光伏驅動新能源同步機并網的調頻能力探究

張騰 張琳

1國核電力規劃設計研究院有限公司 2中國聯合網絡通信有限公司

1 新能源同步機并網頻率響應分析

1.1 慣性響應及提升方法

1.1.1 MGP慣性響應特性分析

新能源MGP系統電機轉子具備旋轉的動能，能夠為電網提供慣性響應，因此接入新能源電網中可以緩解并網過程中電力系統慣性缺失所造成的不利影響。當新能源電網頻率降低時，MGP中發電機轉子和定子電壓角速度不一致，由于定子和轉子之間存在電磁-機械耦合關系，電網頻率下降時MGP可以自動釋放存于軸系中的動能為電網提供慣性響應。與其他新能源并網慣性響應提升方法相比，MGP系統在不需要檢測電網運行頻率的情況下，即可自發、瞬時為電網提供慣性響應。

MGP有利于降低新能源電網頻率變化率，較小頻率最大偏移量。同時其還具備傳統發電機組相似結構，因此慣性響應特性也與傳動發電機相同，即電網頻率頻率相對平滑，并且隨著電網頻率變化率改變，MGP會釋放出相同比例的轉動慣量。

1.1.2 MPG慣性響應提升方法

MGP中存儲慣性常數HMGP和旋轉動能EMGP分別表示為：

式中JMGP—MGP轉動慣量；ωrN—MGP轉子角速度；SMGP_N—MGP額定容量。

由公式（1）和（2）可知在MGP系統容量和電機轉速固定的情況下，MGP轉動慣量與系統慣量有直接關系，其中轉動慣量可表示為：

式中m—MGP系統質量；D—MGP系統等效直徑。

假設MGP為均值圓柱體，可以將公式（3）簡化為：

式中 ρ—圓柱體密度；r—圓柱體半徑；l—圓柱體長度。

由公式（4）可以可知，JMGP可控量為等效半徑和長度，但同步電機旋轉速度加快，MGP轉速過長會影響發電機運行效率，因此想要提高MGP系統慣量只能增加MGP等效半徑。該提升方案便于安裝和設計，只需要增加電子轉子等效半徑即可，有利于進一步提高MGP轉動慣量。

1.2 一次調頻特性

新能源負荷增加導致電網頻率快速下降時，新能源變流器輸出電壓頻率保持不變，此時MGP瞬時響應，向電網釋放旋轉動能。根據MGP慣性響應提升策略，新能源逆變器輸出電壓頻率表示為：

式中KP—電壓控制器比例；KI—電壓控制器積分系數；Udc—直流母線電壓值。

根據MGP慣性響應特性可知，MGP傳輸有功功率PMGP可表示為：

式中KMGP—MGP有功-功角比例系數；δM、δG、δ0—MGP向量角度，其中δM=2πfrcft-ωrt+δ0，δG=ωrt-2πfgt+δ0。

由公式（5）和（6）可以MGP有功功率微分與新能源電網關系可表示為：

由公式（7）可知，MGP有功功率變化率與新能源電網頻率之間呈反比例關系。在新能源電網頻率快速下降時，MGP會釋放旋轉動能，當電網頻率逐漸恢復時，MGP則會從新能源電網中吸收有功功率并進行存儲，以便于電網頻率下降時為其提供旋轉動能。

另外，因此為保證新能源電網運行穩定性和安全性，需要進一步研究新能源一次調頻控制策略。

2 一次調頻控制策略及穩定性分析

2.1 一次調頻控制策略

光伏逆變器是電網功率傳輸的樞紐，在電器變流器功率穩定輸出的同時需要控制MGP并網運行，但是MGP具有隔離作用，導致逆變器無法主動參與一次調頻。為使MGP并網具有一次調頻功能，需要在逆變器控制中加入角頻率反饋控制環節，使其具備感知電網運行頻率變化的能力，以此來調節電網輸出功率大小。

在下垂控制種增加限制轉速環節，可以在電網運行頻率出現微小變化時，下垂控制不動作，避免光伏電網運動點快速變化造成功率波動大幅度變化。同時在MGP轉速偏移量過大時，也可以限制下垂控制輸出大小，保證光伏驅動新能源并網運行穩定性。

電網正常運行情況下，光伏發電以MGP并網為主，并預留少量有功功率作為備用方式運行。當新能源電網運行頻率出現波動時，MGP限制轉速環節能夠進一步減小電網光伏出力波動，并利用MGP慣性響應特性抑制電網運行頻率大幅度變化。電網運行時，如果負荷快速增長或下降造成電網運行頻率出現較大幅度變化時，下垂控制策略可以根據電網運行轉速偏移量參數調整ΔU的大小，以及光伏處理，并主動參與到電網一次調頻中。當電網轉速偏移量大于最大偏移量時，電網下垂控制策略按照最大值輸出，可以避免MGP發生失速或過速等情況。

另外，光伏出力變化范圍會受到有功功率控制環節出力范圍的影響，在電網運行過程中將兩個控制策略進行結合，可以實現MGP并網一次調頻功能。

2.2 并網系統穩定性分析

為研究光伏驅動過程中MGP一次調頻穩定性，可以將電網比作為單機運行系統，并忽略電網電阻，所獲得的光伏驅動新能源電網MGP并網結構如圖1所示。

圖1 MGP并網結構圖

圖2 光伏新能源同步機并網一次調頻框架

圖1中EM為同步電動機電動勢有效值；EG為同步發電機電動勢有效值；Ugrid、Uinv分別為電網電壓值和逆變器輸出電壓值；φinv為逆變器輸出電壓；φM為電動機電動勢相位角；φG為發電機電動勢相位角；Xgrid為電網電抗。

在電網運行頻率發生變化時，保持MGP電壓和電感不變，由于光伏頻率響應主要通過MGP與電網電磁-機械耦合關系實現調控，因此將MGP運行方程簡化為數學模型，電網同步電機電磁轉矩表示為：

式中PGe、PMe—同步發電機和電動機電磁功率。

當δM=δM0和δG=δG0時，采用線性化方法公式（8）進行處理，可得：

式中KsG、KsM—同步發電機和電動機轉矩系數。

根據圖1和δM=2πfrcft-ωrt+δ0，δG=ωrt-2πfgt+δ0，可以將MGP運行方程表示為：

由于光伏逆變器開關頻率最大值可以達到20kHz，利用一階慣性將逆變器模型進行等效處理，可得逆變器傳遞函數為：

式中Tinv—逆變器等效時間常數，其延時時間為0.05s。

由于考慮到MGP外環響應速度低于內環響應速度，在忽略MGP內環一次調頻時的動態響應，可以將母線電壓等效為：

式中Km—母線電壓和交流側電壓轉換系數，其取值為0.8。

對利用拉普拉斯算法對公式（12）進行處理，并結合公式（11）、（12）可得光伏新能源同步機并網一次調頻框架，如圖3所示。

當增加圖3中Kw參數時，MGP相位裕度呈先增大后減小的變化趨勢，由此表明MGP相位裕度主要受Kw參數的影響。因此適當增加Kw參數有利于提高光伏新能源同步機并網一次調頻能力。

3 結語

本文研究了MGP慣性響應和慣性提升方法，分析了MGP電磁-機械耦合作用對新能源一次調頻的影響，并分析了MGP的穩定性，最后構建了MGP一次調頻策略，得出以下結論:

①MGP有助于提高新能源電網慣性響應，同時也可以通過增加MGP轉子等效半徑的方式增加轉動慣量；根據MGP電磁-機械耦合特性，提出了以附加頻率偏移量和減載特性的控制策略，進一步提高新能源電網一次調頻能力。

②從MGP并網系統穩定性分析結果來看，增加Kw參數有利于進一步提高MGP頻率響應能力和并網一次調頻能力。