含高滲透光伏電源的臺區虛擬同步運行控制方法

章雷其，趙 波，張雪松，徐 珂，蔣蔚蔚

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

大力發展以風、光為代表的可再生能源是實現我國能源結構向清潔低碳轉型的重要途經[1-2]。一般來說，這些可再生能源有分布式和集中式2種并網方案。集中式并網在風、光資源豐富，又有大量土地資源可利用的西北地區得到了廣泛應用[3]。而分布式并網主要在以戶用屋頂光伏為代表的配置區域蓬勃發展，比如浙江省“百萬家庭屋頂光伏工程”、江西省“萬家屋頂”、山東省“千萬屋頂”等。截至2017年底，浙江省家庭屋頂光伏并網戶數已達15.8萬戶，裝機規模89萬kW，安裝戶數和規模均位居全國第一[4]。

以屋頂光伏為代表的可再生能源大量接入配網用戶端，將給電力系統運行帶來巨大變化與挑戰[5-6]。首先，光伏電源出力波動性強，可能出現短時大幅波動，對電網運行帶來沖擊；其次，戶用光伏幾乎均以最大功率跟蹤方式運行，其發電不受電網調度，而其日功率曲線與家庭負荷曲線并不相符，造成就地消納困難，部分時間段出現光伏功率倒送；再次，光伏接口變流器通常工作于恒功率模式，無法提供類似于同步發電機的慣性和一次調頻能力，為電網穩定運行提供支持。

為解決光伏并網給電力系統帶來的沖擊，學術界與工業界提出了多種方式。微電網是解決光伏等波動性分布式電源并網沖擊的重要手段，是過去10年的研究焦點[7-9]，然而，目前我國并網型微電網強調系統具有較強的獨立供電能力[10]，限制了其與大電網的互動與互濟；另一種方案是將光伏與儲能相結合，形成光儲一體機[11-12]，利用儲能系統平抑光伏波動。然而，在目前的政策下，光儲一體機并不具備經濟性，推廣性不強。

臺區是配電網至用戶的最后一道樞紐。因此，本文提出通過在臺區配置集中式儲能，與臺區電網協同運行的方法，以解決上述問題。首先，儲能靈活出力可以彌補光伏預測誤差，平抑光伏波動，同時使得臺區可以響應系統AGC/AVC（自動發電控制/自動電壓控制），提高其可控性；其次，通過儲能調蓄，可以提高光伏消納，減少倒送；再次，虛擬同步運行的儲能接口變流器可以使得臺區電網具備類似于同步發電機的慣性和一次調頻能力[13]，對改善電網穩定性具有積極的作用。

1 系統結構

含高滲透光伏電源的虛擬同步運行臺區電網系統結構如圖1所示。在常規負荷和光伏電源基礎上，配置了虛擬同步運行的儲能系統。儲能裝置采用鋰電池，接口變流器采用虛擬同步控制，通過電力電子設備模擬同步發電機搖擺運動方程和下垂方程。虛擬同步機控制主要有電壓受控型（電壓源）和電流受控型（電流源）2種實現方式[14]，其中電壓受控型實現方式更能模擬同步機的本質特性。

電壓受控型接口變流器虛擬同步控制框圖如圖2所示[15]，其關鍵模擬方程（搖擺方程和一次調頻方程）為：

圖1 系統結構

圖2 接口變流器虛擬同步控制

式中：ω為模擬同步機轉子旋轉角頻率；Pm為模擬機械功率；P為輸出機械功率；D為阻尼系數；Pref為功率參考值；K為下垂系數；TJ為慣性時間常數；ω0為電網額定角頻率；ωgrid為測量電網角頻率。

與常規下垂控制相比，虛擬同步機控制多了一個慣性環節，使得變流器輸出頻率變化不會突變，為系統提供了慣性支持。為了提高逆變器運行的穩定性，模擬同步機加入了一個阻尼環節。由于轉子運動方程式是同步機為系統提供慣性的關鍵，而其他一些環節，如同步電抗、電樞電阻、勵磁控制，與傳統下垂控制并無太大差異，并且可以在電壓、電流雙環控制中實現[16-17]，因此其他幾個環節如電壓下垂控制，電壓、電流雙環控制與常規雙環電壓控制型變流器一致。

2 控制方法

儲能接口變流器虛擬同步運行可以輔助臺區電網參與電力系統多時間尺度調頻，并為電網運行提供慣性，使得臺區電網具備同步特性。接口變流器參與一次調頻原理如圖3所示。在某一時刻系統額定運行點為Pref，隨著電網頻率的變化，變流器出力的給定值會自動變化。例如當電網頻率的變化量為Δω時，變流器出力給定值變化為KΔω，為電網提供一次調頻支撐，與同步機動態一致。

圖3 儲能輔助臺區電網參與系統一次調頻原理示意

進一步，通過改變接口變流器的參數Pref，儲能裝置可平抑光伏電源波動與沖擊性負荷，并輔助臺區電網參與系統二次調頻與削峰填谷：

式中：Pset為日前功率設定值，可以根據日前光伏電源發電預測與臺區負荷預測確定或根據峰谷電價確定，可以認為是一種參與系統三次調頻的方式；ΔPAGC是來自上一層控制的AGC信號，根據電網頻率波動而調整；ΔPsmooth是儲能裝置平抑光伏和沖擊性負荷的功率指令值。

ΔPsmooth的獲取方式如下：

式中：Pload與PRes分別為臺區負荷功率與分布式光伏出力（以發出功率為正方向），兩者之和可直接在臺區變壓器低壓側測量獲得；Tf為濾波常數，可根據需要設定，Tf越大，平滑效果越好，但對儲能系統容量的要求也越高，可通過優化得到最優數值。

3 仿真驗證

仿真在Matlab/Simulink環境中進行，采用拓撲如圖1所示，接口變流器參數如表1所示。下文將通過多個算例驗證儲能系統輔助臺區虛擬同步運行功能，包括其慣性響應、一次調頻響應、二次調頻響應、負荷與光伏波動平抑以及削峰填谷等功能。

表1 虛擬同步機控制型變流器參數

圖4給出了接口變流器在電網頻率變化時的慣性響應。在5 s時刻，電網出現0.02/0.05/0.1 Hz 3種不同程度的頻率上升；在10 s時刻，頻率恢復至50 Hz。為了排除一次調頻的干擾，在仿真中屏蔽了一次調頻模塊。由圖4可知，在頻率階躍時刻，接口變流器具有慣性響應：當頻率上升時，接口變流器輸出功率下降；當頻率下降時，接口變流器輸出功率上升，為電網提供了有效的支撐。同時頻率變化值越大，接口變流器提供的慣性支撐越大。圖5給出了接口變流器的一次調頻響應，可以看出，頻率變化越大，接口變流器穩態輸出功率變化越大，為電網提供的功率支撐越多。因此，通過將儲能系統接口變流器控制設計為虛擬同步運行，臺區電網可以具備和同步機類似的慣性和一次調頻能力，有助于電網安全穩定運行。

圖4 慣性響應驗證

圖5 一次調頻特性

圖6 二次調頻響應

圖6給出了儲能系統模擬接受電網AGC指令時的響應。在5 s時刻，儲能系統接收到0.3 p.u.的向上AGC指令；在10 s時刻，儲能系統接收到0.5 p.u.的向下AGC指令。接口變流器在1 s內完成AGC指令跟蹤（其超調與振蕩由模擬同步機搖擺方程引起），響應速度和響應精度遠優于一般同步發電機組。因此，儲能系統可以使得臺區電網接受系統的調度參與AGC，有效提高了電網運行的靈活性。

圖7給出了儲能系統對光伏出力和負荷波動的平抑作用，其中虛線為臺區內光伏出力與負荷功率之和（功率倒送），實線為疊加儲能功率后的臺區功率輸出。由圖7可知，儲能系統可以有效平抑光伏與負荷波動，使得其輸出功率更為平滑。通過儲能功率的靈活輸出，臺區總功率可以更好地跟蹤日前計劃值，降低光伏出力不確定性對系統運行的影響。

圖7 儲能系統對光伏和負荷波動的平抑

圖8給出了儲能系統在綜合了一次調頻、二次調頻、削峰填谷、光伏與負荷波動等功能后，24 h內的響應情況。其中，淺灰色區域為接口變流器慣性響應和一次調頻響應，其時間尺度較小，根據電網情況自動響應；曲線1為儲能系統二次調頻響應和平抑光伏與負荷波動響應，其時間尺度相對較大；曲線2為儲能系統參與削峰填谷響應，可以在日前由調度設定或者根據峰谷電價設定；曲線3為儲能系統的綜合響應，實現了臺區電網多功能虛擬同步運行。

圖8 儲能系統在某一天的響應特性

4 結論

作為一種全新的調蓄資源，儲能系統接入電網可有效提高電力系統的靈活性和可控性。本文提出了一種含高滲透光伏電源的臺區電網虛擬同步運行控制方法。將儲能系統配置于臺區，并將接口變流器設計為虛擬同步運行，不僅可以使得臺區電網具備同步機運行特性，為電網運行提供慣性，參與電力系統多時間尺度調頻，還可平抑臺區光伏和負荷的波動，彌補預測誤差，使得臺區潮流的可預測性更強。

一個虛擬同步運行臺區，對電網運行而言是一個可觀可控的單元，可以認為是能源互聯網的“元胞”。通過集中管理臺區，可提高電力系統的運行效率，且相比用戶側分散接入儲能具有更高的經濟價值與利用效率。本文后續工作包括儲能容量的最優配置、虛擬同步相關參數的選取與穩定性分析、最優運行策略、光伏協同參與調節等。