光伏发电系统参与电网频率调节的研究

李乐 段乐 闫斌斌 潘文斌

摘 要：介绍了光伏发电系统的物理结构和光伏逆变器控制策略典型的三环结构，阐述了基于VSG控制策略的电压环和电流环双闭环系统。随着光伏发电渗透率不断提高，系统的转动惯量逐渐减少，考虑到光伏系统的波动性和随机性会引起母线电压、频率的波动，光伏发电系统主动参与电网频率调节十分必要。鉴于此，具体说明了通过降低光伏阵列的输出功率而预留有功备用和通过直流侧配置储能电池系统进行充放电两种抑制频率波动的方法。

关键词：转动惯量;频率调节;有功备用;储能电池

0    引言

光伏电站以电力电子逆变器作为光伏发电系统与大电网的接口装置，电力电子装置具有快速性、灵敏性的特点，但却缺乏传统旋转电机的惯量特性和阻尼特性，而惯量特性和阻尼特性对于同步机抑制频率波动、优化动静态响应具有重要意义。当光伏发电装机容量达到一定比例时，必然威胁电网系统的安全稳定运行[1-2]。随着光伏发电渗透率不断提高，系统的转动惯量逐渐减少，电网调节能力严重下降，因此迫切需要光伏发电主动参与电网频率调节。目前，国内外学者围绕光伏发电的减载控制、直流侧配置储能电池等已展开研究。

1    光伏发电系统结构

1.1    光伏阵列工程应用模型

单个光伏电池产生的功率很小，往往会将电池经过合理串并联形成能够输出较大功率的光伏阵列。由于光伏组件输出功率与端电压之间的关系为典型的非线性特征，在实践中往往采用给出关键点参数的形式对光伏组件输出特性进行描述。设一个光伏阵列光伏电池串并联个数为NP、NS，当NP、NS确定后，会得到光伏阵列UPV/IPV的特性方程以及输出功率PPV和光伏组件的标称短路电流、光伏组件的标称开路电压有关。

由光伏阵列输出特性可知，光伏阵列输出电压和功率曲线是一个先增后减的函数。在一定的工作环境下，电池具有唯一的最大功率点，因此为了使电池输出功率最大，应实时调节电池的工作点，一般跟踪光伏阵列最大输出功率的过程称为MPPT（Maximum Power Point Tracking）。一般采用自寻优类MPPT方法进行最大功率跟踪，通过程序对工作点进行搜索以找到某一环境下的最大功率点。

光伏发电系统基本工作方式为多片光伏面板串联形成一个光伏组串，再由多个组串并联接入一台大功率逆变器进行电能变换，最后经变压器进行升压与隔离，将电能送入电网。

1.2    控制结构

典型光伏逆变器控制策略为图1所示的三环结构。其中外环负责最大功率跟踪（MPPT），中环控制直流电压，内环调节输入电网的有功、无功电流及电流的解耦，电压、电流控制器通常为PI控制器。采用這种控制方式的逆变器在正常运行时，通过最大功率跟踪算法与矢量控制使逆变器工作在单位功率因数下，将光伏阵列产生的有功功率全部输送至电网，以求发电效益最大化。

电压外环中，为了稳定直流母线电压，将采样得到的电压Udc与Udc*比较，再经过一个PI模块即可控制Udc。根据光伏阵列输出特性可知，通过控制直流母线电压可以控制输出功率。将PI模块的输出作为idref，将采样得到的id与idref比较，经过一个PI模块即可控制id，从而实现逆变器输出P的调节。将采样得到的电流iq与iqref比较，经过一个PI模块即可控制q轴电流iq，从而实现逆变器输出Q的调节。

2    光伏发电系统参与电网频率调节

由于光伏系统的波动性和随机性，需要通过增加备用容量来解决光伏波动性问题。对于光伏微网系统，当负载突变和光伏阵列输出有功功率波动时会引起母线电压、频率的波动，下面介绍两种抑制频率波动的方法。

2.1    光伏发电系统有功备用

由于光伏阵列不能吸收能量，因此在高于基准频率的调频事件中只能通过降低发电量来调节电网频率，其调频效果要弱于直流侧配置储能电池系统，因此该方法主要应对低于基准频率的调频事件。

光伏发电系统工作在MPPT模式时，没有功率调节能力，所以需要根据备用容量来确定光伏阵列工作电压，使其有调频能力。在电压区间[0，Uoc]内，只有唯一的最大功率点，需要有备用容量时输出功率低于最大功率点，会出现两个功率相同的运行点A和B，并且对应于不同的输出电压。以最大功率点为界，在左半平面dP/dU>0，在右半平面dP/dU<0。在左半平面功率和电压关系为正反馈，右半平面功率和电压关系为负反馈。对于同步发电机组的转子运动特性而言，正反馈意味着不稳定，负反馈意味着稳定。为保证系统稳定运行，有功备用运行状态下需保证运行电压大于最大功率点电压，即在右平面。

在光伏发电备用一定有功功率的基础上，可以根据功率缺额，通过电压外环来控制直流母线电压，从而增加光伏系统的有功输出来稳定电网频率。在Boost变换器的直流电压控制器中引入线性补偿环节，通过把检测到的电网频率的波动量反馈给直流电压来修正参考值，光伏阵列通过调节低压直流电容电压就可以改变其输出功率。光伏发电虽可提供功率支撑，但要受限于光伏发电的备用功率。对于传统汽轮机组，当转速不等率为5%、调频深度为0.25 Hz时，一次调频所需功率为额定功率的10%，因此选择光伏电站总备用容量占总容量的10%。

2.2    直流侧配置储能单元

为模拟同步发电机的转子运动方程和电磁方程设计分布式并网逆变器的控制策略，通过直流侧配置储能单元以储能装置的充放电模拟转子动能变化，使得逆变器具有与同步发电机相似的外特性。作为虚拟惯量的物理基础，储能单元是VSG的重要组成部分。直流侧配置储能电池系统进行充放电，可以应对低于基准频率和高于基准频率的调频事件。

储能型光伏并网发电系统的结构中，光伏阵列直接连接到逆变器直流母线，与带buck/boost变换器的储能装置并联。储能型光伏并网发电系统通过模拟同步发电机特性，具有频率惯性及阻尼频率偏移的能力，通过控制储能的充放电功率可以克服光伏阵列输出功率波动性与间歇性的影响。

同步发电机的转动惯量与转子运动所储存的动能有关，系统稳定运行时虚拟惯量H的定义为：

2H=

式中，J为同步发电机的转动惯量;Sn为同步发电机额定容量。

储能型光伏并网发电系统的虚拟惯量配置的大小与储能单元有关，储能单元储存的能量等效为转子运动所储存的能量。根据上式可以求得系统稳定运行时虚拟惯量H为：

H=

式中，SN为系统额定容量;CS为储能电容器电容;US为额定电压。

实际工程应用中，配置储能单元将大幅增加微网的建设和运行成本，所以储能单元的合理配置就尤为重要。考虑VSG有惯量支撑和一次调频功能，储能单元容量配置要求取决于其在惯量支撑和一次调频过程中的最大输出能量。

3    结语

文中介绍了光伏发电系统的物理结构和光伏逆变器控制策略典型的三环结构，阐述了基于VSG控制策略的电压环和电流环双闭环系统。考虑到光伏系统的波动性和随机性会引起母线电压、频率的波动，提出了光伏系统有功备用和直流侧配置储能单元两种抑制频率波动的方法。针对光伏系统有功备用，今后需要继续讨论对于设定的有功备用量如何跟踪光伏阵列的直流侧电压;针对直流侧配置储能单元，今后需要继续通过虚拟惯量控制策略来更合理地优化储能单元容量配置。

[参考文献]

[1] 杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

[2] 丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：1-14.

收稿日期：2020-04-13

作者简介：李乐（1990—），男，山西临汾人，硕士研究生，研究方向：新能源发电。