光伏并網(wǎng)逆變器改進(jìn)虛擬同步控制策略分析與測(cè)試

劉會(huì)強(qiáng), 劉石川, 邢華棟, 張愛(ài)軍, 慕騰

(1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院, 呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)新型電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010020)

在響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰·碳中和”綠色生態(tài)能源戰(zhàn)略格局以及構(gòu)建以新能源為主導(dǎo)的“雙高”新型電力系統(tǒng)安全清潔發(fā)展背景下[1],基于非線性、強(qiáng)耦合等逆變?cè)O(shè)備并網(wǎng)的光伏電站正在取代傳統(tǒng)同步電機(jī),低慣量、弱阻尼已經(jīng)成為電網(wǎng)不安全因素[2-3],例如,中國(guó)最大光伏發(fā)電站內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗“領(lǐng)跑者光伏發(fā)電獎(jiǎng)勵(lì)基地”并網(wǎng)后已經(jīng)出現(xiàn)新的振蕩頻帶。依據(jù)最新新能源場(chǎng)站接入系統(tǒng)導(dǎo)則,規(guī)模化光伏電站必須配置一定比例約束的靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generators,SVG)才能并網(wǎng)運(yùn)行,研究表明,控制方式靈活、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好的光伏逆變器、SVG等電子器件通過(guò)附加控制可以為低慣量支撐系統(tǒng)的阻尼振蕩能力起到積極作用[4-5]。

針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)阻尼特性與系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定研究,相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了研究工作。文獻(xiàn)[6]基于pade-泰勒級(jí)數(shù)近似方法,建立考慮延時(shí)控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)精確小信號(hào)模型,算例分析得出,運(yùn)行在寬范圍區(qū)間的弱系統(tǒng),鎖相環(huán)與逆變器雙環(huán)控制會(huì)產(chǎn)生“借”阻尼導(dǎo)致新的振蕩模式,削弱系統(tǒng)穩(wěn)定能力,但尚未對(duì)光伏逆變器與鎖相環(huán)之間的耦合關(guān)系建立控制器。文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)鎖相機(jī)制同步功率平衡方法并建立全階新型并網(wǎng)光伏系統(tǒng),根據(jù)軌跡法得出,分別比較比例積分(proportional integral,PI)調(diào)制的逆變器直流電壓外環(huán)、電流解耦內(nèi)環(huán)控制參數(shù)的比例系數(shù)、積分系數(shù),合理調(diào)制比例系數(shù)可以改善系統(tǒng)阻尼特性,只通過(guò)某一特征根變化規(guī)律選擇的參數(shù)缺乏科學(xué)可靠的量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)留數(shù)比辨識(shí)信號(hào)的光伏附加基于魚(yú)群算法整定優(yōu)化參數(shù)的阻尼控制器,基于高斯理論的偽隨機(jī)小信號(hào)因子解決振蕩系統(tǒng)多目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu),快速有效平息了系統(tǒng)振蕩,缺少多個(gè)光伏電站同時(shí)接入復(fù)雜多機(jī)系統(tǒng)不同位置的研究。文獻(xiàn)[9]基于光伏電站多峰函數(shù)特征采用分散定位逼近極值的方式優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤能力,保障了系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)反復(fù)振蕩。但該算法本身具有一定隨機(jī)性,且未充分考慮光伏輸出功率與算法優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[10]提出一種基于分時(shí)復(fù)合控制的光伏電壓二次脈動(dòng)改進(jìn)控制方案,通過(guò)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤算法加入二次脈動(dòng)抑制環(huán)節(jié)對(duì)電壓脈動(dòng)進(jìn)行抑制。但改進(jìn)控制的解耦電容容量有限,缺乏對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)下的振蕩抑制能力。

規(guī)模化光伏電站配備的SVG有效支撐并網(wǎng)母線電壓,通過(guò)相關(guān)控制具有阻尼功率振蕩能力。文獻(xiàn)[11]針對(duì)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離輸電線路送出的大規(guī)模光伏電站,等效發(fā)電單元阻抗較大引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定,提出在電網(wǎng)電感阻抗為SVG補(bǔ)償功率的1/2時(shí),通過(guò)串聯(lián)超前校正控制,可以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,但緊通過(guò)對(duì)諧振點(diǎn)附近的相位校正存在阻抗補(bǔ)償局限性。文獻(xiàn)[12]提出利用總體最小二乘/旋轉(zhuǎn)矢量不變技術(shù)(total least squares/rotation vector invariant technique,TLS-ESPRIT)辨識(shí)振蕩特性并設(shè)計(jì)了基于二次觀測(cè)器的線性優(yōu)化控制方法,仿真表明光伏逆變器、SVG控制環(huán)節(jié)附加阻尼控制器對(duì)全局振蕩模式抑制效果顯著,但近似線性可控的觀測(cè)器在低階模型應(yīng)用時(shí)僅對(duì)局部電壓控制敏感。文獻(xiàn)[13]提出通過(guò)SVG附加阻尼策略抑制弱電網(wǎng)并入大型光伏電站導(dǎo)致的次同步振蕩問(wèn)題,調(diào)節(jié)控制器產(chǎn)生在等效次同步頻率下的“正電阻”實(shí)現(xiàn)振蕩能量消耗,但該控制器針對(duì)特定頻帶有效且存在參數(shù)全局優(yōu)化問(wèn)題。綜上,針對(duì)光伏逆變器設(shè)計(jì)的阻尼控制器在主要滿足最大功率跟蹤控制時(shí)對(duì)功率振蕩抑制能力較有限,且基于SVG和光伏雙閉環(huán)控制回路附加阻尼控制器未考慮模型辨識(shí),存在數(shù)學(xué)模型階數(shù)過(guò)高、低魯棒性、工程控制復(fù)雜等問(wèn)題。

現(xiàn)分析推理光伏電站附加控制增加系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩機(jī)理,通過(guò)TLS-ESPRIT算法辨識(shí)得到降階系統(tǒng)開(kāi)環(huán)模型,通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化回路成形權(quán)函數(shù),然后基于H∞控制理論設(shè)計(jì)光伏及SVG改進(jìn)阻尼控制器并進(jìn)行參數(shù)整定,依托RT-LAB硬件在環(huán)測(cè)試了控制方法的準(zhǔn)確性。

1 光伏電站提升阻尼轉(zhuǎn)矩機(jī)理分析

1.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)的詳細(xì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,并網(wǎng)母線按照最新《電力系統(tǒng)導(dǎo)則》配置符合規(guī)范比例的SVG,光伏電站由若干相同控制相同的光伏陣列聚合等效。

圖1 光伏電站結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)Fig.1 Structure and control system of photovoltaic power station

光伏電板PV發(fā)出的直流電iv、電壓uv先經(jīng)過(guò)升壓電路將直流電壓變換為并網(wǎng)逆變器額定電壓,升壓電路由升壓電感Lv和儲(chǔ)能電容Cv構(gòu)成,光伏及逆變器輸出功率通過(guò)直流側(cè)電容Cdc解耦,之后逆變器通過(guò)控制系統(tǒng)將直流電i1轉(zhuǎn)換為交流電ig并入電網(wǎng)[14]。其中Lp、Lg、ig、us分別為逆變器側(cè)電感、網(wǎng)側(cè)電感、并網(wǎng)電流和三相電網(wǎng)電壓。PV為光伏陣列、三相并網(wǎng)逆變器由v1～v6組成。光伏電板的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制[15]根據(jù)uv和iv得到正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)(sine wave pulse width modulation,SPWM),控制開(kāi)關(guān)管v7的通斷從而使光伏發(fā)電工作在最大功率點(diǎn)處。光伏逆變器控制系統(tǒng)將直流側(cè)電壓實(shí)際值udc和設(shè)定值ud,cref作為外環(huán)輸入,通過(guò)比例積分(proportional integral,PI)控制輸出id,ref作為電流內(nèi)環(huán)指令值來(lái)維持直流側(cè)電壓的恒定;同時(shí),控制器辨識(shí)并將并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)電壓、電流ud、uq、id、iq作為電流內(nèi)環(huán)有功、無(wú)功解耦控制輸入值,最后,逆變器觸發(fā)SPWM驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行并網(wǎng)控制。

光伏并網(wǎng)逆變器功率外環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰,可以通過(guò)改進(jìn)控制策略改善系統(tǒng)穩(wěn)定特性,同時(shí),新能源場(chǎng)站配置的SVG具備持續(xù)的無(wú)功電壓支撐能力,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電壓外環(huán)控制策略與光伏逆變器類似,因此,對(duì)光伏電站改進(jìn)控制策略提高并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定特性展開(kāi)研究。

1.2 光伏電站附加阻尼轉(zhuǎn)矩機(jī)理分析

G1為同步發(fā)電機(jī)組;G2為無(wú)窮大系統(tǒng);ug為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓;E1為G1的暫態(tài)電勢(shì);E2為G2端電壓;θ為E1與ug的相角差;δ為E1與E2的相角差;x1、x2為線路電抗,Qg為SVG輸出無(wú)功功率;p1為發(fā)出功率;p2為系統(tǒng)功率圖2 光伏電站并網(wǎng)電路圖Fig.2 Grid connection circuit diagram of photovoltaic power station

(1)

由此得到同步電機(jī)G1發(fā)出功率p1與光伏電站并網(wǎng)后匯入系統(tǒng)功率p2為

(2)

不計(jì)同步機(jī)勵(lì)磁、調(diào)速因素,二階經(jīng)典模型的同步機(jī)小擾動(dòng)方程為

HGp2Δδ+DpΔδ+ΔpG=0

(3)

式(3)中:HG為慣量系數(shù);D為阻尼系數(shù),在初始條件下對(duì)式(2)進(jìn)行小擾動(dòng)方程線性化,得

(4)

考慮光伏電站附加阻尼控制,有

(5)

式(5)中:Δpg為有功增量;kpv為光伏逆變器阻尼控制系數(shù)設(shè)定無(wú)窮大系統(tǒng)G2電壓幅值恒定,即ΔE2=0,SVG電壓附加調(diào)節(jié)為

(6)

式(6)中:ksvg為SVG附加無(wú)功功率調(diào)節(jié)系數(shù)。考慮同步機(jī)線性化的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)表達(dá)式結(jié)合式(3)得

(7)

式(7)中:ΔpE為電磁轉(zhuǎn)矩;Δpm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)G2增量方程為

(8)

由同步機(jī)、光伏及大電網(wǎng)功率平衡關(guān)系得

Δp2=Δp1+Δpg

(9)

將式(5)、式(6)結(jié)合式(9)代入式(8)得光伏電站協(xié)同SVG附加阻尼調(diào)制后的線性化方程為

(10)

由式(10)可知,光伏電站通過(guò)逆變器直流電壓外環(huán)附加控制,設(shè)計(jì)滿足要求的控制器kpv,可以為電網(wǎng)提供阻尼支撐;同時(shí),充分發(fā)揮光伏電站配置的SVG無(wú)功功率支撐作用,設(shè)計(jì)魯棒性能優(yōu)越的控制器ksvg通過(guò)附加無(wú)功電壓調(diào)節(jié),可以進(jìn)一步顯著增強(qiáng)光伏電站并入弱電網(wǎng)的阻尼特性,有力提升抑制系統(tǒng)功率振蕩能力,保證弱并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 基于遺傳算法優(yōu)化的回路成形控制

2.1 回路成形

選取前、后串聯(lián)權(quán)函數(shù)w1、w2對(duì)開(kāi)環(huán)函數(shù)Gsvg、Gpv進(jìn)行整形擬合,為避免通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)湊數(shù)選取的權(quán)函數(shù)帶來(lái)的不準(zhǔn)確性。本文中提出利用多目標(biāo)遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm-II,NSGA-II)優(yōu)化并選取加權(quán)函數(shù)參數(shù)。NSGA-II是基于精英策略來(lái)均衡多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的非支配排列遺傳算法,具有優(yōu)秀種群占比高、快速支配效率高的特點(diǎn)[17]。考慮控制性能和魯棒性,奇異值曲線應(yīng)該滿足低頻段高增益、高頻段低增益、穿越頻率足夠大的原則,為使整形后系統(tǒng)的奇異值增益曲線為理論值,本文中權(quán)函數(shù)的選取條件如下。

(1)低頻段,考慮在低頻處(1×10-3rad/s)對(duì)應(yīng)最小奇異值曲線R1的最大值,滿足R1>30 dB。

(2)高頻段,考慮在高頻處(1×103rad/s)對(duì)應(yīng)最大奇異值曲線R2的最小值,滿足-R2<20 dB。

(3)中頻段的下降頻率,考慮平均奇異值曲線分別在頻率1 rad/s對(duì)應(yīng)的奇異值R3與頻率10 rad/s對(duì)應(yīng)的奇異值R4差值的最大值,滿足R3-R4>20 dB。

(4)穿越頻率,考慮最小奇異值曲線在1 rad/s對(duì)應(yīng)的奇異值R5的最大值,滿足R5>5 dB。

多目標(biāo)遺傳算法針對(duì)低頻段、高頻段、中頻段、穿越頻率對(duì)應(yīng)的奇異值曲線最大、最小值作為多個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行尋優(yōu),同時(shí)考慮全局最優(yōu)及控制器魯棒性能得到串聯(lián)前后權(quán)函數(shù)分別為

(11)

式(1)中:s為拉普拉斯算子,回路成形后的系統(tǒng)Gp為

Gp=w2(s)G(s)w1(s)

(12)

基于NSGA-II算法得到的回路成形后的奇異值特性曲線對(duì)比如圖3所示。由此可知,成形系統(tǒng)在低頻段增益大于30 dB,滿足跟蹤性能好、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn);在高頻段以-60 dB/dec的斜率下降,保證了系統(tǒng)快速響應(yīng);奇異值曲線穿過(guò)0 dB時(shí)斜率為-20 dB/dec,保證了穩(wěn)態(tài)性能。因此,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 回路成形前后奇異值曲線Fig.3 Singular value curve before and after loop forming

2.2 魯棒鎮(zhèn)定

設(shè)Gp(s)=M-1(s)N(s),滿足M(s)MT(s)+N(s)NT(s)=I,其中,M(s)、N(s)定義為Gp的正規(guī)化左互質(zhì)分解,計(jì)算系統(tǒng)最大穩(wěn)定裕度,即

(13)

式(13)中:||·||H為Hankle范數(shù);I為單位矩陣。研究表明當(dāng)εmax取值在[0.2,1]時(shí),滿足魯棒性能[18],鎮(zhèn)定控制器k∞(s)計(jì)算公式為

(14)

式(14)中:設(shè)計(jì)得到的控制器可以鎮(zhèn)定受控對(duì)象的擾動(dòng)集合模型,如圖4所示。

圖4 互質(zhì)因子不確定性分解Fig.4 Coprime factor uncertainty decomposition

互質(zhì)因子不確定性干擾模型集合為

GΔ=(M+ΔM)-1(N+ΔN)

(15)

ΔM、ΔN為被控系統(tǒng)的不確定性因子,滿足

(16)

式(16)中:RH∞為無(wú)極點(diǎn)有理函數(shù)矩陣在坐標(biāo)實(shí)軸構(gòu)成的空間。

2.3 控制器的成形

由步驟(1)優(yōu)化選取的權(quán)函數(shù),步驟(2)得到的魯棒鎮(zhèn)定控制器k∞(s),最終確定輸出反饋控制器k(s)為

k(s)=w2(s)k∞(s)w1(s)

(17)

3 仿真驗(yàn)證

基于RT-ALB仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制策略進(jìn)行硬件在環(huán)驗(yàn)證,上位機(jī)基于Simulink軟件對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路建模,然后加載數(shù)字模型到仿真平臺(tái)。Simulink搭建的某含光伏電站的IEEE 2區(qū)域4機(jī)系統(tǒng),如圖5所示,其中,并網(wǎng)光伏電站為某區(qū)域電網(wǎng)某一在運(yùn)電站,光伏電站經(jīng)逆變后與SVG通過(guò)母線6并入電網(wǎng),阻尼控制器輸入信號(hào)為發(fā)電機(jī)G1、G3角速度偏差Δωs。光伏電站正常方式有功最大功率為250 MW。設(shè)定電站輻照強(qiáng)度初始值為800 W/m2,同步發(fā)電機(jī)組均未裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer,PSS),機(jī)組容量900 MW,區(qū)域1向區(qū)域2的傳輸功率正常為220 MW。

圖5 光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.5 Grid connected system of photovoltaic power station

對(duì)圖5所示的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)采用TLS-ESPRIT算法[19]辨識(shí)系統(tǒng)的振蕩模式。分別以發(fā)電機(jī)G1、G3為激勵(lì)點(diǎn),辨識(shí)得到區(qū)域1與區(qū)域2存在0.71 Hz阻尼比為4.28%的區(qū)間振蕩模式以及0.71 Hz阻尼比為4.25%的本地振蕩模式。光伏電站參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 光伏發(fā)電站主要參數(shù)Table 1 Main parameters of photovoltaic power station

3.1 光伏、SVG附加H∞阻尼控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后,在光伏逆變器定直流電壓參考值處設(shè)置階躍擾動(dòng),通過(guò)TLS-ESPRIT算法辨識(shí)并經(jīng)過(guò)平衡截?cái)喾ń惦A[20]得到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gpv作為被控對(duì)象,其表達(dá)式為

Gpv(s)=66.25s6-7 215s5+2 561s4-3 568s3-12 564s2-2 541 563s(s6+12.65s5+15.52s4+562.87s3+3 624s2+8 745s+36 541)-1

(18)

本文中采用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化后的權(quán)函數(shù)式(11)進(jìn)行H∞回路成形,然后利用MATLAB回路成形工具箱得到系統(tǒng)最大魯棒穩(wěn)定裕度ε∞=0.425 06,通過(guò)式(14)求得光伏逆變器附加H∞阻尼控制器kpv為

(19)

得到SVG附加阻尼控制器如圖6所示。

圖6 PV附加H∞阻尼控制器Fig.6 PV additional damping controller

為進(jìn)一步充分利用SVG無(wú)功功率靈活調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì),參照3.1節(jié)PV阻尼控制器設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)SVG電壓環(huán)附加H∞阻尼控制器實(shí)現(xiàn)功率振蕩有效抑制。選取相同權(quán)函數(shù)進(jìn)行H∞回路成形,通過(guò)式(14)求得SVG逆變器附加H∞阻尼控制器ksvg為

ε∞=0.369 85

(20)

得到SVG附加阻尼控制器如圖7所示。圖8為光伏協(xié)同SVG附加H∞阻尼控制邏輯圖。H∞阻尼控制器分別附加于光伏、SVG逆變器的電壓及無(wú)功功率外環(huán),外環(huán)附加控制的輸出電流分別作為電流內(nèi)環(huán)的直軸參考電流Id,ref,交軸參考電流Iq,ref輸入,通過(guò)直軸交軸解耦后,得到光伏及SVG的目標(biāo)輸出響應(yīng)特性。

圖7 SVG附加H∞阻尼控制器Fig.7 SVG additional damping controller

圖8 光伏附加H∞阻尼控制器Fig.8 PV additional damping controller

3.2 光伏附加阻尼控制驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室采用OPRT5600系列的RT-ALB仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制策略進(jìn)行硬件在環(huán)驗(yàn)證,改進(jìn)回路成形控制算法通過(guò)TMS320F28335的DSP28335芯片實(shí)現(xiàn),DSP通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接主電路實(shí)現(xiàn)與逆變器交互。硬件實(shí)物部分為實(shí)際工程所用控制器,通過(guò)I/O物理接口接入平臺(tái)。其中,主電路采集得到的電壓電流等數(shù)字信號(hào),經(jīng)調(diào)理電路送達(dá)DSP控制芯片,DSP對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行算法處理后產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。開(kāi)關(guān)信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)字輸入I/O口送到仿真電路觸發(fā)開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Photovoltaic grid connected system simulation experiment platform

正常運(yùn)行方式,光伏電站在光照強(qiáng)度1 500 W/m2、溫度25 ℃工況下工作;設(shè)置送端節(jié)點(diǎn)11在1.8 s出現(xiàn)三相非直接接地瞬時(shí)擾動(dòng),0.05 s后擾動(dòng)消失;仿真光伏逆變器在無(wú)附加控制和附加H∞阻尼控制下抑制系統(tǒng)功率振蕩的效果,同時(shí),通過(guò)傳統(tǒng)PID控制器與設(shè)計(jì)的H∞阻尼控制器對(duì)比來(lái)驗(yàn)證其魯棒性能,圖10、圖11分別為各種控制方式下聯(lián)絡(luò)線傳輸功率和發(fā)電機(jī)G1、G3轉(zhuǎn)速差響應(yīng)的對(duì)比曲線。

圖10 光伏電站附加控制下聯(lián)絡(luò)線有功響應(yīng)Fig.10 Active power response of tie line under additional control of photovoltaic power station

圖11 發(fā)電機(jī)G1、G3轉(zhuǎn)速差響應(yīng)Fig.11 Generator G1、G3 speed difference response

圖10、圖11可知,無(wú)附加控制,故障擾動(dòng)下聯(lián)絡(luò)線傳輸功率、發(fā)電機(jī)功角差需要較長(zhǎng)衰減時(shí)間;對(duì)比光伏電站附加PID控制和H∞控制:聯(lián)絡(luò)線有功振蕩分別在15 s和12 s得到有效抑制,發(fā)電機(jī)G1、G3轉(zhuǎn)速差分別在16 s和13 s趨于穩(wěn)定;得出光伏電站附加控制器可以提高系統(tǒng)阻尼特性,但H∞控制器控制性能、魯棒性更強(qiáng),抑制功率振蕩能力要優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法。

3.3 光伏協(xié)同SVG附加阻尼控制驗(yàn)證

同樣工況下,在光伏電站、SVG無(wú)功功率控制處分別附加傳統(tǒng)PID控制器和H∞阻尼控制器,設(shè)置相同擾動(dòng)下,驗(yàn)證SVG附加H∞阻尼控制器以及與光伏電站協(xié)同控制的有效性。如圖12～圖14所示為聯(lián)絡(luò)線功率、G1、G3轉(zhuǎn)速差和光伏協(xié)同SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓曲線。圖12～圖14中,PID/PID控制表示光伏、SVG均附加傳統(tǒng)PID阻尼控制器;PID/H∞表示光伏附加PID控制,SVG附加H∞控制,H∞/H∞表示光伏、SVG均附加H∞控制。

圖12 光伏協(xié)同SVG附加控制聯(lián)絡(luò)線有功響應(yīng)Fig.12 Active power response of PV collaborative SVG additional control tie

由圖12和圖13可知,光伏附加PID阻尼控制器方式下,同時(shí)在其配置的SVG功率控制環(huán)附加阻尼控制器,可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)在振蕩下的穩(wěn)定能力,通過(guò)分析可得:光伏、SVG分別附加PID、H∞阻尼控制器抑制系統(tǒng)振蕩能力要優(yōu)于兩者均為PID控制模式;但是,如果光伏、SVG都附加魯棒性能優(yōu)越的H∞阻尼控制器顯然是最有效抑制系統(tǒng)功率振蕩的方法。圖14表明,在采取H∞控制器模式下,光伏協(xié)同SVG附加控制在提高阻尼能力的同時(shí),有效保證了并網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定性。

圖13 光伏協(xié)同SVG附加控制G1、G3轉(zhuǎn)速差響應(yīng)Fig.13 Speed difference response of PV cooperative SVG additional control station G1、G3

圖14 光伏協(xié)同SVG附加控制并網(wǎng)母線電壓響應(yīng)曲線Fig.14 Voltage response curve of photovoltaic cooperative SVG additional control grid connected bus

3.4 光照突變下H∞附加阻尼控制驗(yàn)證

首先讓系統(tǒng)在光照強(qiáng)度為1 500 W/m2的運(yùn)行點(diǎn)工作,溫度設(shè)定為25 ℃。在2 s時(shí),光照強(qiáng)度增加5%,并在100 ms后恢復(fù)到初始值,驗(yàn)證不同控制方式下配備SVG的光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,分別對(duì)比了光伏電站在無(wú)阻尼控制、傳統(tǒng)PID控制以及H∞控制方式下的并網(wǎng)穩(wěn)定能力。

由圖15、圖16可知,并網(wǎng)光伏在附加控制時(shí)對(duì)接入系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力均要優(yōu)于無(wú)控制方式,相比較實(shí)際光伏工程現(xiàn)采用的PID控制模式,提出的H∞控制策略的性能接近傳統(tǒng)控制方法,且應(yīng)對(duì)系統(tǒng)波動(dòng)響應(yīng)的超調(diào)量更優(yōu),恢復(fù)到初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水平的調(diào)節(jié)時(shí)間更短,從而為電網(wǎng)提供了堅(jiān)強(qiáng)可靠的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定支撐能力。

圖15 光伏協(xié)同SVG附加控制聯(lián)絡(luò)線有功響應(yīng)Fig.15 Active power response of PV collaborative SVG additional control tie line

圖16 光伏協(xié)同SVG附加控制并網(wǎng)母線電壓響應(yīng)曲線Fig.16 Voltage response curve of photovoltaic cooperative SVG additional control grid connected bus

4 結(jié)論

本文推導(dǎo)分析了配置SVG的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提高阻尼特性的機(jī)理,結(jié)合NSGA-II算法優(yōu)化H∞回路成形控制器權(quán)函數(shù)參數(shù)取值,設(shè)計(jì)了基于H∞控制理論的附加魯棒鎮(zhèn)定阻尼控制器并證明了抑制功率振蕩的有效性,仿真表明,光伏、SVG附加H∞阻尼控制器均能夠改善振蕩系統(tǒng)阻尼特性,在降低功率初始波動(dòng)幅度、縮短振蕩時(shí)間等方面要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。針對(duì)配備SVG的光伏并網(wǎng)系統(tǒng),光伏協(xié)同SVG附加H∞阻尼控制器抑制功率能力要明顯強(qiáng)于單一控制模式,為提高新能源主動(dòng)支撐并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供工程參考。