太陽能光伏發電系統低頻振蕩控制技術研究

黃 鶴，鄭發松

(國家電投貴州金元金元股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

社會的發展與進步離不開能源的支持，傳統的化石燃料會產生嚴重的環境污染問題。近年來，隨著人們對于環境問題的重視，逐步開發了一系列清潔能源作為我國能源結構調整的重要基石。太陽能光伏發電是我國應用比較廣泛的新能源，將其接入到傳統的電力系統中，可以在一定程度上減少化石燃料的燃燒[1-4]。但是受到資源分布和性能的影響，傳統電力系統在接入太陽能光伏發電系統時，會受到太陽照射等不可抗力的影響，導致太陽能光伏發電系統中存在低頻振蕩，影響整體供電的穩定性。在發電系統的實際運行過程中，產生的這種低頻振蕩會造成跳閘或機組失步解列，對于電網的安全穩定運行存在著非常大的影響。因此，對太陽能光伏發電系統的低頻振蕩進行控制，是目前研究的重要問題。

一些學者和專家在低頻振蕩控制中做出了一些研究，學者鄧偉等通過留數法建立一個電網等值單機系統模型，將低頻振蕩所產生的水錘效應和系統穩定性之間的關系問題進行深入剖析；而學者王鵬則利用非線性控制算法對振蕩阻尼進行控制，實現雙饋感應發電機區域間低頻振蕩的控制。以上方法都在實際應用中取得了一定的效果，但是上述方法中的控制原理都是基于基本運行狀態所設計的，沒有兼顧多種運行狀態下的外部干擾影響，導致不能很好地控制不同運行狀態下的低頻振蕩，整體控制效率不理想，因此本文設計一種太陽能光伏發電系統低頻振蕩控制技術。

1 低頻振蕩控制

1.1 太陽能光伏發電系統建模

太陽能光伏發電系統中的光伏電池排列方式是建模過程的重點研究內容，經過串聯或并聯后可以得到光伏陣列模型[5-6]。光伏陣列即太陽能電池板，它可以將大部分太陽能以電能的形式表現出來，這種經過太陽能轉化出來的電能成為整個電力系統的供電能源，用戶在連接到互聯網后就可以直接進行集成并網發電。將經過封裝的光伏電池和功率控制器等零部件進行組合，得到的光伏發電系統模型如圖1所示。

圖1 太陽能發電系統模型結構Fig.1 Model structure of solar power generation system

對于圖1所示的太陽能光伏發電系統來說，主要出現的低頻振蕩問題就是光照間歇性以及負載變化。功率不平衡導致聯絡線的功率出現低頻振蕩[7-8]。對于光伏發電系統中單臺的逆變器來說，需要對光伏電池的各項參數進行計算，并進行有功參考建模。

最大功率電流的計算公式為：

(1)

式中，Im為最大功率點電流；Sref為參考光照強度；S為外部變量中的光照強度。

光伏電池的最大功率電壓的計算公式為：

(2)

式中，Um為光伏發電系統中最大功率點兩端的電壓[9-10]，光伏電池板經過匯聚之后，輸出電流的計算公式為：

(3)

根據以上計算公式，可以得到太陽能光伏發電系統的模型：

(4)

式中，Ppv為光伏陣列輸出功率；Pref為發電系統中逆變器的額定功率；Idc為光伏發電系統中直流側的輸入電流；SB為系統中的基準容量。

至此，完成太陽能光伏發電系統的建模。

1.2 附加阻尼控制器設計

本文的附加阻尼控制器在保證設計復雜度簡化的同時，還需要在太陽能光伏發電系統運行下兼顧多種運行狀態下的外部干擾影響，有效實現振蕩抑制[13-14]。在阻尼器的設計過程中，可以將參數計算問題轉化為目標函數的最優解求值問題[15-16]。本文設計的附加阻尼控制器的結構如圖2所示。圖2中，數據預處理主要包括對反饋信號進行量測和隔直，TR表示反饋信號輸入時所測得的時間常數，TW表示隔直過程中的時間參數，在相位補償過程中，涉及到的T1-T4均為相位補償時間參數[17-18]；在放大環節中，Kp表示信號的輸入放大倍數，決定了在控制過程中阻尼釋放的大小，限幅主要是為了防止控制過程中產生超調。光伏發電系統中的電源對于光照條件比較敏感，因此光照條件直接影響電池的輸出功率[19-20]。

圖2 附加阻尼控制器結構示意Fig.2 Structure diagram of additional damping controller

本文對控制器的控制參數進行優化，并輸入不同狀態的參數進行研究。控制器中需要優化的變量可以設置為：

xk={Kp，k，T1，k，T3，k}

(5)

在上述變量集合中，在最優搜索過程中都會對應一個優化的變量元素。也就是說，在基于參數約束限制的條件下，生成人工蟻群搜索種群，表示為：

X={x1，x2，…，xn}T

(6)

根據不同的低頻振蕩狀態，金屬控制器的輸出阻尼比作為目標函數的適應度，指導蟻群算法的巡游方向，并不斷迭代更新搜索最優值，實現低頻的振蕩控制。至此完成太陽能光伏發電系統低頻振蕩控制技術研究。

2 仿真算例

2.1 算例分析

本章為了驗證設計的太陽能光伏發電系統低頻振蕩控制技術的有效性，設計算例仿真實驗。在MATLAB軟件下構建太陽能光伏接入經典四機兩區域的發電系統，接線情況如圖3所示。

圖3 電力系統仿真示意Fig.3 Schematic diagram of power system simulation

圖3中包含2個相似的區域系統，2個區域中依靠一條聯絡線連接，G1—G4為發電單元，L7、L9代表負荷，6為母線，其余為各部分的連接線。整個系統在正常工作過程中輸出的有功功率為300 MW，聯絡線的傳輸功率一般為450 MW。為了保證算例模型不會受到外界的過多干擾，算例中的各個發電機均不設置PSS。

設置算例中的不同運行狀態，見表1。

表1 系統運行狀態參數Tab.1 System operation state parameters

在不同的運行模式下，為了保證仿真實驗的可靠性，需要對控制技術中的控制器參數進行優化。在此過程中利用人工蟻群算法進行優化，將每只螞蟻中所包含的待優化參數范圍設定好，即X={x1，x2，…，x10}T，將步長、視野以及最大的迭代次數進行設置，至此完成實驗參數的設定。為了驗證本文設計的太陽能光伏發電系統低頻振蕩控制技術在實際應用中的優越性，對負荷突變擾動低頻振蕩控制結果以及光照突變擾動低頻振蕩控制結果進行分析。

2.2 仿真結果分析

在實驗過程中，設置不同類型的擾動分析機電低頻振蕩的抑制效果。負荷發生突變時，聯絡線的有功功率曲線變化情況如圖4所示。

圖4 負荷與光照突變擾動低頻振蕩控制結果Fig.4 Control results of low frequency oscillation caused by load and illumination sudden change disturbance

以OC0為初始運行狀態，并在仿真算例電力系統運行時間為1 s時將線路的有功負荷增加10%。從圖4的聯絡線有功功率的變化情況可以看出，聯絡線的有功功率隨時間的增加，由最開始的180 MW變為160 MW，在0～6 s，聯絡線的有功功率的變化還比較大；在6 s以后逐漸呈穩定下降趨勢，說明本文控制方法能夠更加有效且快速地抑制聯絡線的低頻振蕩，具有更小的超調量。

由于太陽能發電具有非線性波動的特性，主要是由于光照條件會受到自然天氣的影響而發生突變。在加入光照突變擾動的情況下，聯絡線的有功功率曲線變化情況如圖4(b)所示。

在運行狀態為OC0時，將光照在1 s時增加10%，得到的系統聯絡線的單回線路有功功率曲線出現了低頻振蕩。在不同的處理手段下，本文方法剛開始出現了一定的波動，但是在初始控制時的超調量比較的小，且在7 s左右就趨于平穩狀態，說明本文的控制方法不容易受干擾、穩定性較強。

綜上所述，當太陽能光伏發電系統在負荷或光照下發生突變時，本文控制方法對系統中聯絡線的功率低頻振蕩起到一定的平穩作用，驗證了控制技術的有效性。但是在實際應用中，本文控制技術在設計附加阻尼器的過程中綜合考慮了多種狀態的外部干擾，因此在控制過程中能減少超調，快速完成低頻振蕩控制。

3 結語

太陽能光伏發電最大的特點就是不存在慣性，因此電力系統中具有不確定的阻尼影響。由于光伏發電受到不可抗力的影響會存在一定間歇性，在這種具有一定儲能容量的系統中設計一個附加阻尼控制器，能夠有效地對低頻振蕩進行控制。對太陽能光伏發電系統進行建模，分析太陽能發電系統控制結構，計算出各項參數，得到太陽能光伏發電系統的模型，利用阻尼控制器作為低頻振蕩整體控制手段，設計附加阻尼控制器結構，利用蟻群算法得到控制器中的最優參數，實現低頻振蕩控制。通過仿真實驗驗證，本文設計的控制技術取得了良好的控制效果，并且穩定性較好。