基于负载角调节的光伏电站集中同步控制策略

杜粉琼

（国电电力发展股份有限公司宣威分公司，云南 宣威 655400）

0 前言

由于可再生能源的发展，其中传统化石燃料所占比例逐步下降，对于可再生能源系统，提出了最佳的平准化度电成本（LCOE）[1]，为节能减排提供了可持续解决方案[2]。光伏发电厂通常通过电力电子逆变器连接到电网，其目的是提高光伏发电和电网之间电能交换的能力[3]。

虚拟同步机（VSM）控制器可以通过控制频率和电压来模拟电网运行[4-8]，文献[4]、[9-10]通过VSM 模拟惯性来改善频率调节，文献[11-12]中提出了基于小信号分析的自调谐波算法，确定惯性和阻尼的最佳参数，从而达到频率变化最小。

同步功率控制器（SPC）是一种VSM 策略，它结合了电网的机电特性和电气特性。机电相互作用通过惯性和阻尼因子调节逆变器的频率，补偿对电网频率冲击。电气特性模拟电网的阻抗，控制交流电压与输出电流，从而产生欠电压振荡、跌落和谐波补偿等[13-14]。

为了控制频率和电压稳定输出，本文提出了基于负载角调节的光伏电站集中同步控制策略。该集中控制模拟电网与电网连接点的机电特性，同时在每个光伏逆变器内部模拟电气特性。同步控制不是在每个逆变器内独立执行，而是集中在上层控制层中，通过由多个逆变器形成的聚合虚拟同步控制来满足电网接入要求。

1 同步功率控制器SPC

在传统的光伏并网逆变器中，有功和无功电流通过内部电流控制回路进行调节。在这种传统光伏并网方式中，电网是基于锁相环（PLL）同步，逆变器的整体性能对其影响较大。然而，当使用SPC 时，交流电流通过逆变器和电网之间的功率平衡进行调节，从而与电网进行同步。

基于SPC 的电气连接如图1 所示，SPC 和电网通过两个阻抗连接，其中ZT表示交流滤波器和低频变压器之间的等效阻抗，而Zg表示电网阻抗。在SPC 中，功率逆变器通过内部电压E∠θE与虚拟导纳1/ZV串联来模拟虚拟同步发电机（VSG）。

图1 基于SPC的电气连接图

光伏发电厂向电网提供的有功无功计算公式[15]：

其中，Vg∠θg表示电网电压，X表示等效电抗。δsm是负载角，即θE和θg之间的角度差，对有功功率有直接影响，其变化影响输出功率。电网的机械功率和电功率之间的关系如下[15]：

其中，Δωr是转子的角速度偏差，Pm和Pe是机械能量和电功率，J是转动惯量，D是阻尼常数，ωB是同步角速度。

2 同步集中角控制器(SCAC)

2.1 原理

SCAC 是一种基于SPC 的控制策略，即将多个逆变器作为单个VSG 进行集中管理，同步控制不再是单独调节每个逆变器，而是调节其中几个逆变器的组合。这种控制策略的优点是在所有光伏逆变器之间提供功率自动分配的能力，及协调产生的同步动作更好接入电网的能力。此功能有助于使区域间振荡达到最小，从而减少电能损失。如图2 所示，光伏发电厂中e为集中输出电压，每个光伏发电单元模拟独立的局部输出电压ei，局部电压ei和集中电压e之间的关系决定了每个光伏单元的有功和无功功率。

图2 SCAC原理图

在电网模型中，负载角δsm通过频率偏差Δω定义电功率。在SCAC 中，该角度被称为集中负载角δg，表示电网电压Vg和集中电压E之间的角度差值。因此，当出现频率偏差时，调节集中负载角δg来增加或减少功率。

SCAC 分为两个主要模块：集中控制和本地控制。集中控制模拟虚拟转子控制有功功率所需的集中负载角δg，采用无功功率控制回路来设置E。转子仿真由惯性H、阻尼系数ζ和频率下降速度控制。通过调整这些参数，可以在频率波动时改善系统的动态性能。嵌入在每个光伏发电机中的本地控制，负责控制虚拟导纳产生的功率，该虚拟导纳通过本地电压ei和交流电压vc,i之间的电压差来影响每个光伏发电机的输出电流。

2.2 集中控制

集中控制通过两个控制回路（机电和无功功率控制器）调节电厂和电网之间的电能交换。在图3 中，机电控制结构决定了有功功率和负载角δg之间的关系，HM是将有功功率与频率变化Δωr联系起来的传递函数。该频率与标准频率ωB相加，并最终积分得到相位角θE，θE是与电网连接处的集中电压e的相位角。传递函数HM基于摆动方程（3）设计，其中阻尼系数和惯性可根据电网特征和提供的功能进行调整。

图3 集中控制回路的内部结构

图4 虚拟同步参考坐标变换示意图

文献[15] 中对机电控制的动态响应进行了研究。结合文献[15] 中的功率和频率分析，功率回路HM计算公式：

其中，kp、ki和kD根据阻尼系数、惯性H和频率下降速度进行设计。此参数可独立于阻尼和惯性参数设置，并根据电网要求进行调整。根据公式（1）～（3），Pm和Pe之间的关系如下：

其中Pmax为EVg/X，J由惯性H=JωB2/2SN代替，SN为额定功率。根据文献[15]，阻尼系数D提供了ΔP/Δωr之间的固定频率下降值。

公式（5）一个二阶传递函数，其中阻尼因子和惯性分别由ζ和ωn决定。结合公式（4），Pe和Pref之间的关系如下：

其中公式（5）和（6），根据固有频率ωn和阻尼因子ζ计算功率回路参数：

其中Dp是频率下降值/s，ωn是固有频率：

在集中控制中，机电部分通过θE和网格角θg之间的差值生成用于计算集中负载角δg的相位角θE。Park 变换用于通过将电网电压旋转到新的虚拟同步参考坐标中来定义集中负载角。虚拟同步参考坐标变换示意图如下：

电网电压Vg与E同相，因为E与de同相。在稳态运行下，频率ωe=ωg以及E与Vg之间的角度差是恒定的。因此得出：

其中，和表示虚拟同步参考坐标变换下电网电压的d和q分量。

电压角度发生变化，可以使用低通滤波器来减少高频分量。使用滤波后的电网电压计算集中负载角δg：

2.3 本地控制

在本地控制器中使用由集中控制器设置的负载角和电压来确定交流电流。在图5 中，本地控制器的结构分为两个模块。负载角控制块定义压控振荡器生成局部电压ei的αβ分量所需的相位角θE,i。电交互模块通过虚拟导纳处理ei与交流侧电压之间的电压差来定义功率逆变器的电流。

图5 本地控制结构示意图

图5 （a）所示的负载角控制回路根据集中负载角基准调节相位角θE,i。集中和局部负载角之间的误差通过PI 控制器进行处理，然后生成在虚拟同步参考坐标变换后交流电压vc,i所需的相位角，从而产生局部负载角δE,i。

如前所述，虚拟导纳处理ei和vc,i之间的电压差确定输出电流。所有光伏发电机具有相同的集中负载角；因此，虚拟导纳的取适当值将影响其连接的所有逆变器之间的功率分布。其权重因子参数kYi计算公式如下：

其中Pi是每个光伏发电机注入的功率，PPCC是光伏发电厂的总功率，N是光伏发电机的数量。每个光伏发电机的虚拟导纳计算公式如下：

电流控制器采用PR 结构，调节每个光伏单元的交流电流，达到零稳态无误差控制。

3 仿真结果

为了验证本文提出策略的可行性，进行小规模模拟实验，实验装置由4 台连接到电网的光伏发电机组成。每个光伏发电机都配有一个三相逆变器、一个LCL 滤波器和一个控制平台。在实验设置中，集中控制集成到一个高级系统中，该系统测量电网信号，通过控制集中负载角和集中电压来调整输送到电网的电能。这些控制变量通过通信控制器局域网总线传输到每个光伏发电机。模拟实验参数如表1。

表1 光伏发电厂的模拟实验参数

3.1 情景1

为了证明SCAC 的可行性，模拟不同的场景下系统在稳态和瞬态期间的性能。模拟实验参数如表2 所示。

表2 不同场景下光伏发电厂的模拟实验参数

在模拟实验中，光伏发电机3 突然断开，光伏电站发电变为5.6 kW。图6（a）是光伏发电厂输出功率曲线，当突然断开时，有功功率曲线有波动，并在200 ms 后得到补偿，从而将有功功率恢复到正常值。从图6（b）中看出，当断开时，电流ic3直接减小到零，而其余的发电机开始增加电流来补偿光伏发电机3 缺失的电能。

图6 当光伏发电机3断开时，不同权重下的电流和功率波形曲线图

3.2 情景2

模拟不同的惯性值、电网频率变化情况下，光伏发电厂输出功率变化。模拟实验的光伏电站连接到30 kVA 微电网，该微电网通过变速驱动器控制，以－0.4 Hz/s 的速度改变电网频率，模拟了三种不同惯性值（H=1、5 和7）下的有功功率变化过程。

如图7 所示，光伏电站产生的有功功率随着电网频率的降低而增加。在电网频率降低之前，发电厂发电功率6.4 kW。如图7（a）所示，惯性值越高，有功功率补偿越多。但是，当电网频率达到稳定状态（49 Hz），惯性提供的有功功率补偿就不再起作用，此时输出功率降低。

图7 电网频率变化下不同惯性值的有功功率响应曲线图

4 结束语

本文提出了基于负载角调节的光伏电站集中同步控制策略，该控制策略能够将多个光伏发电机作为一个同步单元进行管理，从而向电网提供稳定优质的电能。在功率变化、光伏发电机断开和电网频率变化的不同场景下，用四台光伏发电机模拟试验，验证了SCAC 的可行性，即通过试验结果展现光伏发电厂内的几个光伏逆变器之间的合作协调过程，同时也验证了所提出的控制策略的有效性。