王建安,祝文軍,鄒強(qiáng),李鋼,黃如海

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102;2.青海陜煤新能源科技有限公司,青海 西寧 810001)

0 引 言

光伏系統(tǒng)的光伏單元數(shù)量很多,隨著并網(wǎng)容量的增加,其動(dòng)態(tài)特性將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。使用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simu-lation,RTDS)研究光伏系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性時(shí),若搭建成百上千臺(tái)光伏單元的詳細(xì)模型,過(guò)高的運(yùn)算階數(shù)和仿真實(shí)時(shí)性的要求將會(huì)消耗巨大的仿真資源,從而給建模仿真帶來(lái)困難[1]。通常在考察整個(gè)光伏系統(tǒng)并入交流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特征時(shí),可將光伏系統(tǒng)等效為一個(gè)整體進(jìn)行建模,只須等值模型能準(zhǔn)確模擬PCC點(diǎn)各頻段的動(dòng)態(tài)特性[2-6]。建立等值模型的一般步驟是先對(duì)站內(nèi)的光伏單元按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行分群,再對(duì)同群的單元進(jìn)行等值,風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能站的等值與光伏系統(tǒng)的等值方法相同[7-9]。本文基于RTDS電磁暫態(tài)仿真平臺(tái),以同群光伏系統(tǒng)為研究對(duì)象,其研究結(jié)果和結(jié)論將為風(fēng)電、儲(chǔ)能的電磁暫態(tài)等值建模提供積極的參考。該方法旨在對(duì)光伏系統(tǒng)的所有光伏單元進(jìn)行等值,忽略了集電線路及廠站內(nèi)其他電力電子設(shè)備的影響,該法使用的前提條件是各光伏單元具有同調(diào)性,即一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)、控制系統(tǒng)、外部環(huán)境(光照強(qiáng)度、溫度)等均相同。

本文從以下方面進(jìn)行研究:1)分別給出倍乘和聚合兩種等值原理,分析倍乘和聚合兩種方法的準(zhǔn)確性和優(yōu)缺點(diǎn);2)搭建多臺(tái)光伏單元的RTDS詳細(xì)多機(jī)模型作為參考,搭建倍乘和聚合的RTDS等值模型;3)分別在兩種不同系統(tǒng)短路容量下,通過(guò)故障穿越、有功階躍、頻率偏移等試驗(yàn)以及阻抗頻率掃描進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 倍乘等值

RTDS中有一類變壓器采用貝杰龍傳輸線原理建模,基于該原理可實(shí)現(xiàn)功率倍乘。倍乘時(shí),特征阻抗減小N倍,原邊電流增大N倍,從而功率增大N倍。在不改變變壓器閥側(cè)光伏單元輸出特性的基礎(chǔ)上,按倍乘系數(shù)放大變壓器網(wǎng)側(cè)輸出功率,可實(shí)現(xiàn)用1臺(tái)光伏模型等值多臺(tái)相同工況光伏單元模型的目的。功率倍乘如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)倍乘

倍乘變壓器采用接口傳輸線原理,相對(duì)于常規(guī)變壓器建模原理,引入一個(gè)虛擬對(duì)地電容,如圖2所示。圖2中Lsys為系統(tǒng)電感。

圖2 倍乘模型結(jié)構(gòu)

虛擬電容與變壓器的短路電感滿足以下關(guān)系:

(1)

式中:Cfic是虛擬電容值,ΔT是仿真主步長(zhǎng),Ltr是變壓器短路電感。

根據(jù)變壓器電氣參數(shù),可得:

(2)

式中:VLLrated是PCC母線額定電壓,f0是基波頻率,NStr是變壓器倍乘后容量,Xrt*是變壓器短路電抗標(biāo)幺值。

定義虛擬電容無(wú)功標(biāo)幺值為Qfic*,可得:

(3)

綜合以上公式,可得:

(4)

本文案例采用的是RTDS通用換流器模型(universal converter model,UCM),UCM對(duì)接收的脈沖進(jìn)行改進(jìn),可支持高頻開(kāi)關(guān)器件在主步長(zhǎng)(約50 μs)運(yùn)行仿真。

假設(shè)Xrt*為0.1,f0為50 Hz,ΔT=50 μs,且網(wǎng)側(cè)電壓VLL運(yùn)行在額定電壓VLLrated,可計(jì)算出Qfic*=0.247%。

由上述推導(dǎo)可知,該虛擬電容引入的基波無(wú)功功率占比很小,通?？梢院雎?但該電容對(duì)高頻阻抗特性的影響需要關(guān)注。

2 聚合等值

基于變壓器閥側(cè)變流器輸入阻抗不變的原則,不改變變流器一次系統(tǒng)及控制系統(tǒng)參數(shù),如圖3所示,保持聚合前后Zvsc不變,通過(guò)改變變壓器變比以提升副邊電壓的方式,實(shí)現(xiàn)原邊輸入阻抗是聚合前的1/N。

圖3 聚合模型等效電路

等效電路中,Zin、Zt、V2與Zin′、Zt′、V2′分別為變壓器聚合前后的輸入阻抗、短路阻抗、副邊電壓。

聚合前的阻抗:

(5)

聚合后的阻抗:

(6)

變壓器容量由Str聚合到NStr,聚合前后不改變變壓器阻抗標(biāo)幺值,可得

Zt′=Zt/N

(7)

根據(jù)等值條件

Zin′=Zin/N

(8)

可得

(9)

3 光伏系統(tǒng)等值建模與驗(yàn)證分析

3.1 RTDS等值建模

基于RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái),以容量30 MW的光伏系統(tǒng)為例,分別搭建30臺(tái)單機(jī)1 MW的參考模型、1臺(tái)30 MW倍乘模型及1臺(tái)30 MW聚合模型。參考模型由30臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的1 MW光伏單元組成,分別經(jīng)30臺(tái)變壓器并入交流系統(tǒng)。倍乘模型在單機(jī)1 MW的基礎(chǔ)上將變壓器倍乘系數(shù)設(shè)置為30后并入交流系統(tǒng),聚合模型以1臺(tái)30 MW光伏單元經(jīng)變壓器并入交流系統(tǒng)。3個(gè)模型的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略及控制參數(shù)、光照和溫度條件均相同。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

圖4中,光照和溫度是光伏單元的外部變量輸入,Udc為變流器直流側(cè)電壓。建立光伏陣列模型,通過(guò)最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)算法計(jì)算其最大功率點(diǎn)電壓作為變流器直流電壓控制的參考值。

變流器控制方式為直流側(cè)定直流電壓、交流側(cè)定無(wú)功控制。一次系統(tǒng)元件參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1—表4所示。

表1 光伏單元電氣參數(shù)

表2 變流器電氣參數(shù)

表3 變壓器電氣參數(shù)

表4 等值前后主要運(yùn)行參數(shù)

3.2 仿真驗(yàn)證分析

3個(gè)模型的光伏變流器解鎖后均運(yùn)行滿功率30 MW,分別在強(qiáng)系統(tǒng)和弱系統(tǒng)下進(jìn)行仿真驗(yàn)證,強(qiáng)系統(tǒng)短路比(short circuit ratio,SCR)是5,弱系統(tǒng)SCR是2。驗(yàn)證試驗(yàn)包括故障穿越(分為高、低電壓穿越)、有功階躍、頻率偏移。觀測(cè)對(duì)象是3個(gè)模型的網(wǎng)側(cè)A相電壓、A相電流、有功功率、無(wú)功功率及系統(tǒng)頻率。

3.2.1 高電壓穿越

圖5、圖6分別是SCR=5和SCR=2時(shí)的高電壓穿越試驗(yàn)波形,設(shè)置網(wǎng)側(cè)PCC電壓由1.0 p.u.抬升至1.2 p.u.,經(jīng)300 ms后恢復(fù)至1.0 p.u.。

圖5 高電壓穿越試驗(yàn)(SCR=5)

圖6 高電壓穿越試驗(yàn)(SCR=2)

3.2.2 低電壓穿越

圖7、圖8分別是SCR=5和SCR=2時(shí)的低電壓穿越試驗(yàn)波形,設(shè)置網(wǎng)側(cè)PCC電壓由1.0 p.u.跌落至0.2 p.u.,經(jīng)300 ms后恢復(fù)至1.0 p.u.。

圖7 低電壓穿越試驗(yàn)(SCR=5)

圖8 低電壓穿越試驗(yàn)(SCR=2)

3.2.3 有功階躍

圖9、圖10分別是SCR=5和SCR=2時(shí)的有功階躍試驗(yàn)波形,設(shè)置有功指令由1.0 p.u.跌落至0.2 p.u.,經(jīng)300 ms后恢復(fù)至1.0 p.u.。

圖9 有功階躍試驗(yàn)(SCR=5)

圖10 有功階躍試驗(yàn)(SCR=2)

3.2.4 頻率偏移

圖11、圖12分別是SCR=5和SCR=2時(shí)的頻率偏移試驗(yàn)波形,設(shè)置系統(tǒng)頻率由50 Hz下降至49.5 Hz,300 ms后恢復(fù)至50 Hz,經(jīng)200 ms之后,系統(tǒng)頻率由50 Hz上升至50.5 Hz,300 ms后恢復(fù)至50 Hz。

圖11 頻率偏移試驗(yàn)(SCR=5)

圖12 頻率偏移試驗(yàn)(SCR=2)

經(jīng)不同系統(tǒng)短路容量下4個(gè)暫態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證,從波形可以看出三個(gè)模型的暫態(tài)特性基本相同,其中聚合模型與參考模型的暫態(tài)特性曲線高度重合,而倍乘模型與參考模型的無(wú)功功率曲線略有偏差,主要因虛擬電容的引入帶來(lái)了影響。

4 阻抗頻率特性分析

故障穿越、有功階躍及頻率偏移等試驗(yàn)主要體現(xiàn)光伏系統(tǒng)在工頻下的暫態(tài)特性,但在研究光伏接入柔直的穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)(如接入孤島柔直后的穩(wěn)定性),光伏系統(tǒng)的阻抗頻率特性顯得尤為重要[10-11]?；赿q阻抗掃描方法對(duì)模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的阻抗頻率特性進(jìn)行分析[12]。相較于序阻抗理論,dq阻抗分析方法與實(shí)際系統(tǒng)的物理環(huán)節(jié)聯(lián)系更加緊密,有利于定量分析外部阻抗特性與內(nèi)部控制環(huán)節(jié)之間的關(guān)系?？紤]基波三相平衡的交流系統(tǒng)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下存在直流靜態(tài)工作點(diǎn),可基于周期平均模型在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行線性化處理,建立并網(wǎng)變流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的小信號(hào)模型,dq阻抗表征了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并網(wǎng)變流器外端口小信號(hào)電壓和電流的關(guān)系,如式(10)表示。

(10)

式中:ΔUd、ΔUq為端口dq域小電壓信號(hào);Δid、Δiq為端口dq域小電流信號(hào);Zdd(s)、Zqq(s)分別為d軸、q軸阻抗,Zdq(s)、Zqd(s)為耦合項(xiàng)。

采用RTDS的諧波阻抗掃描元件分別對(duì)參考模型、倍乘模型及聚合模型PCC點(diǎn)的電壓源換流器(voltage source converter,VSC)側(cè)進(jìn)行阻抗掃描,從PCC點(diǎn)采集三相電壓電流,掃描分析結(jié)果如圖13所示。

(b)相頻特性圖13 三個(gè)模型的阻抗頻率特性

從掃描結(jié)果可以看出,倍乘模型與參考模型的頻率阻抗特性在低頻段(300 Hz以下)重合度較高,而在高頻段(300 Hz以上)有明顯的偏差;聚合模型與參考模型的阻抗特性在整個(gè)頻段完全一致(圖中藍(lán)線與綠線完全重合)。掃描結(jié)果印證了聚合模型比倍乘模型具有更高的等值精度,因此聚合等值方法更適用于光伏系統(tǒng)接入柔直的阻抗頻率穩(wěn)定性研究。

5 結(jié) 論

提出基于變流器輸入阻抗不變的聚合方法,通過(guò)改變變壓器變比使原邊輸入阻抗與參考模型相同,從而得出與實(shí)際多機(jī)系統(tǒng)一致的暫態(tài)特性和阻抗頻率特性,因此該方法對(duì)同群光伏系統(tǒng)等值具有更高的準(zhǔn)確性。

該等值方法在形式上依然屬于同調(diào)等值,但在實(shí)際光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),大概率會(huì)存在各光伏單元參數(shù)差異、所受光照強(qiáng)度不同以及環(huán)境溫度不等的影響,以至各光伏單元出力的一致性無(wú)法滿足,此時(shí)需先對(duì)光伏單元分群,隨后再使用該法做等值。