光伏发电系统与同步发电机的调差系数策略研究

光伏发电系统与同步发电机的调差系数策略研究

张颖

（国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710004）

摘要： 作为可再生能源发电的主流形式，光伏发电有效地缓解了传统发电方式带来的环境污染和能源危机等问题。然而，随着越来越多的光伏发电系统接入电网，光伏发电也影响着电网的安全稳定。因此，光伏需要转变以往的运行模式，以主动可控的方式参与电力系统的调节和控制，这对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。本文针对不带储能装置的光伏并网发电系统参与电力系统一次调频开展了相关研究，提出了一种光伏减载运行的策略，以实现调频容量备用，并分析了光伏减载运行的稳定域。最后，研究了变功率跟踪的光伏虚拟同步发电机调频控制策略，仿真结果证明了光伏参与电力系统一次调频的有效性。

关键词： 光伏并网发电；调频；虚拟同步发电机

0 引言

光伏发电具有随机性和波动性的特点，大量的光伏接入电网会影响系统的运行状况。由于光伏发电无法提供惯性支撑，且发电量与环境温度和光照强度的密切相关，一般光伏发电工作在最大功率点处，自身不具备调频的能力[1]。目前光伏参与系统调频的方法主要有光-储联合发电[2-3]，以及光伏减载运行[4-5]两种方法。光-储联合发电调频的方法是指光伏运行于最大功率点，通过安装的储能设备来实现对系统的调频，调频成本较高，可靠性降低，且没有改善“弃光”现象；而光伏减载运行是光伏运行在低于最大功率点附近的工作点，通过保留部分能量以提供调频的备用容量，其自身主动参与调频，同时还可改善“弃光”现象，但因光伏发电受光照和温度变化影响较大，可能出现调频容量不足的情况。

由于大规模的光伏并入电网取代了传统同步发电机，因此系统缺乏惯性和阻尼，更容易受到功率变化的影响而引起频率的不稳定问题。虚拟同步电机控制技术[6-7]就是为了改善光伏等新能源并网引起电力系统的惯性小、阻尼弱的状况。根据控制方案的对外特性上可以分为电流控制型虚拟同步发电机技术[8]和电压控制型虚拟同步发电机技术[9]。

正如上文所述，光伏参与系统调频可以通过安装储能设备或者减载运行的方案实现，与此同时，一般还会采用虚拟同步发电机技术模拟传统的同步发电机为系统提供的惯性支撑。尚未有研究文献考虑光伏发电的动态特性，以及光照和温度等外界环境对其调频特性的影响。本文基于光伏电源的动态特性，并考虑外界环境对光伏的影响，不借助储能辅助，而使光伏自身主动地参与电力系统的调频工作。

1 光伏发电系统功频特性分析

高渗透率的光伏并入电网，需要和同步发电机共同分担调频压力，以减小频率偏差，提高电力系统的稳定性。根据同步发电机一次调频原理，光伏发电系统的调差系数Rpv可定义为：

（1）式中，∆f为电力系统频率的变化量，∆Ppv表示光伏发电系统调频出力。

当光伏发电系统并网运行时，光伏与同步发电机组之间的功频特性如图1 所示。

图1 光伏并网运行时与同步发电机的功频特性图

图1中曲线1为发电机组和光伏发电系统的功频特性曲线，曲线2为光伏发电系统的功频特性曲线。若负荷的用电功率为PL，系统频率为fN，则有 。当负荷增加到 ，此时系统频率降低并稳定在f1 ，发电机组增发∆PG,发出功率为PG2；光伏发电系统增发∆Ppv，发出总的功率为Ppv2。根据发电机组调差系数RG与光伏发电系统调差系数Rpv，则有：

（2）

由式（2）可知，负荷变化时，各发电机组有功功率的分配与各自的调差系数成反比。发电机组的调差系数越小，其承担的负荷增量较大；反之，发电机组的调差系数越大，其承担的负荷增量较小。

综上，光伏发电系统参与电力系统的调频可以有效地减轻同步发电机的调频压力，通过改变光伏发电系统以及同步发电机的调差系数比值来协调分配各自调频承担的有功功率。

2 减载运行的光伏发电调频稳定性分析

2.1 光伏发电系统减载水平的定义

光伏发电系统参与电力系统一次调频，首先必须预留备用容量，同时依据频率的变化相应地改变输出的有功功率。而作为静止元件的光伏发电，并不存在旋转的储能元件。因此，在不增加储能设备的情况下，光伏发电系统参与电网调频就需要通过减载运行的方式来提供调频的备用容量。

为了确定光伏发电系统参与电力系统调频的备用容量，定义光伏发电系统的减载水平为，可表示为：

（3）

式中，∆P为光伏发电系统的减载功率，PM为光伏发电系统最大可输出的功率。

2.2 光伏发电减载运行的稳定域分析

由光伏的 P-U 输出特性曲线可知，光伏运行于 MPPT时，只有唯一的最大功率点，若光伏发电系统减载运行时，即光伏的输出功率低于最大功率点，会出现两个功率相同的运行点，如图2所示。

图2 光伏P-U曲线稳定性分析

由图2可知，Upv和Ppv为光伏的电压和功率。O点为光伏的最大功率点，Umpp和Pmpp分别为其对应的电压和功率。光伏减载运行时，可能运行于A点，也可能运行于B点，光伏输出相同的功率，但是对应着不同的输出电压UA 和UB。

结合图2分析光伏发电系统减载运行时的稳定区域，当光伏减载运行在A点时，假设源荷功率平衡。如果直流侧电压增加扰动时，光伏电源有功功率增加。而此时光伏逆变器输出的功率并未改变，从而导致光伏发出的功率大于逆变器输出的功率。此时“供大于求”，直流侧电容充电以保存光伏发出的多余能量，故而导致直流侧电压持续增大，最终导致工作点越过最大功率点，而不能稳定运行于A点。同理，若直流侧电压出现扰动减小，光伏电源有功功率随之减小，导致光伏输出的功率小于逆变器输出的功率，即“供小于求”。此时直流侧电容放电以弥补差额功率，从而导致直流侧电压继续减小，严重时可能导致光伏发电系统崩溃。所以，A点是正反馈的工作点，光伏不能稳定运行于A点。

同样，假设源荷功率平衡，当光伏减载运行在B点时，若直流侧电压出现扰动增大，光伏输出有功功率会减小。此时光伏逆变器输出的功率并未改变，导致光伏发出的功率小于逆变器输出的功率，即“供小于求”。直流侧电容放电以补足差额功率，所以直流侧电压减小，最终稳定运行于B点。同理，若直流侧电压出现扰动减小，光伏输出有功功率增大。光伏发电系统出现“供大于求”，此时直流侧电容充电以保存多余的能量。所以，直流侧电压反而增大，最终稳定运行于B点。B点是负反馈点，因此光伏能够稳定运行于B点。

可见，光伏在最大功率点右侧曲线为稳定运行区域，最大功率点左侧曲线为不稳定运行区域，即光伏发电系统参与调频时应运行于曲线的右半部分。

3 基于变功率跟踪的光伏虚拟同步发电机调频控制策略

所谓变功率跟踪方法为：光伏发电系统首先

进行最大功率点跟踪，当跟踪到最大功率点后，进入减载运行模式。变功率跟踪的光伏虚拟同步发电调频控制方法是通过对扰动观察法进行改进，使得光伏输出功率跟踪调频功率，从而参与电力系统调频。当光伏运行于减载模式后，通过

跟踪调频功率实现一次调频；与此同时，通过检

测光照强度和温度变化情况，判断是否重新开始最大功率点跟踪。

图3为变功率跟踪的光伏虚拟同步发电机调频控制策略的控制框图。光伏发电采用虚拟同步发电机技术虚拟惯性支撑并提供一次调频得到所需的调频功率，通过变功率跟踪控制输出光伏直流侧参考电压，利用电流计算方法得到dq轴有功和无功电流参考值，通过电流内环控制输出信号ud和uq ，利用dq/abc变换获得三相静止坐标系下的调制信号ua、ub和uc，最后通过SPWM生成占空比信号对光伏虚拟同步发电机进行控制。

图3 变功率跟踪的光伏虚拟同步发电机调频控制策略的控制框图

根据变功率跟踪控制方法获得直流侧参考电压，再获得光伏输出的参考功率如式（4）所示，其中Gdc是PI控制器的函数。

（4）

为了使得有功功率可以快速跟踪，增加了有功功率控制环节，并网逆变器输出的有功功率参考值为：

（5）

式中， 为瞬时有功功率， 为PI控制器函数。

若基于电网电压定向时， ，电流内环有功和无功电流分别表示为

（6）

电流内环的控制方程为

（7）

式中， 为输出电压， 分别为dq轴电流的参考值， 分别为dq轴电流的实际值， 为PI控制器的比例、积分系数。

4 仿真分析

针对负荷变化和光照强度变化的两种情况进行仿真，验证采用上述控制策略光伏能否实现调频，能否正常提供负荷功率并且保证系统频率的稳定。系统拓扑如图4所示。

光伏调频系统线电压为0.4kV，额定频率为 50Hz，额定功率为500kW；光照强度为 1000W/m2，温度为25℃。

图4 变功率跟踪的光伏虚拟同步发电机调频系统图

4.1 负荷变化

1）负荷突增0.2MW

初始时刻，总负荷功率为1.5MW，5s时负荷功率增大0.2MW。图5为负荷突增0.2MW的系统频率响应曲线。

图5 负荷突增0.2MW的系统频率响应曲线

2）负荷突减0.2MW

初始时刻，总负荷功率为1.5MW，5s时负荷功率减小0.2MW。图6为负荷突减0.2MW的系统频率响应曲线。

图6 负荷突减0.2MW的系统频率响应曲线

4.2 光照强度变化

初始状态光照强度为1000W/m2，5s时刻突增 200kW负载，8s时刻云层遮荫，光照强度突降为800W/m2，12s时刻，光照强度恢复为1000W/m2，图 7给出了在上述情况下系统频率的仿真波形。

当光伏发电系统不参与调频时，光伏运行在最大功率跟踪模式，光照强度降低，电压随之减小；当光伏参与调频时，5s前光伏运行于减载模式，直流侧电压大于最大功率点电压，5s时负荷增大，光伏发出更多功率参与调频。8s时光照强度降低，光伏最终运行于新的最大功率点参与调频，12s时光照强度恢复，此时光伏为运行于标况时参与调频的状态。由图7可知光伏参与调频时，能有效地改善电力系统频率的恢复情况，并且使频率的波动在允许范围之内。

图7 光照变化的系统频率响应曲线

5 结论

大规模光伏并网导致电网不稳定运行，本文采用了一种基于减载运行的光伏发电系统虚拟同步发电控制的调频策略，可有效地实现其对电力系统的一次调频。本文分析了光伏发电系统的功频特性，给出了光伏减载运行时的稳定域，采用变功率跟踪光伏虚拟同步发电机技术实现了光伏发电系统参与电网一次调频的功能。仿真结果验证了在负荷和光照强度变化的两种情况下，光伏发电系统参与一次调频的运行效果。采用变功率跟踪光伏虚拟同步发电机技术不仅实现了频率在负荷和光照强度变化时波动也在安全范围之内，同时也有效地实现了无储能光伏发电系统参与电力系统的一次调频，减轻了同步发电机的调频压力。

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作者简介

张颖（1979-） 女，硕士，研究方向为电网新能源技术，邮箱：32897022@qq.com。