第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
能源电力是人类赖以生存发展的不可或缺的基础，是全球经济发展共同体的重要命脉[1-2]。伴随全球范围内的环境恶化与能源短缺的日益严峻，全球范围内的电力网正在从以热力为主导向的电网向以可再生能源为主导的电网转型。提高清洁能源在发电中的比例是各国能源转型的重要手段，由传统的火力发电向清洁能源发电转变也是未来的发展趋势。
2016 年，国家能源局和国家发改委制定了《能源生产和消费革命战略（2016－2030）》文件，文件指出，煤炭消费比重需进一步降低，清洁能源应逐步代替化石能源占据主导地位，到 2030 年，清洁能源的发电总量比例应进一步提高，应超过所有其它化石能源类别发电总量的一半。为响应能源转型，光伏、风机、核能等可再生能源通过电力电子变换装置接入电网[3-4]。近年来，随着光伏发电技术的的不断发展，我国的光伏装机容量不断提高。据中国光伏行业协会统计，2018 年全球新增并网光伏装机量为 94.3GW ，占可再生能源新增装机总量171GW 的一半以上。至 2019 年，我国光伏并网发电累计装机容量达到 204.68 GW。2020 年，全球新增光伏装机容量 130GW，同比增长 13%；中国新增光伏装机容量 48.2 GW，同比增长 60%，光伏发电日趋成为主流能源利用形式。
在传统的电力系统中，同步发电机组因自身具备阻尼和惯量特性，可为电力系统的稳定性“保驾护航”。随着光伏等其它可再生能源发电渗透率的日益增大，相应地同步发电机的装机占比下降。然而以逆变器等电力电子变换装置为接口的光伏等可再生能源因自身不具备惯量、阻尼和调压调频能力，光伏并网系统的稳定性却难以为继[5]。电力系统日渐向着缺乏惯性、阻尼以及一次调频能力的趋势发展，电网安全稳定运行所面临的威胁也越来越大。此外，光伏机组常处于最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)模式，亦无备用有功功率支撑电网频率控制，光伏并网系统的频率稳定性问题愈加严峻[6-10]。与传统不可再生能源相比，可再生能源尤其是光伏由于其自身的波动性、间歇性，发生异常天气情况时，并网光伏出力可能会发生有功功率的短时大幅变化，造成高风险爬坡事件。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 光伏调频技术
光伏电站工作在最大功率跟踪模式时，没有可用的备用功率，无法参与电网调频。由于光伏发电系统自身不具备惯量和一次调频的能力，为了实现参与电网频率调节，目前通常有两类方法：一类为光伏减载运行方式；另一类为光-储联合发电方式。
光伏减载模式通过控制光伏电源的实际工作电压略高于最大功率点处相对应的电压，使光伏系统的输出功率运行在减载状态，从而为光伏系统参与惯量支撑与一次调频预留一定的备用功率[19-21]。文献[22]以双级式光伏发电为例，讨论了虚拟惯量对电网频率扰动的支撑，但没有得到合理的光伏发电备用功率比结果；文献[23]基于变减载控制方法，提出一种在线跟踪与离线拟合相结合的频率调节方法，但是所提控制方法针对于光伏源中的单峰值 P-U 曲线，与实际运行场景不符；文献[24]考虑了光伏电源的特性，提出了考虑光伏源动态特性的光伏虚拟同步机运行控制策略，但没有明确 PV-VSG 如何支撑电网运行等问题。在此基础上，准确确定有功备用模式下的最大可用功率是其关键步骤。一般有两种确定最大功率点的方法:实时估计和直接测量。文献[25]在直接测量方法的一个例子中，光伏主控单元以 MPPT 模式运行来监视最大功率点，而光伏从控单元则直接利用被测量的最大功率点。但该方法仅适用于组件条件相同且通信系统复杂的大型太阳能并网光伏电站。实时估计是通过估计来获取最大功率点，这是目前比较流行的方法。文献[26]中，通过在线数据跟踪和离线数据拟合，可以构建最 MPPT 的拟合函数。利用该类型拟合函数，光伏可以在较低的功率储备水平上运行，并参与并网光伏系统的频率调节。但仍需在实际工程应用中加以验证。文献[27]中，通过离线曲线拟合得到光伏阵列电压、光伏阵列电流和太阳辐照度的非线性函数。该控制器通过光伏系统在低负荷下运行来获得下垂和惯性响应，为参与一次频率调节提供足够的发电储备，避免不必要的次优运行。但非线性函数的精度有待进一步验证。文献[28]中，利用恒流区的两个工作点来估计短路电流。然后根据短路电流估计最大功率点的电流，最后估计最大功率点的电流。然而，为了计算线性电压基准，该方法需要恒流区光伏曲线的线性特性和复杂的 Lambert-W 函数。文献[29]中，采用单二极管光伏模型，通过最小二乘曲线拟合实时估计最大功率点和模型参数。不需要额外的能量存储系统或辐照度和温度传感器，将系统成本和复杂性降至最低。然而，这种方法还需要光伏阵列建模参数和复杂的 Lambert-W 函数的求解。
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第 2 章 光伏并网系统的结构与特性
2.1 光伏虚拟同步发电机的拓扑及分类
基于虚拟同步技术的光伏发电系统按有无储能可分为两种：有功备用式和储能式。其中有功备用式和传统的光伏发电系统主电路拓扑一致。而储能式PV-VSG 的主电路拓扑则根据储能配备的位置可分为三种：共直流母线式、共交流母线式和集中式。同时根据功率变换方式的不同 PV-VSG 又可分为两种：单级式 PV 和双级式 PV。
图 2-1 所示的有功备用式 PV-VSG 不改变主电路拓扑，而是通过改变控制策略为光伏系统调频预留一定的备用功率，从而使光伏逆变器不运行在最大功率点而运行在有功备用点。当系统发生频率扰动时，将备用功率用于调频控制。
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2.2 两级式共直流母线式 PV-VSG
本文所提的 VPPT 和储能协调控制的 PV-VSG 控制系统框图如图 2-5 所示。其中包括光伏电池，升压电路、储能装置、并网变流器和控制系统等部分组成。储能装置经双向 DC/DC 变换器与光伏直流侧母线电容相连，并联在逆变器前端。光伏源由于受光照强度等外界环境因素影响较大，采用 Boost 电路使其高压直流侧电压在稳态时趋于稳定，以减小其输出波动性的影响。储能装置根据光伏电源和逆变器处反馈回的信息，通过控制双向 DC/DC 变换器的工作状态为降压 Buck型抑或是升压 Boost 型，以此实现对储能装置的充放电控制，继而实现整个光伏并网系统稳定的能量流动。并网变流器则通过电压电流双闭环实现对直流母线电压的控制从而向电网侧输送所需的电流。
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第 3 章 基于变功率点跟踪和储能协调控制的光伏系统一次调频策略................15
3.1 有功备用式 PV-VSG 的一次调频策略.....................................15
3.2 变功率点跟踪和储能协调控制的光伏系统一次调频策略........................17
第 4 章 储能装置的容量配置........................................33
4.1 考虑源端平抑光伏爬坡功率下储能容量的配置.......................33
4.2 计及频率波动下储能装置的配置..........................37
第 5 章 结论与展望................................43
5.1 结论…...............................43
5.2 展望…........................44
第 4 章 储能装置的容量配置
4.1 考虑源端平抑光伏爬坡功率储能容量的配置
光照度的强弱决定了光伏电源输出功率，进而会对整个光伏系统的运行产生重大的影响。根据光强的强弱按云量大小可以将天气情况分为三类：晴空，云量小于10%；多云，云量在10%和90%之间；全覆盖，云量大于90%。其中在晴空和全覆盖情况下光照度值波动较小，而多云天气情况下由于云层移动的原因发生云彩遮挡时光照度值波动较大。此时光伏系统的爬坡事件频频发生[57]。其中,短时间内发生的大幅度的光伏输出功率变动被称为光伏功率爬坡事件，而爬坡率则作为衡量爬坡事件的严重程度的参考标准。将爬坡率作为平滑光伏功率波动的约束条件考虑光照度波动情况，配备在源端光伏侧功率波动下的储能装置的容量。
根据国家电网公司企业标准《光伏发电站接入电网技术规定》，我国对于接入电网的光伏发电站有功功率并网爬坡率即有功功率变化速率的要求为不超过该光伏电站的 10%装机容量/min[10]。本文考虑 100kW 光伏系统在光伏波动工况下系统容量的配置，从丹麦奥尔堡大学的光伏电站收集了高质量的光照度和温度数据，数据的采样频率为 1Hz，记录总时长 365 天。根据光伏阵列输出模型计算光伏系统的发电功率[58]，MPPT 模式下一年四个季节内以一个星期为周期的四个典型光伏可发功率波动曲线如图 4-1 所示。
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第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本文针对虚拟同步机技术在高渗透率光伏系统中的应用，提出了变功率点跟踪和储能协调控制的方法，解决了 MPPT 模式下不具备频率调节能力和有功备用模式下调节效果不佳的问题。在不损失光伏系统发电效益的前提下，最大限度参与系统一次调频。同时考虑短时间尺度下源端平抑光伏爬坡功率所需的能量，以及一次调频时间内应对负荷侧频率波动所需的能量，对储能单元的容量和功率进行优化配置，完善储能装置辅助光伏调频运行时的控制策略与配置方法。仿真验证了控制策略的有效性。
1）总结了光伏虚拟同步机技术一次调频方法，有光伏减载运行方式和光-储联合发电方式。总结了相应储能技术，主要包括光伏集中式储能方案，分布式储能方案等。
2）比较了光伏发电虚拟同步发电机的拓扑及分类，给出了应用于本文的两级式共直流母线式电流源型光伏虚拟同步发电机的各部分组成与结构。建立了包括光伏电池、DC/DC 电路和逆变器的各模块的数学模型和仿真模型。
3）提出了考虑源荷动态特性的电流源型光伏虚拟机一次调频策略。根据频率增大或减小调整控制方式，所提方案能够实现光储系统协调运行，实现最大化发电效益的同时提升系统频率调节性能，起到减小稳态频率偏差的效果。所提控制策略通过 VPPT 模式和 MPPT 模式的自动切换能够确保光照强度突减后光伏单元不运行到 P-U 曲线的左侧不稳定区域，有效避免了负面调频作用。通过 MATLAB/Simulink 仿真平台对本文所述的策略进行仿真验证，当负载突变或光照强度变化时，光储系统均能体现同步机的特性，保持系统电压和频率的稳定，提升了光伏系统的动态可控性和安全稳定性。
参考文献（略）