光伏儲(chǔ)能微源虛擬同步發(fā)電控制技術(shù)及微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真

辛建英

（肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

太陽(yáng)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(hù)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟，分布式電源并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)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(dǎo)致光伏儲(chǔ)能微源大規(guī)模并入配電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生沖擊影響。針對(duì)此類問(wèn)題，可以用微電網(wǎng)的形式降低分布式電源的影響。而應(yīng)用微電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，必須要使用儲(chǔ)能裝置，將光伏板產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來(lái)，進(jìn)行調(diào)壓、穩(wěn)壓，之后再進(jìn)行并網(wǎng)，以降低其沖擊影響。基于此，探究光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)及微電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用，成為現(xiàn)階段光伏發(fā)電技術(shù)的重要研究課題。

1 光伏儲(chǔ)能微源虛擬同步發(fā)電控制技術(shù)

1.1 虛擬同步發(fā)電控制原理

光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)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(shè)置的優(yōu)勢(shì)在于有效抑制光伏功率波動(dòng)?；诖?，在光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以選擇將光伏儲(chǔ)能前級(jí)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(jī)表現(xiàn)出相同或相似的特性。虛擬同步發(fā)電機(jī)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(jī)與電網(wǎng)連接時(shí)產(chǎn)生的電感。此外，在光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)中，主電路上設(shè)置了1臺(tái)三相電壓型逆變器。該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，利用虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lì)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(shí)現(xiàn)要求，按照既定的算法程序完成控制指令。光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電的控制流程為：

圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理基本框圖

虛擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行以后，自動(dòng)收集并網(wǎng)接入點(diǎn)的輸出電壓（Uabc）、輸出電流（i）?？刂破骰诓杉降膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算得到虛擬同步發(fā)電機(jī)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(jì)算出系統(tǒng)的無(wú)功功率（Q）。使用工頻控制器能測(cè)量出同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率值（PT）；使用勵(lì)磁控制器能測(cè)量出同步發(fā)電機(jī)的電壓指令值（E0）。整理上述各項(xiàng)參數(shù)后，將其作為輸入信號(hào)，依次輸入到控制算法單元中，利用虛擬同步發(fā)電機(jī)模型處理上述參數(shù)，即可得出與同步電機(jī)相同或相似的電壓信號(hào)。將模型輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)，在比例積分控制器（PI）的作用下，將標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際電壓信號(hào)的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)、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(jī)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(jī)與同步發(fā)電機(jī)的特性高度相似或完全相同。

1.2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中虛擬同步發(fā)電控制的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(shù)時(shí)，也應(yīng)盡量模擬出這些特性，以保證光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)控制功能的順利實(shí)現(xiàn)。為此，基于同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)矢量關(guān)系，建立等效電路模型，并且從矢量關(guān)系圖中找出電壓、電流等向量關(guān)系。等效電路如圖2（a）所示，矢量關(guān)系如圖2（b）所示。

圖2 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)等效電路及矢量關(guān)系圖

在圖2中，Us表示同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，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(yùn)行時(shí)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(biāo)系中d軸的方向，使其與Ug保持同一方向。這時(shí)在矢量關(guān)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(guān)系進(jìn)行分解，計(jì)算出輸出電流參考值。計(jì)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(guān)。Usd和Usq分別表示同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)在d軸和q軸上的分量。計(jì)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(jì)算方法為：

虛擬同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間，除了調(diào)速器會(huì)控制轉(zhuǎn)子角速度外，發(fā)電機(jī)的有功功率值、角頻率等也會(huì)在一定程度上影響角速度。發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)，同時(shí)無(wú)功功率設(shè)定值決定了內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)?；谏鲜鲫P(guān)系，可以在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中構(gòu)建一個(gè)調(diào)速器模型，用于調(diào)整發(fā)電機(jī)的角速；再引入一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)模型，用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)。這樣就保證了光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電控制系統(tǒng)同時(shí)具備了同步發(fā)電機(jī)的慣性特點(diǎn)和阻性特點(diǎn)。

1.2.2 光伏儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，構(gòu)建光伏儲(chǔ)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(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同步發(fā)電機(jī)，因此可以忽略不計(jì)。另外，分布式能源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具有不穩(wěn)定性，在該系統(tǒng)中以直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為替代，從而簡(jiǎn)化了控制流程，并且有利于控制功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

圖3 光伏儲(chǔ)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(kāi)關(guān)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(jī)控制技術(shù)的光伏逆變系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，中央控制器自動(dòng)收集前端設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出輸出有功功率、無(wú)功功率的參考值。在此基礎(chǔ)上，將參考值輸入到“有功-頻率控制模型”中，可以計(jì)算得出輸出角頻率；同樣的方法，將參考值輸入到“無(wú)功-電壓控制模型”中，可以計(jì)算出電壓參考值。確定同步發(fā)電機(jī)的矢量關(guān)系，計(jì)算出位于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸、q軸上的輸出電流值。以此作為標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。如果配對(duì)成功，則啟動(dòng)PI控制器，進(jìn)行坐標(biāo)反變換，對(duì)PWM（脈沖寬度調(diào)制）產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)效果，發(fā)出脈沖并打通開(kāi)關(guān)管。在鎖相環(huán)的控制作用下，實(shí)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(dá)到了逆變控制目的。

1.2.3 有功-頻率與無(wú)功-電壓控制模式

光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電機(jī)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(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，將系統(tǒng)頻率值作為參考值，在此基礎(chǔ)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(dòng)范圍內(nèi)，從而達(dá)到保持微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。還有一種是“無(wú)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(wú)功功率發(fā)生變化后，可以平穩(wěn)地恢復(fù)至新的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

為了進(jìn)一步驗(yàn)證光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)荷調(diào)節(jié)與穩(wěn)定控制方面的應(yīng)用效果，基于上述理論分析在計(jì)算機(jī)上開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)?；贛atlab數(shù)字仿真軟件創(chuàng)建光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。

該光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)中安裝了G1和G2兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，并且與光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)接入，這樣就能利用同步發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可以將負(fù)荷設(shè)定為純有功負(fù)荷。在仿真過(guò)程中，通過(guò)更改微電網(wǎng)的負(fù)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(lái)的不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。假設(shè)選擇G1同步發(fā)電機(jī)作為平衡節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)負(fù)荷使其增加或降低，則系統(tǒng)功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，以此來(lái)保證G2的輸出功率不受干擾。在仿真過(guò)程中，要求光照強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化，這時(shí)鉛酸蓄電池對(duì)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(dòng)的情況。另外，考慮到仿真系統(tǒng)應(yīng)用期間可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷突增或陡降的現(xiàn)象，為保證負(fù)荷改變情況下正常同步發(fā)電，在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還應(yīng)用了下垂控制策略。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

光伏儲(chǔ)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(yùn)行。一段時(shí)間后將系統(tǒng)負(fù)荷突然提升到1 000 W，觀察系統(tǒng)功率、頻率的響應(yīng)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(yīng)特性

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

在圖4、圖5中，PG1和PG2是兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的輸出功率，Ppv是光伏逆變器的輸出功率，f為光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率值。在圖4中，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷突然上升時(shí)，受到同步發(fā)電機(jī)控制策略的影響，G2發(fā)電機(jī)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(dòng)，但是在極短時(shí)間內(nèi)又馬上恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。因此從整體上來(lái)看，瞬時(shí)的負(fù)荷增加不會(huì)引起系統(tǒng)頻率的波動(dòng)變化。這種情況下，整個(gè)光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)仍然可以保持恒功率狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

在光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)中，G1同步發(fā)電機(jī)作為平衡節(jié)點(diǎn)，如果突然增加微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷，會(huì)對(duì)G1的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。當(dāng)負(fù)荷值足夠大時(shí)，G1輸出的機(jī)械功率、電磁功率都會(huì)打破平衡狀態(tài)。這時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，減少由發(fā)電機(jī)提供的動(dòng)能，從而抵消一部分因?yàn)樨?fù)荷突增而產(chǎn)生的多余動(dòng)能。結(jié)合圖5可知，在系統(tǒng)負(fù)荷突然增加后，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)了斷崖式下降，最低達(dá)到了49.5 Hz。此時(shí)受到同步發(fā)電機(jī)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(fù)到正常水平，并穩(wěn)定在50 Hz。由此可見(jiàn)，在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)，可以保證光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生負(fù)荷突變后，可以利用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，保證了光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能作為一種新型清潔能源，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，光伏裝機(jī)量也在不斷增加。在這一背景下，基于光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電能大規(guī)模并入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)正常運(yùn)行產(chǎn)生了沖擊影響。實(shí)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(wèn)題的有效方法，本文提出的一種基于光伏儲(chǔ)能虛擬同步發(fā)電控制技術(shù)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)收集和計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常負(fù)荷的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并且在發(fā)生負(fù)荷突變之后利用虛擬同步發(fā)電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率、功率的快速調(diào)節(jié)，使之迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)，保障了光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。