基于風-光-儲的高比例新能源并網系統的穩定性研究

管 兵

（朗建城市設計研究院有限公司，山東 煙臺 264003）

某工業園區位于清潔能源豐富的地區，為提高能源利用率，響應國家“碳達峰”“碳中和”號召，減少環境污染，實現可持續發展，引入了高比例新能源。該新能源并網系統的目標是實現電力供應和能源管理升級。系統包括大規模風力發電和太陽能光伏發電設施，并與現有電網相互連接。風力發電裝機容量為3000kW，光伏發電裝機容量為2000kW，配有2個同步發電機，容量分別為1000kVA和1600kVA，另外設有蓄電池儲能和超級電容儲能裝置。通過引入高比例新能源，園區能夠自主滿足一部分電力需求。

1 風-光-儲的高比例新能源系統模型

1.1 風電機組模型

雙饋風力發電機組簡稱DFIG，是一種繞線式異步感應發電機，定子和轉子均可與電網進行功率交換。系統主要結構包括風機、變槳距控制器、轉子側變流器、網側變流器以及功率跟蹤控制系統等[1]。風力發電機組通過變槳距控制技術和功率跟蹤控制技術檢測風機轉子的轉速，調節風能利用系數，使機組能夠獲得最大風電出力功率。

在該基礎上，可以參照貝茲理論，計算機組在作業過程中風能的吸收轉化功率，如公式（1）所示。

式中：Pm為機組在作業過程中的風能吸收轉化功率；ρ為空氣密度；S為機組中發電機葉片可以掃過的有效面積；v為機組中發電機葉片運行速度；Cp為風能利用系數；λ為電機上葉片的葉尖速比；β為槳距角度。

在風速固定或在某種預設的固定條件下，Cp與β、λ間存在如公式（2）所示的關系。

根據上述公式可得Cp與β、λ間的關系曲線圖。對公式中相關參數關系進行分析可以發現，在固定風速條件下，可以通過調節β找到λ的最優值，便可綜合調節電機在運行中的額定功率。即當電機組的額定功率一定時，可以采用調節槳距角的方式，確保發電機在運行中的風能利用率達到最大。而在該過程中，一旦發電機運行中的實際功率超出額定功率，就可認為此時發電機處于超負荷工作狀態。為保證電機在該條件下運行的穩定性與可靠性，應參照電機的最大功率跟蹤控制情況，采用調解轉子的方式，控制電機中的轉子變流器。并將該控制過程作為電壓定向矢量控制過程，設定控制中的電機運行電壓矢量方向和輸出功率，在忽略定子電阻的條件下設定電機輸出功率，將設定后的相關參數代入模型中，以此完成風電機組模型構建。

1.2 儲能設備模型

由于蓄電池價格相對較低且應用廣泛，因此蓄電池可組合成容量大的儲能設備。但是蓄電池頻繁進行大電流的充、放電，壽命會顯著縮短，難以滿足高功率響應的需求。超級電容的特點是容量不大但響應速度快，二者結合構成混合儲能結構，可互相配合，發揮各自優勢，彌補劣勢。蓄電池和超級電容均輸出直流電，需要通過變換器轉換才能接入電網中[2]。典型的直流側雙DC/DC并聯結構為蓄電池和超級電容側各有一個DC/DC變換器，然后經DC/AC雙向變換器并入電網，蓄電池和超級電容器并聯，控制過程中互相獨立。

2 基于虛擬慣量的穩定性控制研究

2.1 虛擬慣量

2.1.1 風-光-儲功率分配

在風-光-儲混合儲能系統中，蓄電池與超級電容裝置分別通過一個DC/DC變流裝置和虛擬同步發電裝置相連，以此為電壓跌落發生器（Voltage Sag Generator，VSG）提供慣量的支持條件，從而使其能夠模擬同步發電裝置，實現慣性相應。對儲能元件而言，慣量越大，存儲的能量就越多；反之，慣量越小，存儲的能量就越少。當電網在運行的過程中發生擾動而導致頻率、功率發生波動時，儲能元件可以通過調節所存儲的能量而參與電網的整體功率調節。因此，在風-光-儲混合儲能系統中，對蓄電池、超級電容裝置的能量、功率進行控制具有十分重要的作用和意義。

當電網運行時，如果出現擾動問題，就會引起過功率的不平衡，而此時光伏系統與同步發電裝置會進行一次調頻，以此為系統平抑部分發電功率的波動。在該過程中，可以實現平抑部分的功率波動，以?PH表示，其計算如公式（3）所示。

式中：?PL為電網負荷的功率波動；?PG為同步發電裝置在運行過程中為電網提供的慣性功率；?PPV為光伏發電模塊運行時為電網提供的功率。

在風-光-儲混合儲能元件結構中，為了能夠有效避免蓄電池頻繁出現充、放電現象，應對超級電容裝置優先調用并處理這一部分產生的功率。如果超級電容裝置的功率無法達到規定要求，無法平衡電網功率的，則蓄電池需要繼續處理電網中不足的功率缺額。根據上述邏輯合理分配附加虛擬慣性控制前風-光-儲混合儲能的功率。

由于數學課程在民辦財經類院校中為公共課程，數學師資力量薄弱。體現在，一是教材質量不高，民辦財經類院校為適應本校學生學習水平，往往組織教師自編教材，而作為公共課程的數學教師數量較少，編寫教材力量不足導致教材質量不高；二是數學教師提升機會不多，財經類院校幾乎需要自負盈虧，大量人力物力投入到了財經類課程，特別是在民辦財經類院校中，數學教學任務比重遠遠大于科研任務，數學教師往往沒有任何提升機會，甚至數年參加不了一次學術會議。因為教師培訓看不到回報，學校需要建設發展，所以經費保障不足。另外教師數量少，日常授課工作任務重，需要時間備課，外出培訓會對工作造成一定的影響，所以教師也沒有時間。

2.1.2 風力發電的虛擬慣量

風力發電機組的出力功率由變流器控制，與常規的同步發電機組不同，當電力系統受擾動或出現故障時，風電機組不能主動為電力系統提供慣量。為了進行精準控制，該文在功率控制系統中引入頻率變化量，進而引入虛擬慣量，風電機組就可類比同步發電機，通過功率平衡調節有功來調節風電機組的動能[3]，如公式（4）所示。

風電機組的虛擬慣量如公式（4）所示。

式中：JD為風機的固有轉動慣量；ωD為風機的實際角速度；ωs為發電機旋轉磁場的角速度。

慣性時間常數如公式（5）所示。

式中：SD為風電機組的容量；pD發電機的極對數。

頻率調節效應系數如公式（6）所示。

2.1.3 儲能設備的虛擬慣量

式中：pD為等效的發電機極對數；uB為蓄電池的額定電壓；QB為蓄電池額定狀態的電荷量；γB為蓄電池的荷電狀態；uC為超級電容的額定電壓；QC為超級電容額定狀態的電荷量；γC為超級電容的荷電狀態；ωs為等效的發電機角速度。

2.2 虛擬慣量控制策略

系統受擾動或者發生故障后，可以調節風電機組和光-儲系統的虛擬慣量，使虛擬能量根據功角的方向進行能量加速或減速，以此提高系統的功角穩定性和頻率穩定性[4]。風電機組的虛擬慣量控制參數結構如圖1所示。

圖1 風電機組虛擬慣量控制結構

在風電機組中，控制結構的原始輸入量為系統檢測功角變化率I1、故障時間I2和頻率變化量I4。電力系統正常穩定運行時，功角、頻率可認為不發生變化，故障時間為零[5]。系統受擾動或發生故障時，3個輸入量都將發生變化，具體情況見表1。

表1 輸入量參數含義

具體的控制策略如下：中間量I3=I1⊕I2，如果I3的值為1，則虛擬慣量控制參數kv1取最大值，跟隨最大功率輸出；如果I3的值為0，則進一步考慮頻率變化量的取值，中間量I5=I3⊕I4；如果I5的值為1，則虛擬慣量控制參數kv1取最小值，附加的虛擬慣量將為系統提供暫態的減速能量，使系統能夠累積總的減速能量，有利于減少系統功角和頻率振蕩，改善暫態穩定性；如果I5的值為0，則虛擬慣量控制參數kv1取0。

光-儲系統原始輸入量與電機組的相同，虛擬慣量控制參數的設置原則也類似，只是光-儲系統尚應考慮阻尼的影響。

該文為整個園區電力系統提供了4種控制方案，見表2，并分別進行了比較和分析。

表2 控制方案

2.3 穩定性分析

t=2s時，電力系統的B8聯絡線處發生三相短路故障，并且在0.2s內故障被切除。4種控制方案下的功角變化特性如圖2所示，頻率變化特性如圖3所示。

圖2 功角變化特性

圖3 頻率變化特性

發生三相短路，功角變化率>0，在第一個振蕩周期內，功角首擺是正方向。不施加虛擬慣量控制，功角的最大值為47.7°，最大振蕩幅度為23.3°。風電機組施加虛擬慣量控制時，最大振蕩幅度為18.3°，光-儲系統施加虛擬慣量控制時，功角最大振蕩幅度為11.9°，風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，功角最大振蕩幅度為8.4°。

在振蕩時間方面，風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，經過16s后，功角曲線趨于穩定，系統恢復的時間最短，而其他3種情況在20s后仍處于微小幅度的振蕩狀態中。可見，控制方案4使功角特性得到極大改善，穩定性顯著提高。

在頻率特性方面，系統受故障影響后的規律與功角特性類似，風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，頻率振蕩幅度為0.42Hz，不施加虛擬慣量控制的頻率振蕩幅度為0.72Hz。風電機組施加虛擬慣量控制時，頻率最大振蕩幅度為0.65Hz，光-儲系統施加虛擬慣量控制，頻率最大振蕩幅度為0.53Hz。風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，經過12s后，頻率特性曲線即不再振蕩，恢復穩定，而其他3種情況在18s后才逐漸恢復穩定。風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，系統恢復穩態的時間最短，頻率特性得到極大改善，穩定性顯著提高。

3 結語

該文結合某工業園區的電力系統實際情況，研究高比例新能源并網系統的穩定性，所得結論如下。1）在分析風-光-儲的高比例新能源系統模型的基礎上，提出虛擬慣量控制策略，并給出了風電機組和光-儲系統的虛擬慣量控制參數，進而詳細闡述了控制規則和控制策略。2）通過三相短路故障驗證了控制策略的有效性。風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制時，功角最大振蕩幅度由23.3°減至8.4°，頻率最大振蕩幅度由0.72Hz減至0.42Hz。與其他3種情況相比，在風電機組、光儲系統同時施加虛擬慣量控制的情況下，系統發生故障時的振蕩幅度最小，恢復穩態的時間最短，系統的各項特性得到極大改善，穩定性顯著提高。