葛 俊, 劉 輝, 江 浩, 王曉聲, 孫大衛(wèi)

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司, 北京市 100054; 2. 國網(wǎng)冀北電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司), 北京市 100045; 3. 風(fēng)光儲并網(wǎng)運行技術(shù)國家電網(wǎng)公司重點實驗室, 北京市 100045)

0 引言

隨著新能源的快速發(fā)展,電網(wǎng)中新能源的占比正在逐漸提高。由于目前新能源發(fā)電設(shè)備通常采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制,無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率和電壓的變化。因此,新能源的大量接入會對電網(wǎng)特性產(chǎn)生顯著影響,如系統(tǒng)慣量和阻尼降低、旋轉(zhuǎn)備用容量減少等,電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator,VSG)技術(shù)通過對新能源發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)進行改進,可以使新能源發(fā)電設(shè)備具有與常規(guī)同步機組類似的頻率和電壓調(diào)節(jié)特性,從而解決了高比例新能源接入后電網(wǎng)缺乏支撐能力的問題[1]。

目前學(xué)術(shù)界已有諸多VSG的相關(guān)研究。文獻[2-7]研究了VSG本體的控制模型和控制策略,主要分析了VSG調(diào)頻和調(diào)壓的機理,以及不同控制參數(shù)或電網(wǎng)工況對VSG運行特性的影響。研究結(jié)果表明,通過在新能源變流器控制中引入與傳統(tǒng)同步機組勵磁和調(diào)速相類似的控制,可使新能源具備與傳統(tǒng)機組類似的調(diào)頻和調(diào)壓支撐能力。由于控制均在變流器中實現(xiàn),因此控制參數(shù)設(shè)置應(yīng)更為靈活,需要結(jié)合新能源設(shè)備自身能力和電網(wǎng)需要合理整定控制參數(shù)。文獻[8-11]則分別研究了VSG應(yīng)用于微電網(wǎng)時的控制策略及微電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)壓策略。由于微電網(wǎng)中一般需要依靠新能源發(fā)電設(shè)備自主建立電壓和頻率,因此上述文獻中研究的VSG均采用V/f控制,未研究VSG采用P/Q控制時的運行和控制策略,同時也未涉及VSG并入大電網(wǎng)時的相關(guān)技術(shù)研究。通過對現(xiàn)有文獻的總結(jié)和梳理,可以發(fā)現(xiàn)目前研究主要關(guān)注VSG本體模型及控制策略。與此同時,目前VSG的應(yīng)用場景主要為微電網(wǎng),關(guān)于VSG技術(shù)在并網(wǎng)新能源的示范應(yīng)用較少。

為探索VSG技術(shù)在大容量并網(wǎng)新能源中的應(yīng)用,國家電網(wǎng)有限公司決定在國家風(fēng)光儲輸示范電站建設(shè)VSG示范工程。截至2017年底,已完成24臺12 MW光伏VSG和59臺118 MW風(fēng)電VSG的改造,同時新建了2臺5 MW的集中式儲能VSG。該示范工程建成后,如何合理發(fā)揮VSG的支撐能力,保證VSG并網(wǎng)后在復(fù)雜電網(wǎng)工況下的安全高效運行,是亟待解決的問題[12]。

本文從VSG示范工程建設(shè)中遇到的難點出發(fā),結(jié)合目前新能源發(fā)展中遇到的相關(guān)技術(shù)問題,將VSG并網(wǎng)后在復(fù)雜電網(wǎng)工況下的安全高效運行概括為VSG的并網(wǎng)適應(yīng)性問題,具體包括以下三個方面:①VSG并網(wǎng)后能否保持穩(wěn)定運行,即并網(wǎng)穩(wěn)定問題;②VSG在電網(wǎng)故障時能否不脫網(wǎng)連續(xù)運行,即故障穿越問題;③如何在不損失新能源發(fā)電量的前提下對電網(wǎng)進行合理適度的頻率支撐,改善系統(tǒng)頻率特性,即風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐問題。

為深入研究VSG并網(wǎng)適應(yīng)性問題,本文首先對比分析了目前VSG的兩種主流技術(shù)路線,隨后對VSG并網(wǎng)適應(yīng)性三個方面問題的研究分別進行了梳理和總結(jié),在此基礎(chǔ)上指出現(xiàn)有研究的不足,并針對性地介紹了本文在VSG并網(wǎng)適應(yīng)性問題上取得的研究成果及未來亟須解決的技術(shù)問題。最后,結(jié)合現(xiàn)有文獻及本文的研究成果,對未來VSG并網(wǎng)適應(yīng)性問題的研究方向進行了展望。

1 VSG技術(shù)路線簡介

目前VSG技術(shù)主要包括兩種技術(shù)路線:一種由利物浦大學(xué)等機構(gòu)提出,通過控制逆變器內(nèi)電勢的幅值和相角,使新能源發(fā)電設(shè)備具備調(diào)頻調(diào)壓功能,即電壓控制型VSG[2];另一種由魯汶大學(xué)等機構(gòu)提出,通過控制逆變器輸出電流的dq軸分量,使新能源發(fā)電設(shè)備具備調(diào)頻調(diào)壓功能,即電流控制型VSG[13-14]。本節(jié)對以上兩種技術(shù)路線進行了簡介。

1.1 電壓控制型VSG

電壓控制型VSG的等效電路如附錄A圖A1所示?？芍?電壓控制型VSG可以等效為一個幅值為E、相位為θ的電壓源。對于圖A1中的VSG,通過控制其相位θ和幅值E即可實現(xiàn)對其有功功率P和無功功率Q的控制。

電壓控制型VSG的控制框圖如附錄A圖A2所示[2]?？芍?電壓控制型VSG直接生成逆變器電壓幅值E和相角θ信號,其控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)矢量控制逆變器差別較大。

1.2 電流控制型VSG

電流控制型VSG的等效電路如附錄A圖A3所示?？芍?電流控制型VSG可以等效為一個幅值為I、相位為φ的電流源,利用鎖相環(huán)(PLL)將VSG輸出電流I∠φ分解為d軸電流id和q軸電流iq,通過控制id和iq可實現(xiàn)對其P和Q的控制。

電流控制型VSG的控制框圖如附錄A圖A4所示[14]?？芍?電流控制型VSG仍采用矢量控制結(jié)構(gòu),通過在外環(huán)控制引入附加反饋使其具備調(diào)頻調(diào)壓功能。

需要說明的是,上述介紹電壓控制型和電流控制型VSG時均針對的是逆變器電路。對于光伏發(fā)電,其主電路拓?fù)渲话粋€逆變器,可以直接應(yīng)用VSG技術(shù);對于雙饋風(fēng)電機組而言,其利用轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制風(fēng)機的有功和無功功率,因此需要在轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器應(yīng)用VSG技術(shù)[15];而對于直驅(qū)風(fēng)電機組而言,其利用網(wǎng)側(cè)逆變器控制風(fēng)機的有功和無功功率,因此需要在網(wǎng)側(cè)逆變器應(yīng)用VSG技術(shù)。綜上,上文所介紹的兩種技術(shù)路線既適用于光伏VSG,也適用于風(fēng)電VSG。

2 VSG小擾動穩(wěn)定性分析

VSG技術(shù)對現(xiàn)有新能源設(shè)備的控制進行了改進,引入了附加控制環(huán)節(jié)使其具備調(diào)頻、調(diào)壓功能。因此,需要研究新能源VSG并網(wǎng)后能否穩(wěn)定運行。本節(jié)主要分析電壓控制型VSG和電流控制型VSG的小干擾穩(wěn)定性,并對未來研究方向進行簡要探討。

2.1 電壓控制型VSG小擾動穩(wěn)定性問題

電壓控制型VSG在虛擬同步控制有功控制環(huán)中,引入了兩個新的狀態(tài)變量,即VSG的角頻率ω和內(nèi)電勢相角θ。因此,電壓控制型VSG與傳統(tǒng)逆變器相比,引入了新的模態(tài),需要重點關(guān)注該新模態(tài)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有文獻分別對接入微電網(wǎng)和并入大電網(wǎng)的電壓控制型VSG的小干擾穩(wěn)定性進行了研究[16]。

文獻[17]研究了單臺電壓控制型VSG接入微電網(wǎng)運行時的小干擾穩(wěn)定性,指出負(fù)載和線路電阻增加有利于系統(tǒng)穩(wěn)定,VSG虛擬阻抗的增加對低頻模態(tài)阻尼有所改善,但不利于高頻模態(tài)阻尼,需要合理兼顧低頻和高頻的阻尼特性。文獻[18-19]分析了多臺電壓控制型VSG接入微電網(wǎng)運行時的小干擾穩(wěn)定性,重點分析了VSG控制環(huán)節(jié)中的虛擬慣量Tj和阻尼系數(shù)D對穩(wěn)定性的影響,指出Tj過大和D過小均會降低系統(tǒng)阻尼,導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

文獻[5]利用傳遞函數(shù)研究了單臺電壓控制型VSG并入大電網(wǎng)運行時的小干擾穩(wěn)定性,指出電壓控制型VSG中虛擬慣量Tj和阻尼系數(shù)D對其動態(tài)特性有顯著影響。Tj較大時,VSG支撐能力強,但系統(tǒng)阻尼較弱;D較大時,系統(tǒng)阻尼強,但動態(tài)響應(yīng)較慢。文獻[20]利用波特圖分析了單臺電壓控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同樣指出Tj較大時系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。為同時兼顧VSG動態(tài)響應(yīng)特性和小干擾穩(wěn)定性,文獻[21]在VSG的控制環(huán)節(jié)中增加了一個超前控制環(huán)節(jié),提高了VSG功率響應(yīng)速度,同時增強了系統(tǒng)阻尼,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

現(xiàn)有文獻一般利用傳遞函數(shù)研究電壓控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性,在建模時通常忽略VSG內(nèi)環(huán)控制及LC濾波元件的動態(tài),因此無法獲得系統(tǒng)全部模態(tài)的信息。本文對兩種控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)進行完整建模,通過系統(tǒng)特征根分析其并網(wǎng)穩(wěn)定性,建模和分析過程如下。

1)建立VSG并網(wǎng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)(包括濾波電容電感、VSG內(nèi)部的有功和無功控制、虛擬阻抗控制和電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié))的狀態(tài)方程。

2)聯(lián)立以上狀態(tài)方程,求解系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行工作點。在穩(wěn)態(tài)運行工作點對狀態(tài)方程進行線性化,得到系統(tǒng)的小信號線性狀態(tài)方程。

3)求解小信號線性狀態(tài)方程的特征根,判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)以上分析流程,分別作出VSG慣性時間常數(shù)Tj從0.5 s變化到20 s,以及VSG有功調(diào)頻系數(shù)Kf從20變化到5時,VSG并網(wǎng)系統(tǒng)的特征根軌跡,如圖1所示[17]。

圖1 Tj和Kf對電壓控制型VSG穩(wěn)定性的影響Fig.1 Impacts of Tj and Kf on the stability of voltage-controlled VSG

圖1中,λ9,λ10為VSG控制引入的新模態(tài)對應(yīng)的特征根?？芍?隨著Tj的增加和Kf的減小,λ9,λ10快速向右半平面移動,新模態(tài)的阻尼迅速減小。當(dāng)Tj>2 s或Kf<6.75時,λ9,λ10位于右半平面,系統(tǒng)失穩(wěn)。即慣性時間常數(shù)Tj過大或調(diào)頻系數(shù)Kf過小時,電壓控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)會由于新模態(tài)阻尼為負(fù)而失穩(wěn)。由圖1還可知,VSG虛擬同步控制參數(shù)變化時,對系統(tǒng)其他模態(tài)影響很小。因此在分析VSG并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性時,可采用文獻[5,21]的方法,即忽略VSG內(nèi)環(huán)控制及LC濾波元件動態(tài),只考慮電壓控制型VSG的控制外特性進行分析。

2.2 電流控制型VSG小擾動穩(wěn)定性問題

電流控制型VSG的控制仍以目前新能源發(fā)電設(shè)備廣泛采用的矢量控制為基礎(chǔ)。由于沒有引入新的積分環(huán)節(jié),電流控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)與常規(guī)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)相比,并未引入新的模態(tài)。但VSG控制環(huán)節(jié)可能對系統(tǒng)原有模態(tài)的阻尼產(chǎn)生較大影響,因此仍需研究電流控制型VSG的并網(wǎng)穩(wěn)定性問題。

現(xiàn)有文獻分析了傳統(tǒng)逆變器和下垂控制逆變器的小信號穩(wěn)定性[22-23]。雖然電流控制型VSG與傳統(tǒng)逆變器和下垂控制逆變器中均包含鎖相環(huán),但鎖相環(huán)的作用有較大區(qū)別。傳統(tǒng)逆變器和下垂控制逆變器中,鎖相環(huán)的主要作用是獲得電網(wǎng)電壓的相角;而在電流控制型VSG中,鎖相環(huán)除輸出電網(wǎng)電壓相角外,還同時輸出電網(wǎng)頻率及頻率變化率,作為虛擬同步控制環(huán)節(jié)的輸入信號。因此,電流控制型VSG中,鎖相環(huán)與虛擬同步控制環(huán)節(jié)的有功—頻率控制相耦合,會對穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

本文主要分析電流控制型VSG并網(wǎng)運行時,鎖相環(huán)及VSG控制參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。按照典型參數(shù)變化范圍，圖2所示為電流型VSG的慣性時間常數(shù)Tj從0.5 s變化到20 s,以及鎖相環(huán)比例控制參數(shù)KPpll從10變化到100時,VSG并網(wǎng)系統(tǒng)的特征根軌跡。

圖2 Tj和KPpll對電流控制型VSG穩(wěn)定性的影響Fig.2 Impacts of Tj and KPpll on the stability of current-controlled VSG

由圖2可知,Tj和KPpll對電流控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)中,由濾波電容電感形成的高頻諧振模態(tài)對應(yīng)的特征根(λ1～λ4)的影響較大。隨著Tj和KPpll的增加,λ1,λ2快速向右半平面移動,對應(yīng)模態(tài)的阻尼迅速減小,與此同時,λ3,λ4快速向左半平面移動,對應(yīng)模態(tài)的阻尼迅速增大,而其他模態(tài)的阻尼基本不變。當(dāng)Tj>6 s或KPpll>26時,λ1,λ2越過虛軸分布在右半平面,系統(tǒng)失穩(wěn)。因此,當(dāng)Tj或KPpll較大時,電流控制型VSG并網(wǎng)系統(tǒng)可能由于濾波電容電感對應(yīng)的高頻模態(tài)阻尼為負(fù)而失穩(wěn)。

2.3 小結(jié)與探討

綜合2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析,將VSG并網(wǎng)小干擾穩(wěn)定問題總結(jié)如下。

1)電壓控制型VSG中的虛擬同步控制環(huán)節(jié)引入了新的模態(tài),當(dāng)虛擬同步環(huán)節(jié)的控制參數(shù)(慣性時間常數(shù)Tj和有功調(diào)頻系數(shù)Kf)整定不當(dāng)時,該新模態(tài)的阻尼為負(fù),從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)次同步振蕩而失穩(wěn),并網(wǎng)運行時需要重點關(guān)注該新模態(tài)的阻尼。

2)電流控制型VSG的虛擬同步控制環(huán)節(jié)會影響濾波電容電感相關(guān)的高頻模態(tài)的阻尼。當(dāng)虛擬同步環(huán)節(jié)或鎖相環(huán)的控制參數(shù)(慣性時間常數(shù)Tj和鎖相環(huán)比例控制參數(shù)KPpll)整定不合理時,該高頻模態(tài)阻尼為負(fù),系統(tǒng)出現(xiàn)高頻振蕩而失穩(wěn),并網(wǎng)運行時需要重點關(guān)注該高頻模態(tài)的阻尼。

雖然目前已有研究對VSG的并網(wǎng)穩(wěn)定性問題進行了分析和討論,但總體而言相關(guān)研究尚處于起步階段,仍有以下問題亟待解決。

1)現(xiàn)有研究沒有提出新能源VSG主要控制參數(shù)的整定方法。由本節(jié)分析可知,VSG虛擬同步控制中的慣性時間常數(shù)Tj、有功調(diào)頻系數(shù)Kf等參數(shù)對其并網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要,因此需要結(jié)合理論分析和工程實踐提出新能源VSG控制參數(shù)的整定方法。

2)現(xiàn)有研究大部分針對光伏VSG展開,鮮有涉及風(fēng)電VSG。由于風(fēng)電VSG的結(jié)構(gòu)比光伏VSG更為復(fù)雜,因此需要深入研究風(fēng)電VSG的并網(wǎng)穩(wěn)定性,以保證風(fēng)電VSG的安全穩(wěn)定運行。

3)現(xiàn)有文獻對多臺VSG并聯(lián)運行時的穩(wěn)定性進行了研究,但均假設(shè)每臺VSG的容量和控制參數(shù)完全一致,因此結(jié)論與單臺VSG的穩(wěn)定性類似。在實際系統(tǒng)中,不同類型VSG的容量、控制參數(shù)甚至控制策略均存在差異,需要研究不同類型和不同參數(shù)VSG并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

3 VSG故障穿越技術(shù)

電網(wǎng)發(fā)生故障時，新能源發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)自保會惡化電網(wǎng)頻率和電壓動態(tài),因此目前新能源發(fā)電設(shè)備均需具備故障穿越能力。同理,改造后的VSG仍然需要具備故障穿越能力。目前VSG故障穿越技術(shù)的研究還較少。本節(jié)分別介紹電壓控制型和電流控制型VSG故障穿越技術(shù),并對未來研究進行展望。

3.1 電壓控制型VSG故障穿越技術(shù)

由于電壓控制型VSG的控制結(jié)構(gòu)與常規(guī)新能源有較大區(qū)別,因此二者的故障穿越特性與故障穿越策略均有較大差異。目前,針對電壓控制型VSG的故障特性與故障穿越策略研究尚處于起步階段。

故障特性方面,文獻[24]主要利用仿真研究電壓控制型VSG的故障特性。研究結(jié)果表明,電網(wǎng)故障過程中,VSG會承受很大的故障電流。由于電力電子器件承受電流沖擊能力較弱,因此過大的故障電流會影響電壓控制型VSG的安全運行。

本文從電壓控制型VSG實現(xiàn)功率控制的機理出發(fā),分析其故障特性與故障過流的產(chǎn)生原因。對于電壓控制型VSG而言,其功率控制是通過對其內(nèi)電勢的幅值及頻率進行控制實現(xiàn),其慣性響應(yīng)的強弱取決于內(nèi)電勢頻率調(diào)節(jié)的快慢。為保證VSG能夠提供較強的慣性支撐,其內(nèi)電勢的響應(yīng)速度較慢,時間尺度通常為秒級。而電網(wǎng)故障激發(fā)的暫態(tài)過程持續(xù)時間很短,通常為毫秒級。因此,在電網(wǎng)故障的暫態(tài)過程中,電壓控制型VSG的內(nèi)電勢由于無法快速響應(yīng)機端電壓的變化,會導(dǎo)致VSG與故障點之間產(chǎn)生較大的電壓差,這也正是導(dǎo)致VSG故障電流過大的根本原因。

附錄B圖B1為電網(wǎng)故障期間,常規(guī)新能源與電壓控制型VSG電流的波形。可知,由于VSG內(nèi)電勢響應(yīng)較慢,會出現(xiàn)明顯的故障過流,故障瞬間電流幅值高達1.9(標(biāo)幺值),與常規(guī)新能源機組的1.15相比增加了65%,嚴(yán)重威脅到VSG的安全運行。

故障穿越策略方面,文獻[24]提出了基于控制模式平滑切換的策略,主要研究傳統(tǒng)故障穿越策略與虛擬同步控制的切換方法,但該策略需要對電網(wǎng)電壓進行檢測與判斷,且故障期間將VSG當(dāng)做狀態(tài)保持器,增加了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為避免控制策略切換帶來的上述問題,文獻[25]提出了增大虛擬同步阻抗的控制策略,該方法可有效抑制故障電流,但其代價是降低了VSG的運行穩(wěn)定性;文獻[26]提出了電網(wǎng)電壓前饋與有功功率指令調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略,該方法同樣可以有效抑制VSG故障電流,但對電壓相位變化導(dǎo)致的故障電流分量效果欠佳。

本文團隊在文獻[27]中，通過前饋補償內(nèi)電勢的故障分量來加快VSG內(nèi)電勢的動態(tài)響應(yīng)特性,從而減小故障過流,實現(xiàn)VSG的故障穿越[27]。圖3所示為電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,應(yīng)用所提出故障穿越策略前后,VSG三相電流的波形?？芍?應(yīng)用上述故障穿越策略后,VSG電流暫態(tài)峰值從2.9(標(biāo)幺值)減小到1.4,幅值衰減了52%,驗證了該補償策略對故障過流的有效抑制作用。

圖3 應(yīng)用故障穿越策略前后電壓控制型 VSG故障電流波形Fig.3 Fault current waveforms of voltage-controlled VSG without and with the proposed fault ride-through control strategy

3.2 電流控制型VSG故障穿越技術(shù)

目前關(guān)于電流控制型VSG的故障特性與故障穿越策略研究還較少。電流控制型VSG是在常規(guī)新能源矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上附加了頻率調(diào)節(jié)控制,保留了電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。雖然電流控制型VSG對常規(guī)新能源控制結(jié)構(gòu)的改變較少,但仍有必要探究頻率支撐功能對其故障穿越能力的影響。

從功率控制方式角度看,與電壓控制型VSG相比,電流控制型VSG中的鎖相環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制可使其內(nèi)電勢快速跟蹤電網(wǎng)電壓變化,因此在電網(wǎng)故障期間,電流控制型VSG的故障過流情況較電壓控制型VSG相比有所改善。

附錄B圖B2所示為電網(wǎng)故障期間,常規(guī)新能源與電流控制型VSG電流的波形。可知,電網(wǎng)故障期間,常規(guī)新能源機組故障電流峰值為1.15(標(biāo)幺值),電流控制型VSG故障電流峰值為1.1。即兩者故障電流的幅值相差不大,故障特性基本相同。同時,電流控制型VSG的故障電流峰值(1.1)明顯小于電壓控制型VSG的故障電流峰值(1.9)。

由于電流控制型VSG與常規(guī)新能源機組的控制結(jié)構(gòu)基本相同,可考慮沿用常規(guī)新能源機組較為成熟的故障穿越技術(shù),如加裝硬件保護(包括撬棒、卸荷電路等)和改進軟件控制策略等[28-29],保證電流控制型VSG在電網(wǎng)故障時能夠?qū)崿F(xiàn)不脫網(wǎng)運行。

3.3 小結(jié)與探討

總體而言,目前關(guān)于VSG故障特性和故障穿越策略研究較少,還需要從以下方面開展深入研究。

1)對比研究風(fēng)電、光伏不同類型VSG的故障特性與故障穿越策略。由于風(fēng)電和光伏控制結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度的差異,電網(wǎng)故障對不同類型VSG的影響機制也存在差異,因此需要對比分析其故障特性,根據(jù)不同類型機組制定合理的故障穿越策略。

2)深入分析VSG的物理本質(zhì)和控制機理,從內(nèi)電勢控制方式的角度對比分析常規(guī)新能源機組、電壓控制型VSG和電流控制型VSG的區(qū)別,研究電網(wǎng)故障情況下,上述三種機組的內(nèi)電勢變化規(guī)模和動態(tài)響應(yīng)特性。從改進內(nèi)電勢故障響應(yīng)特性的角度研究提升VSG故障穿越能力的方案。

4 風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐技術(shù)

光伏和風(fēng)電VSG頻率支撐技術(shù)路線可分為預(yù)留功率備用和不留功率備用兩種[30-39]。不留功率備用技術(shù)路線可避免預(yù)留備用導(dǎo)致的棄風(fēng)和棄光,經(jīng)濟性較好,因此得到研究者的廣泛關(guān)注。不留功率備用技術(shù)路線的技術(shù)原理,是利用發(fā)電單元本身的“慣性”為系統(tǒng)提供短時頻率支撐。因光伏系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)部件,故基本無法采用此方法進行頻率支撐。對于風(fēng)電而言,可利用其轉(zhuǎn)子慣性實現(xiàn)頻率支撐。

不留備用技術(shù)路線的風(fēng)電VSG雖然經(jīng)濟性較好,但在技術(shù)性能上存在頻率二次跌落(second frequency drop,SFD)問題,這也是該技術(shù)路線需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前文獻中提出多種方法以改善風(fēng)電轉(zhuǎn)子慣量支撐導(dǎo)致的二次跌落問題。

文獻[33]提出利用附加功率控制以避免風(fēng)機在調(diào)頻結(jié)束后立即恢復(fù)轉(zhuǎn)速,以改善頻率二次跌落。該策略可以將二次跌落時間推遲,但代價是風(fēng)機偏離正常運行點時間較長,犧牲了風(fēng)機部分發(fā)電量。

文獻[34]提出階躍控制策略,即風(fēng)機功率在頻率支撐和退出調(diào)頻時均直接階躍變化至給定的功率值,同時該文獻利用水電機組和風(fēng)電機組協(xié)調(diào)配合以減小系統(tǒng)頻率的二次跌落。文獻[37]同樣采用階躍控制策略,考慮了同一風(fēng)電場中不同風(fēng)機工況的差異性,提出各風(fēng)電機組按照風(fēng)速—有功增量—可持續(xù)時間相依的風(fēng)機調(diào)頻控制策略,以減小頻率二次跌落。階躍控制的優(yōu)點是可以根據(jù)風(fēng)機工況合理設(shè)置功率給定值,但也存在一定的問題。其一是風(fēng)機調(diào)頻的外特性與同步機差異較大,其二是風(fēng)機提供的調(diào)頻支撐功率與系統(tǒng)頻率動態(tài)特性無關(guān),可能會出現(xiàn)風(fēng)機調(diào)節(jié)過多或過少的情況,不利于改善系統(tǒng)的頻率特性。

為避免階躍控制的問題,研究者將虛擬慣量和虛擬一次調(diào)頻引入風(fēng)機控制,該控制與VSG的控制原理相同。文獻[38]提出根據(jù)系統(tǒng)頻率和風(fēng)機當(dāng)前工況動態(tài)調(diào)整虛擬同步控制系數(shù),在各種工況下均能實現(xiàn)風(fēng)電機組對系統(tǒng)頻率的支撐,同時改善系統(tǒng)頻率的二次跌落。文獻[39]同樣采用變系數(shù)控制策略,其中風(fēng)機調(diào)頻系數(shù)與風(fēng)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)。變系數(shù)控制策略可根據(jù)系統(tǒng)和風(fēng)機工況發(fā)揮風(fēng)電機組的支撐能力,但目前工程上風(fēng)機的控制策略仍以恒系數(shù)控制為主,因此與工程應(yīng)用尚有一定距離。

為深入分析風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐問題,本節(jié)首先分析風(fēng)電VSG的轉(zhuǎn)子慣量頻率支撐過程,之后分析風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐對系統(tǒng)頻率動態(tài)特性的影響及頻率二次跌落問題的嚴(yán)重性,最后提出工程上可行的頻率二次跌落問題改善方法。

4.1 風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐過程

利用仿真分析風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐過程,仿真工況如下:風(fēng)機采用MPPT控制方式,風(fēng)速為11.1 m/s,風(fēng)機頻率支撐轉(zhuǎn)速下限為0.83(標(biāo)幺值),轉(zhuǎn)矩下限為0.2,轉(zhuǎn)矩指令值變化率上下限為±0.2 s-1,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量頻率支撐過程仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of rotor inertia based frequency support of wind power VSG

由圖4可知,風(fēng)電VSG在利用轉(zhuǎn)子慣量提供頻率支撐時,主要包括兩個階段,即頻率支撐階段和轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段。在頻率支撐階段,風(fēng)機電磁功率增加,導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降和風(fēng)能利用系數(shù)降低,因此風(fēng)機機械功率會下降;在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,需要控制風(fēng)機電磁功率小于機械功率,使風(fēng)機轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)。因此,風(fēng)機由頻率支撐階段進入轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段時,風(fēng)機電磁功率必然會降低,即系統(tǒng)中必然會出現(xiàn)功率缺額,該缺額會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)二次跌落。

4.2風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐對系統(tǒng)頻率動態(tài)特性的影響

為詳細(xì)研究風(fēng)電轉(zhuǎn)子慣量支撐導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率二次跌落,仿真單臺火電機組和單臺風(fēng)電機組組成系統(tǒng)在負(fù)荷增加時的頻率動態(tài)。根據(jù)國內(nèi)某區(qū)域電網(wǎng)的裝機和負(fù)荷情況,等比例縮小后,設(shè)置仿真系統(tǒng)參數(shù)如下:火電機組額定容量250 MW,風(fēng)電機組額定容量60 MW,負(fù)荷L1為222 MW,如附錄C圖C1所示。

仿真風(fēng)機風(fēng)速8 m/s,VSG控制參數(shù)Kf=20,Tj=5 s,頻率支撐轉(zhuǎn)速下限為0.83(標(biāo)幺值)情況下,投入負(fù)荷L2(11.1 MW,系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷的5%)時的系統(tǒng)頻率動態(tài)和風(fēng)電VSG電磁功率,并與風(fēng)電不調(diào)頻情景進行對比,如圖5所示。

圖5 風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量頻率支撐與風(fēng)電不調(diào)頻 情況下系統(tǒng)頻率和風(fēng)機電磁功率仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of frequency and electromagnetic power with and without rotor inertia based frequency support of wind power VSG

由圖5可知,風(fēng)電不調(diào)頻情況下,負(fù)荷L2投入后系統(tǒng)頻率最低點為49.73 Hz,利用轉(zhuǎn)子慣量支撐的風(fēng)電VSG參與調(diào)頻情況下,負(fù)荷L2投入后系統(tǒng)頻率最低點提升至49.83 Hz,但風(fēng)電VSG退出調(diào)頻時,導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率二次跌落的最低值為49.09 Hz,遠(yuǎn)低于系統(tǒng)一次跌落的最低值49.83 Hz,甚至遠(yuǎn)低于風(fēng)電不調(diào)頻時系統(tǒng)頻率一次跌落最低值49.73 Hz。

下面分析不同風(fēng)速和新能源占比情況下,風(fēng)電VSG采用轉(zhuǎn)子慣量支撐與風(fēng)電不調(diào)頻相比,系統(tǒng)頻率的最低點(對于風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐而言為頻率二次跌落時的最低值),如附錄C圖C2和圖C3所示?？芍?由于風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐存在二次跌落問題,因此不同新能源占比及不同風(fēng)速情況下,風(fēng)電VSG參與調(diào)頻比風(fēng)電不參與調(diào)頻時的系統(tǒng)頻率最低點更低,且二次跌落幅度為一次跌落幅度的2～20倍。由此可知,風(fēng)電VSG單純依靠轉(zhuǎn)子慣量進行頻率支撐時,如果控制策略和控制參數(shù)選擇不當(dāng),會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的頻率二次跌落。因此,需要對風(fēng)電VSG進行優(yōu)化,以改善系統(tǒng)頻率的二次跌落。

4.3 頻率二次跌落的改善方法

由4.1節(jié)的分析可知,風(fēng)電VSG提供頻率支撐會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降,轉(zhuǎn)速下降得越多,機械功率減小越多,退出調(diào)頻時的功率缺額越大。因此,可以通過提高風(fēng)機退出調(diào)頻的轉(zhuǎn)速下限值和減小風(fēng)電VSG一次調(diào)頻系數(shù)KP和支撐時間Ts(KP不大于5,Ts小于10 s),從而改善系統(tǒng)頻率二次跌落。

圖6為本文提出的風(fēng)電調(diào)頻策略、文獻[38]策略及風(fēng)電不調(diào)頻三種情況下,系統(tǒng)頻率特性和風(fēng)電電磁功率的動態(tài)曲線。其中本文策略下風(fēng)電VSG控制參數(shù)為Kf=20,Tj=5 s,支撐時間Ts為6 s。

由圖6可知,本文提出的風(fēng)電VSG控制策略可以提高系統(tǒng)頻率一次跌落時的頻率最低值,與風(fēng)電不調(diào)頻相比,系統(tǒng)頻率一次跌落最低值由49.73 Hz提高到49.77 Hz。與此同時,本文所提策略對應(yīng)的系統(tǒng)頻率二次跌落最低值由改進前風(fēng)電VSG的49.09 Hz提高到49.80 Hz,高于系統(tǒng)頻率一次跌落最低值,與原策略相比顯著地改善了頻率二次跌落。綜上,利用改進的風(fēng)電VSG進行調(diào)頻可以獲得良好的系統(tǒng)頻率特性,即對系統(tǒng)頻率起支撐作用,同時又不致引起嚴(yán)重的頻率二次跌落。

圖6 不同風(fēng)電調(diào)頻策略的應(yīng)用效果Fig.6 Application effects of different wind power frequency regulation strategies

4.4 小結(jié)與探討

本節(jié)主要分析了風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量頻率支撐技術(shù),包括頻率支撐過程,對系統(tǒng)頻率特性的影響即頻率二次跌落問題,以及頻率二次跌落的改善方法。對本節(jié)小結(jié)如下。

1)風(fēng)電VSG在不留功率備用情況下,可以利用轉(zhuǎn)子慣量實現(xiàn)頻率支撐功能。在頻率支撐過程中,風(fēng)機電磁功率增加,機械功率減小,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。因此在退出調(diào)頻時,必然需要降低電磁功率以恢復(fù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,對系統(tǒng)而言相當(dāng)于出現(xiàn)功率缺額。

2)風(fēng)電VSG退出調(diào)頻時會對系統(tǒng)造成沖擊,系統(tǒng)頻率會出現(xiàn)二次跌落。對不同新能源占比和不同風(fēng)速的分析表明,風(fēng)電VSG控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時,頻率二次跌落幅度遠(yuǎn)大于風(fēng)機不調(diào)頻時的一次跌落幅度,嚴(yán)重影響系統(tǒng)頻率特性,甚至導(dǎo)致頻率失穩(wěn)。

3)通過合理設(shè)置風(fēng)電VSG控制參數(shù),可以在一定程度上改善頻率二次跌落,風(fēng)電VSG參與系統(tǒng)頻率支撐后可改善系統(tǒng)頻率一次跌落,同時顯著改善原始VSG導(dǎo)致的嚴(yán)重的頻率二次跌落,使系統(tǒng)具有良好的頻率動態(tài)特性。

風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量頻率支撐研究還有以下問題亟待解決。

1)風(fēng)電VSG單機層面二次跌落的改善方法。需要研究不同風(fēng)速情況下,風(fēng)電VSG的控制策略選擇和控制參數(shù)的合理整定方法。

2)風(fēng)電VSG場站層面二次跌落的改善和解決方法。一方面,需要研究如何對風(fēng)電場中的多臺風(fēng)電VSG進行協(xié)調(diào)控制,避免同時從頻率支撐狀態(tài)進入轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)對系統(tǒng)的沖擊;另一方面,可以在風(fēng)電場加裝一定容量的儲能參與系統(tǒng)頻率支撐,需要研究風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略及儲能容量優(yōu)化配置方法。

3)需要研究新能源VSG占比較高的情況下,新能源VSG與傳統(tǒng)機組的協(xié)調(diào)頻率控制技術(shù)。需要兼顧VSG自身的頻率支撐特性,考慮其與傳統(tǒng)機組的協(xié)調(diào)配合,共同實現(xiàn)系統(tǒng)頻率支撐。

5 結(jié)語

本文主要分析探討了VSG示范工程建設(shè)中遇到的重點問題,即VSG的并網(wǎng)運行適應(yīng)性問題。本文對目前VSG并網(wǎng)適應(yīng)性問題的相關(guān)研究進行了梳理和總結(jié),針對目前研究存在的不足,有針對性地介紹了相關(guān)研究成果,主要結(jié)論如下。

1)目前VSG主流技術(shù)路線包括電壓控制型和電流控制型兩種：電壓控制型VSG模擬了同步機的機理,控制結(jié)構(gòu)與常規(guī)新能源相比區(qū)別較大;電流控制型VSG控制結(jié)構(gòu)與常規(guī)新能源相似,仍然基于矢量控制,工程改造難度較低。

2)并網(wǎng)穩(wěn)定方面,電壓控制和電流控制型VSG若控制參數(shù)整定不當(dāng),并網(wǎng)運行后均存在振蕩風(fēng)險。需要重點關(guān)注電壓控制型VSG虛擬同步功能引入新模態(tài)的穩(wěn)定性,以及電流控制型VSG鎖相環(huán)和虛擬同步控制耦合交互對系統(tǒng)LC濾波模態(tài)的影響,保證其并網(wǎng)后穩(wěn)定運行。

3)故障穿越方面,由于電流控制型VSG與現(xiàn)有新能源發(fā)電設(shè)備的控制類似,因此在閉鎖虛擬同步控制功能的情況下,可以借鑒現(xiàn)有新能源的故障穿越技術(shù),但需要注意研究其適用性;電壓控制型VSG無法直接應(yīng)用現(xiàn)有的新能源故障穿越技術(shù),需要深入研究其故障特性和故障穿越技術(shù)。

4)風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐技術(shù)路線方面,風(fēng)電VSG利用轉(zhuǎn)子慣量可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的頻率支撐,但在控制策略和控制參數(shù)選擇不當(dāng)時,會導(dǎo)致嚴(yán)重的二次跌落問題,通過減小控制參數(shù)和提高退出調(diào)頻時的轉(zhuǎn)速下限可有效改善二次跌落問題。

雖然目前關(guān)于VSG的研究已經(jīng)取得了一定的成果,但總體而言,VSG技術(shù)仍處于研究起步階段,對其并網(wǎng)適應(yīng)性問題未來的研究方向展望如下。

1)并網(wǎng)穩(wěn)定方面,本文研究的是VSG單機并入無窮大電網(wǎng)的情景,后續(xù)需要進一步研究VSG多機并網(wǎng)穩(wěn)定性,以及VSG與同步機系統(tǒng)(對應(yīng)高比例新能源情景)的穩(wěn)定性,完善VSG并網(wǎng)穩(wěn)定理論。

2)故障穿越方面,本文對比分析了電壓和電流控制型VSG的故障特性,并提出了電壓控制型VSG的故障穿越策略。后續(xù)需進一步研究不對稱工況下電壓控制型VSG的故障穿越策略,及常規(guī)新能源故障穿越策略對于電流控制型VSG的適應(yīng)性。

3)風(fēng)電VSG轉(zhuǎn)子慣量支撐技術(shù)路線方面,本文主要針對風(fēng)電VSG單機層面的頻率支撐問題提出了相應(yīng)的解決方法。后續(xù)需要研究多臺風(fēng)電VSG同時進行轉(zhuǎn)子慣量支撐時的協(xié)調(diào)控制策略,以及風(fēng)電場集中式儲能配置技術(shù)和風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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葛 俊(1970—),男,博士,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)仿真分析與新能源并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: ge.jun@jibei.sgcc.com.cn

劉 輝(1975—),男,通信作者，博士,教授級高級工程師,主要研究方向:新能源并網(wǎng)技術(shù)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。E-mail： liuhtj@163.com

江 浩(1987—),男,博士,工程師,主要研究方向:新能源并網(wǎng)分析。E-mail: 187355802@qq.com