光伏并網發電機組慣量阻尼控制方法研究

楊雨涵

(西安科技大學 電氣工程工學院，西安 710000)

0 引言

光伏并網發電機組是由分布式電源和電力電子化系統共同組成的大規模電網發電系統[1]，通過利用光伏陣列裝置，將接收到的太陽能的輻射轉換為高電壓的直流電。通過逆變器進行反向轉換，將與電壓同頻同相的正弦型交流電流輸入到電力系統中。因具備較為優越的有功備用能力，常作為可再生能源的接入電網，被廣泛應用于航空航天、醫療衛生、機械制造、煤礦挖掘等多種領域。然而即便是機電發展尤為迅速的現代社會，光伏并網發電機組仍存在不容忽視的內部缺陷，即機組慣量阻尼極易受到干擾因素的影響，出現作用規律不穩定等問題。為了提高光伏并網發電機組的工作效率，相關人員投入到機組慣量阻尼控制方法的研究之中。

例如，申志鵬[2]等人提出基于柔性直流輸電系統的雙邊慣量和阻尼模擬控制方案，通過兩端互聯交流電網推導發電系統雙邊慣量和阻尼系數，并將推導值作為建模依據，參考BIDE控制方案建立基于光伏并網發電機組的三相接地線路控制模型，實現光伏并網發電機組慣量阻尼控制，該方法存在控制性能較差的問題。岳家輝[3]等人提出基于自適應慣量阻尼的雙饋風電機組虛擬同步控制策略，通過模擬有功功率突變條件下虛擬電流閉環的二階信號，獲取有功功率變化閾值內的轉動慣量和阻尼系數。通過制定系統輸入量，并沿輸入軌跡交錯控制電機組恒參數，實現光伏并網發電機組慣量阻尼控制。孫宇新[4]等人提出基于虛擬同步發電機的慣量和阻尼自適應控制，通過將微電網與協同控制模型結合，獲取自適應虛擬慣量和阻尼系數的協同控制策略，實現光伏并網發電機組慣量阻尼控制。上述兩種方法雖然實現了光伏并網發電機組慣量阻尼控制，但是卻存在光伏并網發電機組同步性能較差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出了光伏并網發電機組慣量阻尼控制方法研究的方法，重點與難點在于基于VSG的慣量阻尼控制模型，將慣量阻尼控制過程作為核心算法，將轉動慣量和阻尼系數視為光伏系統的控制變量，匹配低頻慣性效應和低頻阻尼效應，調節穩定性和振動應力抵抗性。實驗結果顯示，在慣量阻尼控制性能測試中，所提方法控制光伏并網發電機組，在充電狀態和放電狀態下，能夠不受Kp和Dp干擾，其輸出功率的振動幅度較小；在同步性測試中，所提方法能夠在Kp和Dp突變的第一時間，控制機組慣量阻尼，并且能夠維持功率振幅。表明所提方法的控制性能好、同步性能好。

1 穩定性和振動應力抵抗性平衡控制

光伏發電技術作為21世紀應用價值最高的發電技術之一，已成為現代社會的重點發展項目，被記錄在《國家能源發展規劃》當中。想要控制光伏并網發電機組慣量阻尼，需要優先分析影響機組慣量阻尼的干擾因素，并以此為基礎，建立基于光伏并網發電機組的平衡控制模型，以此實現光伏并網發電機組慣量阻尼的自動化控制。

1.1 光伏并網發電機組暫態特性分析

從宏觀視角來看，光伏并網發電機組是由光伏組件、前級Boost變換器和后級逆變器共同組成的光伏高比例發電系統。相較于傳統的靜止式發電機，光伏并網發電機組在暫態電壓的調度方面和一次能源的蓄電強度方面均具有獨特的優勢。光伏組件負責疊加系統光伏滲透率，以維持接入式電力系統直流母線電壓的穩定[5-6]。通常情況下，一次能源注入過程需要同時測量接入式電力系統低壓側和高壓側直流母線的電容值，以保證系統恒定功率與無窮大電網之間的等效電壓和等效電流始終不超過電池儲能與機械能轉換途中產生的額定電壓和額定電流。

前級Boost變換器負責接收光伏組件釋放的電壓指令和電流指令，其具有較小的射頻干擾和較低噪聲的優點。由于光伏組件缺乏電力元件，無法將疊加成功的光伏滲透率并行投射至系統全層[7]，因此需要以指令的形式提高前級Boost變換器電壓和電流，以達到系統全層并網的目的。后級逆變器近似一個頻率下垂環，主要負責響應系統動態運行途中的電阻和電感，以及時診斷系統電源側及負荷側的擾動因素，維持系統正常狀態[8]。光伏滲透率疊加公式如下：

(1)

式中，a為系統穩態運行時的功角；Δt為直流電壓時間尺度；q為并網變換器的勵磁電勢幅值；θi為出口電壓的基波分量。

直流母線電容值計算公式如下：

(2)

式中，Δω為直流電容參考電壓；pi為并網變換器電壓等級；pj為輸出電壓與電網電壓間的相位角。

1.2 光伏并網發電模型

機組慣量阻尼是光伏并網發電機組按標準動態方程運行途中產生的物理參數，對系統工作起到變量增益的作用。光伏并網的基本思路是：以太陽能電池為基礎，通過采用半導體器件的電子性能，在太陽光照射的作用下，形成一種強大的內部靜電場，將光能量轉換成電能，再通過逆變器進行反向轉換后，能夠向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。

考慮到機組慣量阻尼與系統慣性水平和阻尼能力存在明顯對應關系，且慣性水平決定系統發生位置變化的概率，慣性水平越強[9-10]，系統出現隨機運動的概率越小、系統整體裝置越穩定；阻尼能力決定系統機械零件間的共振振幅，阻尼能力越強，系統因震動應力達到極限而造成的零件損壞概率越低，因此將慣量阻尼的變化規律視為光伏并網發電機組的研究重點，試圖通過提高機組慣量阻尼控制能力，優化光伏并網發電機組的工作效率[11-12]。由于不可抗力和動態失穩機制的存在，機組慣量阻尼并不總是維持在系統結構參數和穩態工作點參數共同決定的理想狀態，而是在外界干擾因素的作用下，以低頻慣性效應和低頻阻尼效應的形式呈現在不平衡系統能量源圖中。不平衡系統能量源如圖1所示。

圖1 不平衡系統能源圖

由圖1可見，影響機組慣量阻尼的干擾因素是頻率下垂系數Dp和變比例-退飽和式PI調節器的比例系數Kp[13-14]。頻率下垂系數Dp指的是有功功率參考值與頻率偏差的系數，當逆變器的容量越大時，其對應的下垂系數越小。變比例-退飽和式PI調節器的比例系數Kp是指根據系統的誤差、利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。當系統中出現偏差時，可以通過比例調節來減少系統的偏差。通過在電網電壓矢量定向的同步旋轉坐標系中建立光伏并網發電模型，并在模型中添加抑制干擾能力處于活躍狀態的Dp和Kp，模擬發電機與電流、電壓諧波一體化條件下機組慣量阻尼的低頻特性。低頻特性指的是系統在低頻區域運行時，由于其起動力值較低，導致其啟動性能不夠理想。在低頻穩定狀態下，由于電網的電壓和負荷的變化，以及變頻器的輸出電壓波形的異常，會引起系統啟動困難甚至無法啟動，同時還會造成電機的振動。如果變頻調速裝置與電機之間的間隔過長，以及由于高次諧波的影響，很容易造成電機的爬行。

根據低頻特性分析慣量阻尼影響規律，可知Dp和Kp的值越大，慣量越小。其中，Kp對慣量的影響強度較Dp更甚，Dp對阻尼的影響強度較Kp更甚。隨著Dp和Kp與機組慣量阻尼的耦合程度越高，系統功率回路的載荷越大[15-16]，光伏并網發電機組輸出功率幅值越振蕩，系統穩定性和振動應力抵抗性越差。

標準動態方程的表達式如下：

K=xn+xm-e-1

(3)

式中，xn為蓄電池電壓；xm為光伏系統的功率變化量；e-1為光伏容量。

光伏并網發電模型的函數表達式如下：

(4)

2 光伏并網發電機組慣量阻尼控制

在深入分析機組慣量阻尼，并掌握二者干擾因素后，以此為基礎，建立光伏并網發電機組的慣量阻尼控制模型。

VSG是建立在微電網逆變控制策略基礎上的一種自動化慣量阻尼綜合控制器[17-18]，該控制器的核心思路圍繞并網輸出的虛擬慣量和虛擬阻抗展開，即通過將虛擬慣量和虛擬阻抗分別與二階、三階、五階模型結合，達到簡化原動機本地負載、放大光伏系統輸出功率微小變化的目的。參與結合的各階模型在影響因素的多個擾動周期內與發電機轉子旋轉特性和功率振蕩的超調量有關。由于發動機轉子旋轉特性和功率振蕩的超調量依賴虛擬慣量和虛擬阻抗在擾動后的自適應變化，因此可以將轉動慣量和阻尼系數視為光伏系統的控制變量[19]。

VSG的拓撲結構包括：直流電源，電力電子變換器，輸出LC濾波器。將同步發生器的方程式嵌入到變換器的控制中，VSG可以根據同步發生器的特性，使VSG實現直流電源和系統之間的功率交換。VSG的拓撲結構如圖2所示。

二階、三階、五階模型的表達式如下：

(5)

式中，gm為轉子轉速；α為衰減因子；Δb為期望阻尼；λvac為阻尼偏差；t′為模型權重；u為慣性響應間隔；In為發動機轉子角頻率基準值；si為有功負荷擾動閾值；sj為聯絡線功率振蕩幅值。

VSG是將同步發電機的數學模型，融入到逆變電路的控制中。將靜態功率器件模擬為旋轉電機的運行技術，對同步發電機進行一次調頻調壓，使其具備快速波動的阻尼、頻率、功率自動分配、同步電網運行等作用。VSG控制原理是在有功控制的基礎上，增加轉子慣量，模擬發電機慣量，以此實現對電網運行性能的提升。

根據VSG控制策略的基本原理建立基于VSG的慣量阻尼控制模型[20-21]，其具體建立步驟如下：首先以VSG控制策略為外骨架，搭建容納虛擬慣量和虛擬阻抗的三組模型，然后計算變比例-退飽和式PI調節器的比例系數Kp在多個擾動周期內抑制的虛擬慣量，以及頻率下垂系數Dp在多個擾動周期內抑制的虛擬阻尼[22]。利用VSG本體算法削弱轉子存儲動能和功率譜變化率。

將VSG本體算法指導的慣量阻尼控制過程作為核心算法，與VSG控制策略的基本原理結合，建立基于VSG的慣量阻尼控制模型。VSG本體算法的表達式如下：

T=R′+|in-im|

(6)

式中，R′為轉子角速度；in為轉子線速度；im為負荷擾動后的暫態持續時間。

促使受抑制的虛擬慣量與虛擬阻尼在極短的時間內自動回落，直至光伏并網發電機組輸出功率恢復初始振蕩幅值，完成機組慣量阻尼全局控制[23-24]。

慣量阻尼控制過程的輸出結果[25]表達式如下：

(7)

根據慣量阻尼控制模型的輸出結果，實現光伏并網發電機組慣量阻尼的自動化控制。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗環境

為了驗證光伏并網發電機組慣量阻尼控制方法研究的整體有效性，需要對其測試。分別采用基于柔性直流輸電系統的雙邊慣量和阻尼模擬控制方案(以下簡稱：文獻[2]方法)和基于自適應慣量阻尼的雙饋風電機組虛擬同步控制策略(以下簡稱：文獻[3]方法)作為對比方法。

擬定測試實驗平臺為MatlabR 2019b，利用MATLAB仿真軟件中的Simulink軟件包，模擬光伏并網發電機組電路。仿真電路的拓撲結構如圖3所示，仿真系統參數設置如表1所示。

圖3 仿真電路的拓撲結構

表1 仿真系統參數設置

光伏并網發電機組的主要電路參數如表2所示。

表2 光伏并網發電機組的主要電路參數

3.2 慣量阻尼控制性能對比測試

根據上述表1系統參數設置，以及表2光伏并網發電機組的主要電路參數設置，完成了對模擬光伏并網發電機電路的設置。分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網發電機組在充電狀態和放電狀態下的慣量阻尼，實現對慣量阻尼控制性能的對比測試。

根據上述內容可知，影響光伏并網發電機組慣量、阻尼的主要因素是頻率下垂系數Dp和變比例-退飽和式PI調節器的比例系數Kp。因此在驗證慣量控制性能時，首先，保證試驗對象Dp不變，觀察Kp持續下降過程中，不同方法對慣量的控制性能測試；其次，在驗證阻尼控制性能時，保證試驗對象Kp不變，觀察Dp持續下降過程中，不同方法對阻尼的控制性能測試。

考慮到Kp和Dp下降會直接干擾光伏并網發電機組的輸出功率，使其功率振幅明顯上升，而輸出功率的振幅大小與慣量阻尼大小密切相關，即功率振幅越小，機組慣量阻尼越大。因此將輸出功率作為縱坐標，觀察Kp和Dp強迫輸出功率振幅上升途中，不同方法下功率振幅的變化情況。充電狀態和放電狀態下不同方法的功率振幅如圖4～7所示。

圖4 Kp變化時充電狀態下不同方法的功率振幅

圖6 Dp變化時充電狀態下不同方法的功率振幅

圖7 Dp變化時放電狀態下不同方法的功率振幅

從圖4～7的實驗結果可以得出，采用所提方法控制光伏并網發電機組慣量阻尼，其在系統充電狀態和放電狀態下始終無視Kp和Dp干擾，將輸出功率維持在最小振蕩幅值，說明所提方法對Kp和Dp帶來的影響持有較高的防御能力，即所提方法的控制性能較好。這是因為所提方法在建立慣量阻尼控制模型前，優先分析影響光伏并網發電機組慣量阻尼的干擾因素，并以此為基礎，結合VSG實現慣量阻尼控制模型的構建。而采用文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網發電機組慣量阻尼，二者在系統充電狀態和放電狀態下均受到Kp和Dp干擾，出現功率幅值明顯振蕩的趨勢，說明文獻[2]方法和文獻[3]方法對Kp和Dp帶來的影響持有較低的防御能力，即文獻[2]方法和文獻[3]方法的控制性能較差。經上述對比，可知所提方法對光伏并網發電機組慣量阻尼控制性能明顯優于傳統方法。

3.3 同步性能對比測試

圖8 Kp突變時不同方法的功率振幅變化情況

圖9 Dp突變時不同方法的功率振幅變化情況

為進一步測試所提方法的性能，分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法控制光伏并網發電機組慣量阻尼。通過觀察Kp和Dp突變時，不同方法的功率振幅變化情況，判斷不同方法的同步性能。不同方法的功率振幅變化情況如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9的實驗結果可知，所提方法在Kp和Dp突變的第一時間控制機組慣量阻尼，維持功率振幅，說明所提方法的同步性能較好。而文獻[2]方法和文獻[3]方法在Kp和Dp突變后一段時間才開始控制機組慣量阻尼，且控制功率振幅波動較大，說明文獻[2]方法和文獻[3]方法的同步性能較差。經上述對比結果可知，文獻[2]方法和文獻[3]方法的控制機組慣量阻尼效果，較所提方法存在較大差距。因此，進一步驗證了所提方法的同步性更好。

4 結束語

光伏并網發電機組仍存在慣量阻尼控制效果不理想等缺陷。為了增強光伏并網發電機組穩定性和振動應力抵抗性，提出光伏并網發電機組慣量阻尼控制方法研究的方法。通過分析光伏并網發電機組機械結構，確定影響機組慣量阻尼的干擾因素，并分析光伏并網發電機組暫態特性。利用VSG本體算法模型核心算法，組建基于VSG的慣量阻尼控制模型。根據慣量阻尼控制模型的輸出結果，不斷平衡機組間的穩定性和振動應力抵抗性，實現光伏并網發電機組慣量阻尼的自動化控制。實驗結果表明：

1)在慣量阻尼控制性能測試中，所提方法控制光伏并網發電機組，在充電狀態和放電狀態下始終無視Kp和Dp干擾，其輸出功率的振動幅度維持在最小振蕩幅值，說明所提方法的控制性能較好。

2)在同步性測試中，所提方法在Kp和Dp突變的第一時間控制機組慣量阻尼，維持功率振幅，說明所提方法的同步性能較好。

根據實驗結果可知，所提方法取得了較好的實驗結果，但仍存在一些問題需要解決。如何在保證機組慣量阻尼控制性能的同時，縮減慣量阻尼控制時長，是研究人員下一步工作的重點。

致謝：感謝我的論文指導老師曹樂，她以嚴謹的學風、淵博的知識詳細指導著我，使論文的質量和學術水平有了提升，在此向曹樂老師致以真摯的謝意和崇高的敬意！