虚拟同步发电机在一体化光伏建筑中的应用_程江鹏.pdf

70 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用去稳定，难以为电网支撑起稳定的电压、频率3。虚拟同步发电机技术（VSG）能够控制并网逆变器模拟同步发电机的工作特性，使其具备与同步发电机相似的惯性、阻尼。将VSG技术应用到BIPV中，能够增强电力系统的稳定性，极大地提高光伏发电系统的抗扰动能力。1 BIPV应用现状 1.1 BIPV技术BIPV技术能将光伏发电产品与建筑物整合在一起。与传统的光伏方阵和建筑结合（Building Attached Photovoltaic，BAPV）不同，BIPV将光伏器材作为建筑物材料，使光伏器材不仅承担发电作用，更成为建筑物结构的一部分4。BIPV在设计阶段就将光伏器材作为建筑物一部分进行考虑，是光伏与建筑物集成的高级形式，对光伏器材的要求更高。而BAPV一般在建筑物完成后再布置光伏器材，不仅存在重复施工的问题，也会增加建筑物负0 引言受到光照强度的影响，光伏发电系统存在随机性、间歇性的特点，产出的电能电压、频率波动较大，与电网电压存在较大差异，难以直接并入电网。并网逆变器作为太阳能发电单元与电网之间的连接口，可以将电压波动剧烈的电能转化成稳定的交流电以满足负载要求或者并入电网1。与传统的同步发电机不同，光伏发电系统中的并网逆变器不存在旋转部件，这意味着光伏发电系统缺乏惯性和阻尼，导致光伏发电系统对电网波动响应速度较快2。在电网功率波动时，光伏发电系统的功率输出容易失去稳定。随着光伏建筑一体化在生产生活中的广泛应用，光伏发电系统在整个发电系统中的占比越来越高。与之对应的是传统火力发电采用的同步发电机占比逐步降低，整个电力系统的阻尼与惯性随之减少。这使电力系统在受到外界干扰或故障时容易失作者简介：程江鹏，中交第三航务工程勘察设计院有限公司：研究方向：电力系统优化与智能控制技术。收稿日期：2022-10-21；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述光伏建筑一体化技术（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）能够将传统建筑与太阳能结合起来，充分利用建筑外表面受到的光照并将其转化为电能，实现低碳环保。然而光伏发电存在着间歇性、随机性的特点，且光伏系统使用的电力电子逆变器缺乏惯性和阻尼，响应速度快，这会对电网的稳定性造成影响。虚拟同步发电机技术（Virtual Synchronous Generator，VSG）能使并网逆变器具备同步发电机（SG）的工作特性，使之具有与其相似的转子惯性和阻尼，从而提高光伏系统的并网稳定性。关键词：虚拟同步，光伏发电，电网稳定性。中图分类号：TM615 文章编号：1674-2583(2023)01-0070-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.025文献引用格式：程江鹏.虚拟同步发电机在一体化光伏建筑中的应用J.集成电路应用,2023,40(01):70-72.虚拟同步发电机在一体化光伏建筑中的应用程江鹏(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)Abstract This paper expounds that Building Integrated Photovoltaic(BIPV)can combine traditional buildings with solar energy,make full use of the light on the exterior surface of buildings and convert it into electric energy to achieve low-carbon environmental protection.However,photovoltaic power generation has the characteristics of intermittence and randomness,and the power electronic inverter used in the photovoltaic system lacks inertia and damping,and the response speed is fast,which will affect the stability of the grid.Virtual Synchronous Generator(VSG)technology can make the grid-connected inverter have the working characteristics of synchronous generator(SG),and make it have similar rotor inertia and damping,thus improving the grid-connected stability of photovoltaic system.Index Terms virtual synchronization,photovoltaic power generation,grid stability.Application of Virtual Synchronous Generator in Integrated Photovoltaic BuildingCHENG Jiangpeng(CCCC 3rd Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 71重，影响建筑美观。BIPV有着广大的应用前景。1.2 BIPV研究现状目前BIPV的主要研究方向集中体现为BIPV发电效率影响因素及优化方法、BIPV发展前景、经济效益、结构强度等方面。任小玲5等对BIPV在实施阶段的成本及运营阶段的效益进行分析，指出从整个建筑生命周期来看，BIPV的经济效益有着很大的潜力。余杰6对BIPV中的光伏组件安装方案进行研究，得到不同安装方式下提高光伏组件太阳能转化效率的方法。1.3 BIPV特点BIPV的优点：（1）BIPV使建筑物充分利用光伏发电技术，将太阳能转化为电能且无任何污染产生。（2）BIPV技术作为分布式电源的一种，能够就近为建筑提供生产生活所需的电能，这大大减少了电能在传输过程中产生的损耗，提高了电能利用率。（3）BIPV技术使光伏组件成为建筑物结构的一部分，充分利用建筑物的外表面，提高了建筑物的空间利用率。BIPV的缺点：（1）BIPV作为近几年逐渐兴起的技术应用，其光伏组件的清洁、维护设备尚有欠缺。由于BIPV中的光伏组件一般位于建筑物外立面或屋顶，人工清洁、维护存在诸多不便。这将极大影响BIPV的适用性。（2）BIPV作为分布式电源的一种，使用逆变器作为光伏发电系统与电网之间的并网接口。与传统火电、水电中的同步发电机不同，并网逆变器没有惯性和阻尼，导致其对扰动的响应速度较快，无法缓冲电网波动。随着BIPV技术的广泛应用，光伏发电系统在整个发电系统中的占比逐渐提高，电网中的惯性、阻尼逐渐减少，电力系统的稳定性随之下降。2 虚拟同步发电机 2.1 虚拟同步发电机的特点VSG技术主要是将新能源发电系统中的并网逆变器通过控制算法模拟成为同步发电机，使其具备与同步发电机一致的有功调频，无功调压等特点，其外特性和机理均与同步发电机一致7。在VSG技术控制下，并网逆变器可以通过储能装置获得类似于同步发电机的惯性与阻尼，在输出侧出现扰动时，频率响应更加顺滑。VSG系统会在惯性的作用下缓慢调整，使其输出功率与负荷功率达到新的平衡，避免剧烈振荡的产生。将VSG技术应用于BIPV建筑，可以有效提高光伏发电系统的抗干扰能力，提高电网稳定性。2.2 虚拟同步发电机原理VSG技术的本质是将传统同步发电机P-f、Q-V下垂控制与同步发电机的定子电磁方程、转子机械方程结合起来，一起引入逆变器控制算法中，使逆变器获得与同步发电机相似的强阻尼、大惯性以及一次调压、一次调频等特性。此外，同步发电机转子质量固定，因此其惯性和受到的阻尼也无法改变。与同步发电机不同的是，VSG系统的惯性和阻尼不受外部物理条件的影响，可以根据实际工作情况进行调整。VSG控制算法框图如图1所示。图1中上半部分为有功-频率控制，通过有功调节控制输出电压频率，下半部分为无功-电压控制，通过无功调节控制输出电压幅值。两者一起控制了VSG系统的输出电压。图1中J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，两者构成了VSG系统中的惯性和阻尼，为系统的稳定性提供保障。设式（1）。（1）设P为输出有功功率，P为输出无功功率，E为输出电压幅值，为输出电压角频率，EN，N分别为对应额定值，PN为有功功率额定值，QN为无功功率额定值，kp、kq分别为有功、无功下垂系数。可得逆变器下垂控制如式（2）8。（2）将式（1）与逆变器下垂控制、同步发电机摇摆方程结合，可得式（3）。（3）图1 VSG控制算法框图72 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用式（3）为虚拟同步发电机的数学模型。由式（3）可知，VSG控制系统不仅具备下垂控制有功调频、无功调压特性，还在有功控制环路和无功控制环路上增加了惯性和阻尼。当系统发生突变时，VSG控制系统能够保持平滑的电压幅值、频率输出曲线，具备较强的稳定性。当系统接入大电网时，VSG系统能够为大电网中的负载功率突变提供缓冲，可以有效遏制电力系统功率振荡，提高了电力系统的可靠性。吕志鹏9等通过仿真和样机实验证实了VSG控制系统的工作特性。综上所述，VSG技术10-16能为BIPV提供可调节的惯性和阻尼，能够有效提高BIPV中光伏发电系统的抗扰动能力。随着BIPV逐渐应用于生产生活中，光伏发电在电网中的占比逐渐增加，VSG技术带来的惯性和阻尼可以有效提高电网的稳定性。3 结语BIPV将建筑与光伏发电整合在一起，提高了建筑的空间利用率，减少了电能在输送过程中的损耗和碳排放。随着技术的不断完善，BIPV在生产生活中的实际应用越来越多。将VSG技术应用于BIPV可以弥补光伏发电系统缺乏惯性、阻尼的缺点，提高光伏发电系统乃至整个电网的稳定性，进一步推广BIPV的应用。可见VSG技术在BIPV中有着很不错的应用前景。参考文献1 Timbus A,Liserre M,Teodorescu R,et al.Evaluation of Current Controllers for Distributed Power Generation SystemsJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(3):654-664.2 丁明,王敏.分布式发电技术J.电力自动化设备,2004(07):31-36.3 钟庆昌.虚拟同步机与自主电力系统J.中国电机工程学报,2017,37(02):336-349.4 黄心雨,陈稳.光伏建筑一体化(BIPV)应用现状与发展前景J.土木工程与管理学报,2022,39(03):160-166.5 任小玲,周逸铖,杨晨旭.光伏建筑一体化应用及经济效益分析J.建筑经济,2022,43(S1):975-978.6 余杰.光伏建筑一体化在建筑立面和屋顶的安装方法研究J.能源科技,2022,20(04):58-61+74.7 Zhong Q C,Blaabjerg F,Cecati C.Power-Electronics-Enabled Autonomous Power SystemsJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017,64(7):5904-5906.8 朱珊珊,汪飞,郭慧,王奇丰,高艳霞.直流微电网下垂控制技术研究综述J.中国电机工程学报,2018