光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率振蕩特性分析與控制*

朱曉榮，楊黎，楊立濱，張祥宇

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著光伏與儲(chǔ)能技術(shù)的成本降低，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中得到迅速推廣，裝機(jī)比重不斷上升。截止2014年底，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了2 805萬(wàn)千瓦。其中，新增裝機(jī)容量為1 060萬(wàn)千瓦，約占全球新增裝機(jī)的五分之一［1］。目前，青海、甘肅等西部地區(qū)，高滲透光伏區(qū)域電網(wǎng)正逐步構(gòu)建完成。在區(qū)域互聯(lián)的電力系統(tǒng)網(wǎng)架下，因新能源接入影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等問(wèn)題將會(huì)逐漸凸顯。

電網(wǎng)受到擾動(dòng)后，并列運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺會(huì)引起低頻振蕩威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］，而對(duì)于新能源比例較高的區(qū)域電網(wǎng)，功率的波動(dòng)性、故障后機(jī)組解列等都會(huì)加劇區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)所承受的振蕩功率，因而這一問(wèn)題將變得更加突出?，F(xiàn)今，對(duì)于電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制措施已有很多種。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)抑制低頻振蕩通常利用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以提高系統(tǒng)的阻尼［3-4］。然而，在新能源電力系統(tǒng)中，PSS會(huì)因大量傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組被新能源機(jī)組替代而無(wú)法繼續(xù)為系統(tǒng)提供有效阻尼。隨著電力電子器件大量應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)，利用其靈活的有功、無(wú)功調(diào)節(jié)抑制功率振蕩成為解決此問(wèn)題的有效方法之一。如文獻(xiàn)［5-7］利用可控串補(bǔ)（TCSC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）等無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，改善了系統(tǒng)的阻尼特性。而基于電力電子變流器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機(jī)組則通過(guò)控制機(jī)組注入系統(tǒng)的有功功率同樣可以有效抑制故障引起的系統(tǒng)功率振蕩，使電力系統(tǒng)改善其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性具有了更為靈活多樣的調(diào)節(jié)手段［8-9］。與風(fēng)電相似，光伏發(fā)電目前也已實(shí)現(xiàn)功率跟蹤控制功能，并因其無(wú)旋轉(zhuǎn)慣性，通常為其配備儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制發(fā)電功率波動(dòng)。雖然目前該聯(lián)合系統(tǒng)控制功能相對(duì)單一，尚缺乏并網(wǎng)友好性，但仍具備獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無(wú)功的控制潛力。文獻(xiàn)［10］基于光伏電池組的發(fā)電特性，利用其有功、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力，針對(duì)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了附加阻尼控制器。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)自身存在功率波動(dòng)，且缺乏能量?jī)?chǔ)備，不具備持續(xù)性功率支持能力，因此需要結(jié)合儲(chǔ)能裝置提供有功儲(chǔ)備，抑制自身功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功調(diào)節(jié)，使控制更加靈活。文獻(xiàn)［11］使用儲(chǔ)能裝置結(jié)合STATCOM成功實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)多模態(tài)振蕩的抑制。然而，光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與抑制功率振蕩目前未見(jiàn)文獻(xiàn)研究，尚需深入探討。大規(guī)模光伏滲透區(qū)域電網(wǎng)同樣存在功率振蕩威脅，通過(guò)光儲(chǔ)系統(tǒng)增強(qiáng)阻尼，對(duì)于提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性具有重要意義。

文章以建立三機(jī)系統(tǒng)為例，首先分析通過(guò)調(diào)節(jié)光儲(chǔ)系統(tǒng)的有功、無(wú)功增加系統(tǒng)阻尼的原理，并在光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)并網(wǎng)功率控制的基礎(chǔ)上，提出光儲(chǔ)系統(tǒng)基于有功、無(wú)功控制的附加阻尼控制策略。該控制策略通過(guò)檢測(cè)光伏側(cè)直流電壓變化，實(shí)現(xiàn)功率振蕩過(guò)程中光伏并網(wǎng)逆變器和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模式切換，使聯(lián)合系統(tǒng)具備持續(xù)調(diào)節(jié)注入系統(tǒng)有功、無(wú)功功率的能力，并改善電網(wǎng)的阻尼特性。最后基于Matlab/Simulink建立含30%光伏容量的三機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了其抑制振蕩的有效性。

1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電原理

1.1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型及控制策略

圖1 光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure diagram of photovoltaic energy storage system

圖1為光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其中，Boost變換器與太陽(yáng)能電池板連接，通常用于光伏的最大功率點(diǎn)追蹤控制，同時(shí)可抬升直流電壓滿足電壓源型逆變器的工作電壓。三相逆變器用于控制直流側(cè)電壓恒定，維持兩側(cè)功率平衡，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)運(yùn)行。蓄電池儲(chǔ)能元件配備雙向DC/DC變流器構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常用于平抑光伏發(fā)電功率的波動(dòng)［12-14］。當(dāng)輻照強(qiáng)度高，光伏系統(tǒng)處于較強(qiáng)的工作狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)光伏輸出的波動(dòng)功率，當(dāng)其功率變化幅度超過(guò)限值時(shí)，利用功率外環(huán)調(diào)節(jié)，平抑光伏對(duì)電網(wǎng)的功率擾動(dòng)。該運(yùn)行模式儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)需頻繁投入運(yùn)行，其控制策略采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。若光伏發(fā)電系統(tǒng)出力高于負(fù)荷需求，儲(chǔ)能元件利用DC/DC變流器運(yùn)行于充/放電模式，蓄電池通過(guò)充電儲(chǔ)存光伏電池發(fā)出的多余能量，也可根據(jù)負(fù)載需求，利用已儲(chǔ)存的電能為重要負(fù)荷供電。此外，針對(duì)夜間無(wú)光照并且儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量較高的情況下，聯(lián)合系統(tǒng)也可使儲(chǔ)能獨(dú)立運(yùn)行，維持重要的負(fù)荷用電。

2 光儲(chǔ)抑制系統(tǒng)功率振蕩的控制策略

2.1 有功和無(wú)功控制增加系統(tǒng)阻尼的原理分析

光伏、儲(chǔ)能元件利用電力電子并網(wǎng)變流器，在矢量控制下均可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無(wú)功功率，聯(lián)合運(yùn)行后更具備了一定的功率儲(chǔ)備，具有持續(xù)功率支持能力。因而，在目前光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)功率控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步增加輔助功率控制，使其能夠在振蕩過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)注入阻尼功率，可彌補(bǔ)目前針對(duì)功率振蕩缺乏抑制能力的這一不足之處，增強(qiáng)并網(wǎng)友好性。下面分析光儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)有功和無(wú)功控制增加系統(tǒng)阻尼的原理［15-16］。

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，UG為光儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓；E′為G1的q軸暫態(tài)電勢(shì)；U為G2端電壓；θ為E′與UG間的相角差；δ為E′與 U間的相角差。δ0、θ0、UG0分別為 δ、θ、UG的初始值；x1、x2分別為線路電抗參數(shù)。同步發(fā)電機(jī) G1的有功、無(wú)功輸出可分別表示為：

圖2 光伏系統(tǒng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic system

如不考慮發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器的影響，則發(fā)電機(jī)經(jīng)典二階模型的小擾動(dòng)方程可寫(xiě)成下式：

根據(jù)功率平衡關(guān)系得到：

為簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為逆變器輸入電網(wǎng)的無(wú)功功率僅引起電網(wǎng)電壓UG幅值變化，增量為UG。分別對(duì)式（1）和式（2）求小擾動(dòng)量得：

由上式可知，ΔQv取決于電壓UG的波動(dòng)，故注入系統(tǒng)的無(wú)功功率即為ΔQv，設(shè)有功和無(wú)功增量分別為 ΔPg、ΔQg，kw、kp分別為有功、無(wú)功阻尼控制系數(shù)，則：

對(duì)式（4）求小擾動(dòng)量得：

聯(lián)立上式得：

聯(lián)立上式得小擾動(dòng)方程：

由式（12）可以看出，當(dāng)kp＞0時(shí)，光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的有功調(diào)節(jié)有效增加了電網(wǎng)阻尼；當(dāng)kw＞0時(shí)，光儲(chǔ)系統(tǒng)的無(wú)功調(diào)節(jié)會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的阻尼，抑制功率振蕩的效果將更加顯著。

2.2 光儲(chǔ)系統(tǒng)附加阻尼控制的協(xié)調(diào)控制策略

電網(wǎng)發(fā)生功率振蕩后，由于光伏無(wú)旋轉(zhuǎn)慣性，不直接參與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，電網(wǎng)電壓的跌落與恢復(fù)，將使直流側(cè)功率不平衡，導(dǎo)致直流母線電壓劇烈波動(dòng)而影響其穩(wěn)定運(yùn)行。為了維持直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)抑制系統(tǒng)發(fā)生的功率振蕩，本文提出了光伏聯(lián)合儲(chǔ)能的多電源協(xié)調(diào)改善系統(tǒng)阻尼特性的控制策略。該策略通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓，對(duì)蓄電池和光伏逆變器在不同工作模式下，進(jìn)行合理的配合。為了避免工作模式的頻繁切換，在切換點(diǎn)處采用電壓滯環(huán)控制。如圖3，變量S=1、2分別表示儲(chǔ)能與光伏并網(wǎng)逆變器配合工作在第一工作模式和第二工作模式。

當(dāng)直流電壓的變化量|ΔVdc|＜0.1時(shí)，S=1，此時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器與蓄電池配合工作在第一工作模式，光伏并網(wǎng)逆變器采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，外環(huán)電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)；蓄電池此時(shí)僅用來(lái)平抑光伏因外界環(huán)境影響而產(chǎn)生的功率波動(dòng)。

圖3 工作模式切換控制方法Fig.3 Switch controlmethod of work mode

當(dāng)直流電壓的變化量|ΔVdc|＞0.1時(shí)，S=2，光伏并網(wǎng)逆變器與蓄電池配合運(yùn)行在第二工作模式。光伏并網(wǎng)逆變器采用定功率控制，能獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率。并網(wǎng)逆變器中的附加有功和無(wú)功阻尼控制根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差Δf，滿足式（7）和式（8）的要求，快速向電網(wǎng)注入有功和無(wú)功功率，抑制系統(tǒng)功率振蕩。儲(chǔ)能裝置切換為直流母線電壓控制模式，維持直流母線電壓穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)儲(chǔ)能裝置采用外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)的控制策略。根據(jù)滯環(huán)控制，引入測(cè)量量|ΔVdc|，若|ΔVdc|＞0.1（標(biāo)幺值），則雙向DC/DC變換器將滿足式（13）控制蓄電池的充放電，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

由功率守恒可知雙向DC/DC變換器直流兩側(cè)電壓和電流的關(guān)系為：

式中UBat和IBat分別表示蓄電池的電壓和電流，由式（14）即可計(jì)算出蓄電池的充放電電流。

綜上所述，協(xié)調(diào)控制策略如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)控制策略框圖Fig.4 Block diagram coordinated control strategy

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文提出的控制策略，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了如圖5所示的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)100 kW的光伏，兩個(gè)容量分別為156 kVA和78 kVA的發(fā)電機(jī)和蓄電池儲(chǔ)能裝置。負(fù)荷L1和L2的容量分別為75 kW和145 kW。仿真結(jié)果中的功率，轉(zhuǎn)速和電壓均為標(biāo)幺值。為簡(jiǎn)化分析，假定輻照強(qiáng)度為800 W/m2，母線B2在10.0 s時(shí)刻發(fā)生持續(xù)0.1 s的三相短路故障。

仿真中采用三種方式。方式一不附加阻尼控制。方式二加入無(wú)功阻尼控制。方式三同時(shí)加入有功和無(wú)功阻尼控制。仿真結(jié)果如圖6～圖12所示。

圖5 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of simulation system

圖6 G1電磁功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.6 Dynamic response curve of G1 electromagnetic power

由圖6，圖9可看出，系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，由于系統(tǒng)的阻尼不足，功角發(fā)生振蕩，發(fā)電機(jī)的功率發(fā)生持續(xù)的波動(dòng)。附加了無(wú)功阻尼控制后，光伏向系統(tǒng)注入了無(wú)功功率，發(fā)電機(jī)的功率波動(dòng)時(shí)間明顯縮短了。當(dāng)附加了有功阻尼和無(wú)功阻尼控制控制后，發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)時(shí)間減小至15 s，功率振蕩的衰減更顯著。從圖8的轉(zhuǎn)子速度曲線可看出，在附加了有功和無(wú)功阻尼控制后，轉(zhuǎn)子速度的衰減更快，抑制效果也更好。采用有功加無(wú)功控制后，逆變器切換控制策略為直接功率控制，利用蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備維持直流母線電壓。從圖7看出，加有功和無(wú)功阻尼控制后，直流母線電壓仍能很好的維持穩(wěn)定，且波動(dòng)時(shí)間也有大幅的減小。從圖11的系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖，系統(tǒng)在附加有功和無(wú)功阻尼控制后，頻率曲線也很快的趨于穩(wěn)定，由此也證明了該策略有利于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖7 直流側(cè)電壓曲線Fig.7 DC side voltage curve

圖8 G1轉(zhuǎn)子角速度曲線Fig.8 G1 rotor angular velocity curve

圖9 光伏向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率Fig.9 Reactive power injected into the photovoltaic system

圖10 光伏向系統(tǒng)注入的有功功率Fig.10 Active power injected into the photovoltaic system

圖11 系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.11 Dynamic response curves of tie line transmission power

圖12 并網(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.12 Grid connected voltage

4 結(jié)束語(yǔ)

文章研究了光伏、儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制技術(shù)，通過(guò)光伏逆變器和蓄電池間的協(xié)調(diào)配合，使其具備對(duì)電網(wǎng)的快速功率支持以改善系統(tǒng)阻尼的能力。通過(guò)對(duì)提出的控制策略的理論分析和仿真驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）針對(duì)光、儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)變流器的控制器設(shè)計(jì)，若直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，可利用儲(chǔ)能的有功調(diào)節(jié)能力，控制直流電壓穩(wěn)定，承擔(dān)變流器所承擔(dān)的不平衡功率，從而有效避免動(dòng)態(tài)過(guò)程中直流電壓的波動(dòng)，以提高其故障穿越能力，并確保聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在阻尼功率振蕩過(guò)程中的安全運(yùn)行；

（2）在直流側(cè)電壓波動(dòng)允許范圍內(nèi)，切換光儲(chǔ)并網(wǎng)逆變器控制直流電壓恒定，并通過(guò)檢測(cè)功率振蕩信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)有功控制，使逆變器在電網(wǎng)低頻振蕩時(shí)對(duì)系統(tǒng)注入阻尼功率，增加系統(tǒng)阻尼；

（3）光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)出現(xiàn)功率振蕩后，可立即啟動(dòng)無(wú)功阻尼控制，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)允許范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)無(wú)功功率，增加系統(tǒng)阻尼，加速系統(tǒng)振蕩衰減，并可與有功阻尼控制配合，增強(qiáng)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)抑制低頻振蕩的能力。