长沙理工大学李帅虎等：基于模型预测控制的光储发电系统VSG频率控制方法

本文发表在《全球能源互联网》2022年第4期，欢迎点击品读。受国家自然科学基金面上项目（51777179）资助。

国家提出“双碳”目标背景下，以新能源为主体的电力系统建设将正式铺开，“十四五”期间以光伏、风电为主的新能源装机规模将大幅增长。光伏发电作为其重要组成部分，自2021年6月20日光伏整县推进政策发布至2021年9月，全国共22个省上报了约500个示范县，总规模超过100 GW，未来分布式屋顶电站总体市场规模将达800 GW以上。大量分布式光伏电站接入对配电网的消纳能力和稳定运行将产生较大影响，而且光伏发电都由并网逆变器接入电网，这类电力电子装置转动惯量与阻尼小，使电网应对功率波动的支撑能力变弱，导致新能源电网的频率和电压稳定性受到严峻考验。如果没有有效的解决方案，或将直接影响整县推进政策的落地。在此背景下，为提高VSG并网逆变器的二次调频能力和运行性能，本文提出采用双级式结构实现并网功率控制，储能逆变器实现模型预测控制的VSG频率控制方法，改善光储系统并网时的系统频率调节效果。

1）针对光伏阵列和储能系统各自独立并入电网的光储发电系统，总结了传统由储能逆变器在交流侧实现VSG控制策略下，VSG的调频思路是将下垂控制的有功反馈量作用于转子运动方程上，以此构建频率偏差与输入转矩之间的关系，然而下垂控制的有功频率控制仅参与系统的一次调频，无法消除频率静差的原理。

2）为提高VSG并网逆变器的二次调频能力和运行性能，本文建立光储并网发电系统模型，其中光伏并网采用双级式结构实现并网功率控制，储能逆变器实现模型预测控制的VSG频率控制方法，通过构建的转子角频率增量与转矩增量间的反馈通道，对频率偏差进行实时预测补偿，改善光储系统并网时的系统频率调节效果。

随着光伏发电装机规模大幅提升，电力系统转动惯量不断降低，虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）技术被广泛采用以应对日益严峻的电网稳定性问题。为进一步提高VSG技术对系统稳定性的改善作用，提出基于模型预测控制的VSG频率控制方法。该方法首先在同步发电机转子运动方程和逆变器下垂控制方程基础上建立VSG可优化的离散模型，再通过模型预测控制（model predictive control，MPC）预测VSG转子角频率的运动轨迹，并将最优的预测控制输入向量的第一项作为下一时刻控制器的反馈输入。将VSG转子角频率增量转化为转矩增量的反馈回路，实现对频率偏差的实时预测补偿，提升VSG并网逆变器的无差调频能力和运行性能。最后，在MATLAB软件上搭建含光储系统的时域仿真模型，验证了所提方法能更有效地抑制频率越限，减少系统频率的恢复时间。

本文提出的反馈控制过程考虑了VSG的惯量和阻尼特性，通过改变KT、Kω、Ke参数的取值改善对系统的频率控制特性。MPC-VSG反馈控制器的控制结构如图1所示，即在传统控制策略的基础上取消了下垂控制环节，增加了MPC反馈控制环节。

⬆ 图1  控制系统结构图

由于频率f与角频率ω之间的线性关系，增加了MPC反馈控制器后，若系统出现频率偏差，则此时MPC控制器目标函数≠0，滚动优化环节会在未来多个时刻进一步调整反馈转矩，使得目标函数最小，补偿系统有功功率的差额，实现对频率的无静差控制。

⬆ 图2  MPC-VSG控制策略下负载陡增和突减时光储系统输出有功功率响应

储能逆变器采用基于改进MPC-VSG时，光储系统可快速准确地对功率指令进行跟踪，并为系统提供一定的惯性与阻尼，控制性能良好。当系统负荷变化时，光储系统并网功率也将发生变化，由于光储系统采用了虚拟同步机控制策略，系统将具备一定的有功-下垂特性，可在接入点的频率变化时，根据有功下垂控制调节有功功率，从而使频率恢复稳定。

⬆ 图3  MPC-VSG控制策略和传统VSG控制策略下负载突减时光储系统输出有功功率响应

MPC-VSG控制策略相对于常规VSG控制策略有功下垂控制的动态性能进一步提升，减小了功率波动对系统频率的冲击，对维持系统稳定具有重要意义。

 研究团队