一种电网友好型光储分布式电源控制策略_温烨婷

基金项目：国家 863 高技术基金项目(2012AA051201)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2012AA051201).
以及虚拟转动惯量对暂态稳定性的影响。 为了提高系统并网 运行时的暂态稳定性， 构造了系统的暂态能量分析函数， 分 析了扰动发生后系统的暂态能量变化过程， 并提出了一种虚 拟转动惯量动态调节方法优化系统的暂态控制过程。 在搭建 的 Matlab/ Simulink 仿真模型中分析了所提的控制策略和方 法，并在搭建的 10kW VSG 实验平台中验证了所提方法的 正确性和可行性。 关键词：虚拟同步机；分布式电源；光储系统；暂态能量； 虚拟惯量
文章编号：0258-8013 (2017) 02-0464-12
一种电网友好型光储分布式电源控制策略
温烨婷 1，戴瑜兴 1，毕大强 2，郭瑞光 2，彭子舜 1
(1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082； 2．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084)
0 引言
利用可再生能源的分布式电源可以就近并入 低压配电网，改善电网末端电能质量，缓解用电压 力，提高电网抗灾能力，保证对重要用户的可靠供 电。随着分布式发电技术在智能电网中的大力发 展，以逆变器为接口的分布式电源比例随之增大， 并取代了一部分常规电源，但同时也给电力系统稳 定运行带来了新的挑战。一方面，光伏发电、风力 发电等电源出力的随机波动性对电力系统的稳定 运行造成扰动；另一方面，逆变器属于无转动惯量 的静止元件，分布式能源的大量接入会造成电力系 统等效转动惯量降低，限制了电力系统应对功率缺 为提高分布式发电的穿透 额和功率波动的能力[1-2]。 率， “电网友好”型分布式电源接口一直是国内外 研究者关注的焦点。电网友好发电技术的提出主要 是针对间歇式新能源发电并网的问题，其主要目的 是提高新能源发电的稳定性和可控性，在各种工况 下以有利于电网稳定的方式运行，如具备平滑功率 输出、调峰能力、调频等能力，需要在分布式发电
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电子器件瞬时过载能力有限，因此，VSG 系统不能 承受超出因扰动而导致的瞬时高幅值功率振荡，当 功率振荡的幅值超过功率范围时， VSG 会因保护而 停止工作。利用 VSG 参数实时动态可调的特点， 文献 [12-13] 提出了通过实时自适应调节惯性常量 消除变化及扰动导致的功率振荡的方法，然而该文 献主要的研究目的是消除 VSG 离网运行和并联时 的功率振荡，并未考虑在调节过程中的功率超调幅 值的控制，从仿真结果来看虽然实现了快速稳定， 但功率超调仍然过大。文献[14]对该方法进行了扩 展，但也未从原理上分析转动惯量对消除振荡、提 供稳定性的作用。 本文以光储分布式电源作为研究对象，将虚拟 同步发电机作为分布式发电与电网的接口，并提出 了一种基于电网频率变化自适应调节运行模式的 控制策略，在不同运行模式下均工作在电压源模 式，降低了逆变器控制模式转换复杂度。本文重点 分析了不同运行模式下 VSG 的有功–频率调节的控 制过程，以及虚拟转动惯量对暂态过程的影响，并 在此基础上，提出了基于转动惯量动态调节的暂态 稳定性控制方法，避免了 VSG 在暂态过程中的功 率超调和振荡。最后，搭建了 Matlab/Simulink 仿真 模型和 10kW 虚拟同步机分布式电源实验平台，验 证了文中的控制策略和方法的有效性。
DC DC 并网开关 电网 变压器 直流母线 蓄电池
，但目前大部分 VSG 的研究
主要是针对虚拟同步机的基本原理和特性进行模 型构建、稳定性分析、原理的仿真和实验验证，而 关于 VSG 实际应用的研究还在起步阶段。 VSG 与传统实际的同步发电机相比， 其优势是 具备四象限控制及有功/无功解耦控制的能力， 转子 运动方程式的参数都是虚拟量，不受物理特性的约 束，可以实现动态调节，因此功率的调度控制与传 统电源相比更加灵活。然而，由于逆变器中的电力
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A Grid Friendly PV/BESS Distributed Generation Control Strategy
WEN Yeting1, DAI Yuxing1, BI Daqiang2, GUO Ruiguang2, PENG Zishun1
(1. Collage of Electrical and Information Engine, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: A grid friendly photovoltaic and battery energy storage system (PV/BESS) hybrid distributed generation (DG) was proposed based on virtual synchronization generator (VSG) grid interface. Furthermore, a self-adaptive control method was proposed to transform the operation mode between off-grid mode, power generation on gird mode, and frequency regulation mode according the grid frequency. The transfer functions of active-power and frequency control, and the effects of virtual inertia for system transient stability were analyzed in three operation mode. To improve the transient stability of the PV/BESS system, a transient energy function was constructed. The transient energy of system is analyzed when the disturbance occurs, and a dynamic adjustment virtual inertia method was proposed to optimize the transient process of system on grid. In the end, the proposed strategy and method were demonstrated in Matlab/Simulink and on a 10kW VSG platform. The simulation and experimental results verify the validity and correctly of the proposed control strategy and method. KEY WORDS: virtual synchronous generator (VSG); distributed generation; photovoltaic and battery energy storage system (PV/BESS); transient energy; virtual inertia 摘要： 提出一种电网友好型光储分布式电源， 采用具有惯性 环节的虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)控制 方法作为与电网的接口，并提出了电网频率自适应控制策 略， 根据电网频率变化区间自适应选择三种运行模式： 离网 运行模式、并网发电模式、频率调节模式。针对这 3 种运行 模式，分析了虚拟同步发电机的有功–频率环节的传递函数
第2期
温烨婷等：一种电网友好型光储分布式电源控制策略
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中适当增加储能系统来实现[3]。 低压配电网中接入的分布式电源具有容量小、 数量多的特点，难以由电力系统实现统一功率调度 或二次调频调度，因此，电网友好型的分布式电源 需要具有良好的自治能力和即插即用特性，减少对 上级调度系统的依赖性，既要充分利用可再生能源 发电，又应尽量减少不稳定发电对电网的扰动。对 于电网而言，分布式电源须具有一定的调节能力， 在电网的电压频率变化时，参与维持电网电压频率 稳定，保障电网的可靠性和稳定性。对普通用户而 言，分布式电源还需要具备保障本地负荷供电和改 善供电质量的能力，例如当电网发生故障时，它能 够独立运行为用户提供电力。根据对低压配电网中 分布式电源的运行特性分析，电网友好型分布式电 源的运行控制目标可以总结为：1）最大化利用可 再生能源发电，并减少其对电力系统的扰动；2 ） 参与电网的频率调节；3）保障本地负荷的供电可 靠性；4）增强自治能力，减少对上级系统的依赖。 但目前分布式电源多采用电流源控制模式接入电 网，需要电网提供稳定的电压频率支撑，不参与电 网频率调节，且不能独立给本地负荷供电。 为了改善分布式电源在电力系统中的特性，一 些研究人员将传统同步电机的特性引入到逆变器 控制中，通过适当的控制使得分布式逆变电源从外 特性上具有与同步发电机相同或相似的频率和电 压特性。典型的下垂控制方法是将同步发电机的电 压频率调差特性引入到逆变器的有功和无功控制 中 ，而虚拟同步机(virtual synchronous generator， VSG) 控制将同步发电机的惯性以及一次调频特性 引入到逆变器控制中。目前，国内外研究人员针对 VSG 的原理和控制策略进行研究[5-9]，从原理上对 逆变器控制和同步发电机的特点进行分析，在物理 结构、数学方程等方面实现了完整的等效，并进行 了实验验证。 VSG 在微电网以及分布式发电中的应 用也随后被提出