光伏驅(qū)動(dòng)新能源同步機(jī)并網(wǎng)的調(diào)頻能力探究

張騰 張琳

1國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 2中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司

1 新能源同步機(jī)并網(wǎng)頻率響應(yīng)分析

1.1 慣性響應(yīng)及提升方法

1.1.1 MGP慣性響應(yīng)特性分析

新能源MGP系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)子具備旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供慣性響應(yīng)，因此接入新能源電網(wǎng)中可以緩解并網(wǎng)過程中電力系統(tǒng)慣性缺失所造成的不利影響。當(dāng)新能源電網(wǎng)頻率降低時(shí)，MGP中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子電壓角速度不一致，由于定子和轉(zhuǎn)子之間存在電磁-機(jī)械耦合關(guān)系，電網(wǎng)頻率下降時(shí)MGP可以自動(dòng)釋放存于軸系中的動(dòng)能為電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)。與其他新能源并網(wǎng)慣性響應(yīng)提升方法相比，MGP系統(tǒng)在不需要檢測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行頻率的情況下，即可自發(fā)、瞬時(shí)為電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)。

MGP有利于降低新能源電網(wǎng)頻率變化率，較小頻率最大偏移量。同時(shí)其還具備傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相似結(jié)構(gòu)，因此慣性響應(yīng)特性也與傳動(dòng)發(fā)電機(jī)相同，即電網(wǎng)頻率頻率相對(duì)平滑，并且隨著電網(wǎng)頻率變化率改變，MGP會(huì)釋放出相同比例的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.1.2 MPG慣性響應(yīng)提升方法

MGP中存儲(chǔ)慣性常數(shù)HMGP和旋轉(zhuǎn)動(dòng)能EMGP分別表示為：

式中JMGP—MGP轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωrN—MGP轉(zhuǎn)子角速度；SMGP_N—MGP額定容量。

由公式（1）和（2）可知在MGP系統(tǒng)容量和電機(jī)轉(zhuǎn)速固定的情況下，MGP轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與系統(tǒng)慣量有直接關(guān)系，其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可表示為：

式中m—MGP系統(tǒng)質(zhì)量；D—MGP系統(tǒng)等效直徑。

假設(shè)MGP為均值圓柱體，可以將公式（3）簡化為：

式中 ρ—圓柱體密度；r—圓柱體半徑；l—圓柱體長度。

由公式（4）可以可知，JMGP可控量為等效半徑和長度，但同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度加快，MGP轉(zhuǎn)速過長會(huì)影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率，因此想要提高M(jìn)GP系統(tǒng)慣量只能增加MGP等效半徑。該提升方案便于安裝和設(shè)計(jì)，只需要增加電子轉(zhuǎn)子等效半徑即可，有利于進(jìn)一步提高M(jìn)GP轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 一次調(diào)頻特性

新能源負(fù)荷增加導(dǎo)致電網(wǎng)頻率快速下降時(shí)，新能源變流器輸出電壓頻率保持不變，此時(shí)MGP瞬時(shí)響應(yīng)，向電網(wǎng)釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。根據(jù)MGP慣性響應(yīng)提升策略，新能源逆變器輸出電壓頻率表示為：

式中KP—電壓控制器比例；KI—電壓控制器積分系數(shù)；Udc—直流母線電壓值。

根據(jù)MGP慣性響應(yīng)特性可知，MGP傳輸有功功率PMGP可表示為：

式中KMGP—MGP有功-功角比例系數(shù)；δM、δG、δ0—MGP向量角度，其中δM=2πfrcft-ωrt+δ0，δG=ωrt-2πfgt+δ0。

由公式（5）和（6）可以MGP有功功率微分與新能源電網(wǎng)關(guān)系可表示為：

由公式（7）可知，MGP有功功率變化率與新能源電網(wǎng)頻率之間呈反比例關(guān)系。在新能源電網(wǎng)頻率快速下降時(shí)，MGP會(huì)釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，當(dāng)電網(wǎng)頻率逐漸恢復(fù)時(shí)，MGP則會(huì)從新能源電網(wǎng)中吸收有功功率并進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于電網(wǎng)頻率下降時(shí)為其提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。

另外，因此為保證新能源電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，需要進(jìn)一步研究新能源一次調(diào)頻控制策略。

2 一次調(diào)頻控制策略及穩(wěn)定性分析

2.1 一次調(diào)頻控制策略

光伏逆變器是電網(wǎng)功率傳輸?shù)臉屑~，在電器變流器功率穩(wěn)定輸出的同時(shí)需要控制MGP并網(wǎng)運(yùn)行，但是MGP具有隔離作用，導(dǎo)致逆變器無法主動(dòng)參與一次調(diào)頻。為使MGP并網(wǎng)具有一次調(diào)頻功能，需要在逆變器控制中加入角頻率反饋控制環(huán)節(jié)，使其具備感知電網(wǎng)運(yùn)行頻率變化的能力，以此來調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸出功率大小。

在下垂控制種增加限制轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)，可以在電網(wǎng)運(yùn)行頻率出現(xiàn)微小變化時(shí)，下垂控制不動(dòng)作，避免光伏電網(wǎng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)快速變化造成功率波動(dòng)大幅度變化。同時(shí)在MGP轉(zhuǎn)速偏移量過大時(shí)，也可以限制下垂控制輸出大小，保證光伏驅(qū)動(dòng)新能源并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，光伏發(fā)電以MGP并網(wǎng)為主，并預(yù)留少量有功功率作為備用方式運(yùn)行。當(dāng)新能源電網(wǎng)運(yùn)行頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，MGP限制轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)能夠進(jìn)一步減小電網(wǎng)光伏出力波動(dòng)，并利用MGP慣性響應(yīng)特性抑制電網(wǎng)運(yùn)行頻率大幅度變化。電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)荷快速增長或下降造成電網(wǎng)運(yùn)行頻率出現(xiàn)較大幅度變化時(shí)，下垂控制策略可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速偏移量參數(shù)調(diào)整ΔU的大小，以及光伏處理，并主動(dòng)參與到電網(wǎng)一次調(diào)頻中。當(dāng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)速偏移量大于最大偏移量時(shí)，電網(wǎng)下垂控制策略按照最大值輸出，可以避免MGP發(fā)生失速或過速等情況。

另外，光伏出力變化范圍會(huì)受到有功功率控制環(huán)節(jié)出力范圍的影響，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中將兩個(gè)控制策略進(jìn)行結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)MGP并網(wǎng)一次調(diào)頻功能。

2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為研究光伏驅(qū)動(dòng)過程中MGP一次調(diào)頻穩(wěn)定性，可以將電網(wǎng)比作為單機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，并忽略電網(wǎng)電阻，所獲得的光伏驅(qū)動(dòng)新能源電網(wǎng)MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏新能源同步機(jī)并網(wǎng)一次調(diào)頻框架

圖1中EM為同步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)有效值；EG為同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)有效值；Ugrid、Uinv分別為電網(wǎng)電壓值和逆變器輸出電壓值；φinv為逆變器輸出電壓；φM為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)相位角；φG為發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)相位角；Xgrid為電網(wǎng)電抗。

在電網(wǎng)運(yùn)行頻率發(fā)生變化時(shí)，保持MGP電壓和電感不變，由于光伏頻率響應(yīng)主要通過MGP與電網(wǎng)電磁-機(jī)械耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)調(diào)控，因此將MGP運(yùn)行方程簡化為數(shù)學(xué)模型，電網(wǎng)同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

式中PGe、PMe—同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)電磁功率。

當(dāng)δM=δM0和δG=δG0時(shí)，采用線性化方法公式（8）進(jìn)行處理，可得：

式中KsG、KsM—同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)圖1和δM=2πfrcft-ωrt+δ0，δG=ωrt-2πfgt+δ0，可以將MGP運(yùn)行方程表示為：

由于光伏逆變器開關(guān)頻率最大值可以達(dá)到20kHz，利用一階慣性將逆變器模型進(jìn)行等效處理，可得逆變器傳遞函數(shù)為：

式中Tinv—逆變器等效時(shí)間常數(shù)，其延時(shí)時(shí)間為0.05s。

由于考慮到MGP外環(huán)響應(yīng)速度低于內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度，在忽略MGP內(nèi)環(huán)一次調(diào)頻時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以將母線電壓等效為：

式中Km—母線電壓和交流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，其取值為0.8。

對(duì)利用拉普拉斯算法對(duì)公式（12）進(jìn)行處理，并結(jié)合公式（11）、（12）可得光伏新能源同步機(jī)并網(wǎng)一次調(diào)頻框架，如圖3所示。

當(dāng)增加圖3中Kw參數(shù)時(shí)，MGP相位裕度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，由此表明MGP相位裕度主要受Kw參數(shù)的影響。因此適當(dāng)增加Kw參數(shù)有利于提高光伏新能源同步機(jī)并網(wǎng)一次調(diào)頻能力。

3 結(jié)語

本文研究了MGP慣性響應(yīng)和慣性提升方法，分析了MGP電磁-機(jī)械耦合作用對(duì)新能源一次調(diào)頻的影響，并分析了MGP的穩(wěn)定性，最后構(gòu)建了MGP一次調(diào)頻策略，得出以下結(jié)論:

①M(fèi)GP有助于提高新能源電網(wǎng)慣性響應(yīng)，同時(shí)也可以通過增加MGP轉(zhuǎn)子等效半徑的方式增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；根據(jù)MGP電磁-機(jī)械耦合特性，提出了以附加頻率偏移量和減載特性的控制策略，進(jìn)一步提高新能源電網(wǎng)一次調(diào)頻能力。

②從MGP并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，增加Kw參數(shù)有利于進(jìn)一步提高M(jìn)GP頻率響應(yīng)能力和并網(wǎng)一次調(diào)頻能力。