光伏驱动新能源同步机并网的调频能力探究

张腾 张琳

1国核电力规划设计研究院有限公司 2中国联合网络通信有限公司

1 新能源同步机并网频率响应分析

1.1 惯性响应及提升方法

1.1.1 MGP惯性响应特性分析

新能源MGP系统电机转子具备旋转的动能，能够为电网提供惯性响应，因此接入新能源电网中可以缓解并网过程中电力系统惯性缺失所造成的不利影响。当新能源电网频率降低时，MGP中发电机转子和定子电压角速度不一致，由于定子和转子之间存在电磁-机械耦合关系，电网频率下降时MGP可以自动释放存于轴系中的动能为电网提供惯性响应。与其他新能源并网惯性响应提升方法相比，MGP系统在不需要检测电网运行频率的情况下，即可自发、瞬时为电网提供惯性响应。

MGP有利于降低新能源电网频率变化率，较小频率最大偏移量。同时其还具备传统发电机组相似结构，因此惯性响应特性也与传动发电机相同，即电网频率频率相对平滑，并且随着电网频率变化率改变，MGP会释放出相同比例的转动惯量。

1.1.2 MPG惯性响应提升方法

MGP中存储惯性常数HMGP和旋转动能EMGP分别表示为：

式中JMGP—MGP转动惯量；ωrN—MGP转子角速度；SMGP_N—MGP额定容量。

由公式（1）和（2）可知在MGP系统容量和电机转速固定的情况下，MGP转动惯量与系统惯量有直接关系，其中转动惯量可表示为：

式中m—MGP系统质量；D—MGP系统等效直径。

假设MGP为均值圆柱体，可以将公式（3）简化为：

式中 ρ—圆柱体密度；r—圆柱体半径；l—圆柱体长度。

由公式（4）可以可知，JMGP可控量为等效半径和长度，但同步电机旋转速度加快，MGP转速过长会影响发电机运行效率，因此想要提高MGP系统惯量只能增加MGP等效半径。该提升方案便于安装和设计，只需要增加电子转子等效半径即可，有利于进一步提高MGP转动惯量。

1.2 一次调频特性

新能源负荷增加导致电网频率快速下降时，新能源变流器输出电压频率保持不变，此时MGP瞬时响应，向电网释放旋转动能。根据MGP惯性响应提升策略，新能源逆变器输出电压频率表示为：

式中KP—电压控制器比例；KI—电压控制器积分系数；Udc—直流母线电压值。

根据MGP惯性响应特性可知，MGP传输有功功率PMGP可表示为：

式中KMGP—MGP有功-功角比例系数；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有功功率微分与新能源电网关系可表示为：

由公式（7）可知，MGP有功功率变化率与新能源电网频率之间呈反比例关系。在新能源电网频率快速下降时，MGP会释放旋转动能，当电网频率逐渐恢复时，MGP则会从新能源电网中吸收有功功率并进行存储，以便于电网频率下降时为其提供旋转动能。

另外，因此为保证新能源电网运行稳定性和安全性，需要进一步研究新能源一次调频控制策略。

2 一次调频控制策略及稳定性分析

2.1 一次调频控制策略

光伏逆变器是电网功率传输的枢纽，在电器变流器功率稳定输出的同时需要控制MGP并网运行，但是MGP具有隔离作用，导致逆变器无法主动参与一次调频。为使MGP并网具有一次调频功能，需要在逆变器控制中加入角频率反馈控制环节，使其具备感知电网运行频率变化的能力，以此来调节电网输出功率大小。

在下垂控制种增加限制转速环节，可以在电网运行频率出现微小变化时，下垂控制不动作，避免光伏电网运动点快速变化造成功率波动大幅度变化。同时在MGP转速偏移量过大时，也可以限制下垂控制输出大小，保证光伏驱动新能源并网运行稳定性。

电网正常运行情况下，光伏发电以MGP并网为主，并预留少量有功功率作为备用方式运行。当新能源电网运行频率出现波动时，MGP限制转速环节能够进一步减小电网光伏出力波动，并利用MGP惯性响应特性抑制电网运行频率大幅度变化。电网运行时，如果负荷快速增长或下降造成电网运行频率出现较大幅度变化时，下垂控制策略可以根据电网运行转速偏移量参数调整ΔU的大小，以及光伏处理，并主动参与到电网一次调频中。当电网转速偏移量大于最大偏移量时，电网下垂控制策略按照最大值输出，可以避免MGP发生失速或过速等情况。

另外，光伏出力变化范围会受到有功功率控制环节出力范围的影响，在电网运行过程中将两个控制策略进行结合，可以实现MGP并网一次调频功能。

2.2 并网系统稳定性分析

为研究光伏驱动过程中MGP一次调频稳定性，可以将电网比作为单机运行系统，并忽略电网电阻，所获得的光伏驱动新能源电网MGP并网结构如图1所示。

图1 MGP并网结构图

图2 光伏新能源同步机并网一次调频框架

图1中EM为同步电动机电动势有效值；EG为同步发电机电动势有效值；Ugrid、Uinv分别为电网电压值和逆变器输出电压值；φinv为逆变器输出电压；φM为电动机电动势相位角；φG为发电机电动势相位角；Xgrid为电网电抗。

在电网运行频率发生变化时，保持MGP电压和电感不变，由于光伏频率响应主要通过MGP与电网电磁-机械耦合关系实现调控，因此将MGP运行方程简化为数学模型，电网同步电机电磁转矩表示为：

式中PGe、PMe—同步发电机和电动机电磁功率。

当δM=δM0和δG=δG0时，采用线性化方法公式（8）进行处理，可得：

式中KsG、KsM—同步发电机和电动机转矩系数。

根据图1和δM=2πfrcft-ωrt+δ0，δG=ωrt-2πfgt+δ0，可以将MGP运行方程表示为：

由于光伏逆变器开关频率最大值可以达到20kHz，利用一阶惯性将逆变器模型进行等效处理，可得逆变器传递函数为：

式中Tinv—逆变器等效时间常数，其延时时间为0.05s。

由于考虑到MGP外环响应速度低于内环响应速度，在忽略MGP内环一次调频时的动态响应，可以将母线电压等效为：

式中Km—母线电压和交流侧电压转换系数，其取值为0.8。

对利用拉普拉斯算法对公式（12）进行处理，并结合公式（11）、（12）可得光伏新能源同步机并网一次调频框架，如图3所示。

当增加图3中Kw参数时，MGP相位裕度呈先增大后减小的变化趋势，由此表明MGP相位裕度主要受Kw参数的影响。因此适当增加Kw参数有利于提高光伏新能源同步机并网一次调频能力。

3 结语

本文研究了MGP惯性响应和惯性提升方法，分析了MGP电磁-机械耦合作用对新能源一次调频的影响，并分析了MGP的稳定性，最后构建了MGP一次调频策略，得出以下结论:

①MGP有助于提高新能源电网惯性响应，同时也可以通过增加MGP转子等效半径的方式增加转动惯量；根据MGP电磁-机械耦合特性，提出了以附加频率偏移量和减载特性的控制策略，进一步提高新能源电网一次调频能力。

②从MGP并网系统稳定性分析结果来看，增加Kw参数有利于进一步提高MGP频率响应能力和并网一次调频能力。