兩側電壓和電流的關系為：

式中UBat和IBat分別表示蓄電池的電壓和電流，由式（14）即可計算出蓄電池的充放電電流。

綜上所述，協調控制策略如圖4所示。

圖4 協調控制策略框圖Fig.4 Block diagram coordinated control strategy

3 仿真分析

為驗證本文提出的控制策略，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了如圖5所示的仿真系統。該系統包含一個100 kW的光伏，兩個容量分別為156 kVA和78 kVA的發電機和蓄電池儲能裝置。負荷L1和L2的容量分別為75 kW和145 kW。仿真結果中的功率，轉速和電壓均為標幺值。為簡化分析，假定輻照強度為800 W/m2，母線B2在10.0 s時刻發生持續0.1 s的三相短路故障。

仿真中采用三種方式。方式一不附加阻尼控制。方式二加入無功阻尼控制。方式三同時加入有功和無功阻尼控制。仿真結果如圖6～圖12所示。

圖5 仿真系統結構圖Fig.5 Structure diagram of simulation system

圖6 G1電磁功率動態響應曲線Fig.6 Dynamic response curve of G1 electromagnetic power

由圖6，圖9可看出，系統發生三相短路故障后，由于系統的阻尼不足，功角發生振蕩，發電機的功率發生持續的波動。附加了無功阻尼控制后，光伏向系統注入了無功功率，發電機的功率波動時間明顯縮短了。當附加了有功阻尼和無功阻尼控制控制后，發電機輸出功率的波動時間減小至15 s，功率振蕩的衰減更顯著。從圖8的轉子速度曲線可看出，在附加了有功和無功阻尼控制后，轉子速度的衰減更快，抑制效果也更好。采用有功加無功控制后，逆變器切換控制策略為直接功率控制，利用蓄電池儲能設備維持直流母線電壓。從圖7看出，加有功和無功阻尼控制后，直流母線電壓仍能很好的維持穩定，且波動時間也有大幅的減小。從圖11的系統頻率動態響應曲線圖，系統在附加有功和無功阻尼控制后，頻率曲線也很快的趨于穩定，由此也證明了該策略有利于系統的動態穩定。