基于虚拟同步机的光伏发电并网稳定性研究

李倬凡

摘 要：光伏发电的优点非常多，不但能够做到无噪声无污染，而且能够在发电过程中不消耗燃料，这相对于其他的发电方式来说有着明显的优势，光伏发电的过程非常简单，因此在近些年逐渐发展为最有前景的发电方式之一，这种新型的新能源发电方式，并网容量越来越大，随着其规模的迅速拓展，被迅速的应用到实际生活中。本文针对虚拟同步机的光伏发电并网的稳定性进行研究。

关键词：虚拟同步机;光伏发电;并网稳定性

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0143-02

近些年来，电网中接入了很多新能源，这些新能源的大规模接入，使电网渗透率得到了增加，光伏就是其中之一。光伏发电的电网，由于受环境的影响，很容易出现较大频率的波动，特别是当光照剧烈变化时，光伏系統所输出的功率波动会更大。光伏系统的不稳定性让电网在调度规划以及运行上出现了一系列的问题，进而影响电力系统中的频率和电压，这些都将导致光伏并网发电运行出现困难，限制了光伏发电并网的进一步发展。

1 虚拟同步发电机特性控制原理

本文在储能电池逆变器中引入同步发电机的方程，在对整个光伏并网发电系统设计过程中，采用了类似同步发电机的控制器理论，从而确保整个系统的同步发电机特性能够得以实现，如图1所示，是虚拟同步发电机特性控制原理图。

从图1中能够看到，基于虚拟同步发电机的光伏并网发电系统的并网点，采用B点表示，系统具备的同步发电机特性的输出电压用uvs表示;光伏发电单元所发出的有功功率和无功功率分别是Pp、Qpv;储能电池与光伏发电单元交互的有功功率和无功功率分别是Pbat、Qhat;最后，能够为光伏并网发电系统输送有功功率和无功功率的是PVSG、QvG;这部分也被称作虚拟同步发电机向电网输送的功率。

图中还展示了储能电池三项逆变器低通LC滤波器的滤波电感和滤波电容，分别用L和C表示，线路电阻（i=a，b，c）用R表示，直流电压用U表示，点处的端电压幅值、系统频率和无功功率分别为Um、f、QB;Pe、Pr和E0分别为储能电池输出有功功率（虚拟同步发电机的输出电磁功率）、原动机提供的机械功率和励磁电动势幅值;i为储能电池输出电流;U为SVPWM控制算法的指令电压。

正如同中所见到的，在储能电池逆变器控制方法上形成了虚拟同步发电控制系统，整个系统有两部分构成，分别是控制部分和同步发电机模型部分，控制部分又包括功频控制器与励磁控制器，这两个控制器的存在能够对光伏并网发电系统做出特别的控制，尤其是在输出特性上，控制的更全面。

上述对于虚拟同步发电机控制系统已经做出了详细介绍，该系统的主电路主要是有三项电压源型逆变器构成，为了实现同步发电机输出特性的控制，在整个光伏发电并网的过程中，需要完成以下步骤，首先以图中的并网点作为控制目标，也就是B点，采用测量的方式对并网点Uvs处的电压信号值进行测量，同时对这一处的无功功率进行计算，随后将其输入到控制部分，控制部分会对这些信息进行控制和计算，从而获得能够使同步发电机本体模型所需要的P与i，在工作过程中将这些信号带入到同步发电机模型中，由信号所构成的信息能够合成虚拟同步发电机的电压，此电压为发电机的端电压，刚好可以反映整个系统并网点的特性。再通过对电压信号的控制，可以发现同步发电机所输出的电压信号也具备同样的特性，将输出的信号作为参考值，送入到PI控制器中，实际测量值和参考值之间就会进行统一比较，若要实现整个系统的闭环控制，可以这样将控制器输送到SVPWM算法中。

2 滤波器对光伏并网发电系统稳定性的影响

关于光伏发电并网的稳定性研究，首先要确保光伏发电系统在电流的输出上能够满足并网标准，由于在光伏发电并网标准中，对于电能质量有着一定的约束和要求，所以在光伏发电系统中必须对电能质量进行优化，针对在光伏发电系统中输出电流所出现的大量谐波要采取有效的滤波装置来进行控制，单电感L滤波器是光伏发电系统中逆变器输出滤波器中最常用的，但是，单电感L滤波器不太适用于大容量的光伏发电系统，由于在大容量的光伏发电系统中，想要满足滤波要求，所需要的电感L会非常大，正意味着并网逆变装置的体积和成本都需要成倍增加，相比之下，在大功率的场合中应用LCL型滤波器就会好很多，这种滤波器的优势非常明显，首先对于高频，LCL型滤波器会起到抑制作用，其次，如果想要满足同样的滤波要求，从电感值上看，LCL型滤波器能够将电感值降到最小，从而使体积和重量都能够降到最低，但是，LCL型滤波器最致命的弱点就在于它是一个三阶不稳定系统，3G不稳定系统是非常容易导致谐振出现的。研究证实，在光伏发电系统中，当电流经过滤波器柔性的接入到弱电网时，对于电网阻抗，LCL滤波器会表现得非常敏感，从而导致滤波器的滤波特性及联网系统的稳定性都受到了影响。

如果从光伏逆变器对接入条件的适应性角度来进行分析，关于滤波性能好坏和谐振稳定性则需要从LCL滤波器的设计方面出发，由于LCL无源网络模型并用能够对分布式发电系统多逆变器的谐振问题进行描述，所以通过对光伏并网发电系统特征方程的推导，采用Routh Hurwitz作为LCL滤波器对稳定性影响的判断依据，通过该滤波器在系统稳定性中发挥的作用，结合上述描述和分析便可知晓，光伏发电系统的稳定性会受到滤波器的影响。

3 锁相环（PLL）对光伏并网发电系统稳定性的影响

锁相环能够在并网逆变系统中对电压的相位信息进行检测，并将该信息传递到控制环节，从而对逆变器和电网的同步运行进行控制，当前在锁相这一环节，能够运用到的方法有很多，比较常见的方法有三种，分别是零点比较法、基于低通滤波器锁相法和d-q变换同步锁相环法。这三种不同的方法分别有着不同的优势，例如，d-q变换同步锁相环法的优势就在于这种方法能够最简单明了的对电网谐波干扰进行抑制，因此这种方法在分布式发电系统中的应用最为广泛，但是这种方法的运用，在电网背景谐波和三相电压不平衡时就会出现问题，一旦出现不平衡的状态，锁相精度就会受到影响，不精确的锁相将会影响光伏并网发电系统的稳定性。通过对三相电压不平衡的研究，采用时域响应分析方法进行分析，发现光伏并网发电系统在锁相环性能变差时会受到一定的干扰。为了避免这种问题，随着现在技术的不断发展，可以采用一种可变式周期的锁相环，实现这种方法，主要要求在采样的过程中频率是可以变化的，当然这种方法是不适用于固定的采样频率，以此为基础当电网不平衡时，针对电网电压中的频率和相位，锁相环能够做出及时的检测，确保检测结果的准确性，从而迅速做出调整来提高系统的稳定性，光伏并网规模想要实现进一步的扩大，对于锁相环性能的分析是必不可少的，同时，这种方法对于并网稳定性有着至关重要的作用。

4 弱电网接入条件对光伏并网发电系统稳定性的影响

在进行光伏并电网发电系统设计时会面对两种情况，一种是拥有理想电网条件而进行发电系统设计，一种是基于弱电网接入条件进行发电系统设计。若能够实现理想电网条件，自然在设计时谐波对其的影响较弱，设计的发电系统能够有效地抑制谐波的负面影响。但在现实情况中，一般大规模光伏电站都是在弱电网接入条件下进行发电系统设计。此时电网阻抗将会对光伏并网发电系统造成负面影响，直接导致其减弱对谐波的抑制功能，从而使谐波发挥更强的阻力，一旦并网电流中存在大量的谐波将会十分影响光伏电站的应用。另外，电网阻抗也会直接对并网系统造成影响。当其进入到并网系统后容易与其产生谐振，从而使谐波进化为拥有一定频率的高次谐波。现象会使并网系统会对总谐波畸变率提出更高的需求，而现有的并网电流无法满足这一需求。谐波电流的存在还能够使电网阻抗中出现谐波电压，这种电压将会直接影响并网点的电压质量，使并网点的电压质量不断下降，从而使并网逆变器无法做到精准控制，甚至会出现并网逆变器脱网的情况发生，极大程度的阻碍了光伏发电系统的并网规模。

根据研究表明，在光伏并网发电系统中，电网阻抗主要分为三个方面：电网内部阻抗、传输线路阻抗、变压器阻抗。而电网阻抗对光伏并网发电系统稳定性造成影响的主要途径是它与逆变器输出阻抗形成相互作用的关系，并且直接影响输出滤波器的工作。另外，那弱电网条件下，受到电网阻抗的影响，单幅联网光伏逆变器在公共接入点上会形成波形畸变的电压，这会直接影响电压过零点检测的精准性。一旦电压过零点检测精准性发生偏差，将会直接影响锁相环的准确作业。

在电网阻抗已存在的情况下，针对联网光伏逆变系统和稳定性进行实验。根据这一系统情况进行小信号建模，对系统进行小干扰，并通过特征值对干扰后的系统稳定性进行具体研究。利用参与因子对系统状态量变进行分析，研究其灵敏度。在得出特征值轨迹的基础上，利用分析结果对控制器参数进行针对性设计。如此可以有效提高发电系统的稳定性。

综上所述，若想最大程度消除若电网接入条件对光伏并网发电系统稳定性的影响。首先应分析电网接入阻抗值能够对光伏并网发电系统我造成的具体影响。其次可以通过对松弛联网光伏逆变器控制策略的研究，提高发电系统运转的稳定性。

5 结语

本文从虚拟同步发电机的控制原理入手，分别对滤波器、PLL、数字延时以及若电网接入条件四方面对光纤并网发电系统稳定性的影响进行了具体分析。通过分析结果可得出，这四方面对其稳定性的影响较为明显，应采取針对性措施。如，不断优化滤波器的参数、锁相环锁相精度不断加强、强化数字控制延时、通过改善电网阻抗对逆变器影响优化接入电网条件。以上措施都是针对基于虚拟同步机的光伏并网稳定性不佳而提出的针对性措施。而科技在不断发展，相关研究不能停止前进的脚步，相关科技人员应针对这一问题不断进行深入研究，从而提出更加有效的解决方案。

参考文献

[1] 张海峥.基于虚拟同步机的光伏并网发电系统及控制研究[D].合肥工业大学，2019.

[2] 陈毛欣.基于虚拟同步发电机的光伏逆变技术研究[D].太原理工大学，2016.

[3] 郑燕.基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制的研究[D].安徽理工大，2015.