王新宇,任 正,陳財(cái)福,白云鵬,鄭婷婷

(國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

隨著新能源接入電力系統(tǒng)占比逐漸增加,直流輸電的大規(guī)模推廣應(yīng)用,電力系統(tǒng)電力電子化特征明顯,由其導(dǎo)致的寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)凸顯[1-3],內(nèi)蒙古地區(qū)新能源裝機(jī)逐漸增加,構(gòu)成典型強(qiáng)直弱交型電網(wǎng),且存在串補(bǔ)、電力電子裝置、風(fēng)火電源耦合等引發(fā)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的多重因素[4]。

新能源機(jī)組并網(wǎng)寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要包括時(shí)域分析法和頻域分析法[5]。時(shí)域分析法最常用的時(shí)域建模分析技術(shù)包括基于小信號(hào)狀態(tài)空間模型的特征值分析和基于電磁暫態(tài)模型的時(shí)域仿真分析。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用機(jī)理建模方法,基于特征方程降階的思路,得到了反映變流器與電網(wǎng)交互影響的特征方程。文獻(xiàn)[7]建立直驅(qū)風(fēng)機(jī)正負(fù)序阻抗模型,利用奈奎斯特判據(jù)分析其接入交流電網(wǎng)次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理。文獻(xiàn)[8]通過(guò)時(shí)域仿真建立目標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型來(lái)判斷互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,直觀了解系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。

目前常用的頻域分析法包括頻率掃描法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法和基于阻抗模型的Nyquist判據(jù)法等。文獻(xiàn)[9]通過(guò)頻率掃描獲得串補(bǔ)輸電網(wǎng)的簡(jiǎn)化等值模型及其參數(shù),用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法推導(dǎo)出等值系統(tǒng)的電氣阻尼顯式表達(dá),綜合考慮機(jī)組扭振模式的電氣和機(jī)械阻尼來(lái)判別其穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]建立了中低頻段考慮頻率耦合的簡(jiǎn)化序阻抗模型和高頻段不考慮頻率耦合簡(jiǎn)化序阻抗模型,分頻段討論了不同控制環(huán)節(jié)對(duì)阻抗模型的影響。文獻(xiàn)[11]利用阻抗頻域分析法和奈惠斯特判據(jù)揭示雙饋風(fēng)電場(chǎng)與串補(bǔ)系統(tǒng)交互作用的次同步振蕩和雙饋風(fēng)電場(chǎng)與交流弱電網(wǎng)交互作用的超同步振蕩機(jī)理。文獻(xiàn)[12]對(duì)機(jī)組阻抗特性頻帶進(jìn)行劃分,并分析影響各頻帶阻抗特性的主導(dǎo)因素,結(jié)合最大峰值Nyquist穩(wěn)定判據(jù),揭示系統(tǒng)各頻帶振蕩機(jī)理。由于各廠商風(fēng)機(jī)控制器控制策略的保密性,上述各研究采取的建模分析手段盡管可以近似模擬實(shí)際控制器特性,但卻均無(wú)法精確模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際控制器物理特性。

本文基于RT-LAB仿真平臺(tái),開發(fā)新能源機(jī)組寬頻振蕩動(dòng)態(tài)分析裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器物理寬頻振蕩測(cè)試,并應(yīng)用于RT-LAB硬件在環(huán)仿真試驗(yàn),完成對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制器的頻域阻抗分析,解決了傳統(tǒng)建模分析手段無(wú)法精確模擬直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)控制性能問(wèn)題,對(duì)研究和分析新能源機(jī)組并網(wǎng)寬頻振蕩穩(wěn)定性具有重要意義。

1 新能源機(jī)組寬頻振蕩動(dòng)態(tài)分析方法

通常新能源機(jī)組控制器的控制策略以非可直接獲取的形式燒寫在控制器物理硬件中,稱為“黑盒”控制系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)阻抗辨識(shí)得到設(shè)備的阻抗頻率特性曲線,進(jìn)而分析其不同頻率下的阻抗特性。

如圖1所示,在待測(cè)新能源機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)注入三相諧波擾動(dòng)交流電壓源ΔUabc+、ΔUabc-,為避免擾動(dòng)信號(hào)幅值過(guò)大引起控制器過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作,同時(shí)避免擾動(dòng)信號(hào)幅值過(guò)小導(dǎo)致采樣信號(hào)失真,擾動(dòng)諧波源幅值取額定電壓幅值的1%～5%[13],其表達(dá)式如下:

圖1 擾動(dòng)注入法阻抗辨識(shí)

(1)

(2)

式中:fp+fn=2f1,f1為工頻50 Hz。

當(dāng)新能源機(jī)組收到電壓擾動(dòng)信號(hào)ΔUabc+、ΔUabc-后,會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的電流響應(yīng)信號(hào)ΔIabc+、ΔIabc-,根據(jù)歐姆定律,被測(cè)對(duì)象的阻抗特性可被定義為

(3)

寫成導(dǎo)納矩陣形式為

(4)

(5)

式中:左上角元素Ypp代表正序電壓擾動(dòng)ΔUabc+對(duì)正序電流響應(yīng)分量ΔIabc+的影響;右下角元素Ynn代表負(fù)序電壓擾動(dòng)ΔUabc-對(duì)負(fù)序電流響應(yīng)分量ΔIabc-的影響;右上角元素Ypn代表負(fù)序電壓擾動(dòng)ΔUabc-對(duì)正序電流響應(yīng)分量ΔIabc+的影響;左下角元素Ynp代表正序電壓擾動(dòng)ΔUabc+對(duì)負(fù)序電流響應(yīng)分量ΔIabc-的影響。

進(jìn)而可以用于機(jī)組控制器阻抗外特性穩(wěn)定性分析。為獲取新能源機(jī)組控制器阻抗外特性,本文基于上述原理設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖2所示的動(dòng)態(tài)分析裝置,通過(guò)將風(fēng)電機(jī)組控制器與RT-LAB組成硬件在環(huán)仿真平臺(tái),利用本裝置的與RT-LAB的硬件接口向RT-LAB模型中風(fēng)電機(jī)組端口注入擾動(dòng)信號(hào),再通過(guò)獲取風(fēng)機(jī)端口對(duì)應(yīng)的電壓擾動(dòng)和電流擾動(dòng)響應(yīng)信號(hào),進(jìn)而通過(guò)阻抗模型辨識(shí)方法獲得風(fēng)機(jī)寬頻帶阻抗。

圖2 裝置設(shè)計(jì)原理

2 寬頻振蕩穩(wěn)定判據(jù)

2.1 頻域穩(wěn)定判據(jù)

通過(guò)劃分交流電網(wǎng)阻抗和待測(cè)設(shè)備阻抗2個(gè)子系統(tǒng),獲得頻域阻抗模型,對(duì)比2個(gè)子系統(tǒng)的阻抗頻率特性曲線,基于阻抗穩(wěn)定判據(jù)分析新能源機(jī)組與交流系統(tǒng)間在不同頻率范圍內(nèi)是否存在振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。若兩曲線存在幅值交點(diǎn)時(shí),且此交點(diǎn)處相角裕度不足時(shí),則表明該點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率存在不穩(wěn)定的振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于接入短路比較低的弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組,在某特定頻率下,機(jī)組阻抗外特性表現(xiàn)為容性,且在諧振峰處呈現(xiàn)負(fù)阻尼特性,與弱電網(wǎng)感性特性參數(shù)相匹配從而引發(fā)振蕩發(fā)散[12,14]。

2.2 Nyquist穩(wěn)定判據(jù)

Nyquist穩(wěn)定判據(jù)依據(jù)如式(6)所示[15]:

Z=P-2(N+-N-)

(6)

式中:P為開環(huán)傳函正實(shí)部極點(diǎn)個(gè)數(shù);N+、N-分別表示包圍(-1,j0)的正、負(fù)穿越次數(shù)。

若Z=0,則系統(tǒng)穩(wěn)定,反之,系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)Z=0,且對(duì)應(yīng)的Nyquist曲線穿過(guò)(-1,j0)點(diǎn),則系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。

通常可將并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)側(cè)看成一個(gè)受控電流源,與電網(wǎng)形成一個(gè)串聯(lián)回路,其中風(fēng)電機(jī)組被看作是由機(jī)側(cè)的受控電流源Is和輸出阻抗Zs并聯(lián)得到,電網(wǎng)被看作是源系統(tǒng),由理想電壓源Vg和電網(wǎng)阻抗Zg串聯(lián)得到[16],如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)等效原理

結(jié)合戴維南等效定理,風(fēng)機(jī)輸出電流為

(7)

假設(shè)風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)在連接前均處于穩(wěn)定狀態(tài),Is為逆變器的穩(wěn)定參考電流,Vg為穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓源,Zg為電網(wǎng)側(cè)的無(wú)源線路阻抗,均不包含不穩(wěn)定極點(diǎn)。所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅由式(8)決定:

(8)

由式(8)可知,前向通道為1,反饋回路為Zg(s)/Zs(s)的負(fù)反饋控制閉環(huán)傳遞函數(shù)。在Zg(s)/Zs(s)滿足Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的條件下,H(s)才能保持穩(wěn)定,或通過(guò)Zg(s)/Zs(s)的伯德圖判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

3 基于RT-LAB的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

3.1 RT-LAB平臺(tái)HIL模型搭建

通常基于CPU的仿真無(wú)法做到實(shí)時(shí)計(jì)算,仿真步長(zhǎng)一般在幾十微秒左右,對(duì)于含有高頻電力電子開關(guān)的設(shè)備解算困難,計(jì)算耗時(shí)嚴(yán)重,本文研究采用的RT-LAB平臺(tái)基于FPGA的仿真器對(duì)電力電子電路進(jìn)行解算,最小仿真步長(zhǎng)可以達(dá)到納秒級(jí),大大提高解算效率。寬頻振蕩測(cè)試平臺(tái)原理及實(shí)物分別如圖4、圖5所示。

圖4 寬頻振蕩測(cè)試平臺(tái)原理

圖5 寬頻振蕩測(cè)試平臺(tái)實(shí)物

如圖5所示,RT-LAB將新能源機(jī)組主電路劃分為傳統(tǒng)電力設(shè)備元件部分和高頻電力電子開關(guān)元件2部分,其中傳統(tǒng)電力設(shè)備元件用CPU解算,含高頻電力電子開關(guān)電路的變流器采用eHS(electrical hardware solver)技術(shù),利用FPGA實(shí)現(xiàn)高頻電力電子開關(guān)的小步長(zhǎng)仿真,通過(guò)接收電網(wǎng)采樣信號(hào)調(diào)節(jié)PWM信號(hào),控制變流器輸出,實(shí)現(xiàn)CHIL(控制硬件在環(huán))實(shí)時(shí)仿真,提高仿真精度。

物理接口是新能源機(jī)組控制器實(shí)物硬件在環(huán)電氣量的交換單元,同時(shí)也是本文所用寬頻振蕩動(dòng)態(tài)分析信號(hào)的注入和采集接口;擾動(dòng)反饋信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與注入信號(hào)相比較從而完成對(duì)新能源機(jī)組與交流電網(wǎng)的阻抗分析。

基于上述平臺(tái)搭建方法,本文將直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制器、寬頻振蕩動(dòng)態(tài)分析裝與RT-LAB平臺(tái)構(gòu)成硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),并將直驅(qū)風(fēng)機(jī)、整流模塊、逆變模塊、濾波模塊、受控源等構(gòu)建為CPU解算模型,將物理控制器輸出信號(hào)送入FPGA中利用eHS技術(shù)實(shí)現(xiàn)解算,完成阻抗測(cè)量及寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.2 短路比設(shè)置

新能源發(fā)電單元電壓源換流器作為并網(wǎng)接口,具有良好的控制性能。然而這種電力電子式發(fā)電與電網(wǎng)相互作用可導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題,直驅(qū)風(fēng)機(jī)經(jīng)弱電網(wǎng)送出引發(fā)次同步振蕩問(wèn)題越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界關(guān)注[17],短路比大小用于表征電網(wǎng)強(qiáng)弱,根據(jù)GB/T 40581—2021《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算規(guī)范》規(guī)定,對(duì)新能源接入交流系統(tǒng)強(qiáng)度水平進(jìn)行劃分:

a. 強(qiáng)系統(tǒng):MRSCR大于3.0;

b. 弱系統(tǒng):MRSCR在2.0～3.0;

c. 極弱系統(tǒng):MRSCR小于2.0。

對(duì)于用戴維南等效的電網(wǎng),可表示為理想電壓源串聯(lián)系統(tǒng)等效阻抗的形式,設(shè)系統(tǒng)短路容量為

(9)

式中:UN為額定電壓;Ic為短路電流。

令系統(tǒng)阻抗為

Zg=R+jX=R+jωL

(10)

則系統(tǒng)短路電流Ic可表示為

(11)

短路比SCR可表示為

(12)

式中:PN為風(fēng)機(jī)額定功率。

當(dāng)短路比較低時(shí),應(yīng)計(jì)及系統(tǒng)阻抗比X/R的影響。令K=X/R,則等效系統(tǒng)阻抗可分別表示為

(13)

(14)

由此可得特定短路比下的系統(tǒng)阻抗。

4 案例分析

以內(nèi)蒙古地區(qū)某新能源場(chǎng)站采用的2 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行分析,其主電路拓?fù)淙鐖D6所示,PMSG機(jī)組參數(shù)如表1所示。本文重點(diǎn)考慮2 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入弱電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,考慮K=10,采用短路比1.5進(jìn)行計(jì)算。

表1 某PMSG機(jī)組電路拓?fù)鋮?shù)

圖6 直驅(qū)風(fēng)機(jī)拓?fù)鋱D

2 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入弱電網(wǎng)(SCR=1.5)的幅頻相頻特性曲線如圖7、圖8所示。

圖7 正序阻抗Bode圖

圖8 負(fù)序阻抗Bode圖

由圖7、圖8可知,該直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入短路比SCR=1.5的弱電網(wǎng),正序阻抗幅頻特性在次同步頻段(5～45 Hz)幅值相對(duì)比較穩(wěn)定,相位在140°左右,與電網(wǎng)幅頻特性曲線無(wú)交點(diǎn),故該頻段無(wú)穩(wěn)定問(wèn)題。當(dāng)頻率增加到超同步頻段(55～95 Hz)及更高頻段,風(fēng)機(jī)正序阻抗幅頻特性曲線在126 Hz處與電網(wǎng)正序阻抗幅頻特性曲線產(chǎn)生交點(diǎn),此處,電網(wǎng)正序阻抗與風(fēng)機(jī)正序阻抗相位差224.9°;風(fēng)機(jī)負(fù)序阻抗幅頻特性曲線在63 Hz處與電網(wǎng)負(fù)序阻抗幅頻特性曲線產(chǎn)生交點(diǎn),此處,電網(wǎng)負(fù)序阻抗與風(fēng)機(jī)負(fù)序阻抗相位差236.4°,由此可見(jiàn),幅頻相頻特性不滿足振蕩條件,無(wú)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

電網(wǎng)阻抗與風(fēng)機(jī)阻抗比Zgrid(s)/Zpmsg(s)需滿足Nyquist判據(jù)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定,Nyquist曲線如圖9和圖10所示。

圖9 正序Nyquist曲線

圖10 負(fù)序Nyquist曲線

由圖9、圖10可知,無(wú)論正序還是負(fù)序Zgrid(s)/Zpmsg(s)的Nyquist曲線均未圍繞(-1,j0)點(diǎn),從而可以判斷系統(tǒng)穩(wěn)定,無(wú)振蕩風(fēng)險(xiǎn),與頻域阻抗判據(jù)結(jié)果保持一致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于諧波源擾動(dòng)法開發(fā)新能源機(jī)組寬頻振蕩動(dòng)態(tài)分析裝置用以評(píng)估新能源機(jī)組并網(wǎng)帶來(lái)的寬頻振蕩問(wèn)題,并搭建了基于RT-LAB的硬件在環(huán)仿真平臺(tái),對(duì)物理控制器“黑盒”寬頻振蕩硬件在環(huán)測(cè)試,精確模擬風(fēng)機(jī)并網(wǎng)物理控制器的實(shí)際控制特性,獲取了“黑盒”模式下物理控制器的真實(shí)阻抗外特性,具有良好的效果。并以內(nèi)蒙古某低短路比地區(qū)新能源場(chǎng)站直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)為例,對(duì)其阻抗外特性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該直驅(qū)風(fēng)機(jī)單機(jī)接入弱電網(wǎng)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性,引發(fā)寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)較小。對(duì)研究和分析新能源機(jī)組并網(wǎng)寬頻振蕩穩(wěn)定性具有一定參考價(jià)值。

因新能源場(chǎng)站拓?fù)鋸?fù)雜,從電網(wǎng)安全穩(wěn)定角度來(lái)看,最關(guān)注的是新能源場(chǎng)站對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響,下一步將繼續(xù)結(jié)合暫態(tài)穩(wěn)定極限來(lái)綜合評(píng)價(jià)新能源場(chǎng)站在不同運(yùn)行工況下給系統(tǒng)帶來(lái)的寬頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)。