MGP提升光伏发电系统惯性响应和频率调整能力的研究

谷昱君，黄永章，杨 鑫，付文启，赵海森

MGP提升光伏发电系统惯性响应和频率调整能力的研究

谷昱君，黄永章，杨 鑫，付文启，赵海森

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

新能源通过变流器并网，由于采用电网频率定向和最大功率跟踪控制使其不具备惯性响应和频率调整能力，同步电机对（Motor-generator Pair，MGP）成为解决这一问题的可行方案。本文给出了光伏经MGP并网结构和运动方程，针对负荷变化引起的长时间尺度的电网频率变化分析其惯性响应和参与调频的原理。在此基础上，提出了改进直流电压反馈控制方法，通过在控制环节中引入减载率使得调频范围增加。分别搭建了多机的仿真模型和实验平台，通过与传统火电厂和光伏通过逆变器并网的频率响应对比得出，MGP可以有效提升光伏发电单元的惯性响应和频率调整能力。

光伏发电；同步电机对；惯性响应；频率调整；频率稳定性

0 前言

在全球化石能源供需矛盾日益加深的背景下，各国角力于新能源发电技术的开发与应用。截至2019年上半年，中国风电和光伏的发电量分别达到2145亿kW·h和1067kW·h，同比增长分别为11.5%和30%，弃风、弃光率分别同比下降3%和1.2%[1]。在新能源并网容量持续增加的同时，电力系统的频率稳定性随之下降。这一问题主要归咎于新能源发电单元不具备常规火电机组的惯性响应和频率调整能力[2, 3]。一方面，对于光伏发电系统，由于其内部不含旋转储能设备而不具备惯性。虽然风机叶片和转子具备惯性，但由于新能源并网逆变器以电网频率为参考，风机内储存的动能无法响应电网频率的变化而提供惯性支撑。另一方面，无论是光伏发电还是风力发电，其发电侧一般均采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，没有备用容量参与电网的频率调整。

为了提升新能源电网的频率稳定性，有学者针对性地提出了提升新能源惯性和频率响应的改进控制方法。文献[4]提出了基于虚拟同步机技术的双馈风机惯性响应控制方法，实质上是利用风机变流器的有功快速调节特性根据电网频率变化改变其输出功率大小。但是，该方法没有考虑风机本身的调频能力。文献[5]和[6]根据火电机组调差率定义风电机组的减载水平，通过在变流器控制中引入与其相关的比例系数以实现与火电机组频率调节相似的效果。文献[7]为了充分利用风机转子储存的动能和桨距角的可调性，提出了虚拟惯量和桨距角联合控制方法，既可以提升风机惯性和频率响应，又可有效抑制频率的二次跌落。在此基础上，文献[8]考虑了风电场内不同风机的运行状态，提出了高风速机组优先调频的调度策略，有效地提高了风电场频率响应能力。文献[9]针对风机超速控制中控制器参数整定方法，用以提高风机调频响应能力，但是整定参数表由仿真计算得到，未考虑实际运行因素的影响。文献[10]提出了基于变减载率的光伏调频控制策略，可以根据电网频率的变化主动改变变流器有功输出，并在半实物仿真平台中进行了算例验证。

上述方法均是借助改进变流器控制策略使新能源具备类似火电机组的惯性和频率响应，达到提高电力系统频率稳定性的目的。但是，这些方法都存在控制器参数选取和电网频率采集准确度不高的问题和局限，无法达到火电厂的调频水平。新能源同步电机对（Motor-Generator Pair，MGP）的提出成为一种提升新能源惯性和频率响应的新方法[11]。文献[12]和[13]分别研究了MGP的惯性特性和短时频率变化响应特性，证明新能源通过MGP并网具备良好的惯性和频率响应特性，但是研究的场景较为简单，且仅在单机无穷大实验平台中开展了相关实验研究，相关研究尚待完善。

本文以光伏驱动MGP并网为例讨论其频率调整特性。首先，给出了光伏驱动MGP的并网结构和运动方程。然后，分析其频率响应特性，在此基础上提出了基于光伏减载运行的电压反馈控制方法。在PSCAD中搭建了含光伏驱动MGP并网三机九节点仿真模型，与相同负荷变化下火电机组的频率响应特性仿真对比可知，光伏驱动MGP并网具备与火电机组类似的频率调整特性。最后，在多机实验平台中进行光伏直接并网和光伏通过MGP并网负载变化对比实验。实验结果表明，MGP系统可以使光伏具备惯性响应，并且在负荷增加时增加输出有功功率，有利于提高电力系统的频率稳定性。

1 光伏经MGP系统并网结构

MGP系统由两台同轴相连的同步电机构成，光伏发电单元作为输入驱动同步电动机，同步发电机作为发电单元并网，这种并网新结构如图1所示。

图1 光伏通过MGP系统并网结构图

由于两台电机采用对拖方式，分别从两台同步电机定子绕组看进去的转速方向相反，所以两台同步电机的转子旋转磁场转向相反。为使MGP能够并网运行，两侧三相交流电的相序必须相反。因此，如果同步电动机采用电动机惯例，而同步发电机采用发电机惯例，MGP的运动方程中两台电机的转矩方向一致。这样可以得到MGP系统在dq轴坐标系下矢量形式的标幺值运动方程如下：

其中，eM，eG分别是同步电动机和同步发电机的电磁转矩；Δr为MGP转子角速度变化量；MGP，D_MGP分别为MGP系统惯性时间常数和阻尼系数。

由公式（1）可知，MGP系统两台同步电机虽然并未有电气的直接连接，但是存在着电磁-机械耦合关系，一侧电气量的变化会通过转子轴系引起另一侧电气量的变化，这一特性使得电网频率的变化与新能源输出功率存在了耦合关系，使得新能源具备了参与电网频率调整的条件。而光伏经MGP并网系统的频率变化的速率不仅由电网频率变化速率决定，还与MGP系统的惯性和阻尼参数有关，这些参数可以有效抑制频率跌落幅度和变化速率，有利于电力系统的频率稳定性。

2 光伏驱动MGP并网频率响应特性和改进控制策略

当电网频率由于负荷增加/减小而变化时，同步发电机定、转子侧频率会出现差值。由于新能源的功率波动周期相对较长，可以假设电网频率变化过程中新能源出力不变。当电网频率降低瞬间，新能源逆变器输出频率不变，MGP系统转轴仍然以同步速旋转，同步发电机的定子电压频率随着并网点频率降低而降低，MGP系统在并网点频率变化瞬间会产生惯性响应，通过释放储存的旋转动能抑制发电机机端频率的变化，这是目前新能源并网逆变器通过检测电网频率实现惯性响应所无法比拟和实现的。同时由于功角随之增加，同步电动机的输出转矩会增加，使得逆变器直流侧电容放电速度增加，直流母线电压随之降低，从而增加逆变器输出有功功率。

由上述分析可知，MGP系统向电网增发的有功功率来自于直流电容和转轴储存的能量，但是这部分能量较小，只在电网频率变化后较短时间内起作用，无法满足电网调频的要求。为了具备类似火力发电厂一次调频的功能，新能源应能根据电网频率的降低自动向电网增加输出的有功功率。为了使MGP系统能够参与电网调频，需要对文献[14]中的直流电压反馈控制方法进行改进。为使光伏驱动MGP具备类似火电机组的频率响应，光伏逆变器需要用减载控制替代传统的控制，其中减载率的选取参考文献[5]。但是，光伏发电单元并未直接并网，需要考虑MGP系统有功功率损耗的影响。大型同步电机的效率一般为98%，MGP系统的效率可以近似为96%，所以实际运行中要考虑电机对的运行效率。在此基础上，需要改进PV变流器的控制以满足上述要求，控制框图如图2所示。

图2 改进直流电压反馈控制结构

其中，d%为光伏减载率；dc_ref为采用MPPT算法得到的直流电压参考值；dc_1为考虑减载率的直流电压给定值。

鉴于两台电机间存在电气-机械耦合关系，当MGP系统开始响应电网频率下降时，直流母线电压控制系统开始起作用。此时，直流母线电压实际值小于给定参考值，在直流母线电压控制的作用下，逆变器的输出频率会随之减小，而转子释放储存的旋转动能后转速下降直至稳定在新的运行点上，直流母线电压会随着MGP系统的输出有功功率减小逐渐稳定在参考值附近。由于减载率的引入，直流母线电压可以变化的区间增加，这样对于不同电网频率变化的场景，光伏通过MGP并网的频率响应在这一过程中，MGP系统两侧的功率由于电网频率的变化和逆变器控制的双重作用下出现振荡过程，由于MGP的阻尼作用使其加快衰减。

3 三机节点系统仿真研究

由上节的分析可知，通过采用改进直流电压反馈控制策略，光伏通过MGP并网可以实现类似火电机组的惯性和频率响应。为此，在PSCAD中搭建了如图3所示含光伏驱动MGP的三机九节点仿真模型。

图3 仿真模型结构

其中，G1、G2、G3的容量分别为300MW、500MW和400MW；L1、L2、L3的有功负荷分别为125 MW、90MW和30MW。光伏通过MGP并入母线7，在50s时投入L1，得到母线7的频率、光伏驱动MGP输出有功功率和火电机组2输出有功功率，如图4所示。

图4 负荷变化仿真结果图

由上图可知，负荷增加引起电网频率下降，光伏驱动MGP和火电机组均瞬时响应电网频率变化，增发有功功率。通过对比两者的有功曲线可得，两者功率响应速度基本一致，在电网频率恢复的过程中，前者的输出特性主要由控制系统决定，存在一个波动的过程，而火电机组的有功输出响应特性满足下垂特性，且由于配置了PSS使得有功功率的波形比较平滑。因此，在电网频率变化初期光伏通过MGP并网具备类似火电机组的频率响应特性，从而使得光伏具备了类似火电机组的频率调整能力。但是，由于控制系统的作用，使其在频率恢复过程中的有功响应时间较短。

4 实验研究

为了验证上述关于MGP系统的惯性响应和频率调整特性，在实验室搭建了如图5所示的实验平台。实验平台的设备主要包括一台致茂电子（Chroma）62100H-600S型10kW光伏模拟器、一套5.5kW两机MGP系统（包括两台STC-5.5型5.5kW同步电机）、一套模拟火电系统（包括一台STC-5型5kW同步电机、一台Z2-52型7.5kW直流电机和一台直流电机调速器）、一个控制柜（包括一台北京中源动力DF900型30kW变频器和一套直流母线电压控制系统）、一台北京群菱ACLT-3803H型33.33kW可编程交流负载和一台华为（HUAWEI）SUN2000L-5KTL型12kW光伏逆变器。

图5 光伏系统经MGP并网实验平台

为了验证光伏驱动MGP并网系统的惯性响应和频率调整特性，分别在图5的实验平台中做了两组相同的变负载实验。两组实验的负载三相有功功率均是由2.1kW增加至2.7kW，主要差别是光伏是否经MGP并网，这样使得两组实验的对比结果更为可信。实验步骤为：

（1）启动直流电机调速器，将模拟火电机组带至同步速，闭合开关K1、K3，启动负载并设置三相有功功率初值，启动光伏模拟器；

（2）打开光伏逆变器开关，逆变器按照MPPT控制算法运行，待逆变器输出稳定后，设置负载变化，记录实验数据；

（3）关闭光伏逆变器，打开控制柜中变流器开关，变流器采用直流母线电压控制并启动，减载率选取为40%（这是由于实验电机的损耗较大，多预留一些备用容量），待MGP转速达到同步速时通过控制柜中自动并网同期装置闭合开关K2，待MGP系统稳定运行后，设置负载变化，记录实验数据。

将两组实验测量得到的电压、电流数据分别通过单相功率计算模块和锁相环得到PV和PV+MGP并网点电压频率和单相输出有功功率如图6所示。

图6 相同负荷变化下频率和有功功率实验对比结果

由图6（a）中并网点频率波形对比图可知，当负载增加时，光伏经MGP并网时并网点的频率偏移量大约只有光伏直接并网时频率偏移量的60%，而且频率的恢复速度更快，说明MGP转动惯量在负荷变化时提供了惯性支撑，有效抑制了频率的变化量，仅在频率恢复时的振幅略微大于光伏直接并网时的振幅。而由（b）中有功功率的波形对比图可知，在负载变化过程中，光伏直接并网组的有功功率出力并没有明显变化，这是由于光伏逆变器采用MPPT算法使其输出的有功功率保持不变。相比之下，由于采用基于减载的直流母线电压控制方法，在负载增加时，光伏驱动MGP的有功出力快速增加，其增速与并网点频率下降速度相符，说明其出力特性与火电机组的下垂控制特性相似，在电网频率变化初期能够提供类似火电机组的一次调频响应。

当并网点频率从最低点开始上升时，MGP系统在直流母线电压控制的作用下，有功出力开始下降，但是仍然增发有功功率，而有功出力下降速度受电容充放电速度和控制参数的影响较大。需要注意的是，无论是稳态过程还是频率恢复过程，有功功率的波形不是稳定在一个恒定值上，这与控制系统的控制精度直接相关。这是由于实验室电气量测量装置存在一定的误差，使得实际输出有功功率和给定值存在偏差，波形也有一定的波动，这些均有待测量精度的进一步提高，从侧面也反应出控制系统的性能对于光伏频率调整特性也发挥很重要的作用。

5 结论

本文给出了光伏驱动MGP的并网结构和运动方程，并基于其频率响应特性的分析提出了改进控制方法。在多机系统中分别与传统火电机组和光伏直接并网的情况进行了仿真和实验验证。结论表明，MGP使得光伏发电系统具备良好的惯性响应和频率调整能力，光伏驱动MGP并网具备与火电机组相似的频率响应特性，从而提高了高比例新能源电网的频率稳定性。

[1] 2019年前三季度风电并网运行情况[R]. 北京: 国家能源局, 2019.

[2] Yang X, Song Y, Wang G, et al. A comprehensive review on the development of sustainable energy strategy and implementation in China[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2010, 1(2): 57-65.

[3] 姚伟, 文劲宇, 黄莹, 等. 大规模风电参与系统频率调整的技术展望[J]. 电网技术, 2014, 38(3): 638-646.

[4] 李和明, 张祥宇, 王毅, 等. 基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(7): 32-39.

[5] 付媛, 王毅, 张祥宇, 等. 变速风电机组的惯性与一次调频特性分析及综合控制[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(27): 4706-4716.

[6] 赵晶晶, 吕雪, 符杨, 等. 基于双馈感应风力发电机虚拟惯量和桨距角联合控制的风光柴微电网动态频率控制[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(15): 3815-3822.

[7] 丁磊, 尹善耀, 王同晓, 等. 结合超速备用和模拟惯性的双馈风机频率控制策略[J]. 电网技术, 2015, 39(9): 2385-2391.

[8] 范冠男, 刘吉臻, 孟洪民, 等. 电网限负荷条件下风电场一次调频策略[J]. 电网技术, 2016, 40(7): 2030-2037.

[9] 胥国毅, 等. 超速风电机组的改进频率控制方法[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(8): 39-44.

[10] 钟诚, 周顺康, 严干贵, 等. 基于变减载率的光伏发电参与电网调频控制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 1013-1024.

[11] Wei S, Zhou Y, Xu G, et al. Motor-generator pair: a novel solution to provide inertia and damping for power system with high penetration of renewable energy[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2017, 11(7):1839-1847.

[12] 武倩羽, 周莹坤, 李晨阳, 等. 新能源同步机并网系统惯性特性的理论和实验研究[J]. 大电机技术, 2019(6): 41-46.

[13] 谷昱君, 黄永章, 付文启, 等. MGP系统参与新能源电网调频的实验研究[J]. 大电机技术, 2020(1): 38-42.

[14] Y. Gu, Y. Huang, Q. Wu, et al. Isolation and Protection of the Motor-Generator Pair System for Fault Ride-Through of Renewable Energy Generation Systems[J]. IEEE Access, 2020(8): 13251-13258.

Research on the Ability of Motor-generator Pair(MGP) to Improve the Inertial Response and Frequency Regulation of Photovoltaic Power Generation System

GU Yujun, HUANG Yongzhang,YANG Xin, FU Wenqi, ZHAO Haisen

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

The renewable energy is connected to the power grid through converters. Because of the adoption of grid frequency orientation and maximum power tracking control, the renew energy generation units do not have the ability of inertial response and frequency adjustment. The Motor- generator Pair (MGP) becomes a feasible solution to this problem. In this paper, the grid-connection structure and motion equation of photovoltaic through MGP are given. The principle of inertial response and frequency regulation is analyzed for the long-time grid frequency change caused by load changes. On this basis, an improved DC voltage feedback control method is proposed. By introducing de-loading rate into the control link, the frequency regulation range increases accordingly. The simulation model and experimental platform of multi- machines are built respectively. By comparing with the frequency response of traditional thermal power plant and photovoltaic grid-connection through inverter, MGP can effectively improve the inertial response and frequency adjustment ability of photovoltaic power generation unit.

photovoltaic generation; motor-generator pair;inertial response; frequency regulation; frequency stability

TM712

A

1000-3983(2021)01-0029-05

南方电网公司科技项目（067600KK52180007）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2019QN102）

2020-08-10

谷昱君（1990-），华北电力大学，电气与电子工程学院，电气工程专业，博士研究生在读，主要研究方向为高渗透率新能源电力系统稳定性。