含高渗透光伏电源的台区虚拟同步运行控制方法

章雷其，赵 波，张雪松，徐 珂，蒋蔚蔚

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

大力发展以风、光为代表的可再生能源是实现我国能源结构向清洁低碳转型的重要途经[1-2]。一般来说，这些可再生能源有分布式和集中式2种并网方案。集中式并网在风、光资源丰富，又有大量土地资源可利用的西北地区得到了广泛应用[3]。而分布式并网主要在以户用屋顶光伏为代表的配置区域蓬勃发展，比如浙江省“百万家庭屋顶光伏工程”、江西省“万家屋顶”、山东省“千万屋顶”等。截至2017年底，浙江省家庭屋顶光伏并网户数已达15.8万户，装机规模89万kW，安装户数和规模均位居全国第一[4]。

以屋顶光伏为代表的可再生能源大量接入配网用户端，将给电力系统运行带来巨大变化与挑战[5-6]。首先，光伏电源出力波动性强，可能出现短时大幅波动，对电网运行带来冲击；其次，户用光伏几乎均以最大功率跟踪方式运行，其发电不受电网调度，而其日功率曲线与家庭负荷曲线并不相符，造成就地消纳困难，部分时间段出现光伏功率倒送；再次，光伏接口变流器通常工作于恒功率模式，无法提供类似于同步发电机的惯性和一次调频能力，为电网稳定运行提供支持。

为解决光伏并网给电力系统带来的冲击，学术界与工业界提出了多种方式。微电网是解决光伏等波动性分布式电源并网冲击的重要手段，是过去10年的研究焦点[7-9]，然而，目前我国并网型微电网强调系统具有较强的独立供电能力[10]，限制了其与大电网的互动与互济；另一种方案是将光伏与储能相结合，形成光储一体机[11-12]，利用储能系统平抑光伏波动。然而，在目前的政策下，光储一体机并不具备经济性，推广性不强。

台区是配电网至用户的最后一道枢纽。因此，本文提出通过在台区配置集中式储能，与台区电网协同运行的方法，以解决上述问题。首先，储能灵活出力可以弥补光伏预测误差，平抑光伏波动，同时使得台区可以响应系统AGC/AVC（自动发电控制/自动电压控制），提高其可控性；其次，通过储能调蓄，可以提高光伏消纳，减少倒送；再次，虚拟同步运行的储能接口变流器可以使得台区电网具备类似于同步发电机的惯性和一次调频能力[13]，对改善电网稳定性具有积极的作用。

1 系统结构

含高渗透光伏电源的虚拟同步运行台区电网系统结构如图1所示。在常规负荷和光伏电源基础上，配置了虚拟同步运行的储能系统。储能装置采用锂电池，接口变流器采用虚拟同步控制，通过电力电子设备模拟同步发电机摇摆运动方程和下垂方程。虚拟同步机控制主要有电压受控型（电压源）和电流受控型（电流源）2种实现方式[14]，其中电压受控型实现方式更能模拟同步机的本质特性。

电压受控型接口变流器虚拟同步控制框图如图2所示[15]，其关键模拟方程（摇摆方程和一次调频方程）为：

图1 系统结构

图2 接口变流器虚拟同步控制

式中：ω为模拟同步机转子旋转角频率；Pm为模拟机械功率；P为输出机械功率；D为阻尼系数；Pref为功率参考值；K为下垂系数；TJ为惯性时间常数；ω0为电网额定角频率；ωgrid为测量电网角频率。

与常规下垂控制相比，虚拟同步机控制多了一个惯性环节，使得变流器输出频率变化不会突变，为系统提供了惯性支持。为了提高逆变器运行的稳定性，模拟同步机加入了一个阻尼环节。由于转子运动方程式是同步机为系统提供惯性的关键，而其他一些环节，如同步电抗、电枢电阻、励磁控制，与传统下垂控制并无太大差异，并且可以在电压、电流双环控制中实现[16-17]，因此其他几个环节如电压下垂控制，电压、电流双环控制与常规双环电压控制型变流器一致。

2 控制方法

储能接口变流器虚拟同步运行可以辅助台区电网参与电力系统多时间尺度调频，并为电网运行提供惯性，使得台区电网具备同步特性。接口变流器参与一次调频原理如图3所示。在某一时刻系统额定运行点为Pref，随着电网频率的变化，变流器出力的给定值会自动变化。例如当电网频率的变化量为Δω时，变流器出力给定值变化为KΔω，为电网提供一次调频支撑，与同步机动态一致。

图3 储能辅助台区电网参与系统一次调频原理示意

进一步，通过改变接口变流器的参数Pref，储能装置可平抑光伏电源波动与冲击性负荷，并辅助台区电网参与系统二次调频与削峰填谷：

式中：Pset为日前功率设定值，可以根据日前光伏电源发电预测与台区负荷预测确定或根据峰谷电价确定，可以认为是一种参与系统三次调频的方式；ΔPAGC是来自上一层控制的AGC信号，根据电网频率波动而调整；ΔPsmooth是储能装置平抑光伏和冲击性负荷的功率指令值。

ΔPsmooth的获取方式如下：

式中：Pload与PRes分别为台区负荷功率与分布式光伏出力（以发出功率为正方向），两者之和可直接在台区变压器低压侧测量获得；Tf为滤波常数，可根据需要设定，Tf越大，平滑效果越好，但对储能系统容量的要求也越高，可通过优化得到最优数值。

3 仿真验证

仿真在Matlab/Simulink环境中进行，采用拓扑如图1所示，接口变流器参数如表1所示。下文将通过多个算例验证储能系统辅助台区虚拟同步运行功能，包括其惯性响应、一次调频响应、二次调频响应、负荷与光伏波动平抑以及削峰填谷等功能。

表1 虚拟同步机控制型变流器参数

图4给出了接口变流器在电网频率变化时的惯性响应。在5 s时刻，电网出现0.02/0.05/0.1 Hz 3种不同程度的频率上升；在10 s时刻，频率恢复至50 Hz。为了排除一次调频的干扰，在仿真中屏蔽了一次调频模块。由图4可知，在频率阶跃时刻，接口变流器具有惯性响应：当频率上升时，接口变流器输出功率下降；当频率下降时，接口变流器输出功率上升，为电网提供了有效的支撑。同时频率变化值越大，接口变流器提供的惯性支撑越大。图5给出了接口变流器的一次调频响应，可以看出，频率变化越大，接口变流器稳态输出功率变化越大，为电网提供的功率支撑越多。因此，通过将储能系统接口变流器控制设计为虚拟同步运行，台区电网可以具备和同步机类似的惯性和一次调频能力，有助于电网安全稳定运行。

图4 惯性响应验证

图5 一次调频特性

图6 二次调频响应

图6给出了储能系统模拟接受电网AGC指令时的响应。在5 s时刻，储能系统接收到0.3 p.u.的向上AGC指令；在10 s时刻，储能系统接收到0.5 p.u.的向下AGC指令。接口变流器在1 s内完成AGC指令跟踪（其超调与振荡由模拟同步机摇摆方程引起），响应速度和响应精度远优于一般同步发电机组。因此，储能系统可以使得台区电网接受系统的调度参与AGC，有效提高了电网运行的灵活性。

图7给出了储能系统对光伏出力和负荷波动的平抑作用，其中虚线为台区内光伏出力与负荷功率之和（功率倒送），实线为叠加储能功率后的台区功率输出。由图7可知，储能系统可以有效平抑光伏与负荷波动，使得其输出功率更为平滑。通过储能功率的灵活输出，台区总功率可以更好地跟踪日前计划值，降低光伏出力不确定性对系统运行的影响。

图7 储能系统对光伏和负荷波动的平抑

图8给出了储能系统在综合了一次调频、二次调频、削峰填谷、光伏与负荷波动等功能后，24 h内的响应情况。其中，浅灰色区域为接口变流器惯性响应和一次调频响应，其时间尺度较小，根据电网情况自动响应；曲线1为储能系统二次调频响应和平抑光伏与负荷波动响应，其时间尺度相对较大；曲线2为储能系统参与削峰填谷响应，可以在日前由调度设定或者根据峰谷电价设定；曲线3为储能系统的综合响应，实现了台区电网多功能虚拟同步运行。

图8 储能系统在某一天的响应特性

4 结论

作为一种全新的调蓄资源，储能系统接入电网可有效提高电力系统的灵活性和可控性。本文提出了一种含高渗透光伏电源的台区电网虚拟同步运行控制方法。将储能系统配置于台区，并将接口变流器设计为虚拟同步运行，不仅可以使得台区电网具备同步机运行特性，为电网运行提供惯性，参与电力系统多时间尺度调频，还可平抑台区光伏和负荷的波动，弥补预测误差，使得台区潮流的可预测性更强。

一个虚拟同步运行台区，对电网运行而言是一个可观可控的单元，可以认为是能源互联网的“元胞”。通过集中管理台区，可提高电力系统的运行效率，且相比用户侧分散接入储能具有更高的经济价值与利用效率。本文后续工作包括储能容量的最优配置、虚拟同步相关参数的选取与稳定性分析、最优运行策略、光伏协同参与调节等。