基于虛擬同步機的光伏發電并網穩定性研究

李倬凡

摘 要：光伏發電的優點非常多，不但能夠做到無噪聲無污染，而且能夠在發電過程中不消耗燃料，這相對于其他的發電方式來說有著明顯的優勢，光伏發電的過程非常簡單，因此在近些年逐漸發展為最有前景的發電方式之一，這種新型的新能源發電方式，并網容量越來越大，隨著其規模的迅速拓展，被迅速的應用到實際生活中。本文針對虛擬同步機的光伏發電并網的穩定性進行研究。

關鍵詞：虛擬同步機;光伏發電;并網穩定性

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0143-02

近些年來，電網中接入了很多新能源，這些新能源的大規模接入，使電網滲透率得到了增加，光伏就是其中之一。光伏發電的電網，由于受環境的影響，很容易出現較大頻率的波動，特別是當光照劇烈變化時，光伏系統所輸出的功率波動會更大。光伏系統的不穩定性讓電網在調度規劃以及運行上出現了一系列的問題，進而影響電力系統中的頻率和電壓，這些都將導致光伏并網發電運行出現困難，限制了光伏發電并網的進一步發展。

1 虛擬同步發電機特性控制原理

本文在儲能電池逆變器中引入同步發電機的方程，在對整個光伏并網發電系統設計過程中，采用了類似同步發電機的控制器理論，從而確保整個系統的同步發電機特性能夠得以實現，如圖1所示，是虛擬同步發電機特性控制原理圖。

從圖1中能夠看到，基于虛擬同步發電機的光伏并網發電系統的并網點，采用B點表示，系統具備的同步發電機特性的輸出電壓用uvs表示;光伏發電單元所發出的有功功率和無功功率分別是Pp、Qpv;儲能電池與光伏發電單元交互的有功功率和無功功率分別是Pbat、Qhat;最后，能夠為光伏并網發電系統輸送有功功率和無功功率的是PVSG、QvG;這部分也被稱作虛擬同步發電機向電網輸送的功率。

圖中還展示了儲能電池三項逆變器低通LC濾波器的濾波電感和濾波電容，分別用L和C表示，線路電阻（i=a，b，c）用R表示，直流電壓用U表示，點處的端電壓幅值、系統頻率和無功功率分別為Um、f、QB;Pe、Pr和E0分別為儲能電池輸出有功功率（虛擬同步發電機的輸出電磁功率）、原動機提供的機械功率和勵磁電動勢幅值;i為儲能電池輸出電流;U為SVPWM控制算法的指令電壓。

正如同中所見到的，在儲能電池逆變器控制方法上形成了虛擬同步發電控制系統，整個系統有兩部分構成，分別是控制部分和同步發電機模型部分，控制部分又包括功頻控制器與勵磁控制器，這兩個控制器的存在能夠對光伏并網發電系統做出特別的控制，尤其是在輸出特性上，控制的更全面。

上述對于虛擬同步發電機控制系統已經做出了詳細介紹，該系統的主電路主要是有三項電壓源型逆變器構成，為了實現同步發電機輸出特性的控制，在整個光伏發電并網的過程中，需要完成以下步驟，首先以圖中的并網點作為控制目標，也就是B點，采用測量的方式對并網點Uvs處的電壓信號值進行測量，同時對這一處的無功功率進行計算，隨后將其輸入到控制部分，控制部分會對這些信息進行控制和計算，從而獲得能夠使同步發電機本體模型所需要的P與i，在工作過程中將這些信號帶入到同步發電機模型中，由信號所構成的信息能夠合成虛擬同步發電機的電壓，此電壓為發電機的端電壓，剛好可以反映整個系統并網點的特性。再通過對電壓信號的控制，可以發現同步發電機所輸出的電壓信號也具備同樣的特性，將輸出的信號作為參考值，送入到PI控制器中，實際測量值和參考值之間就會進行統一比較，若要實現整個系統的閉環控制，可以這樣將控制器輸送到SVPWM算法中。

2 濾波器對光伏并網發電系統穩定性的影響

關于光伏發電并網的穩定性研究，首先要確保光伏發電系統在電流的輸出上能夠滿足并網標準，由于在光伏發電并網標準中，對于電能質量有著一定的約束和要求，所以在光伏發電系統中必須對電能質量進行優化，針對在光伏發電系統中輸出電流所出現的大量諧波要采取有效的濾波裝置來進行控制，單電感L濾波器是光伏發電系統中逆變器輸出濾波器中最常用的，但是，單電感L濾波器不太適用于大容量的光伏發電系統，由于在大容量的光伏發電系統中，想要滿足濾波要求，所需要的電感L會非常大，正意味著并網逆變裝置的體積和成本都需要成倍增加，相比之下，在大功率的場合中應用LCL型濾波器就會好很多，這種濾波器的優勢非常明顯，首先對于高頻，LCL型濾波器會起到抑制作用，其次，如果想要滿足同樣的濾波要求，從電感值上看，LCL型濾波器能夠將電感值降到最小，從而使體積和重量都能夠降到最低，但是，LCL型濾波器最致命的弱點就在于它是一個三階不穩定系統，3G不穩定系統是非常容易導致諧振出現的。研究證實，在光伏發電系統中，當電流經過濾波器柔性的接入到弱電網時，對于電網阻抗，LCL濾波器會表現得非常敏感，從而導致濾波器的濾波特性及聯網系統的穩定性都受到了影響。

如果從光伏逆變器對接入條件的適應性角度來進行分析，關于濾波性能好壞和諧振穩定性則需要從LCL濾波器的設計方面出發，由于LCL無源網絡模型并用能夠對分布式發電系統多逆變器的諧振問題進行描述，所以通過對光伏并網發電系統特征方程的推導，采用Routh Hurwitz作為LCL濾波器對穩定性影響的判斷依據，通過該濾波器在系統穩定性中發揮的作用，結合上述描述和分析便可知曉，光伏發電系統的穩定性會受到濾波器的影響。

3 鎖相環（PLL）對光伏并網發電系統穩定性的影響

鎖相環能夠在并網逆變系統中對電壓的相位信息進行檢測，并將該信息傳遞到控制環節，從而對逆變器和電網的同步運行進行控制，當前在鎖相這一環節，能夠運用到的方法有很多，比較常見的方法有三種，分別是零點比較法、基于低通濾波器鎖相法和d-q變換同步鎖相環法。這三種不同的方法分別有著不同的優勢，例如，d-q變換同步鎖相環法的優勢就在于這種方法能夠最簡單明了的對電網諧波干擾進行抑制，因此這種方法在分布式發電系統中的應用最為廣泛，但是這種方法的運用，在電網背景諧波和三相電壓不平衡時就會出現問題，一旦出現不平衡的狀態，鎖相精度就會受到影響，不精確的鎖相將會影響光伏并網發電系統的穩定性。通過對三相電壓不平衡的研究，采用時域響應分析方法進行分析，發現光伏并網發電系統在鎖相環性能變差時會受到一定的干擾。為了避免這種問題，隨著現在技術的不斷發展，可以采用一種可變式周期的鎖相環，實現這種方法，主要要求在采樣的過程中頻率是可以變化的，當然這種方法是不適用于固定的采樣頻率，以此為基礎當電網不平衡時，針對電網電壓中的頻率和相位，鎖相環能夠做出及時的檢測，確保檢測結果的準確性，從而迅速做出調整來提高系統的穩定性，光伏并網規模想要實現進一步的擴大，對于鎖相環性能的分析是必不可少的，同時，這種方法對于并網穩定性有著至關重要的作用。

4 弱電網接入條件對光伏并網發電系統穩定性的影響

在進行光伏并電網發電系統設計時會面對兩種情況，一種是擁有理想電網條件而進行發電系統設計，一種是基于弱電網接入條件進行發電系統設計。若能夠實現理想電網條件，自然在設計時諧波對其的影響較弱，設計的發電系統能夠有效地抑制諧波的負面影響。但在現實情況中，一般大規模光伏電站都是在弱電網接入條件下進行發電系統設計。此時電網阻抗將會對光伏并網發電系統造成負面影響，直接導致其減弱對諧波的抑制功能，從而使諧波發揮更強的阻力，一旦并網電流中存在大量的諧波將會十分影響光伏電站的應用。另外，電網阻抗也會直接對并網系統造成影響。當其進入到并網系統后容易與其產生諧振，從而使諧波進化為擁有一定頻率的高次諧波。現象會使并網系統會對總諧波畸變率提出更高的需求，而現有的并網電流無法滿足這一需求。諧波電流的存在還能夠使電網阻抗中出現諧波電壓，這種電壓將會直接影響并網點的電壓質量，使并網點的電壓質量不斷下降，從而使并網逆變器無法做到精準控制，甚至會出現并網逆變器脫網的情況發生，極大程度的阻礙了光伏發電系統的并網規模。

根據研究表明，在光伏并網發電系統中，電網阻抗主要分為三個方面：電網內部阻抗、傳輸線路阻抗、變壓器阻抗。而電網阻抗對光伏并網發電系統穩定性造成影響的主要途徑是它與逆變器輸出阻抗形成相互作用的關系，并且直接影響輸出濾波器的工作。另外，那弱電網條件下，受到電網阻抗的影響，單幅聯網光伏逆變器在公共接入點上會形成波形畸變的電壓，這會直接影響電壓過零點檢測的精準性。一旦電壓過零點檢測精準性發生偏差，將會直接影響鎖相環的準確作業。

在電網阻抗已存在的情況下，針對聯網光伏逆變系統和穩定性進行實驗。根據這一系統情況進行小信號建模，對系統進行小干擾，并通過特征值對干擾后的系統穩定性進行具體研究。利用參與因子對系統狀態量變進行分析，研究其靈敏度。在得出特征值軌跡的基礎上，利用分析結果對控制器參數進行針對性設計。如此可以有效提高發電系統的穩定性。

綜上所述，若想最大程度消除若電網接入條件對光伏并網發電系統穩定性的影響。首先應分析電網接入阻抗值能夠對光伏并網發電系統我造成的具體影響。其次可以通過對松弛聯網光伏逆變器控制策略的研究，提高發電系統運轉的穩定性。

5 結語

本文從虛擬同步發電機的控制原理入手，分別對濾波器、PLL、數字延時以及若電網接入條件四方面對光纖并網發電系統穩定性的影響進行了具體分析。通過分析結果可得出，這四方面對其穩定性的影響較為明顯，應采取針對性措施。如，不斷優化濾波器的參數、鎖相環鎖相精度不斷加強、強化數字控制延時、通過改善電網阻抗對逆變器影響優化接入電網條件。以上措施都是針對基于虛擬同步機的光伏并網穩定性不佳而提出的針對性措施。而科技在不斷發展，相關研究不能停止前進的腳步，相關科技人員應針對這一問題不斷進行深入研究，從而提出更加有效的解決方案。

參考文獻

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