MGP提升光伏發電系統慣性響應和頻率調整能力的研究

谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

MGP提升光伏發電系統慣性響應和頻率調整能力的研究

谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

（新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

新能源通過變流器并網，由于采用電網頻率定向和最大功率跟蹤控制使其不具備慣性響應和頻率調整能力，同步電機對（Motor-generator Pair，MGP）成為解決這一問題的可行方案。本文給出了光伏經MGP并網結構和運動方程，針對負荷變化引起的長時間尺度的電網頻率變化分析其慣性響應和參與調頻的原理。在此基礎上，提出了改進直流電壓反饋控制方法，通過在控制環節中引入減載率使得調頻范圍增加。分別搭建了多機的仿真模型和實驗平臺，通過與傳統火電廠和光伏通過逆變器并網的頻率響應對比得出，MGP可以有效提升光伏發電單元的慣性響應和頻率調整能力。

光伏發電；同步電機對；慣性響應；頻率調整；頻率穩定性

0 前言

在全球化石能源供需矛盾日益加深的背景下，各國角力于新能源發電技術的開發與應用。截至2019年上半年，中國風電和光伏的發電量分別達到2145億kW·h和1067kW·h，同比增長分別為11.5%和30%，棄風、棄光率分別同比下降3%和1.2%[1]。在新能源并網容量持續增加的同時，電力系統的頻率穩定性隨之下降。這一問題主要歸咎于新能源發電單元不具備常規火電機組的慣性響應和頻率調整能力[2, 3]。一方面，對于光伏發電系統，由于其內部不含旋轉儲能設備而不具備慣性。雖然風機葉片和轉子具備慣性，但由于新能源并網逆變器以電網頻率為參考，風機內儲存的動能無法響應電網頻率的變化而提供慣性支撐。另一方面，無論是光伏發電還是風力發電，其發電側一般均采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，沒有備用容量參與電網的頻率調整。

為了提升新能源電網的頻率穩定性，有學者針對性地提出了提升新能源慣性和頻率響應的改進控制方法。文獻[4]提出了基于虛擬同步機技術的雙饋風機慣性響應控制方法，實質上是利用風機變流器的有功快速調節特性根據電網頻率變化改變其輸出功率大小。但是，該方法沒有考慮風機本身的調頻能力。文獻[5]和[6]根據火電機組調差率定義風電機組的減載水平，通過在變流器控制中引入與其相關的比例系數以實現與火電機組頻率調節相似的效果。文獻[7]為了充分利用風機轉子儲存的動能和槳距角的可調性，提出了虛擬慣量和槳距角聯合控制方法，既可以提升風機慣性和頻率響應，又可有效抑制頻率的二次跌落。在此基礎上，文獻[8]考慮了風電場內不同風機的運行狀態，提出了高風速機組優先調頻的調度策略，有效地提高了風電場頻率響應能力。文獻[9]針對風機超速控制中控制器參數整定方法，用以提高風機調頻響應能力，但是整定參數表由仿真計算得到，未考慮實際運行因素的影響。文獻[10]提出了基于變減載率的光伏調頻控制策略，可以根據電網頻率的變化主動改變變流器有功輸出，并在半實物仿真平臺中進行了算例驗證。

上述方法均是借助改進變流器控制策略使新能源具備類似火電機組的慣性和頻率響應，達到提高電力系統頻率穩定性的目的。但是，這些方法都存在控制器參數選取和電網頻率采集準確度不高的問題和局限，無法達到火電廠的調頻水平。新能源同步電機對（Motor-Generator Pair，MGP）的提出成為一種提升新能源慣性和頻率響應的新方法[11]。文獻[12]和[13]分別研究了MGP的慣性特性和短時頻率變化響應特性，證明新能源通過MGP并網具備良好的慣性和頻率響應特性，但是研究的場景較為簡單，且僅在單機無窮大實驗平臺中開展了相關實驗研究，相關研究尚待完善。

本文以光伏驅動MGP并網為例討論其頻率調整特性。首先，給出了光伏驅動MGP的并網結構和運動方程。然后，分析其頻率響應特性，在此基礎上提出了基于光伏減載運行的電壓反饋控制方法。在PSCAD中搭建了含光伏驅動MGP并網三機九節點仿真模型，與相同負荷變化下火電機組的頻率響應特性仿真對比可知，光伏驅動MGP并網具備與火電機組類似的頻率調整特性。最后，在多機實驗平臺中進行光伏直接并網和光伏通過MGP并網負載變化對比實驗。實驗結果表明，MGP系統可以使光伏具備慣性響應，并且在負荷增加時增加輸出有功功率，有利于提高電力系統的頻率穩定性。

1 光伏經MGP系統并網結構

MGP系統由兩臺同軸相連的同步電機構成，光伏發電單元作為輸入驅動同步電動機，同步發電機作為發電單元并網，這種并網新結構如圖1所示。

圖1 光伏通過MGP系統并網結構圖

由于兩臺電機采用對拖方式，分別從兩臺同步電機定子繞組看進去的轉速方向相反，所以兩臺同步電機的轉子旋轉磁場轉向相反。為使MGP能夠并網運行，兩側三相交流電的相序必須相反。因此，如果同步電動機采用電動機慣例，而同步發電機采用發電機慣例，MGP的運動方程中兩臺電機的轉矩方向一致。這樣可以得到MGP系統在dq軸坐標系下矢量形式的標幺值運動方程如下：

其中，eM，eG分別是同步電動機和同步發電機的電磁轉矩；Δr為MGP轉子角速度變化量；MGP，D_MGP分別為MGP系統慣性時間常數和阻尼系數。

由公式（1）可知，MGP系統兩臺同步電機雖然并未有電氣的直接連接，但是存在著電磁-機械耦合關系，一側電氣量的變化會通過轉子軸系引起另一側電氣量的變化，這一特性使得電網頻率的變化與新能源輸出功率存在了耦合關系，使得新能源具備了參與電網頻率調整的條件。而光伏經MGP并網系統的頻率變化的速率不僅由電網頻率變化速率決定，還與MGP系統的慣性和阻尼參數有關，這些參數可以有效抑制頻率跌落幅度和變化速率，有利于電力系統的頻率穩定性。

2 光伏驅動MGP并網頻率響應特性和改進控制策略

當電網頻率由于負荷增加/減小而變化時，同步發電機定、轉子側頻率會出現差值。由于新能源的功率波動周期相對較長，可以假設電網頻率變化過程中新能源出力不變。當電網頻率降低瞬間，新能源逆變器輸出頻率不變，MGP系統轉軸仍然以同步速旋轉，同步發電機的定子電壓頻率隨著并網點頻率降低而降低，MGP系統在并網點頻率變化瞬間會產生慣性響應，通過釋放儲存的旋轉動能抑制發電機機端頻率的變化，這是目前新能源并網逆變器通過檢測電網頻率實現慣性響應所無法比擬和實現的。同時由于功角隨之增加，同步電動機的輸出轉矩會增加，使得逆變器直流側電容放電速度增加，直流母線電壓隨之降低，從而增加逆變器輸出有功功率。

由上述分析可知，MGP系統向電網增發的有功功率來自于直流電容和轉軸儲存的能量，但是這部分能量較小，只在電網頻率變化后較短時間內起作用，無法滿足電網調頻的要求。為了具備類似火力發電廠一次調頻的功能，新能源應能根據電網頻率的降低自動向電網增加輸出的有功功率。為了使MGP系統能夠參與電網調頻，需要對文獻[14]中的直流電壓反饋控制方法進行改進。為使光伏驅動MGP具備類似火電機組的頻率響應，光伏逆變器需要用減載控制替代傳統的控制，其中減載率的選取參考文獻[5]。但是，光伏發電單元并未直接并網，需要考慮MGP系統有功功率損耗的影響。大型同步電機的效率一般為98%，MGP系統的效率可以近似為96%，所以實際運行中要考慮電機對的運行效率。在此基礎上，需要改進PV變流器的控制以滿足上述要求，控制框圖如圖2所示。

圖2 改進直流電壓反饋控制結構

其中，d%為光伏減載率；dc_ref為采用MPPT算法得到的直流電壓參考值；dc_1為考慮減載率的直流電壓給定值。

鑒于兩臺電機間存在電氣-機械耦合關系，當MGP系統開始響應電網頻率下降時，直流母線電壓控制系統開始起作用。此時，直流母線電壓實際值小于給定參考值，在直流母線電壓控制的作用下，逆變器的輸出頻率會隨之減小，而轉子釋放儲存的旋轉動能后轉速下降直至穩定在新的運行點上，直流母線電壓會隨著MGP系統的輸出有功功率減小逐漸穩定在參考值附近。由于減載率的引入，直流母線電壓可以變化的區間增加，這樣對于不同電網頻率變化的場景，光伏通過MGP并網的頻率響應在這一過程中，MGP系統兩側的功率由于電網頻率的變化和逆變器控制的雙重作用下出現振蕩過程，由于MGP的阻尼作用使其加快衰減。

3 三機節點系統仿真研究

由上節的分析可知，通過采用改進直流電壓反饋控制策略，光伏通過MGP并網可以實現類似火電機組的慣性和頻率響應。為此，在PSCAD中搭建了如圖3所示含光伏驅動MGP的三機九節點仿真模型。

圖3 仿真模型結構

其中，G1、G2、G3的容量分別為300MW、500MW和400MW；L1、L2、L3的有功負荷分別為125 MW、90MW和30MW。光伏通過MGP并入母線7，在50s時投入L1，得到母線7的頻率、光伏驅動MGP輸出有功功率和火電機組2輸出有功功率，如圖4所示。

圖4 負荷變化仿真結果圖

由上圖可知，負荷增加引起電網頻率下降，光伏驅動MGP和火電機組均瞬時響應電網頻率變化，增發有功功率。通過對比兩者的有功曲線可得，兩者功率響應速度基本一致，在電網頻率恢復的過程中，前者的輸出特性主要由控制系統決定，存在一個波動的過程，而火電機組的有功輸出響應特性滿足下垂特性，且由于配置了PSS使得有功功率的波形比較平滑。因此，在電網頻率變化初期光伏通過MGP并網具備類似火電機組的頻率響應特性，從而使得光伏具備了類似火電機組的頻率調整能力。但是，由于控制系統的作用，使其在頻率恢復過程中的有功響應時間較短。

4 實驗研究

為了驗證上述關于MGP系統的慣性響應和頻率調整特性，在實驗室搭建了如圖5所示的實驗平臺。實驗平臺的設備主要包括一臺致茂電子（Chroma）62100H-600S型10kW光伏模擬器、一套5.5kW兩機MGP系統（包括兩臺STC-5.5型5.5kW同步電機）、一套模擬火電系統（包括一臺STC-5型5kW同步電機、一臺Z2-52型7.5kW直流電機和一臺直流電機調速器）、一個控制柜（包括一臺北京中源動力DF900型30kW變頻器和一套直流母線電壓控制系統）、一臺北京群菱ACLT-3803H型33.33kW可編程交流負載和一臺華為（HUAWEI）SUN2000L-5KTL型12kW光伏逆變器。

圖5 光伏系統經MGP并網實驗平臺

為了驗證光伏驅動MGP并網系統的慣性響應和頻率調整特性，分別在圖5的實驗平臺中做了兩組相同的變負載實驗。兩組實驗的負載三相有功功率均是由2.1kW增加至2.7kW，主要差別是光伏是否經MGP并網，這樣使得兩組實驗的對比結果更為可信。實驗步驟為：

（1）啟動直流電機調速器，將模擬火電機組帶至同步速，閉合開關K1、K3，啟動負載并設置三相有功功率初值，啟動光伏模擬器；

（2）打開光伏逆變器開關，逆變器按照MPPT控制算法運行，待逆變器輸出穩定后，設置負載變化，記錄實驗數據；

（3）關閉光伏逆變器，打開控制柜中變流器開關，變流器采用直流母線電壓控制并啟動，減載率選取為40%（這是由于實驗電機的損耗較大，多預留一些備用容量），待MGP轉速達到同步速時通過控制柜中自動并網同期裝置閉合開關K2，待MGP系統穩定運行后，設置負載變化，記錄實驗數據。

將兩組實驗測量得到的電壓、電流數據分別通過單相功率計算模塊和鎖相環得到PV和PV+MGP并網點電壓頻率和單相輸出有功功率如圖6所示。

圖6 相同負荷變化下頻率和有功功率實驗對比結果

由圖6（a）中并網點頻率波形對比圖可知，當負載增加時，光伏經MGP并網時并網點的頻率偏移量大約只有光伏直接并網時頻率偏移量的60%，而且頻率的恢復速度更快，說明MGP轉動慣量在負荷變化時提供了慣性支撐，有效抑制了頻率的變化量，僅在頻率恢復時的振幅略微大于光伏直接并網時的振幅。而由（b）中有功功率的波形對比圖可知，在負載變化過程中，光伏直接并網組的有功功率出力并沒有明顯變化，這是由于光伏逆變器采用MPPT算法使其輸出的有功功率保持不變。相比之下，由于采用基于減載的直流母線電壓控制方法，在負載增加時，光伏驅動MGP的有功出力快速增加，其增速與并網點頻率下降速度相符，說明其出力特性與火電機組的下垂控制特性相似，在電網頻率變化初期能夠提供類似火電機組的一次調頻響應。

當并網點頻率從最低點開始上升時，MGP系統在直流母線電壓控制的作用下，有功出力開始下降，但是仍然增發有功功率，而有功出力下降速度受電容充放電速度和控制參數的影響較大。需要注意的是，無論是穩態過程還是頻率恢復過程，有功功率的波形不是穩定在一個恒定值上，這與控制系統的控制精度直接相關。這是由于實驗室電氣量測量裝置存在一定的誤差，使得實際輸出有功功率和給定值存在偏差，波形也有一定的波動，這些均有待測量精度的進一步提高，從側面也反應出控制系統的性能對于光伏頻率調整特性也發揮很重要的作用。

5 結論

本文給出了光伏驅動MGP的并網結構和運動方程，并基于其頻率響應特性的分析提出了改進控制方法。在多機系統中分別與傳統火電機組和光伏直接并網的情況進行了仿真和實驗驗證。結論表明，MGP使得光伏發電系統具備良好的慣性響應和頻率調整能力，光伏驅動MGP并網具備與火電機組相似的頻率響應特性，從而提高了高比例新能源電網的頻率穩定性。

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Research on the Ability of Motor-generator Pair(MGP) to Improve the Inertial Response and Frequency Regulation of Photovoltaic Power Generation System

GU Yujun, HUANG Yongzhang,YANG Xin, FU Wenqi, ZHAO Haisen

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

The renewable energy is connected to the power grid through converters. Because of the adoption of grid frequency orientation and maximum power tracking control, the renew energy generation units do not have the ability of inertial response and frequency adjustment. The Motor- generator Pair (MGP) becomes a feasible solution to this problem. In this paper, the grid-connection structure and motion equation of photovoltaic through MGP are given. The principle of inertial response and frequency regulation is analyzed for the long-time grid frequency change caused by load changes. On this basis, an improved DC voltage feedback control method is proposed. By introducing de-loading rate into the control link, the frequency regulation range increases accordingly. The simulation model and experimental platform of multi- machines are built respectively. By comparing with the frequency response of traditional thermal power plant and photovoltaic grid-connection through inverter, MGP can effectively improve the inertial response and frequency adjustment ability of photovoltaic power generation unit.

photovoltaic generation; motor-generator pair;inertial response; frequency regulation; frequency stability

TM712

A

1000-3983(2021)01-0029-05

南方電網公司科技項目（067600KK52180007）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（2019QN102）

2020-08-10

谷昱君（1990-），華北電力大學，電氣與電子工程學院，電氣工程專業，博士研究生在讀，主要研究方向為高滲透率新能源電力系統穩定性。