張 興，李 旭，田 杰，王建安，丁 勇，盧 宇

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)的送端換流站多建在光伏、風(fēng)電等新能源大規(guī)模開發(fā)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，電網(wǎng)短路容量低，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，其周邊新能源電站包含大量電力電子變換器，自身慣量支撐能力不足。當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)閉鎖、換相失敗等故障時(shí)，會(huì)對(duì)送端近區(qū)的交流側(cè)電壓產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng)，導(dǎo)致新能源電站大規(guī)模脫網(wǎng)，加劇連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)［1-3］。

為了改善交流側(cè)電網(wǎng)的暫態(tài)過電壓問題，需要在送端系統(tǒng)交流側(cè)配置足夠的無功儲(chǔ)備，一種解決方案是在新能源匯集站配置分布式調(diào)相機(jī)［4-8］。針對(duì)該方案，當(dāng)前研究主要集中在分布式調(diào)相機(jī)的配置方法以及參數(shù)優(yōu)化上，如文獻(xiàn)［9-10］通過不同的計(jì)算方法，提出了分布式調(diào)相機(jī)的優(yōu)化配置策略；文獻(xiàn)［11-12］則通過建立無功評(píng)價(jià)指標(biāo)尋求關(guān)鍵勵(lì)磁參數(shù)及優(yōu)化規(guī)律。目前，青海、新疆等地區(qū)正在探索“新能源+儲(chǔ)能+分布式調(diào)相機(jī)”的混合型結(jié)構(gòu)，但該方案對(duì)新能源電站配套儲(chǔ)能的無功能力未加以充分利用。

GFM（構(gòu)網(wǎng)）技術(shù)是近年來增強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)支撐能力的另一種新興技術(shù)?；贕FM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)整體呈現(xiàn)電壓源特性，具備慣量支撐、調(diào)頻調(diào)壓、增加短路容量等常規(guī)機(jī)組具備的主要功能，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)方面具有廣泛的應(yīng)用前景［13-16］。因此，采用構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能替代“常規(guī)儲(chǔ)能+分布式調(diào)相機(jī)”的方案亦是一種解決思路。目前，關(guān)于GFM技術(shù)的電網(wǎng)故障支撐能力研究主要集中在控制方法和穩(wěn)定性分析等方面，如文獻(xiàn)［17］分析了跟網(wǎng)型和構(gòu)網(wǎng)型變流器控制環(huán)路間動(dòng)態(tài)交互作用的區(qū)別與同步穩(wěn)定性機(jī)理，文獻(xiàn)［18］研究了跟網(wǎng)型和構(gòu)網(wǎng)型變流器在電力系統(tǒng)振蕩機(jī)理方面的區(qū)別，文獻(xiàn)［19］利用等效網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)構(gòu)網(wǎng)型變流器和同步調(diào)相機(jī)進(jìn)行了一系列電網(wǎng)振蕩下的外特性測試。關(guān)于GFM技術(shù)在電網(wǎng)異常時(shí)支撐能力的分析較少，也尚未有文獻(xiàn)針對(duì)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與調(diào)相機(jī)在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的無功支撐效果進(jìn)行對(duì)比。

在現(xiàn)有的構(gòu)網(wǎng)控制策略中，OPC（開環(huán)控制）策略省去了內(nèi)環(huán)，直接將內(nèi)電勢的幅值信號(hào)和相位信號(hào)合成為調(diào)制波［20］，因而更加貼近傳統(tǒng)同步機(jī)的響應(yīng)特性。為此，本文基于GFM-OPC 策略進(jìn)行研究。首先，對(duì)其無功控制部分進(jìn)行建模，對(duì)影響無功支撐能力的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析；然后，將其與調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁控制模型進(jìn)行統(tǒng)一，并就兩者的最大無功輸出能力進(jìn)行對(duì)比；最后基于RTDS（實(shí)時(shí)數(shù)字仿真）系統(tǒng)搭建了由青豫特高壓直流系統(tǒng)-光伏-調(diào)相機(jī)-構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能組成的試驗(yàn)平臺(tái)，測試了不同參數(shù)下構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在換相失敗故障下的故障響應(yīng)特性，驗(yàn)證了構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在無功響應(yīng)速度和抑制交流暫態(tài)過電壓能力方面的效果。

1 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的無功控制原理

圖1 為本文所研究的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，Edc為儲(chǔ)能電池單元；Cdc為直流母線支撐電容；L、C、R分別為交流側(cè)濾波電感、濾波電容和等效阻抗；ea、eb、ec為橋臂輸出電壓；uoa、uob、uoc為經(jīng)濾波后的變流器端口輸出電壓；ioa、iob、ioc為交流濾波電感電流；Lg為電網(wǎng)電抗；uga、ugb、ugc為電網(wǎng)三相電壓；PCC（公共連接點(diǎn)）為變流器并網(wǎng)點(diǎn)。構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能屬于功率型儲(chǔ)能，其無功支撐能力本身并不過多依賴電池，因此在建模中暫不考慮電池充放電速率對(duì)無功支撐能力和響應(yīng)速度的影響。

圖1 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of GFM energy storage system

1.1 控制策略

根據(jù)GFM理論，簡化的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

式中：Pref為有功功率指令；Po為實(shí)際的有功功率值；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Dp為有功-頻率下垂系數(shù)；ω0為電網(wǎng)角速度；ω為GFM 角速度；θ為內(nèi)電勢的電角度。

GFM算法按照下垂公式模擬調(diào)壓功能，生成端口電壓參考值，其dq坐標(biāo)系下的參考值ud*、uq*如式（2）所示：

式中：Qref為無功功率指令；Qo為實(shí)際的無功功率值；Dq為無功-電壓下垂系數(shù)；Uo為PCC 點(diǎn)的額定電壓。

GFM-OPC策略通過式（1）計(jì)算出內(nèi)電勢的電角度θ，通過式（2）計(jì)算出內(nèi)電勢參考值的幅值，經(jīng)疊加虛擬阻抗分量后，將該電角度和幅值合成為最終的內(nèi)電勢，最后通過調(diào)制算法得到各開關(guān)管的控制信號(hào)。

1.2 影響無功支撐能力的參數(shù)

根據(jù)式（2）可以得到GFM-OPC策略下無功控制環(huán)的小信號(hào)模型，如圖2所示。

圖2 GFM-OPC的無功控制環(huán)小信號(hào)模型Fig.2 Small signal model of reactive power control loop for GFM-OPC

其中，Eref為內(nèi)電勢的參考值幅值，Gqv為Eref到Qo的傳遞函數(shù)，如式（3）所示：

式中：X為線路阻抗；δ0為當(dāng)前GFM 工作點(diǎn)的功角；s為拉普拉斯變換參數(shù)。

通常，為了增強(qiáng)無功電壓控制環(huán)穩(wěn)態(tài)下的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，對(duì)反饋值Qo引入一個(gè)低通濾波器GLFPq，如式（4）所示：

式中：ωq為GLFPq的截止頻率。

由上文可知，影響GFM-OPC 故障電壓暫態(tài)支撐效果的參數(shù)主要有兩個(gè)：無功-電壓下垂系數(shù)Dq和截止頻率ωq。

1）Dq的影響

由式（2）可知，端口電壓參考值ud*與無功功率Qo呈下垂關(guān)系，ud*的大小與Dq成正比。對(duì)于GFM-OPC 而言，在電壓跌落瞬間，變流器的瞬時(shí)無功增大。當(dāng)Dq大于0時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Eref跟隨機(jī)端電壓下降，這將減弱變流器的瞬時(shí)無功出力。

2）ωq的影響

由圖2 可以得到反饋環(huán)節(jié)加入低通濾波器GLFPq后，GFM-OPC的無功控制開環(huán)傳遞函數(shù)為：

GLFPq引入會(huì)造成無功控制環(huán)路的截止頻率下降。圖3給出了ωq分別為1.6 Hz、106 Hz和318 Hz時(shí)TRPC_OPC的幅頻特性曲線?？梢娨隚LFPq后，無功控制環(huán)的截止頻率向左移動(dòng)，這將導(dǎo)致無功控制環(huán)的響應(yīng)變慢。

圖3 TRPC_OPC的幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude-frequency characteristic curve of TRPC_OPC

2 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與調(diào)相機(jī)無功控制部分的理論對(duì)比

從上述分析可知，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償效果受相關(guān)參數(shù)影響。由于其無功控制環(huán)節(jié)模擬了調(diào)相機(jī)的響應(yīng)特性，因此有必要對(duì)調(diào)相機(jī)的無功響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

當(dāng)調(diào)相機(jī)的機(jī)端電壓出現(xiàn)瞬變時(shí)，其無功功率的響應(yīng)可分成兩個(gè)部分：一是調(diào)相機(jī)的次暫態(tài)響應(yīng)，該部分無功功率基于調(diào)相機(jī)的物理特性，在端口電壓發(fā)生變化的瞬間自發(fā)產(chǎn)生，并隨著時(shí)間而衰減。二是調(diào)相機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)，該部分基于調(diào)相機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)整勵(lì)磁電壓而產(chǎn)生，其響應(yīng)時(shí)間一般在數(shù)百毫秒。

因此，相比于電力電子無功補(bǔ)償設(shè)備，調(diào)相機(jī)的無功響應(yīng)特性區(qū)別如下：

1）在數(shù)十毫秒的時(shí)間尺度內(nèi)，電壓、無功響應(yīng)主要依靠機(jī)組的自身次暫態(tài)特性，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用很小。

2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制響應(yīng)時(shí)間最快需要數(shù)百毫秒。

在數(shù)十毫秒的時(shí)間尺度內(nèi)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)可以忽略，但是由于構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能控制中的無功控制環(huán)節(jié)模擬的是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，因此對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制模型研究有助于理解和優(yōu)化構(gòu)網(wǎng)控制模型。

2.1 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能無功控制與調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制的對(duì)比

調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功與電壓的協(xié)調(diào)控制。穩(wěn)態(tài)情況下以無功功率為控制目標(biāo)，滿足電網(wǎng)當(dāng)前的無功需求；暫態(tài)情況下以電壓為控制目標(biāo)，若發(fā)生電壓瞬間波動(dòng)，通過快速強(qiáng)勵(lì)來穩(wěn)定機(jī)端電壓。通常采用無功-電壓復(fù)合控制策略［21］，其勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。該策略構(gòu)建電壓內(nèi)環(huán)-無功外環(huán)的雙環(huán)控制器，通過引入系統(tǒng)電壓參考值Ug來調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，同時(shí)引入無功實(shí)際值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無功輸出能力。

圖4 調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制框圖Fig.4 Control block diagram of the excitation control system of synchronous condenser

圖4 中，KTC為無功調(diào)差系數(shù)；Ki為無功外環(huán)積分參數(shù)；QFref為無功功率指令；QF為調(diào)相機(jī)輸出的無功功率，此處以輸出容性無功為正；Uref為參考電壓；Ug為機(jī)端電壓。勵(lì)磁控制系統(tǒng)的外環(huán)是無功功率環(huán)，速度較慢；內(nèi)環(huán)是機(jī)端電壓環(huán)，調(diào)節(jié)速度較快，一般采用串聯(lián)PID（比例-積分-微分）控制方式進(jìn)行補(bǔ)償。其特點(diǎn)在于：

1）調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過改變無功功率指令來改變無功的出力。該控制方式可以在不改變暫態(tài)電壓支撐能力的同時(shí)，保持調(diào)相機(jī)相對(duì)穩(wěn)定的無功功率輸出能力。

2）機(jī)端電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，調(diào)相機(jī)的機(jī)端電壓反饋經(jīng)內(nèi)環(huán)PID 調(diào)節(jié)器計(jì)算后，作用在控制脈沖信號(hào)上，同時(shí)引入無功實(shí)際值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，加強(qiáng)機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)能力。因此當(dāng)機(jī)端電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，PID 調(diào)節(jié)器可以快速響應(yīng)，保證調(diào)相機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓的暫態(tài)支撐。

對(duì)于無功調(diào)差系數(shù)KTC而言，在一定程度上其取值越大，下垂特性越顯著，并聯(lián)越穩(wěn)定，但電壓特性越軟，對(duì)電壓的支撐能力越弱；反之，其取值越小，下垂特性越不顯著，并聯(lián)越容易失穩(wěn)，但電壓特性越硬，對(duì)電壓的支撐能力越強(qiáng)。這一點(diǎn)與構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能是一致的。

從圖4可以看出，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的無功控制和調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁控制極為相似。在暫態(tài)過程中積分環(huán)節(jié)不起作用，KTC等效于式（2）中的Dq，此時(shí)圖4的電壓參考生成環(huán)節(jié)與式（2）完全一致。值得說明的是，調(diào)相機(jī)作為一種同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備，與電網(wǎng)存在電磁耦合關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，其無功響應(yīng)是瞬時(shí)的、自發(fā)的，反映了同步電網(wǎng)自身的電氣特征。構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能作為電力電子設(shè)備，通過模擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)模型和無功-電壓下垂特性方程，來實(shí)現(xiàn)與調(diào)相機(jī)一致的暫態(tài)過電壓抑制效果。

2.2 最大無功輸出能力對(duì)比

調(diào)相機(jī)在不同階段下對(duì)最大無功輸出能力的影響因素有所區(qū)別。在次暫態(tài)過程中，其最大無功輸出能力與直軸次暫態(tài)電抗有關(guān)，直軸次暫態(tài)電抗越小，瞬時(shí)的無功輸出能力越大。但受限于定子繞組溫升的制約，直軸次暫態(tài)電抗不宜過小。

在暫態(tài)過程中，調(diào)相機(jī)的無功出力由自身和勵(lì)磁系統(tǒng)共同作用。減小直軸暫態(tài)電抗和增大強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)有利于提高暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)過程調(diào)相機(jī)的無功支撐能力。QGDW 11588—2016《快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)同步調(diào)相機(jī)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，調(diào)相機(jī)定子繞組應(yīng)能承受3.5 倍額定電流持續(xù)時(shí)間不小于15 s；轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)能承受2.5 倍額定勵(lì)磁電流持續(xù)時(shí)間不小于15 s。此外，為了使調(diào)相機(jī)能適應(yīng)直流系統(tǒng)送端過電壓工況，調(diào)相機(jī)需具有1.3倍額定電壓下進(jìn)相持續(xù)時(shí)間不小于1 s的能力。

需要說明的是，調(diào)相機(jī)在進(jìn)相和遲相狀態(tài)下的最大無功輸出能力有所區(qū)別。遲相運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)最大無功能力為其額定容量；進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，考慮到機(jī)組穩(wěn)定性因素，吸收系統(tǒng)無功功率的最大容量通常為額定容量的0.5～0.65倍。

構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的短時(shí)過流能力主要與變流器的開關(guān)管等器件有關(guān)。為了充分發(fā)揮其瞬時(shí)無功支撐能力，通過合理利用開關(guān)管的電流裕量來對(duì)其硬件短時(shí)過流能力進(jìn)行強(qiáng)化。在實(shí)際工程中，其短時(shí)最大過流能力通常設(shè)計(jì)為1.5～3 p.u.，時(shí)間最長可達(dá)10 s，這與調(diào)相機(jī)較為接近。與調(diào)相機(jī)不同的是，其最大容性無功和最大感性無功輸出能力是等同的，這對(duì)于應(yīng)對(duì)直流系統(tǒng)送端過電壓故障是有利的。當(dāng)輸出電流在限流范圍內(nèi)時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能表現(xiàn)出低阻抗電壓源特性；當(dāng)輸出電流超出限流范圍時(shí)，通常會(huì)采用投虛擬阻抗的方式，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整其內(nèi)電勢來進(jìn)行限流。

3 仿真試驗(yàn)對(duì)比

3.1 GFM-OPC的影響參數(shù)仿真

對(duì)影響GFM-OPC 故障電壓暫態(tài)支撐效果的參數(shù)Dq和ωq進(jìn)行分析。搭建RTDS 半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)，模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)近區(qū)三相電壓對(duì)稱性短路故障。其系統(tǒng)主電路及控制策略初始默認(rèn)的相關(guān)參數(shù)分別如圖5和表1所示。

圖5 變流器近區(qū)電壓故障仿真電路Fig.5 The voltage fault simulation circuit in the near area of the converter

1）Dq的影響

通過RTDS模擬線路電壓發(fā)生擾動(dòng)的工況（線路電壓從1 p.u.跌落至0.5 p.u.，持續(xù)100 ms后抬升至1.3 p.u.）。圖6 為Dq分別為0.05 和-0.08 時(shí)變流器輸出無功功率Qo和內(nèi)電勢幅值Eref的變化情況。

圖6 不同Dq下的故障響應(yīng)波形Fig.6 Fault response waveforms under different Dq

可見，Dq取0.05時(shí)，在機(jī)端電壓Uo先跌落后升高的過程中，Eref會(huì)跟隨Uo先下降后上升，其無功功率在-190 kvar 和180 kvar 之間變化；Dq取-0.08 時(shí)，在此過程中Eref先上升后下降，與機(jī)端電壓變化方向相反，其無功功率在-300 kvar 和240 kvar之間變化。

Dq取負(fù)值意味著故障發(fā)生時(shí)，變流器將表現(xiàn)出內(nèi)電勢反調(diào)的特性，從而進(jìn)一步提高故障期間變流器的無功出力，起到更強(qiáng)的電壓支撐作用。但該值選取的同時(shí)需要考慮對(duì)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。此外，由于Dq影響穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓下垂所對(duì)應(yīng)的無功出力，因此其取值通常還需要遵循當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求。

2）ωq的影響

圖7為基于表1默認(rèn)參數(shù)下，不同ωq對(duì)應(yīng)的故障響應(yīng)波形。對(duì)于GFM-OPC 而言，當(dāng)ωq較小時(shí)，內(nèi)電勢Eref的變化趨勢減緩，系統(tǒng)無法及時(shí)響應(yīng)電壓的變化而體現(xiàn)反調(diào)特性，導(dǎo)致無功出力減小。

圖7 不同ωq下的故障響應(yīng)波形Fig.7 Fault response waveforms under different ωq

總結(jié)以上參數(shù)對(duì)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能故障電壓支撐能力的影響：Dq取較小值時(shí)，由于無功-電壓的下垂關(guān)系，相當(dāng)于無功下垂特性曲線變硬；當(dāng)取負(fù)值時(shí)，相當(dāng)于讓變流器傾向于通過調(diào)整內(nèi)電勢使端口電壓抬高，加大了自身的支撐能力。對(duì)于GFM-OPC，ωq取較大值時(shí)，無功濾波較小，相當(dāng)于電壓指令能夠快速跟隨無功的變化而反調(diào)，因此無功響應(yīng)更快。

3.2 GFM-OPC 與調(diào)相機(jī)的暫態(tài)過電壓抑制效果對(duì)比

為了進(jìn)一步對(duì)比構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與調(diào)相機(jī)在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的電壓支撐效果，以青豫特高壓直流系統(tǒng)為例，基于RTDS搭建了換流站-100 MW光伏-50 Mvar 調(diào)相機(jī)-50 MW 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。光伏逆變器采用一臺(tái)設(shè)備倍乘的方式，實(shí)際總有功出力100 MW；構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能采用兩臺(tái)設(shè)備交流側(cè)并聯(lián)倍乘方式，初始運(yùn)行在零功率狀態(tài)，短時(shí)過載能力為3倍/10 s，參數(shù)如表2所示；構(gòu)網(wǎng)型策略的默認(rèn)參數(shù)與表1相同；調(diào)相機(jī)仿真參數(shù)如表3所示；勵(lì)磁控制器采用1.1 節(jié)所述的策略，其中電壓環(huán)串聯(lián)PID 采用了IEEE的標(biāo)準(zhǔn)ST5B模型，參數(shù)如表4所示；光伏電站線路等效短路比為3.9。在直流系統(tǒng)8 000 MW運(yùn)行狀態(tài)下，以受端換流站發(fā)生直流換相失敗故障為例，仿真送端換流站交流側(cè)暫態(tài)過電壓的情況，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。

表2 光伏電站和構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of photovoltaic power station and GFM energy storage

表3 調(diào)相機(jī)仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of the synchronous condenser

表4 勵(lì)磁控制器仿真參數(shù)Table 4 Simulation parameters of excitation control

圖8 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 The simulation system structure

3.2.1 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與調(diào)相機(jī)的效果對(duì)比

將GFM-OPC 與調(diào)相機(jī)作橫向?qū)Ρ龋鐖D9所示?？梢?，未投入無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，光伏機(jī)端電壓在0.536 s 達(dá)到最大值0.9 kV；分別投入調(diào)相機(jī)和GFM-OPC 后，對(duì)應(yīng)的電壓最大值分別為0.844 kV 和0.845 kV，對(duì)應(yīng)的無功最大出力分別為-77 Mvar和-74.3 Mvar。

圖9 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與調(diào)相機(jī)的暫態(tài)過電壓抑制效果對(duì)比Fig.9 Comparison of transient overvoltage suppression effects between GFM energy storage and synchronous condenser

從圖9可得，在表1參數(shù)下，GFM-OPC的故障電壓支撐效果和交流暫態(tài)過電壓抑制能力均較為接近調(diào)相機(jī)。在電壓跌落和升高期間，該策略的無功出力響應(yīng)速度與調(diào)相機(jī)基本保持一致。

3.2.2 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在不同參數(shù)下的效果對(duì)比

1）Dq的影響

圖10給出了不同Dq下的響應(yīng)特性?？梢姡?dāng)Dq分別為0.2、0.05 和-0.08 時(shí)，電壓尖峰最大分別為0.8891 kV、0.857 kV 和0.845 kV，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的無功出力最大分別為-32.3 Mvar、-42.6 Mvar和-74.2 Mvar。與調(diào)相機(jī)相比，到達(dá)相同出力的延遲時(shí)間約為3.2 ms、-1.5 ms 和0 ms。Dq越小，無功出力越接近調(diào)相機(jī)，因此過電壓的抑制效果越好。

圖10 不同Dq下GFM-OPC的響應(yīng)特性Fig.10 Response characteristics of GFM-OPC under different Dq

2）ωq的影響

圖11給出了不同ωq下的響應(yīng)特性?？梢?，ωq分別為318 Hz和1.6 Hz時(shí)，電壓最大分別為0.845 kV和0.871 kV，無功出力最大分別為-74.2 Mvar 和-53.2 Mvar；與調(diào)相機(jī)相比，到達(dá)相同出力的延遲時(shí)間約為0 ms 和2.1 ms。ωq越大，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的無功響應(yīng)速度越接近調(diào)相機(jī)，因此電壓抑制的效果越好。

圖11 不同ωq下GFM-OPC的響應(yīng)特性Fig.11 Response characteristics of GFM-OPC under different ωq

4 結(jié)論

本文對(duì)GFM-OPC 在無功支撐方面的原理和影響參數(shù)進(jìn)行分析，并以直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障為例，對(duì)比了構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能和分布式調(diào)相機(jī)分別接入系統(tǒng)時(shí)的暫態(tài)過電壓抑制能力和效果，從技術(shù)角度探討了構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在無功支撐方面替代“常規(guī)儲(chǔ)能+分布式調(diào)相機(jī)”方案的可行性，得到結(jié)論如下：

1）GFM-OPC 通過模擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和無功-電壓控制特性，能實(shí)現(xiàn)暫態(tài)電壓波動(dòng)的有效抑制，體現(xiàn)了良好的無功支撐能力。

2）無功濾波的截止頻率越大，GFM-OPC 無功響應(yīng)速度越接近調(diào)相機(jī)，電壓抑制的效果越好。此外，GFM-OPC 通過改變無功下垂特性可以獲得更大的無功出力。

3）整體仿真結(jié)果表明，在合適的參數(shù)下，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在無功瞬時(shí)響應(yīng)速度、故障支撐效果、抑制交流暫態(tài)過電壓能力方面可以與相同容量的分布式調(diào)相機(jī)取得較為相近的效果。