光伏儲能微源虛擬同步發電控制技術及微電網系統仿真

辛建英

（肇慶學院 電子與電氣工程學院，廣東 肇慶 526061）

太陽能光伏發電系統具有可持續利用、環保效果好、維護簡單等一系列優勢，具有廣闊的應用前景。隨著光伏發電技術的成熟，分布式電源并網發電應用率也在同步提升。由于其接入方式、自身特性與傳統發電方式有明顯差異，導致光伏儲能微源大規模并入配電網時，會對電網的正常運行產生沖擊影響。針對此類問題，可以用微電網的形式降低分布式電源的影響。而應用微電網系統時，必須要使用儲能裝置，將光伏板產生的電能存儲起來，進行調壓、穩壓，之后再進行并網，以降低其沖擊影響。基于此，探究光伏儲能虛擬同步發電機控制技術及微電網系統的應用，成為現階段光伏發電技術的重要研究課題。

1 光伏儲能微源虛擬同步發電控制技術

1.1 虛擬同步發電控制原理

光伏儲能發電系統中，儲能裝置與發電裝置使用同一條直流母線，采用這種結構設置的優勢在于有效抑制光伏功率波動。基于此，在光伏儲能虛擬同步發電控制系統的設計中，可以選擇將光伏儲能前級的DC控制系統作為等效直流源，保證虛擬同步發電控制能夠與同步發電機表現出相同或相似的特性。虛擬同步發電機主要由兩部分組成，即電路模塊以及控制電路模塊，結構如圖1所示。

圖1中，Udc為直流電源，Li為低通濾波器產生的濾波電感，Ci為低通濾波器的濾波電容，Lk為虛擬同步發電機與電網連接時產生的電感。此外，在光伏儲能虛擬同步發電控制系統中，主電路上設置了1臺三相電壓型逆變器。該系統在運行時，利用虛擬同步發電機實現對系統輸出電壓以及電網電壓的調控，保證光伏電能可以經逆變器轉化后傳輸至電網。在虛擬同步發電系統的控制終端，主要有兩部分組成，其一是控制器，具體又分為工頻型和勵磁型兩種類型；其二是控制算法單元，可根據控制功能的實現要求，按照既定的算法程序完成控制指令。光伏儲能虛擬同步發電的控制流程為：

圖1 虛擬同步發電機控制原理基本框圖

虛擬同步發電機運行以后，自動收集并網接入點的輸出電壓（Uabc）、輸出電流（i）。控制器基于采集到的實時數據計算得到虛擬同步發電機的輸出電磁功率（Pe）。采集輸出電壓的幅值（Um）和系統頻率（f），利用所得數據計算出系統的無功功率（Q）。使用工頻控制器能測量出同步發電機的機械功率值（PT）；使用勵磁控制器能測量出同步發電機的電壓指令值（E0）。整理上述各項參數后，將其作為輸入信號，依次輸入到控制算法單元中，利用虛擬同步發電機模型處理上述參數，即可得出與同步電機相同或相似的電壓信號。將模型輸出信號作為標準，在比例積分控制器（PI）的作用下，將標準值與實際電壓信號的測量值進行比對、分析。在該控制器的調控作用下，輸出的并網電壓指令被轉化成為逆變器的SPWM調制波。然后逆變電壓在諧波電路的濾除作用下，轉化成為與同步發電機特性相同的并網電壓，即Uabc，從而保證了虛擬同步發電機與同步發電機的特性高度相似或完全相同。

1.2 光伏儲能系統中虛擬同步發電控制的實現

1.2.1 模擬同步發電機的運行特性

同步發電機在運行期間具有旋轉慣性和阻尼特性，因此在使用虛擬同步發電控制技術時，也應盡量模擬出這些特性，以保證光伏儲能系統控制功能的順利實現。為此，基于同步發電機并網矢量關系，建立等效電路模型，并且從矢量關系圖中找出電壓、電流等向量關系。等效電路如圖2（a）所示，矢量關系如圖2（b）所示。

圖2 同步發電機并網等效電路及矢量關系圖

在圖2中，Us表示同步發電機在運行時產生的電動勢，R為并網逆變器的等效電阻，jx為并網逆變器的電抗，Ug為聯網運行時的并網電壓，Ig為該系統的輸出電流，φ為該系統的相位角。在圖2中，調整坐標系中d軸的方向，使其與Ug保持同一方向。這時在矢量關系圖中，q軸與d軸為垂直交叉狀態，在兩條矢量軸上根據矢量關系進行分解，計算出輸出電流參考值。計算公式為：

在式（1）中，Y表示逆變器的電阻率，與并網逆變器的等效電阻有關。Usd和Usq分別表示同步發電機電動勢在d軸和q軸上的分量。計算公式為：

在式（2）中，φ為相位角，主要取決于轉子的角速度、系統的角速度，具體計算方法為：

虛擬同步發電機在運行期間，除了調速器會控制轉子角速度外，發電機的有功功率值、角頻率等也會在一定程度上影響角速度。發電機的內部電動勢與勵磁系統有關，同時無功功率設定值決定了內部電動勢。基于上述關系，可以在光伏儲能系統中構建一個調速器模型，用于調整發電機的角速；再引入一個勵磁系統模型，用于調整發動機的電動勢。這樣就保證了光伏儲能虛擬同步發電控制系統同時具備了同步發電機的慣性特點和阻性特點。

1.2.2 光伏儲能逆變系統控制功能的實現

基于虛擬同步發電機控制策略，構建光伏儲能逆變系統，其控制結構如圖3所示。在該控制系統中，考慮到儲能裝置的動態響應頻率遠遠低于同步發電機，因此可以忽略不計。另外，分布式能源的動態響應特性具有不穩定性，在該系統中以直流電壓的動態響應作為替代，從而簡化了控制流程，并且有利于控制功能的穩定實現。

圖3 光伏儲能逆變系統整體控制框圖

在圖3中，Udc表示等效直流電壓源，TGBT的開關管用S1-S6表示。R為濾波電感的內阻，L為濾波電感，C為濾波電容。Iabc和Uabc是濾波電容輸出的三相電流和三相電壓。PLL為鎖相環，PI為比例積分控制器。

基于虛擬同步發電機控制技術的光伏逆變系統在正常運行時，中央控制器自動收集前端設備的運行參數，并經過計算后得出輸出有功功率、無功功率的參考值。在此基礎上，將參考值輸入到“有功-頻率控制模型”中，可以計算得出輸出角頻率；同樣的方法，將參考值輸入到“無功-電壓控制模型”中，可以計算出電壓參考值。確定同步發電機的矢量關系，計算出位于旋轉坐標d軸、q軸上的輸出電流值。以此作為標準，與實際測量值進行對比。如果配對成功，則啟動PI控制器，進行坐標反變換，對PWM（脈沖寬度調制）產生驅動效果，發出脈沖并打通開關管。在鎖相環的控制作用下，實現了逆變電源與微電網的并網接入，讓電網系統頻率可以穩定輸出，達到了逆變控制目的。

1.2.3 有功-頻率與無功-電壓控制模式

光伏儲能虛擬同步發電機支持兩種控制模式，一種是“有功-頻率”控制，其控制原理是在光伏逆變器接入強電網系統時，將系統頻率值作為參考值，在此基礎上采用有功-頻率控制策略，將系統輸出頻率控制在較小的波動范圍內，從而達到保持微電網穩定運行的效果。還有一種是“無功-電壓”控制，其控制原理是將延遲環節置于控制器后，保障無功功率發生變化后，可以平穩地恢復至新的穩定狀態。

2 光伏儲能微電網系統的仿真實驗

2.1 仿真實驗環境的構建

為了進一步驗證光伏儲能微電網系統在負荷調節與穩定控制方面的應用效果，基于上述理論分析在計算機上開展仿真實驗。基于Matlab數字仿真軟件創建光伏儲能微電網系統的仿真模型，在此基礎上開展仿真實驗。

該光伏儲能微電網中安裝了G1和G2兩臺同步發電機，并且與光伏發電系統、儲能系統實現了并網接入，這樣就能利用同步發電機為系統提供電能。鑒于微電網輸出頻率較為穩定，因此在仿真實驗設計中可以將負荷設定為純有功負荷。在仿真過程中，通過更改微電網的負荷數值，從而得到在不同控制模式下微電網系統表現出來的不同動態響應特性。假設選擇G1同步發電機作為平衡節點，調節負荷使其增加或降低，則系統功率也會發生相應的變化，以此來保證G2的輸出功率不受干擾。在仿真過程中，要求光照強度不發生明顯變化，這時鉛酸蓄電池對外放電，維持直流母線電壓恒定，避免出現電壓大幅度波動的情況。另外，考慮到仿真系統應用期間可能會出現負荷突增或陡降的現象，為保證負荷改變情況下正常同步發電，在仿真系統設計中還應用了下垂控制策略。

2.2 仿真實驗過程

光伏儲能微電網仿真系統搭建完畢后，首先使用常規的恒功率控制策略，使該系統正常運行。一段時間后將系統負荷突然提升到1 000 W，觀察系統功率、頻率的響應特性，如圖4、圖5所示。

圖4 同步發電控制下微電網系統功率響應特性

圖5 同步發電控制下微電網系統的頻率響應特性

在圖4、圖5中，PG1和PG2是兩臺同步發電機的輸出功率，Ppv是光伏逆變器的輸出功率，f為光伏儲能系統的頻率值。在圖4中，當系統負荷突然上升時，受到同步發電機控制策略的影響，G2發電機以及與之相連的光伏逆變器，在輸出功率上僅表現出輕微的波動，但是在極短時間內又馬上恢復平穩狀態。因此從整體上來看，瞬時的負荷增加不會引起系統頻率的波動變化。這種情況下，整個光伏儲能微電網系統仍然可以保持恒功率狀態繼續運行。

在光伏儲能微電網系統中，G1同步發電機作為平衡節點，如果突然增加微電網系統的負荷，會對G1的運行狀態產生直接影響。當負荷值足夠大時，G1輸出的機械功率、電磁功率都會打破平衡狀態。這時，微電網系統中的同步發電機會自動降低轉速，減少由發電機提供的動能，從而抵消一部分因為負荷突增而產生的多余動能。結合圖5可知，在系統負荷突然增加后，系統頻率出現了斷崖式下降，最低達到了49.5 Hz。此時受到同步發電機二次調頻的作用，系統頻率逐步回升，在10 s之后重新恢復到正常水平，并穩定在50 Hz。由此可見，在光伏儲能系統中使用同步發電機控制技術，可以保證光伏儲能微電網系統在發生負荷突變后，可以利用虛擬同步發電機控制策略使系統在短時間內重新恢復穩態，保證了光伏儲能系統的穩定性。

3 結束語

太陽能作為一種新型清潔能源，隨著光伏發電技術的逐漸成熟，光伏裝機量也在不斷增加。在這一背景下，基于光伏發電技術產生的電能大規模并入配電網，對配電網正常運行產生了沖擊影響。實踐表明，基于分布式控制策略的微電網系統是解決這一問題的有效方法，本文提出的一種基于光伏儲能虛擬同步發電控制技術的微電網系統，可以實現對微電網運行參數的實時收集和計算分析，在此基礎上實現了對異常負荷的動態監控，并且在發生負荷突變之后利用虛擬同步發電控制技術，實現對微電網系統頻率、功率的快速調節，使之迅速恢復至正常狀態，保障了光伏儲能微電網系統的穩定運行。