余明昊， 顧雪平， 李少巖

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著國內(nèi)外對于各類化石能源的消耗不斷加劇及自然環(huán)境的惡化,減少對傳統(tǒng)火電的依賴性是必然的趨勢。而風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電形式具有無污染、資源豐富等優(yōu)勢。在我國,風(fēng)電、光伏等新能源的建設(shè)分布與我國的用電需求在空間分布上有逆向趨勢。我國主要的風(fēng)電大多分布在西北地區(qū),同時(shí)光伏發(fā)電也大多處于光照資源豐富但消納電能能力不足的西北地區(qū),而我國的主要電能需求則在華中以及沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地帶。所以,將電能外送便成為了解決新能源發(fā)電、用電不平衡問題的首選方法。

以風(fēng)光火打捆交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)為基礎(chǔ),將電能送至電能消納能力強(qiáng)、需求高的地區(qū)能高效地緩解電力的不平衡消納情況。但風(fēng)電、光伏等新能源的高比例并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的整體暫態(tài)穩(wěn)定性更加復(fù)雜和難以預(yù)測,同時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)送端慣量和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度的下降[1,2]。目前,以虛擬同步機(jī)策略作為改善新能源高比例并網(wǎng)引起的送端慣量問題的方法雖已被廣泛接受,但還未有研究將虛擬同步機(jī)策略與風(fēng)光火打捆外送系統(tǒng)相結(jié)合。因此,需要對典型風(fēng)光火打捆交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性及其慣量提升問題進(jìn)行深入的研究。

目前針對風(fēng)光火打捆或風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性方面已進(jìn)行了一定地研究。文獻(xiàn)[3-6]從理論和仿真等方面分析了多種不同指標(biāo)對風(fēng)火打捆外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機(jī)制,并提出了控制算法方面的改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]針對風(fēng)光火打捆系統(tǒng),分析了火電配比及多種直流運(yùn)行故障對系統(tǒng)的影響機(jī)理,并討論了風(fēng)電、光伏的故障脫網(wǎng)時(shí)序。文獻(xiàn)[8]針對風(fēng)火打捆系統(tǒng)中的雙饋風(fēng)電機(jī)組,給出了其等效外特性,并仿真分析了其暫態(tài)特性以及故障穿越時(shí)風(fēng)機(jī)的故障響應(yīng)。而針對風(fēng)電、光伏機(jī)組的VSG策略,文獻(xiàn)[9-11]首先從基礎(chǔ)原理、實(shí)現(xiàn)方法和控制目的等方面介紹了應(yīng)用于風(fēng)電和光伏的VSG控制策略的相關(guān)概念,總結(jié)了VSG控制策略的研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[12]以雙饋風(fēng)電機(jī)組參與有功調(diào)頻后穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo),提出了一種以風(fēng)速和頻率偏差值為參考的虛擬同步機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制。文獻(xiàn)[13]將風(fēng)火打捆系統(tǒng)與VSG策略相結(jié)合,分析了電網(wǎng)故障和風(fēng)速擾動(dòng)下VSG策略的有效性,但并未在送端計(jì)及光伏機(jī)組并入的影響?？傮w上看,針對風(fēng)光火三者打捆系統(tǒng)的各方面研究以及結(jié)合虛擬同步機(jī)策略的送端慣量提升問題的研究依然較為初步,需要更進(jìn)一步的探索。

本文基于PSCAD仿真軟件,首先搭建了風(fēng)電、光伏、火電打捆外送系統(tǒng)的基礎(chǔ)仿真模型,包括送端的雙饋風(fēng)電機(jī)組、光伏、火電機(jī)組部分的模型以及高壓直流模型等。選取火電機(jī)組功角首擺角度和功角波動(dòng)恢復(fù)情況為指標(biāo)來表征打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。之后通過仿真分析了不同的交流故障類型、送端風(fēng)光火三者占比以及直流整流側(cè)控制方式對打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響,并給出了相應(yīng)結(jié)論。之后在雙饋風(fēng)電機(jī)組和光伏的換流器環(huán)節(jié)中引入虛擬同步機(jī)控制策略,并通過仿真驗(yàn)證了該控制策略對送端打捆系統(tǒng)慣量的有效提升,旨在為風(fēng)光火打捆交直流混聯(lián)電網(wǎng)送端系統(tǒng)的建設(shè)與高效運(yùn)行提供幫助和參考。

1 風(fēng)光火打捆交直流混聯(lián)系統(tǒng)建模

1.1 光伏系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池陣列模塊、并網(wǎng)換流器及其內(nèi)部控制模塊組成。

依據(jù)光伏電池的內(nèi)部參數(shù),經(jīng)過化簡便能得出可用于工程計(jì)算的光伏電池組的模型表達(dá)式[14,15]。

(1)

式(1)中:Isc、Im分別為短路電流和最大功率點(diǎn)的負(fù)載電流;Uoc、Um則分別為開路電壓和最大功率點(diǎn)的負(fù)載電壓。

在d-q-0坐標(biāo)系下,光伏機(jī)組換流器的機(jī)電暫態(tài)等效方程為

(2)

式(2)中:Ed、Eq、id、iq為換流器交流電壓和交流電流的d、q分量;L為連接電抗;f為系統(tǒng)頻率;Ud、Uq為電網(wǎng)側(cè)電壓的d、q分量;R為連接電阻;s為微分算子。

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組模型

本文以雙饋風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)光火打捆系統(tǒng)送端風(fēng)電部分的仿真模型對象。DFIG相對異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)等類型的風(fēng)機(jī)具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、調(diào)度靈活、經(jīng)濟(jì)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。

DFIG仿真模型的主體部分主要由風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、換流器模塊以及電氣控制、軸系傳動(dòng)模塊等部分組成,如圖1所示。

雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)過程可以使用電壓、磁鏈等方程組來表示。雙饋風(fēng)機(jī)的電壓方程組分為定、轉(zhuǎn)子電壓方程兩個(gè)部分:

(3)

雙饋風(fēng)力機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(4)

轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

式(3)、(4)、(5)中,ud1、ud2、uq1、uq2分別為機(jī)組定、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的d、q軸分量;id1、id2、iq1、iq2分別為機(jī)組定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流的d、q軸分量;ψd1、ψd2、ψq1、ψq2分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量;np為發(fā)電機(jī)的極對數(shù);T1、T2分別為電機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩;ω、ωs分別為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度和d-q坐標(biāo)下相對于轉(zhuǎn)子的角速度;L1、L2、…、Ln分別為d-q坐標(biāo)下定、轉(zhuǎn)子的自、互感;J1則為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.3 直流輸電系統(tǒng)模型

本研究中,直流系統(tǒng)的仿真模型主要由線路模塊、控制模塊以及其他附加控制模塊組成。直流換流站以準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型運(yùn)行,對其自身的暫態(tài)過程加以忽略,直流換相過程用代數(shù)方程的方式描述,直流線路模型以T型等值電路表示[16]。

高壓直流輸電部分的數(shù)學(xué)等效模型:

(6)

2 虛擬同步機(jī)控制部分建模

由于風(fēng)電、光伏等新能源旋轉(zhuǎn)備用容量小、與電網(wǎng)解耦運(yùn)行等特點(diǎn),過高的新能源占比會(huì)引起打捆外送系統(tǒng)送端的低慣量、低阻尼等問題,使得系統(tǒng)更易受故障或功率波動(dòng)的影響,最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)在大擾動(dòng)下失穩(wěn)。而將虛擬同步機(jī)控制策略引入打捆系統(tǒng)送端風(fēng)電、光伏機(jī)組的并網(wǎng)換流器中可以有效改善送端系統(tǒng)的低慣量及欠阻尼問題。

VSG技術(shù)指將傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)方程嵌入風(fēng)電或光伏機(jī)組外送電力電子變換器控制策略中,使其模擬同步電機(jī)電磁與機(jī)械運(yùn)動(dòng)外特性[17]。

為避免建模過于復(fù)雜同時(shí)兼顧實(shí)用性,本文以二階同步電機(jī)模型為仿真建模目標(biāo)。VSG控制模擬的同步電機(jī)二階轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以表達(dá)為

(7)

式(7)中:Tm和Te分別表示原動(dòng)機(jī)機(jī)械和電磁轉(zhuǎn)矩;θ1表示功角;ω和ωref分別表示轉(zhuǎn)子角速度和額定角速度;J參數(shù)為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù);D參數(shù)為轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)。

而定子電氣方程可以表示為

(8)

式(8)中:uabc為定子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢;eabc為定子側(cè)三相輸出端電壓;Ls、Cs分別為電樞電感和電容。

采用以上兩式建模,建模過程相對簡便,同時(shí)也能保證逆變器具備所模擬的同步電機(jī)的慣量特性。

VSG的基本結(jié)構(gòu)主要包括主電路和控制電路等幾部分,其中主電路部分主要包括并網(wǎng)換流器以及LC濾波電路等。VSG的總體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 VSG總體控制結(jié)構(gòu)圖

VSG控制算法主要在于功率外環(huán)控制部分中的有功-頻率下垂控制環(huán)(P-f)和無功-電壓下垂控制環(huán)(Q-E)兩個(gè)部分。

VSG有功-頻率、無功-電壓下垂控制方程可以表示為

(9)

式(9)中:ω0、ωn分別為電網(wǎng)同步角速度和模擬機(jī)械角速度;Kp、Kq分別為有功-頻率下垂系數(shù)、無功-電壓下垂系數(shù);Pout、Qout分別為功率計(jì)算部分得出的電網(wǎng)實(shí)時(shí)有功、無功。

VSG的核心計(jì)算部分是結(jié)合式(7)與式(9),通過功率給定值Pref、Qref與功率計(jì)算部分得出的傳遞功率Pout、Qout,經(jīng)過控制環(huán)的內(nèi)部計(jì)算得出虛擬內(nèi)電勢幅值E與相位角θ。VSG的功率控制環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 VSG功率控制環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)

本文基于PSCAD仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)光火打捆外送系統(tǒng)的基礎(chǔ)仿真模型。送端由雙饋風(fēng)電模塊、光伏發(fā)電模塊、火電機(jī)組模塊構(gòu)成,經(jīng)由交、直流外送線路聯(lián)接至兩受端系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 風(fēng)-光-火打捆外送系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速輸入初始為11 m/s,輸入光伏電池組的光照強(qiáng)度初始為1 000 W/m2,溫度為25℃。匯流母線1基準(zhǔn)電壓為500 kV,雙饋風(fēng)電機(jī)組通過33/0.4/0.4 kV、33/500 kV變壓器匯入母線,光伏發(fā)電系統(tǒng)通過33/0.4 kV、33/500 kV變壓器匯入母線。HVDC部分電壓等級(jí)為±500 kV,輸送線路長度為500 km,額定換流器容量為500 MVA。交流線路由電壓等級(jí)500 kV的雙回輸電線路組成,線路長度為200 km。

3.2 仿真分析

針對打捆外送系統(tǒng),文獻(xiàn)[18-21]基于EEAC法從理論方面分析了新能源占比對打捆外送系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響:若維持送端總輸出功率一定,當(dāng)受端系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)時(shí),即受端系統(tǒng)的慣量與容量均遠(yuǎn)大于送端系統(tǒng)時(shí),新能源占比的提升會(huì)使系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性得到改善;而當(dāng)受端系統(tǒng)為非無窮大系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)隨新能源占比的增加先提升后下降,此時(shí)即存在一個(gè)最優(yōu)風(fēng)光火配比可使系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性最優(yōu)。

本仿真中兩受端系統(tǒng)均為非無窮大系統(tǒng)。對風(fēng)電、光伏、火電的出力情況進(jìn)行分組,情況如表1所示。

表1 風(fēng)光火配比分組情況

保持送端總出力600 MW不變,首先在不考慮虛擬同步機(jī)策略的情況下仿真不同的故障類型對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。選取火電機(jī)組功角首擺角度和故障恢復(fù)后功角波動(dòng)的恢復(fù)情況作為判據(jù)。功角首擺越小,故障恢復(fù)后功角波動(dòng)恢復(fù)的越快,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性越好。

在C組配比工況下,分別設(shè)置單相接地和三相接地故障發(fā)生在交流同一回線路50%處,故障發(fā)生在2.5秒,持續(xù)0.1秒后故障清除?；痣姍C(jī)組的功角仿真曲線如圖5所示。

如圖5所示,當(dāng)打捆系統(tǒng)發(fā)生三相故障時(shí),火電機(jī)組功角首擺角度高于單相故障的功角首擺角度,且故障恢復(fù)后功角波動(dòng)的恢復(fù)情況也差于單相故障,恢復(fù)周期更長,由此可知相比于單相故障,三相故障對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的造成影響更大。三相故障是對系統(tǒng)危害最大的故障類型,所以后續(xù)其他工況的仿真中都將以三相故障作為研究對象。

之后分析風(fēng)電、光伏、火電三者的占比對打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)風(fēng)光的總出力占比為0、25%、50%、75%時(shí)(A、B、D、F組),設(shè)置三相故障發(fā)生在交流某一回線路50%處,故障發(fā)生在3秒,持續(xù)0.1秒后故障清除,火電機(jī)組功角波動(dòng)如圖6所示。

圖6 風(fēng)光占比對火電機(jī)組功角的影響

由圖6可以看出,故障發(fā)生后,A組配比的功角首擺最大,B組其次,D組最小。故障恢復(fù)后,功角波動(dòng)的恢復(fù)速度同樣隨著風(fēng)光占比的增加而提升,但當(dāng)風(fēng)光占比達(dá)到75%(F組)時(shí),系統(tǒng)發(fā)生故障后波動(dòng)失穩(wěn)。

可知,隨著風(fēng)電、光伏的占比在打捆系統(tǒng)中增加,系統(tǒng)的功角首擺特性和故障恢復(fù)后的功角波動(dòng)情況都有所改善,但隨著風(fēng)光總占比的進(jìn)一步增加,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出下降趨勢,所以在本系統(tǒng)中存在一個(gè)最優(yōu)的風(fēng)光占比。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論,通過仿真求得了不同風(fēng)光火占比情況下火電機(jī)組功角極限切除時(shí)間,如表2所示。

表2 不同風(fēng)光火占比下火電機(jī)組功角極限切除時(shí)間

由表2可知,D組配比對應(yīng)的火電機(jī)組功角極限切除時(shí)間最長,這也驗(yàn)證了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性隨風(fēng)光占比的增加呈現(xiàn)出先提升后下降趨勢的結(jié)論。

為確定本系統(tǒng)中的風(fēng)光火最優(yōu)配比,對風(fēng)光占比為40%、50%、60%(C、D、E組)進(jìn)行仿真分析。

由圖7可知,C組仿真的功角首擺和波動(dòng)恢復(fù)情況均略好于D組配比,而E組仿真中系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖7 不同風(fēng)光火配比下功角情況

由表3可知,C組配比極限切除時(shí)間最長,而當(dāng)風(fēng)光配比繼續(xù)上升時(shí),火電機(jī)組的極限切除時(shí)間在呈現(xiàn)下降趨勢。綜上數(shù)據(jù),本模型中對應(yīng)的最優(yōu)風(fēng)光占比應(yīng)該在40%左右。

表3 不同風(fēng)光火占比下火電機(jī)組功角極限切除時(shí)間

實(shí)際當(dāng)中,不同打捆系統(tǒng)的新能源最優(yōu)配比受系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等各種因素的影響而有所不同,應(yīng)通過更加具體的仿真加以確定。

3.3 直流線路控制方式對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

HVDC系統(tǒng)的整流側(cè)有多種控制方式,不同的控制方式會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生截然不同的影響。

依舊以圖4系統(tǒng)C組數(shù)據(jù)為仿真對象,設(shè)置三相故障發(fā)生仿真3秒時(shí)交流一回線路50%處,故障持續(xù)0.1秒后清除。仿真分析HVDC系統(tǒng)整流側(cè)分別以定功率和定電流方式運(yùn)行時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

由圖8可以看到,定功率控制方式下,打捆系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)。可知,HVDC系統(tǒng)整流側(cè)采取定電流方式時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)于定功率方式。

圖8 不同直流控制方式下功角情況

若HVDC系統(tǒng)整流側(cè)采用定電流控制方式,系統(tǒng)優(yōu)先保證電流恒定,則直流電壓會(huì)伴隨換流母線電壓因擾動(dòng)產(chǎn)生的下降而減小。此時(shí)HVDC系統(tǒng)的輸電功率和吸收的無功功率均會(huì)下降,降低了對交流系統(tǒng)支撐能力的需求;若HVDC系統(tǒng)整流側(cè)以定功率方式運(yùn)行,故障發(fā)生后,HVDC系統(tǒng)將優(yōu)先保證輸電功率的穩(wěn)定。此時(shí)換流母線的電壓水平出現(xiàn)下降,為維持輸電功率,直流電流會(huì)升高,這增加了對系統(tǒng)換相角和無功功率的需求。所以,HVDC系統(tǒng)整流側(cè)以定電流方式運(yùn)行相比于定功率方式對于風(fēng)光火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性更有利。

3.4 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制仿真分析

為驗(yàn)證VSG控制算法與打捆系統(tǒng)送端風(fēng)、光兩機(jī)組結(jié)合后的可行性及有效性,仍以圖4系統(tǒng)C組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)仿真分析風(fēng)、光機(jī)組有無VSG控制策略的區(qū)別。設(shè)置三相故障發(fā)生仿真3秒時(shí)交流一回線路50%處,故障持續(xù)0.1秒后故障清除。VSG仿真參數(shù)如表4所示。

表4 VSG仿真參數(shù)

擾動(dòng)發(fā)生后,可以看到圖9～10中,風(fēng)電和光伏機(jī)組輸出功率受擾后的首擺幅度、波動(dòng)頻率以及恢復(fù)速度都優(yōu)于VSG策略加入前。而從圖11看,母線頻率受擾后的擺動(dòng)幅度和恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也都有所優(yōu)化。圖12中可以觀察到,送端火電機(jī)組的功角擺幅有所減小,恢復(fù)速度也更快,VSG控制策略有效地改善了火電機(jī)組的功角響應(yīng)。從各項(xiàng)仿真結(jié)果可以看到,送端系統(tǒng)風(fēng)電與光伏機(jī)組并網(wǎng)換流器中加入VSG控制策略后,風(fēng)、光機(jī)組受擾后的各項(xiàng)輸出響應(yīng)均有所優(yōu)化,系統(tǒng)送端表現(xiàn)出了更好的慣量特性。

圖9 風(fēng)電輸出功率對比圖

圖10 光伏輸出功率對比圖

圖11 匯流母線1頻率對比圖

圖12 火電機(jī)組功角對比圖

4 結(jié) 論

對典型風(fēng)光火打捆交直流混聯(lián)外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真分析和基于虛擬同步機(jī)策略解決打捆系統(tǒng)送端低慣量問題都具有著重要意義。本文基于PSCAD仿真軟件搭建了風(fēng)光火打捆外送系統(tǒng)的基礎(chǔ)仿真模型,深入分析了交流故障類型、風(fēng)光火占比以及直流控制方式對打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響,并通過將虛擬同步機(jī)策略與打捆系統(tǒng)中的風(fēng)電、光伏機(jī)組有效結(jié)合給予了系統(tǒng)送端虛擬慣量支撐,通過仿真得出了與理論相符的結(jié)論:

(1)三相故障對比單相故障對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響更加嚴(yán)重。維持送端總出力不變,當(dāng)系統(tǒng)受端非無窮大時(shí),隨著風(fēng)電、光伏出力占比的增加,打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢,針對功角特性存在最優(yōu)配比。

(2)HVDC系統(tǒng)整流側(cè)采取定電流方式比定功率方式擁有更優(yōu)的總體暫態(tài)穩(wěn)定性。

(3)VSG策略與打捆系統(tǒng)送端風(fēng)、光機(jī)組結(jié)合能有效改善送端系統(tǒng)機(jī)組受擾后的響應(yīng),使系統(tǒng)送端表現(xiàn)出了更好的慣量特性。