1、电气传动 2023年 第53卷 第8期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.8摘要：光伏发电系统通常工作在最大功率跟踪模式，无法为电网提供惯性和频率支撑。虚拟同步发电机（VSG）控制可提供类似同步发电机的行为特性，但通常应用于储能或光储系统。以单级式光伏拓扑为对象，提出一种有功备用的光伏VSG控制策略。该策略源于光伏阵列PV特性曲线和同步发电机功角特性曲线的相似性，光伏阵列电压直接响应电网频率变化，实现对直流电压控制的同时，提供类似同步发电机“自发”惯性响应。设计了一种基于短路电流估算的光伏最大功率估算方法。该方法无需额外传感器和复杂估计算法，与所提VSG控制策略融合，实
2、现递推估算。不同场景下仿真结果验证了所提方法的有效性和优越性。关键词：虚拟同步发电机；有功备用；惯性响应；频率支撑；最大功率点估算中图分类号：TM712文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24193Virtual Synchronous Generator of Single-stage Photovoltaic Power Generation System withActive Power Reserve for Frequency SupportJIA Dexiang1，ZHONG Cheng2，LIU Zhanjie1，ZHENG Houqing1，
3、GUO Yang3（1.State Grid Energy Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 102209，China；2.College of ElectricalEngineering，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China；3.BeijingChina-power Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 100192，China）Abstract:Photovoltaic（PV）generation usually operate
4、s in maximum power point tracking（MPPT）mode，which cannot provide inertia and frequency support for the power system.Virtual synchronous generator（VSG）control is an attractive control method that can provide the similar behavior of synchronous generator（SG）.However，it is commonly applied to the energ
5、y storage system or PV generators with energy storage systems.Anovel PV-VSG control strategy based on active power reserve for single-stage PV generation was proposed.Theprinciple of the strategy comes from the similarities of the power-angle characteristic curve and the PV array PVcharacteristic cu
6、rve.PV array voltage is directly regulated based on the grid frequency，and realize control of DCvoltage while providing spontaneous inertial response similar to synchronous generators.In addition，a maximumpower estimation method based on real-time short-circuit current estimation was designed，and th
7、e additionalsensors and complex estimation algorithms are not required.Integrated with VSG control strategy，the recursiveestimation was implemented.The simulation results in different scenarios have verified the effectiveness andsuperiority of the proposed method.Key words:virtual synchronous genera
8、tor（VSG）；active power reserve；inertial response；frequency support；maximum power point estimation基金项目：国家自然科学基金联合基金（U1866601）；吉林省自然科学基金（20190201289JC）作者简介：贾德香（1971），男，博士，正高级工程师，Email：通讯作者：钟诚（1985），男，博士，副教授，Email：单级式光伏发电有功备用虚拟同步发电机频率支撑策略贾德香1，钟诚2，柳占杰1，郑厚清1，郭阳3（1.国网能源研究院有限公司，北京 102209；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林
9、吉林 132012；3.北京中电普华信息技术有限公司，北京 100192）贾德香，等近年来，以光伏、风电为代表的新能源发电接入电网容量不断增大，改善了电力能源结构，实现了低碳排放。但是，光伏发电具有随机性和间歇性，且通常采用最大功率跟踪控制1，因而，光伏渗透率不断提高，将降低电力系统惯性和调频能力，引发频率稳定性弱的新问题2-3。29贾德香，等：单级式光伏发电有功备用虚拟同步发电机频率支撑策略电气传动 2023年 第53卷 第8期为实现新能源的友好接入，虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）技术被提出，使得并网逆变器能够模拟同步发电机的特性，提供有
10、功和无功支撑4-5。但是，常规VSG控制主要针对直流侧为储能系统，即要求直流侧为“电压恒定、容量无限”的电源6-9。而光伏发电具有较强随机性，且直流电压恒定需要通过控制实现，因此常规 VSG应用范围有限。为此，有学者提出构造光储联合系统10-12，弥补光伏发电随机性的不足，但其本质直流侧仍为储能电池。近期，已有少量文献探讨无储能光伏发电VSG控制。文献13-15中，针对双级式光伏发电系统，前级DC/DC变换器采用定电压控制，维持中间直流电压稳定，而后级网侧变流器采用常规VSG控制。但是，对于单级式光伏发电系统，只包含一级并网逆变器，其需同时兼顾功率跟踪和直流电压控制。文献16提出一种考虑源动态
11、特性VSG控制方法。该方法在常规VSG控制中引入附加控制，避免最大可用功率不足而造成直流电压跌落。但该方法是一种切换控制，且没考虑光伏有功备用运行方式。文献17-18提出一种有功备用光伏VSG控制。但是，该类方法为功率控制方式，频率支撑依赖测量频率和频率变化率信息，没有完全模拟同步发电机惯性行为。综上，本文提出一种有功备用单级光伏发电系统VSG有功控制策略。该方法使得光伏阵列电压直接响应电网电压，提供自发惯性响应。另外，设计一种递推估算光伏最大功率的方法，与所提VSG方法融合，实现有功备用运行。1VSG控制策略1.1VSG控制原理本文所提VSG控制策略源于同步发电机功角特性曲线和光伏阵列PV特
12、性曲线的相似性。电力系统中，常规同步发电机的功角特性曲线可以描述为Ps=EUXsin（1）=(s-g)dt（2）式中：Ps为同步发电机输出有功；E为同步发电机电动势幅值；U为电网电压幅值；为两个电压矢量的功角差；X为虚拟阻抗；s为同步发电机电动势角频率；g为并网点电压角频率。工程上，光伏阵列通常采用单二极管模型表述，其数学模型19-20为Ipv=Iph-I0(eVpv+RsIpvAkT/q-1)-Vpv+RsIpvRsh（3）式中：Ipv为光伏电池输出电流；Iph为光生电流；I0为二极管反向饱和电流；q为电荷；k为波兹曼常数；Vpv为光伏电池输出电压；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；A为二极
13、管理想因子；T为光伏阵列温度。式（3）为非线性隐函数，为分析其曲线特性，需要做一定简化。通常工程允许假设：Iph=Isc，Isc为短路电流；通常Rs值的很小。由上述假设，式（3）可简化为Ipv=Isc1-C1exp(VpvC2Voc)-1（4）式中：Voc为开路电压；C1，C2为相应系数。为简化，对expVpv/（C2Voc）进行泰勒展开，并忽略高阶项，则式（4）可以进一步简化为Ipv Isc-C1IscVpv/(C2Voc)（5）依据式（5），光伏输出功率近似表示为Ppv=IpvVpv VpvIsc-C1/(C2Voc)IscV2pv（6）由式（6）易知，光伏阵列PV特性为单峰值曲线。设Vm
14、pp为光伏峰值功率，在Vpv=0，Vmpp时，Ppv随着Vpv的增大而增大，且随着变化率dPpv/dVpv逐渐减小。本文以sun-power公司的SPR-305E-WHT光伏板为例，光伏阵列特性曲线如图1所示；取与光伏阵列取相同额定功率，同步发电机特性曲线如图2所示。图1光伏阵列特性曲线Fig.1PV array PV characteristic curve图2同步发电机功角特性曲线Fig.2Synchronous generator power angle characteristic curve30贾德香，等：单级式光伏发电有功备用虚拟同步发电机频率支撑策略电气传动 2023年 第53卷
15、 第8期研究图1和图2左半段曲线对应关系，以功率相同为联系，Vpv对应特性曲线如图3所示。图3Vpv 对应特性曲线Fig.3Vpv correspondence characteristic curve由图3可知，左半段曲线内，Vpv和近似为线性关系，尽管与光伏阵列 PV特性曲线形状不完全相同，但光伏阵列 PV特性曲线和同步发电机功角特性曲线具有相似性。基于这些相似性，本文将光伏电压 Vpv类比于功角，构造新的VSG控制。1.2VSG控制结构本文所提单级VSG控制方框图如图4所示，它主要包括有5个控制环节：最大功率估算环节、下垂控制环节、转子运动方程模拟环节、功角计算环节和电压电流跟踪环节。最
16、大功率估算环节用于实时估算当前光伏发电的最大可用功率。本文设计了一种基于实时短路电流估算的最大功率估计算法，具体过程将在第3节阐述。下垂控制环节中，频率标幺值乘以下垂系数获得变化减载率 r*%。r*%叠加在初始减载率r0%，获得减载率参考值r*%。减载率参考值定义为r*%=1-PmPmap（7）式中：Pmap为光伏阵列最大可用功率；Pm为当前给定虚拟机械功率。Pm同时受r*%和Pmap影响，不同光照下，Pmap不同。因而，下垂控制环节提供的功率不同，具有一定自适应性。模拟转子运动方程环节与典型VSG控制策略保持一致。转子运动方程如下式：Jdsdt=1s(Pm-Pe)-D(s-0)（8）式中：J 为VSG动惯量；s为VSG转速；0为额定角频率；Pe为VSG的输出电磁功率；D 为阻尼系数。利用式（8）来获得VSG 的角频率信息s，积分后获得VSG的相位角。功角计算模块的功能是计算功角，并将其变换为光伏阵列电压参考值Vref。基于1.1节的描述，本文将功角 类比于光伏阵列电压 Vpv。功角 为电网电压矢量 U 相位和VSG电压矢量E相位的差值。VSG相位已经获得。但通常，电网相位需要通过锁相
