基于負載角調節的光伏電站集中同步控制策略

杜粉瓊

（國電電力發展股份有限公司宣威分公司，云南 宣威 655400）

0 前言

由于可再生能源的發展，其中傳統化石燃料所占比例逐步下降，對于可再生能源系統，提出了最佳的平準化度電成本（LCOE）[1]，為節能減排提供了可持續解決方案[2]。光伏發電廠通常通過電力電子逆變器連接到電網，其目的是提高光伏發電和電網之間電能交換的能力[3]。

虛擬同步機（VSM）控制器可以通過控制頻率和電壓來模擬電網運行[4-8]，文獻[4]、[9-10]通過VSM 模擬慣性來改善頻率調節，文獻[11-12]中提出了基于小信號分析的自調諧波算法，確定慣性和阻尼的最佳參數，從而達到頻率變化最小。

同步功率控制器（SPC）是一種VSM 策略，它結合了電網的機電特性和電氣特性。機電相互作用通過慣性和阻尼因子調節逆變器的頻率，補償對電網頻率沖擊。電氣特性模擬電網的阻抗，控制交流電壓與輸出電流，從而產生欠電壓振蕩、跌落和諧波補償等[13-14]。

為了控制頻率和電壓穩定輸出，本文提出了基于負載角調節的光伏電站集中同步控制策略。該集中控制模擬電網與電網連接點的機電特性，同時在每個光伏逆變器內部模擬電氣特性。同步控制不是在每個逆變器內獨立執行，而是集中在上層控制層中，通過由多個逆變器形成的聚合虛擬同步控制來滿足電網接入要求。

1 同步功率控制器SPC

在傳統的光伏并網逆變器中，有功和無功電流通過內部電流控制回路進行調節。在這種傳統光伏并網方式中，電網是基于鎖相環（PLL）同步，逆變器的整體性能對其影響較大。然而，當使用SPC 時，交流電流通過逆變器和電網之間的功率平衡進行調節，從而與電網進行同步。

基于SPC 的電氣連接如圖1 所示，SPC 和電網通過兩個阻抗連接，其中ZT表示交流濾波器和低頻變壓器之間的等效阻抗，而Zg表示電網阻抗。在SPC 中，功率逆變器通過內部電壓E∠θE與虛擬導納1/ZV串聯來模擬虛擬同步發電機（VSG）。

圖1 基于SPC的電氣連接圖

光伏發電廠向電網提供的有功無功計算公式[15]：

其中，Vg∠θg表示電網電壓，X表示等效電抗。δsm是負載角，即θE和θg之間的角度差，對有功功率有直接影響，其變化影響輸出功率。電網的機械功率和電功率之間的關系如下[15]：

其中，Δωr是轉子的角速度偏差，Pm和Pe是機械能量和電功率，J是轉動慣量，D是阻尼常數，ωB是同步角速度。

2 同步集中角控制器(SCAC)

2.1 原理

SCAC 是一種基于SPC 的控制策略，即將多個逆變器作為單個VSG 進行集中管理，同步控制不再是單獨調節每個逆變器，而是調節其中幾個逆變器的組合。這種控制策略的優點是在所有光伏逆變器之間提供功率自動分配的能力，及協調產生的同步動作更好接入電網的能力。此功能有助于使區域間振蕩達到最小，從而減少電能損失。如圖2 所示，光伏發電廠中e為集中輸出電壓，每個光伏發電單元模擬獨立的局部輸出電壓ei，局部電壓ei和集中電壓e之間的關系決定了每個光伏單元的有功和無功功率。

圖2 SCAC原理圖

在電網模型中，負載角δsm通過頻率偏差Δω定義電功率。在SCAC 中，該角度被稱為集中負載角δg，表示電網電壓Vg和集中電壓E之間的角度差值。因此，當出現頻率偏差時，調節集中負載角δg來增加或減少功率。

SCAC 分為兩個主要模塊：集中控制和本地控制。集中控制模擬虛擬轉子控制有功功率所需的集中負載角δg，采用無功功率控制回路來設置E。轉子仿真由慣性H、阻尼系數ζ和頻率下降速度控制。通過調整這些參數，可以在頻率波動時改善系統的動態性能。嵌入在每個光伏發電機中的本地控制，負責控制虛擬導納產生的功率，該虛擬導納通過本地電壓ei和交流電壓vc,i之間的電壓差來影響每個光伏發電機的輸出電流。

2.2 集中控制

集中控制通過兩個控制回路（機電和無功功率控制器）調節電廠和電網之間的電能交換。在圖3 中，機電控制結構決定了有功功率和負載角δg之間的關系，HM是將有功功率與頻率變化Δωr聯系起來的傳遞函數。該頻率與標準頻率ωB相加，并最終積分得到相位角θE，θE是與電網連接處的集中電壓e的相位角。傳遞函數HM基于擺動方程（3）設計，其中阻尼系數和慣性可根據電網特征和提供的功能進行調整。

圖3 集中控制回路的內部結構

圖4 虛擬同步參考坐標變換示意圖

文獻[15] 中對機電控制的動態響應進行了研究。結合文獻[15] 中的功率和頻率分析，功率回路HM計算公式：

其中，kp、ki和kD根據阻尼系數、慣性H和頻率下降速度進行設計。此參數可獨立于阻尼和慣性參數設置，并根據電網要求進行調整。根據公式（1）～（3），Pm和Pe之間的關系如下：

其中Pmax為EVg/X，J由慣性H=JωB2/2SN代替，SN為額定功率。根據文獻[15]，阻尼系數D提供了ΔP/Δωr之間的固定頻率下降值。

公式（5）一個二階傳遞函數，其中阻尼因子和慣性分別由ζ和ωn決定。結合公式（4），Pe和Pref之間的關系如下：

其中公式（5）和（6），根據固有頻率ωn和阻尼因子ζ計算功率回路參數：

其中Dp是頻率下降值/s，ωn是固有頻率：

在集中控制中，機電部分通過θE和網格角θg之間的差值生成用于計算集中負載角δg的相位角θE。Park 變換用于通過將電網電壓旋轉到新的虛擬同步參考坐標中來定義集中負載角。虛擬同步參考坐標變換示意圖如下：

電網電壓Vg與E同相，因為E與de同相。在穩態運行下，頻率ωe=ωg以及E與Vg之間的角度差是恒定的。因此得出：

其中，和表示虛擬同步參考坐標變換下電網電壓的d和q分量。

電壓角度發生變化，可以使用低通濾波器來減少高頻分量。使用濾波后的電網電壓計算集中負載角δg：

2.3 本地控制

在本地控制器中使用由集中控制器設置的負載角和電壓來確定交流電流。在圖5 中，本地控制器的結構分為兩個模塊。負載角控制塊定義壓控振蕩器生成局部電壓ei的αβ分量所需的相位角θE,i。電交互模塊通過虛擬導納處理ei與交流側電壓之間的電壓差來定義功率逆變器的電流。

圖5 本地控制結構示意圖

圖5 （a）所示的負載角控制回路根據集中負載角基準調節相位角θE,i。集中和局部負載角之間的誤差通過PI 控制器進行處理，然后生成在虛擬同步參考坐標變換后交流電壓vc,i所需的相位角，從而產生局部負載角δE,i。

如前所述，虛擬導納處理ei和vc,i之間的電壓差確定輸出電流。所有光伏發電機具有相同的集中負載角；因此，虛擬導納的取適當值將影響其連接的所有逆變器之間的功率分布。其權重因子參數kYi計算公式如下：

其中Pi是每個光伏發電機注入的功率，PPCC是光伏發電廠的總功率，N是光伏發電機的數量。每個光伏發電機的虛擬導納計算公式如下：

電流控制器采用PR 結構，調節每個光伏單元的交流電流，達到零穩態無誤差控制。

3 仿真結果

為了驗證本文提出策略的可行性，進行小規模模擬實驗，實驗裝置由4 臺連接到電網的光伏發電機組成。每個光伏發電機都配有一個三相逆變器、一個LCL 濾波器和一個控制平臺。在實驗設置中，集中控制集成到一個高級系統中，該系統測量電網信號，通過控制集中負載角和集中電壓來調整輸送到電網的電能。這些控制變量通過通信控制器局域網總線傳輸到每個光伏發電機。模擬實驗參數如表1。

表1 光伏發電廠的模擬實驗參數

3.1 情景1

為了證明SCAC 的可行性，模擬不同的場景下系統在穩態和瞬態期間的性能。模擬實驗參數如表2 所示。

表2 不同場景下光伏發電廠的模擬實驗參數

在模擬實驗中，光伏發電機3 突然斷開，光伏電站發電變為5.6 kW。圖6（a）是光伏發電廠輸出功率曲線，當突然斷開時，有功功率曲線有波動，并在200 ms 后得到補償，從而將有功功率恢復到正常值。從圖6（b）中看出，當斷開時，電流ic3直接減小到零，而其余的發電機開始增加電流來補償光伏發電機3 缺失的電能。

圖6 當光伏發電機3斷開時，不同權重下的電流和功率波形曲線圖

3.2 情景2

模擬不同的慣性值、電網頻率變化情況下，光伏發電廠輸出功率變化。模擬實驗的光伏電站連接到30 kVA 微電網，該微電網通過變速驅動器控制，以－0.4 Hz/s 的速度改變電網頻率，模擬了三種不同慣性值（H=1、5 和7）下的有功功率變化過程。

如圖7 所示，光伏電站產生的有功功率隨著電網頻率的降低而增加。在電網頻率降低之前，發電廠發電功率6.4 kW。如圖7（a）所示，慣性值越高，有功功率補償越多。但是，當電網頻率達到穩定狀態（49 Hz），慣性提供的有功功率補償就不再起作用，此時輸出功率降低。

圖7 電網頻率變化下不同慣性值的有功功率響應曲線圖

4 結束語

本文提出了基于負載角調節的光伏電站集中同步控制策略，該控制策略能夠將多個光伏發電機作為一個同步單元進行管理，從而向電網提供穩定優質的電能。在功率變化、光伏發電機斷開和電網頻率變化的不同場景下，用四臺光伏發電機模擬試驗，驗證了SCAC 的可行性，即通過試驗結果展現光伏發電廠內的幾個光伏逆變器之間的合作協調過程，同時也驗證了所提出的控制策略的有效性。