光伏驱动新能源同步机并网的调频能力探究

光伏驱动新能源同步机并网的调频能力探究

赵冠鹏 

中国能源建设集团山西电力建设第一有限公司  山西大同 037000

摘要：由于太阳能电池板在我国的广泛应用，太阳能电池板在我国的应用日益广泛，太阳能电池板在我国的应用日益受到重视。针对目前太阳能发电技术在实际应用中存在的不足，本论文针对太阳能发电技术中存在的问题，提出一种新的太阳能发电技术。在此基础上，提出了基于 MGP的直流电压回馈和 PV的下垂控制，使得 PV的主动和惯量反应协调一致，进而改善了 PV的频率调节性能。在模拟中，申请人已成功地将 MGP的惯量响应和光伏发电的有功响应结合起来，并证实了 MGP的无滞量特性可以有效地降低电网的频率波动速率和偏移振幅，为其提供更有力的频率支持。

关键词：光伏驱动；新能源同步机并网；调频能力

1新能源同步机并网频率响应分析

1.1MGP惯性响应特性分析

新能源 MGP的电机转子具有转动的动能，可以为电网提供惯性响应，将其与新能源电网相结合，将其引入到新能源电网中，可以弥补其在并网时因无惯量而带来的负面效应。新能源电力系统降频时， MGP中发电机定子、转子间的磁力-力耦合特性使其能够在降频时自行释放其轴系内储存的能量，从而为电力系统带来更大的惯量。相对于其它新能源接入方式， MGP能够自动地、瞬时地为新能源接入电力系统，无需监测电力系统的运行频率。MGP可以有效地减少新能源电力系统的频率变动，使其最大幅度的频率偏差减小。与此同时，它还拥有与常规发电机组类似的结构，所以它的惯性响应特征也与传动发电机一样，也就是说，它的电网频率和频率都是比较平稳的，而且会随着电网的频率变化率而发生变化。MGP也将释放同样的惯性矩。

1.2直流电压反馈策略

磁电发电机（MGP）作为一种可实现能量转换的装置，其功角变化规律与出力之间存在着直接的关系。因此，可以利用电机端的相位改变来调节 MGP的输出。通过构建 MGP电机端电压相角值和电池端 DC节点电压之间的数学模型，来实现对 MGP所传送的电力进行有效的控制。从而实现了对 MGP的有效调控，并将 MGP的输出功率调整到所要求的基准范围内。该系统采用 PI调整及脉冲宽度调制技术，将偏移量转化为偏移量，以达到对 MGP的控制目的。该方法能使母线电压稳定地维持在参考值内，保证了电网的稳定、可靠运行。

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

光伏逆变器作为电力输送的中枢，其在保证电力变换器的电力输出的前提下，必须对其进行有效的调控，然而，由于其自身的“隔离”效应，使得其不能积极地参加一次频率调节。为了实现 MGP的一次调频，必须将角频率反馈控制链路引入到逆变器的控制中，使得它能够感应到电力系统的运行频率，从而调整电力系统的输出功率。在下垂控制中添加了一个对速度进行限制的链接，这样就能够在电网的运行频率发生细微的改变时，不会对其进行任何操作，从而避免了由于光伏电网移动点的迅速变化而导致的功率波动的大幅变化。在 MGP旋转速度偏差较大的情况下，还可以对其下垂值进行约束，确保新能源发电系统的稳定。在电力系统中，在正常的电力系统中，大部分的电力系统都是由多 GP接入的，同时保留小部分的电力，以备备用。在新能源电力系统中， MGP对速度的约束可以在新能源电力系统中降低电力系统的输出功率的波动，同时也可以通过 MGP的惯性反应来控制电力系统中较大的频率波动。当电力系统在运行过程中，当负载迅速增加或减少，导致电力系统的频率大幅波动时，通过下垂控制方法，可以通过调节电力系统的旋转速度偏差来实现对电力系统的一次调频。在电力系统的速度偏差超过最大偏差时，电力系统的下垂控制将会使电力系统的速度偏差达到最大，从而使 MGP不会出现超速、失速等现象。此外，由于光伏发电系统的输出幅度受其所处的输出幅度所决定，因此，在电力系统中，将两者相结合，即可完成 MGP的一次调频。

2.2MGP惯性响应能力与控制策略改进前/后一次调频能力的验证

在初期无负载的条件下，为应付突然出现的负载变化，预留了15 MW备用负载。但是，BUS6号在40 MW负载接入/断开过程中，会引起系统电压波动，给系统带来很大的压力与影响。针对此问题，本研究将 MGP技术与传统的 PV技术相结合，利用 MGP技术，迅速地将 PV电源中的空闲电量转移到 PV电源中。试验表明， MGP系统在发生故障时，其输出功率增加/减少了10%左右，并分担了部分不均衡的影响。MGP采用 PV下垂控制和 DC电压反馈的方式，可以迅速地调动电网的空闲电力，并参与电网的电力调度，从而缓解电网的部分调频压力。虽然这种方法可以提高系统的调频性能，但是其具体的运行结果却不尽相同，必须针对具体的运行状况做出相应的调整。研究结果表明， MGP控制能够显著提升太阳能电池发电的整体性能，为实现太阳能电池发电的高效、可靠、可靠、经济的发展奠定基础。在此基础上，为满足日益复杂、变化的电力市场要求，必须在技术研究、控制与优化等方面进行深入研究。

2.3光伏系统不同并网方式下的调频能力对比

最近，我们建立了一个基于太阳能电池板的电力系统的电力系统调频模拟模型，目的是为了对比这两种电力系统的调频性能。通过建立的数学模型，使两种电网运行模式下的调频增减电功率峰与故障后的稳态输出电压峰相吻合，确保了对比的可信度。在试验中，将太阳能电池板置于无负载状态下进行试验，对BUS8型太阳能电池板在80 MW负载和80 MW负载之间进行了试验。在对 MGP接入与直接接入两种接入模式进行对比分析的基础上，得到了如下结论。首先，与通过 MGP接入的太阳能电池相比，太阳能电池板接入的太阳能电池板的太阳能电池板接入的太阳能电池板具有较大的调节容量。具体而言，在负载急剧增长的情况下，太阳能电池板的直接接入可以使其更快的提高，以更快的速度弥补电力系统的不足，同时也可以确保电力系统的稳定性。在负载骤降的情况下，由于太阳能电池板的直接接入可以使其在较短时间内迅速降低，从而解决了电力系统中出现的高电压问题。其次，在这两种接入模式下，电力系统的频率波动都非常微弱，大大小于允许的电压波动，这表明了太阳能电池能够对电力系统的频率稳定起到很好的维持作用。本项目的研究成果将为今后太阳能电池直连技术的发展奠定理论基础，为太阳能电池板在电网中的安全稳定运行提出新的理论与方法。

2.4与虚拟惯量控制的惯性响应能力对比

微网格 Power （MGP）技术是一种可应用于微网环境下的新型电源管理技术。与常规电力设备相比，太阳能电池板的光电设备在运行过程中表现出了其自身的特性，如惯导、阻尼等。通过 MGP并网，使其具有了对电网频率波动的天然反应能力。但是，由于其本身具有的固有特性，以及对电网频率响应缓慢等特点，很难达到电网对电能品质和稳定的需求。为了实现这一目标，必须采用虚拟惯量控制方法，实现对同步电动机的惯性特性的仿真，以保证其在发生故障时的供电可靠性。虚拟惯量是一种以输出方式调节光伏发电系统输出，实现对同步电动机惯性响应的仿真。利用变换器直连技术，实现了对太阳能电池板的功率调节，从而实现了太阳能电池板的功率调节。但是，由于其固有的时滞问题，使得其不能很好地适应实际情况。对于经常发生的操纵行为，还会产生可靠性问题。为此，必须对其进行进一步的优化与完善，以提升其对电能品质与稳定的需求。

3结论

为了进一步验证控制策略的有效性，研究人员进行了光伏经MGP并网与光伏采用虚拟惯量+下垂控制并网的一次调频能力进行了仿真对比。结果表明，光伏经MGP并网在控制策略改进后对系统频率支撑能力的提升作用得到了有效验证。综上所述，该基于PV下垂控制的MGP直流电压反馈控制策略为光伏并网系统提供了更强的频率支撑，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]付文启,黄永章,杨鑫,等.光伏驱动新能源同步机并网的调频能力研究[J].电气传动,2022,52(10):21-27.

[2]康思伟,董文凯,郭诗然,等.基于虚拟同步机控制的新能源发电并网系统小干扰稳定临界短路比[J].电力建设,2022,43(03):131-140.

[3]杨鑫,黄永章,管飞,等.新能源同步机对新能源多场站短路比的提升作用[J].华北电力大学学报(自然科学版),2022,49(03):75-83.

[4]付文启,杨鑫,等.光伏减载驱动新能源同步机参与电力系统调频的研究[J].电机与控制应用,2021,48(05):79-85.