第 40 卷 第 5 期
2020 年 5 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.40 No.5
May 2020
大型光伏储能电站与同步发电机励磁的非线性协调控制策略
刘 松
1
,李啸骢
1,2
,陈登义
1
(1. 广西大学 电气工程学院,广西 南宁 530004;
2. 广西大学 广西电力系统最优化与节能技术重点实验室,广西 南宁 530004)
摘要:在大规模光伏储能电站接入系统的容量和比重不断增加的情况下,光伏电站应具备一定的电压和功率
调节能力来支撑电网的稳定运行。以大型光伏储能电站接入的多机电力系统为研究对象,推导其微分代数
系统结构模型,提出了采用光伏储能电站逆变器与同步发电机励磁协调来提高系统稳定水平的非线性控制
策略。该策略避免了不同控制器单独设计造成的配合不协调问题,同时可以对电压和有功等多个目标量进
行控制。由于采用非线性设计方法,控制器可在大范围适用而不局限于设计点附近。仿真结果表明,所设计
的控制器可以有效提高系统的电压和功率调节能力,保障系统安全稳定运行。
关键词:大规模光伏储能电站;储能系统;多目标全息反馈控制;非线性协调控制;新能源电力系统
中图分类号:TM 761;TM 615 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.202003028
0 引言
化石能源过度消耗与人类日益增加的能源需求
使可再生能源的开发利用变得尤为迫切。太阳能作
为清洁绿色能源的代表,以其低碳安全、高储量无噪
声的特点得到了快速发展
[1⁃2]
。在光伏电站容量及
渗透率不断提高的形势下,由于光伏逆变器的低惯
量特性,当系统受到扰动时若其不参与系统调节,将
给常规电源的调频调峰造成很大压力。同时,当系
统电压跌落时若不能及时向电网提供有功、无功功
率支撑,将引发系统振荡甚至脱网,造成对电网的二
次冲击,严重影响电网的安全稳定运行
[3⁃4]
。
目前对于大规模光伏储能发电站对电力系统稳
定性影响的研究
[5⁃7]
,主要集中于光伏发电系统的动
态模型分析
[8⁃9]
和光伏电站对系统有功频率
[10⁃11]
、无
功电压
[12⁃13]
、小干扰稳定
[14⁃16]
和暂态稳定
[17⁃18]
的影响
等方面。文献[1]分析了大规模光伏储能系统接入
后与电力系统产生的交互影响,并对光伏电站接入
所引起的系统电压、频率、功角稳定性改变等问题进
行讨论,给出了进一步研究的合理化建议。文献
[19]对大规模光伏储能电厂进行动态等值建模,通
过轨迹灵敏度分析可得系统受扰后的振荡情况与光
伏电站所采用的控制策略密切相关,并指出可以通
过改变系统运行点方式调整,但未能给出切实可行
的控制策略。文献[8]对光伏电站的精确与降阶模
型进行分析,认为降阶模型在动态稳定分析方面具
有足够精度,并通过仿真验证了其动态性能。文献
[16]推导了含光伏电站的多机线性系统模型,通过
灵敏度分析得出光伏电站容量、接入位置和系统转
动惯量均会对系统振荡造成影响。文献[20]为抑制
智利 100 MW 光伏电场并网运行时因线路故障引起
的频率偏移和功率振荡,对光伏逆变器进行了虚拟
同步控制器设计,但未考虑与电力系统间的交互影
响。文献[21]研究了光伏电站接入单机无穷大系统
的有功阻尼控制策略,该策略对系统的低频振荡抑
制效果明显。文献[17]研究了一种电池储能系统附
加频率控制策略,通过将储能系统引入控制器设计
中有效改善电力系统的暂态稳定性。上述研究中,
由于便于设计、经济性好的特点,大多针对单一光伏
电站采用虚拟同步设计或附加控制,未考虑电力系
统的整体协调配合,或因采用线性化方法
[19⁃20]
仅在
小扰动分析时具有较好效果。
含有光伏储能电站的电力系统具有较强的非线
性特点,直接采用非线性控制方法将会有较好的效
果。多目 标全息反馈控制 MOHFC
[22]
(Multi-Objec⁃
tive Holographic Feedback Control)是采用低维度输
入、高维度输出的非线性控制方法,能够同时对多个
目标量进行约束,避免了控制模式间的动态切换,在
系统偏离设计运行点时所设计的控制器仍然具有良
好的控制性能。因此,本文在已有研究的基础上推导
了光伏储能电站的多机电力系统模型,采用 MOHFC
方法设计光伏储能电站与同步发电机励磁的非线性
多目标全息反馈协调控制 MOHFCC(Multi-Objective
Holographic Feedback Coordinated Control),并通过
时域仿真验证了其有效性。
收稿日期:2019-10-16;修回日期:2020-01-21
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51267001);广西自
然科学基金资助项目(2014GXNSFAA118338);广西科学研
究与技术开发计划项目(14122006-29)
Project supported by the National Natural Science Foundation
of China(51267001),the Natural Science Foundation of
Guangxi(2014
GXNSFAA118338) and the Scientific Research
and Technical Development Project of Guangxi(14122006-29)
1 光伏储能电力系统模型
光伏储能电力系统模型由光伏储能电站动态模
型、同步发电机动态模型、负荷特性方程和网络潮流
约束方程组成。
1.1 光伏储能电站动态模型
对于含
m 台光伏储能电站的系统,dq 坐标系下
光伏储能逆变器交流侧的数学模型为
[8,23⁃24]
:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
dI
pb,dk
dt
= -
R
pb,k
L
pb,k
I
pb,dk
+ ω
k
I
pb,qk
+
u
d,k
- V
pb,dk
L
pb,k
dI
pb,qk
dt
= -
R
pb,k
L
pb,k
I
pb,qk
- ω
k
I
pb,dk
+
u
q,k
- V
pb,qk
L
pb,k
(1)
其中,
I
pb,dk
、I
pb,qk
分别为光伏储能电站 k 逆变器并网
电流的 d、q 轴分量,均为状态变量;
ω
k
、V
pb,dk
和 V
pb,qk
分别为光伏储能电站 k 的接入点角频率、电压的 d 轴
和 q 轴分量;
R
pb,k
、L
pb,k
分别为光伏储能电站 k 输出线
路的电阻、滤波电感;
u
d,k
和
u
q,k
分别为光伏储能电站
k
逆变器交流侧 d 轴和 q 轴的电压控制量。在电网发
生故障(如电网电压跌落)时,光伏储能电站可以继
续保持正常运行,储能设备在直流侧吸收因电网电
压跌落而产生的多余能量,保持直流侧功率平衡。
1.2 同步发电机动态模型
对于含
n
台同步发电机的光伏储能电力系统,
同步发电机采用暂态稳定控制中三阶经典模型,即:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
dδ
i
/dt = ω
0
(ω
i
- 1)
dω
i
/dt =
[ ]
P
mi
- P
ei
- D
i
(ω
i
- 1) /T
Ji
dE
′
qi
/dt = (E
fi
- E
qi
)/T
′
d0i
(2)
P
ei
= E
′
qi
I
qi
,
E
qi
= E
′
qi
+ ( X
di
- X
′
di
)I
di
I
gi
= I
2
qi
+ I
2
di
,V
gi
= (E
′
qi
- X
′
di
I
di
)
2
+ ( X
qi
I
qi
)
2
其中,
δ
i
、
ω
i
、
E
′
qi
分别为同步发电机
i
的功角、转子角
频率和暂态电动势,均为状态变量;E
qi
为同步发电机
i 空载电动势;
I
di
、I
qi
分别为同步发电机 i 电流的 d、q
轴分量;
P
mi
、P
ei
分别为同步发电机 i 的机械功率、电
磁功率;
T
′
d0i
、T
Ji
分别为同步发电机 i 定子开路时的励
磁绕组、转子绕组的惯性时间常数;
X
di
、X
′
di
、X
qi
分别
为同步发电机
i 的 d 轴同步电抗、d 轴暂态电抗、q 轴
同步电抗;
D
i
为同步发电机
i
的阻尼系数;
ω
0
为系统
基准角频率;
E
fi
为同步发电机 i 的励磁电压,为控制
变量;
I
gi
、V
gi
分别为同步发电机 i 的电流、电压。
1.3 负荷特性方程
对于接入电网中的负荷,所采用的数学模型为:
{
P
L
= a
L1
P
L0
( )
V
L
/V
L0
2
+ a
L2
P
L0
( )
V
L
/V
L0
+ a
L3
P
L0
Q
L
= b
L1
Q
L0
( )
V
L
/V
L0
2
+ b
L2
Q
L0
( )
V
L
/V
L0
+ b
L3
Q
L0
(3)
其中,V
L
、V
L0
、P
L
和 Q
L
分别为负荷节点电压、额定电
压、有功和无功功率;
P
L0
、Q
L0
分别为负荷节点额定
电压下的有功和无功功率;
a
L1
— a
L3
和 b
L1
— b
L3
为常
系数。
1.4 网络潮流约束方程
上述多机多源电力系统的潮流代数方程为:
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
I
g
I
pb
0
=
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
Y
gg
Y
gpb
Y
gL
Y
pbg
Y
pbpb
Y
pbL
Y
Lg
Y
Lpb
Y
LL
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
E
′
q
V
pb
V
L
(4)
其中,
I
g
、I
pb
分别为同步发电机、光伏储能电站电流
向量;节点导纳矩阵中主对角线元素
Y
gg
、Y
pbpb
、Y
LL
分
别为同步发电机、光伏储能电站、负荷节点的自导纳
矩阵,非对角线元素分别为同步发电机、光伏储能电
站、负荷节点间的互导纳矩阵;
E
′
q
、
V
pb
、
V
L
分别为同
步发电机、光伏储能电站、负荷节点的电压向量。
将系统进行降阶处理,消去网络中的无源节点,
展开可得同步发电机节点的潮流代数方程:
I
g
=(Y
gg
- Y
gL
Y
-1
LL
Y
Lg
)E
′
q
+ (Y
gpb
- Y
gL
Y
-1
LL
Y
Lpb
)V
pb
=
Y
′
E
′
q
+ Y
″
V
pb
(5)
则第
i 台同步发电机节点的电流为:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
I
g,di
=
∑
j = 1
n
E
′
qj
(G
′
ij
sin δ
ij
- B
′
ij
cos δ
ij
) +
∑
k = 1
m
V
pb,k
(G
″
ik
sin φ
ik
- B
″
ik
cos φ
ik
)
I
g,qi
=
∑
j = 1
n
E
′
qj
(G
′
ij
cos δ
ij
+ B
′
ij
sin δ
ij
) +
∑
k = 1
m
V
pb,k
(G
″
ik
cos φ
ik
+ B
″
ik
sin φ
ik
)
(6)
其中,
G
′
ij
、B
′
ij
分别为同步发电机节点 i 和节点 j 互导
纳的实部、虚部;
G
″
ik
、B
″
ik
分别为同步发电机节点 i 和
光伏储能节点 k 互导纳的实部、虚部;
δ
ij
为同步发电
机节点 i、j 间的相角差;
φ
ik
为同步发电机节点 i 与光
伏储能节点 k 间的相角差。光伏储能电站电流为:
I
pb
=(Y
pbg
- Y
pbL
Y
-1
LL
Y
Lg
)E
′
q
+(Y
pbpb
- Y
pbL
Y
-1
LL
Y
Lpb
)V
pb
(7)
则第 k 台光伏储能电站的电流为:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
I
pb,dk
=
∑
j = 1
n
E
′
qj
(G
′
kj
cos δ
kj
+ B
′
kj
sin δ
kj
) +
∑
l = 1
m
V
pb,l
(G
″
kl
cos φ
kl
+ B
″
kl
sin φ
kl
)
I
pb,qk
=
∑
j = 1
n
E
′
qj
( -G
′
kj
sin δ
kj
+ B
′
kj
cos δ
kj
) +
∑
l = 1
m
V
pb,l
( -G
″
kl
sin φ
kl
+ B
″
kl
cos φ
kl
)
(8)
其中,
G
′
kj
、B
′
kj
分别为光伏储能节点 k 和同步发电机节
点 j 互导纳的实部、虚部;
G
″
kl
、B
″
kl
分别为光伏储能节
点 k 和节点 l 互导纳的实部、虚部;
δ
kj
为光伏储能节
点 k、同步发电机节点 j 间的相角差;
φ
ki
为同步发电
机 节 点 i、光伏 储 能 节 点 k 间 的 相 角 差 。式(1)—
(3)、(6)、(8)构成了完整的光伏储能电力系统模型。
1.5 微分代数系统模型标准化
采用如下形式的微分代数系统模型: