光伏儲能微源虛擬同步發(fā)電控制技術及微電網(wǎng)系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)具有可持續(xù)利用、環(huán)保效果好、維護簡單等一系列優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。隨著光伏發(fā)電技術的成熟，分布式電源并網(wǎng)發(fā)電應用率也在同步提升。由于其接入方式、自身特性與傳統(tǒng)發(fā)電方式有明顯差異，導致光伏儲能微源大規(guī)模并入配電網(wǎng)時，會對電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生沖擊影響。針對此類問題，可以用微電網(wǎng)的形式降低分布式電源的影響。而應用微電網(wǎng)系統(tǒng)時，必須要使用儲能裝置，將光伏板產(chǎn)生的電能存儲起來，進行調(diào)壓、穩(wěn)壓，之后再進行并網(wǎng)，以降低其沖擊影響?；诖?，探究光伏儲能虛擬同步發(fā)電機控制技術及微電網(wǎng)系統(tǒng)的應用，成為現(xiàn)階段光伏發(fā)電技術的重要研究課題。

1 光伏儲能微源虛擬同步發(fā)電控制技術

1.1 虛擬同步發(fā)電控制原理

光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置與發(fā)電裝置使用同一條直流母線，采用這種結(jié)構(gòu)設置的優(yōu)勢在于有效抑制光伏功率波動?；诖?，在光伏儲能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)的設計中，可以選擇將光伏儲能前級的DC控制系統(tǒng)作為等效直流源，保證虛擬同步發(fā)電控制能夠與同步發(fā)電機表現(xiàn)出相同或相似的特性。虛擬同步發(fā)電機主要由兩部分組成，即電路模塊以及控制電路模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，Udc為直流電源，Li為低通濾波器產(chǎn)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(fā)電機與電網(wǎng)連接時產(chǎn)生的電感。此外，在光伏儲能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)中，主電路上設置了1臺三相電壓型逆變器。該系統(tǒng)在運行時，利用虛擬同步發(fā)電機實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓以及電網(wǎng)電壓的調(diào)控，保證光伏電能可以經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化后傳輸至電網(wǎng)。在虛擬同步發(fā)電系統(tǒng)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(jù)控制功能的實現(xiàn)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(fā)電的控制流程為：

圖1 虛擬同步發(fā)電機控制原理基本框圖

虛擬同步發(fā)電機運行以后，自動收集并網(wǎng)接入點的輸出電壓（Uabc）、輸出電流（i）?？刂破骰诓杉降膶崟r數(shù)據(jù)計算得到虛擬同步發(fā)電機的輸出電磁功率（Pe）。采集輸出電壓的幅值（Um）和系統(tǒng)頻率（f），利用所得數(shù)據(jù)計算出系統(tǒng)的無功功率（Q）。使用工頻控制器能測量出同步發(fā)電機的機械功率值（PT）；使用勵磁控制器能測量出同步發(fā)電機的電壓指令值（E0）。整理上述各項參數(shù)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(fā)電機模型處理上述參數(shù)，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(diào)控作用下，輸出的并網(wǎng)電壓指令被轉(zhuǎn)化成為逆變器的SPWM調(diào)制波。然后逆變電壓在諧波電路的濾除作用下，轉(zhuǎn)化成為與同步發(fā)電機特性相同的并網(wǎng)電壓，即Uabc，從而保證了虛擬同步發(fā)電機與同步發(fā)電機的特性高度相似或完全相同。

1.2 光伏儲能系統(tǒng)中虛擬同步發(fā)電控制的實現(xiàn)

1.2.1 模擬同步發(fā)電機的運行特性

同步發(fā)電機在運行期間具有旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼特性，因此在使用虛擬同步發(fā)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(tǒng)控制功能的順利實現(xiàn)。為此，基于同步發(fā)電機并網(wǎng)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(fā)電機并網(wǎng)等效電路及矢量關系圖

在圖2中，Us表示同步發(fā)電機在運行時產(chǎn)生的電動勢，R為并網(wǎng)逆變器的等效電阻，jx為并網(wǎng)逆變器的電抗，Ug為聯(lián)網(wǎng)運行時的并網(wǎng)電壓，Ig為該系統(tǒng)的輸出電流，φ為該系統(tǒng)的相位角。在圖2中，調(diào)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(tài)，在兩條矢量軸上根據(jù)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(wǎng)逆變器的等效電阻有關。Usd和Usq分別表示同步發(fā)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(zhuǎn)子的角速度、系統(tǒng)的角速度，具體計算方法為：

虛擬同步發(fā)電機在運行期間，除了調(diào)速器會控制轉(zhuǎn)子角速度外，發(fā)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(fā)電機的內(nèi)部電動勢與勵磁系統(tǒng)有關，同時無功功率設定值決定了內(nèi)部電動勢?；谏鲜鲫P系，可以在光伏儲能系統(tǒng)中構(gòu)建一個調(diào)速器模型，用于調(diào)整發(fā)電機的角速；再引入一個勵磁系統(tǒng)模型，用于調(diào)整發(fā)動機的電動勢。這樣就保證了光伏儲能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)同時具備了同步發(fā)電機的慣性特點和阻性特點。

1.2.2 光伏儲能逆變系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

基于虛擬同步發(fā)電機控制策略，構(gòu)建光伏儲能逆變系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該控制系統(tǒng)中，考慮到儲能裝置的動態(tài)響應頻率遠遠低于同步發(fā)電機，因此可以忽略不計。另外，分布式能源的動態(tài)響應特性具有不穩(wěn)定性，在該系統(tǒng)中以直流電壓的動態(tài)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(wěn)定實現(xiàn)。

圖3 光伏儲能逆變系統(tǒng)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(nèi)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(huán)，PI為比例積分控制器。

基于虛擬同步發(fā)電機控制技術的光伏逆變系統(tǒng)在正常運行時，中央控制器自動收集前端設備的運行參數(shù)，并經(jīng)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(fā)電機的矢量關系，計算出位于旋轉(zhuǎn)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(diào)制）產(chǎn)生驅(qū)動效果，發(fā)出脈沖并打通開關管。在鎖相環(huán)的控制作用下，實現(xiàn)了逆變電源與微電網(wǎng)的并網(wǎng)接入，讓電網(wǎng)系統(tǒng)頻率可以穩(wěn)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(fā)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(wǎng)系統(tǒng)時，將系統(tǒng)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(tǒng)輸出頻率控制在較小的波動范圍內(nèi)，從而達到保持微電網(wǎng)穩(wěn)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(huán)節(jié)置于控制器后，保障無功功率發(fā)生變化后，可以平穩(wěn)地恢復至新的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真實驗

2.1 仿真實驗環(huán)境的構(gòu)建

為了進一步驗證光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)在負荷調(diào)節(jié)與穩(wěn)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?；贛atlab數(shù)字仿真軟件創(chuàng)建光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎上開展仿真實驗。

該光伏儲能微電網(wǎng)中安裝了G1和G2兩臺同步發(fā)電機，并且與光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了并網(wǎng)接入，這樣就能利用同步發(fā)電機為系統(tǒng)提供電能。鑒于微電網(wǎng)輸出頻率較為穩(wěn)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(wǎng)的負荷數(shù)值，從而得到在不同控制模式下微電網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)出來的不同動態(tài)響應特性。假設選擇G1同步發(fā)電機作為平衡節(jié)點，調(diào)節(jié)負荷使其增加或降低，則系統(tǒng)功率也會發(fā)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(fā)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(xiàn)電壓大幅度波動的情況。另外，考慮到仿真系統(tǒng)應用期間可能會出現(xiàn)負荷突增或陡降的現(xiàn)象，為保證負荷改變情況下正常同步發(fā)電，在仿真系統(tǒng)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(wǎng)仿真系統(tǒng)搭建完畢后，首先使用常規(guī)的恒功率控制策略，使該系統(tǒng)正常運行。一段時間后將系統(tǒng)負荷突然提升到1 000 W，觀察系統(tǒng)功率、頻率的響應特性，如圖4、圖5所示。

圖4 同步發(fā)電控制下微電網(wǎng)系統(tǒng)功率響應特性

圖5 同步發(fā)電控制下微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率響應特性

在圖4、圖5中，PG1和PG2是兩臺同步發(fā)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(tǒng)的頻率值。在圖4中，當系統(tǒng)負荷突然上升時，受到同步發(fā)電機控制策略的影響，G2發(fā)電機以及與之相連的光伏逆變器，在輸出功率上僅表現(xiàn)出輕微的波動，但是在極短時間內(nèi)又馬上恢復平穩(wěn)狀態(tài)。因此從整體上來看，瞬時的負荷增加不會引起系統(tǒng)頻率的波動變化。這種情況下，整個光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)仍然可以保持恒功率狀態(tài)繼續(xù)運行。

在光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)中，G1同步發(fā)電機作為平衡節(jié)點，如果突然增加微電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷，會對G1的運行狀態(tài)產(chǎn)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(tài)。這時，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機會自動降低轉(zhuǎn)速，減少由發(fā)電機提供的動能，從而抵消一部分因為負荷突增而產(chǎn)生的多余動能。結(jié)合圖5可知，在系統(tǒng)負荷突然增加后，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)了斷崖式下降，最低達到了49.5 Hz。此時受到同步發(fā)電機二次調(diào)頻的作用，系統(tǒng)頻率逐步回升，在10 s之后重新恢復到正常水平，并穩(wěn)定在50 Hz。由此可見，在光伏儲能系統(tǒng)中使用同步發(fā)電機控制技術，可以保證光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生負荷突變后，可以利用虛擬同步發(fā)電機控制策略使系統(tǒng)在短時間內(nèi)重新恢復穩(wěn)態(tài)，保證了光伏儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

太陽能作為一種新型清潔能源，隨著光伏發(fā)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(fā)電技術產(chǎn)生的電能大規(guī)模并入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)正常運行產(chǎn)生了沖擊影響。實踐表明，基于分布式控制策略的微電網(wǎng)系統(tǒng)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(fā)電控制技術的微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對微電網(wǎng)運行參數(shù)的實時收集和計算分析，在此基礎上實現(xiàn)了對異常負荷的動態(tài)監(jiān)控，并且在發(fā)生負荷突變之后利用虛擬同步發(fā)電控制技術，實現(xiàn)對微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率、功率的快速調(diào)節(jié)，使之迅速恢復至正常狀態(tài)，保障了光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。