中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)）的研究人員高海力、譚建成，在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著間歇性可再生能源占比的逐年增加，電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的壓力也逐年增加。虛擬同步機(jī)技術(shù)模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，具有同步機(jī)的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性。
本文闡述大型光伏逆變器虛擬同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型及有功頻率調(diào)整、無(wú)功電壓控制，分析其在光伏并網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題，展望其在可再生能源并網(wǎng)的應(yīng)用前景。
目前伴隨全球能源危機(jī)日益突出，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，全球分布式發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展。太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭且可以無(wú)污染利用，成為了當(dāng)今被利用的可再生能源的首選。
但目前光伏的不確定性，隨機(jī)波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成挑戰(zhàn)。例如光伏具有間歇性，在經(jīng)歷快速發(fā)展的十年后，面臨著嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象。光伏發(fā)電的消納與并網(wǎng)成為其發(fā)展的瓶頸。
為解決全球能源危機(jī)，以清潔能源為基礎(chǔ)的能源變革正在興起。世界各國(guó)在大力規(guī)劃和發(fā)展清潔能源。預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)可再生能源發(fā)電占總量的份額將超過(guò)30%。在全球各發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略計(jì)劃中，都把更多的分布式發(fā)電列入發(fā)展計(jì)劃，電力系統(tǒng)正在發(fā)生向分布式發(fā)電轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。
新能源發(fā)展的速度比預(yù)想快得多，但新能源技術(shù)的安全穩(wěn)定性還需要很多措施。在風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電接入電網(wǎng)中，快速、高頻電力電子系統(tǒng)接入大慣性、低速、工頻電力系統(tǒng)中。產(chǎn)生了不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)、不支撐電網(wǎng)故障恢復(fù)等諸多適應(yīng)性難題。這些問(wèn)題也阻礙了可再生能源的消納，目前棄風(fēng)棄光問(wèn)題嚴(yán)重。
產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的原因，主要如風(fēng)力或太陽(yáng)發(fā)電能接入電網(wǎng)時(shí)。在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)占大多數(shù)的電力系統(tǒng)中，由于具有同步機(jī)具有慣性與阻尼特性，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大影響。然而，新能源接入電網(wǎng)的接入量達(dá)越來(lái)越高后，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的接入比例降低，由于慣性和阻尼特性的減少，就不能很好的維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
分布式發(fā)電和傳統(tǒng)電機(jī)不同，不具有慣性和阻尼，且光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率容易出現(xiàn)波動(dòng)。電力系統(tǒng)更容易受系統(tǒng)故障的影響。在全球可再生能源的裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，尤其是火電為主力發(fā)電的系統(tǒng)下，應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻的挑戰(zhàn)，已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)問(wèn)題。
電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，其并網(wǎng)具有的優(yōu)勢(shì)有：1.優(yōu)良的慣性與阻尼特性。2.同步機(jī)參與大電網(wǎng)的電壓與頻率調(diào)節(jié)。在目前的常規(guī)并網(wǎng)中，逆變器響應(yīng)速度過(guò)快，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以需要不同的控制方式。
因此，我們把可再生能源并網(wǎng)用同步機(jī)的形式進(jìn)行控制，虛擬同步機(jī)技術(shù)是通過(guò)對(duì)逆變器上各物理量的調(diào)節(jié)，模擬同步機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，使并網(wǎng)逆變器從內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似。虛擬同步機(jī)控制可以模擬同步發(fā)電機(jī)的有功調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓，使可再生能源并網(wǎng)在外部運(yùn)行特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出相似的特性。最終達(dá)到促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)的穩(wěn)定性的防止脫網(wǎng)的目的。
1997年，“靜態(tài)同步發(fā)電機(jī)”概念被提出，是最早虛擬同步機(jī)技術(shù)的思想。2007年，全球多個(gè)研究中心與多所知名大學(xué)相繼提出VSG控制策略。2013年，中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)完成“Synchronverter”內(nèi)核50kW虛擬同步發(fā)電機(jī)。2016年，全球首套分布式光伏虛擬同步機(jī)在天津并網(wǎng)成功，VSG技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程。
經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，虛擬同步機(jī)技術(shù)內(nèi)容得到很大的豐富。虛擬同步機(jī)應(yīng)用于光伏、風(fēng)機(jī)、負(fù)荷等。光伏虛擬同步機(jī)技術(shù)主要難點(diǎn)是光伏輸入MPPT、儲(chǔ)能和并網(wǎng)的逆變器協(xié)調(diào)策略，具體為：1.光伏出力的隨機(jī)性。2.并網(wǎng)逆變器算法需要根據(jù)實(shí)時(shí)電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行調(diào)整。3.光儲(chǔ)系統(tǒng)的充放電需要管理。虛擬同步機(jī)技術(shù)需要兼顧這三個(gè)因素。
本文主要介紹光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的虛擬同步機(jī)控制，介紹了適合光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)數(shù)學(xué)模型，虛擬同步機(jī)的有功無(wú)功調(diào)控策略，對(duì)光儲(chǔ)系統(tǒng)以虛擬同步機(jī)技術(shù)的并網(wǎng)策略進(jìn)行了討論。
1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)現(xiàn)狀
對(duì)于光儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬同步機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)在主要的研究論文是分為光伏虛擬同步機(jī)與儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的研究，目前虛擬同步機(jī)的研究類型如圖1所示。
主要目前有三種主流的虛擬同步機(jī)控制策略，分別為比利時(shí)魯汶大學(xué)提出的VSG 控制策略、德國(guó)勞克斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出的“VSIMA”控制策略、鐘慶昌教授提出的“Synchronverter”控制策略。
圖1 虛擬同步機(jī)的分類
目前對(duì)于光伏虛擬同步機(jī)的不同控制方案，實(shí)現(xiàn)虛擬慣量和阻尼的原理相同，主要的不同在于模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)的電暫態(tài)方程的程度有差異。
光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)技術(shù)是采用同步電機(jī)的電機(jī)暫態(tài)方程在電力電子變流器的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)與常規(guī)的光伏相比，需要將傳統(tǒng)逆變器控制升級(jí)，并增加儲(chǔ)能單元。使光伏儲(chǔ)能成為具有同步機(jī)并網(wǎng)的慣性、有功調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓、阻尼特征等特征的新型技術(shù)。
光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)是并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)引入儲(chǔ)能，集成同步發(fā)電機(jī)控制模型，以優(yōu)化控制，使可再生能源并網(wǎng)單元與同步發(fā)電機(jī)在物理和數(shù)學(xué)上實(shí)現(xiàn)基本等效，降低大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)造成的影響。
儲(chǔ)能單元作為VSG系統(tǒng)的重要組成部分，為VSG提供穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)節(jié)和動(dòng)慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時(shí)減小體積和成本，對(duì)儲(chǔ)單元慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時(shí)減小體積和成本，對(duì)儲(chǔ)單元慣性所需的能量。為了在保證系統(tǒng)同時(shí)減小體積和成本，對(duì)儲(chǔ)單元量配置問(wèn)題進(jìn)行研究。
2 逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型（略）
在VSG中，元件上的對(duì)應(yīng)關(guān)系為光伏發(fā)電可以視作同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)能單元及其變換器對(duì)應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，逆變器對(duì)應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。
此外，VSG的數(shù)學(xué)模型與控制的原理是光伏并網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體關(guān)系為逆變器橋臂中點(diǎn)的輸出電壓可以等效為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢(shì)；在對(duì)應(yīng)關(guān)系上，并網(wǎng)逆變器的濾波電感L可以等效為同步發(fā)電機(jī)的同步電感。
圖2 虛擬同步機(jī)的結(jié)構(gòu)
3 有功功率與無(wú)功功率的調(diào)節(jié)（略）
圖4 VSG無(wú)功-電壓控制框圖
4 總結(jié)與展望
本文綜述了虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在大型光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了虛擬同步機(jī)的機(jī)械、電磁暫態(tài)方程，用虛擬同步機(jī)控制的逆變器與同步發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)壓、調(diào)頻控制策略。也給出了有功調(diào)節(jié)和無(wú)功調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)及物理模型。
VSG的優(yōu)勢(shì)分兩點(diǎn)，其一因?yàn)樘摂M同步發(fā)電機(jī)其實(shí)是在下垂控制基礎(chǔ)上引入一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，在輸出側(cè)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，頻率響應(yīng)更加平滑，很大程度避免新能源發(fā)電領(lǐng)域逆變器出工不出力的現(xiàn)象。其二在于VSG間接作用于輸出電壓的相位，當(dāng)負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，VSG輸出頻率的暫態(tài)過(guò)程和電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)角速度變化能夠保持一致，避免了電網(wǎng)中低頻振蕩的發(fā)生。
而虛擬同步機(jī)技術(shù)則將這一劣勢(shì)最大程度的避免。虛擬同步機(jī)的劣勢(shì)在于沒(méi)有發(fā)揮電力電子元件更好的特性和配合儲(chǔ)能過(guò)程中因儲(chǔ)能技術(shù)的瓶頸，不能更好發(fā)展。
未來(lái)虛擬同步機(jī)技術(shù)不趨向于模擬傳統(tǒng)同步機(jī)，而是借鑒傳統(tǒng)同步機(jī)優(yōu)點(diǎn)的條件下，發(fā)揮電力電子裝置自身的優(yōu)勢(shì)。
