提高系统稳定性的光储并网发电控制技术
郑州大学产业技术研究院的研究人员陈文倩、辛小南等，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文（论文标题为“基于虚拟同步发电机的光储并网发电控制技术”）指出，光伏并网功率不断增加，其频率和电压主要由电网提供支撑，但对电网几乎不提供转动惯量。为提高光伏发电系统的稳定性，该文对基于虚拟同步发电机（VSG）的光储并网逆变器控制策略进行了研究。
针对光伏发电系统和储能系统独立并入电网的结构特点，建立并网逆变器的VSG数学模型，设计基于一次调频和一次调压的并网有功、无功调节方案，建立VSG的小信号分析模型，对虚拟惯性和阻尼参数对并网功率跟踪的影响进行了分析。最后，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，验证VSG控制策略的正确性和有效性。
仿真结果表明，该控制策略将惯性和阻尼引入功率控制环中，光储并网发电系统可模拟同步发电机实现一次调频和一次调压。
为应对能源危机和环境压力，分布式发电技术受到越来越广泛的关注，光伏发电作为其重要组成部分，通过并网逆变器接入电网。但并网逆变器响应速度快，对电网几乎不提供转动惯量，且不参与调频调压，随着光伏电源渗透率的不断增加，电网的备用转动惯量不断减少，使电网应对功率缺额和波动的能力不断下降，加之光伏发电存在随机性和波动性，给电网的频率和电压稳定性带来了严峻挑战。
同步发电机具有惯性和阻尼，对维持电网的频率和电压的稳定有着重要作用。若改变并网逆变器的控制策略，令其输出模拟同步发电机的运行特性，则对光伏发电大范围接入起到促进作用。
在此背景下，国内外学者提出在并网逆变器的控制策略中引入同步发电机的运行特性，给出的下垂控制即在功率控制环中引入类似于同步发电机的调频和调压特性[3,4]。但下垂控制策略只是针对同步发电机的外下垂特性作出近似，并不能模拟惯性和阻尼特性来为系统提供频率和电压支撑。
为了使并网逆变器能更好地模拟同步发电机的运行机制，国内外学者对虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术进行了深入的研究。文献[5]首次提出VSG的概念，将VSG等效为受控电流源。文献[6]在光伏发电系统中配置储能装置，将一次调频引入VSG中，使VSG具有更长时间的调频能力。但电流型VSG适用于分布式电源渗透率较低的电网，应用具有一定的局限性，而电压型VSG在弱电网中具有明显的优势。文献[7,8]提出电压型VSG控制算法，将同步发电机机械方程和电磁方程引入到控制策略中，从数学上和物理上进行等效，可以较好地模拟同步发电机的外特性。
传统的电压源型VSG的硬件结构是将光伏阵列与储能电池并联作为直流侧，通过集成的光储系统控制发电单元的直流母线电压，再由逆变器实现直流端到交流端的电能变换。文献[9,10]采用将光伏阵列和蓄电池并联在直流母线上的结构，并网逆变器采用VSG控制策略，通过蓄电池充放电来维持直流母线电压，从而平衡光伏发电与负载功率之间的差额。
然而该结构仍存在一些不足，由于逆变器直流侧母线电压完全由储能变流器控制，VSG功能的实现严重依赖于储能系统性能，当储能出现容量不足或故障时，会导致在原有的控制策略下，逆变器可能无法继续工作，从而增加了对储能系统可靠性的要求。
若将光伏发电系统与储能系统独立地并入电网，在交流侧实现VSG控制策略，可弥补控制策略依赖储能以及直流母线结构复杂的不足。文献[11-13]将光伏发电单元与储能系统独立地并入电网，结构更具灵活性，采用光伏和储能逆变器结合的方式实现在并网运行模式下模拟同步发电机的外特性，在光伏功率波动和负载变化时稳定母线频率。
本文采用光伏发电系统和储能单元通过独立的逆变器并入电网的结构，光伏发电系统采用双级式结构，分别实现最大功率跟踪和并网功率控制；储能系统采用铅酸蓄电池双闭环稳压模型，储能逆变器实现电压型VSG控制策略；建立VSG的小信号分析模型，为选择惯性和阻尼参数提供参考。
针对该光储并网发电系统的结构，建立VSG的数学模型，在Matlab/Simulink下搭建系统模型进行仿真分析，证明了VSG控制策略的有效性。
图1 光储并网发电系统结构
图2 电压源型并网逆变器拓扑图
本文基于虚拟同步发电机技术，研究了一种参与电网频率和电压幅值调节的光储分布式电源并网逆变器控制策略，并采用光伏和储能逆变器独立并入电网的结构。通过仿真验证VSG控制策略在频率和电压调节的有效性，得出以下结论：
有功-频率调节在跟踪并网功率指令的基础上，针对并网点频率的偏差做出有功调节响应，模拟了同步发电机的一次调频特性。无功-电压调节在跟踪无功功率的同时，模拟了同步发电机输出电压的外特性，参与了电网的电压调节。VSG控制策略实现了光储发电系统的频率和电压幅值可调，提高了光储并网发电系统的暂态性能，有利于其大规模地接入电网。