光伏并網附加控制抑制交流范文

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《電力自動化設備雜志》2015年第一期

摘要：

高壓交流串補有引發(fā)次同步諧振的風險，嚴重影響發(fā)電機組乃至整個電網的穩(wěn)定運行。在光伏發(fā)電的基礎上，研究通過光伏并網附加控制抑制交流串補引起的次同步諧振問題的可行性。基于復轉矩系數(shù)思想設計一種次同步阻尼控制器加在光伏電站主控制器上，在保證光伏電站穩(wěn)定并網的同時，抑制了交流串補引起的次同步諧振問題，很大程度提高了電網的穩(wěn)定性與新能源并網效率。基于PSCAD／EMTDC仿真軟件，以次同步IEEE第一標準模型作為仿真算例進行仿真驗證，結果表明，相比STATCOM，通過在光伏電站并網附加阻尼控制器抑制次同步諧振的效果更好。

關鍵詞：

光伏并網；串聯(lián)電容補償；次同步諧振；復轉矩系數(shù)法；附加阻尼控制器

太陽能因其分布廣泛、可再生、不污染環(huán)境等優(yōu)點，逐漸得到人們廣泛關注，同時光伏發(fā)電也是緩解化石能源消耗與環(huán)境保護的有效發(fā)電方式，青海近兩年光伏發(fā)電的規(guī)劃已達8000MW。為了提高光伏發(fā)電效率，國內外專家學者在太陽能光伏陣的最大功率點跟蹤MPPT（MaximumPowerPointTracking）方面做了大量研究［1-3］。同時為了提高光伏并網效率與穩(wěn)定性，大規(guī)模光伏發(fā)電并網影響分析成為當前研究重點。目前應用最廣泛的并網控制方式為雙閉環(huán)解耦控制策略［4-5］，也有大量研究提出利用無差拍控制、模糊控制、比例諧振控制與魯棒控制等代替原有的PI控制方式［6-8］，以提高光伏并網的穩(wěn)定性，光伏電站的穩(wěn)定并網并具有較好的暫態(tài)特性也成為光伏發(fā)電亟待實現(xiàn)的目標。交流輸電系統(tǒng)中通常通過串補電容以提高輸電線路的輸送能力，但當串補系統(tǒng)發(fā)生擾動時，有可能引起次同步諧振SSR（SubSynchronousResonance）。

SSR是發(fā)電機組軸系與電網之間的一種能量放大現(xiàn)象，表現(xiàn)為機組軸系模塊間的相互扭振，嚴重的SSR會造成發(fā)電機組軸系損壞乃至影響整個電網的安全穩(wěn)定運行［9］。在SSR振蕩模態(tài)的檢測與抑制方面，已有大量的研究。目前研究較為成熟的振蕩電氣量檢測方法是特征根分析法［10-12］。SSR的抑制方法多種多樣，其中通過靜止無功補償器SVC（StaticVarCompensator）［13-14］和附加勵磁阻尼控制器SEDC（SupplementaryExcitationDampingController）［15］等方法發(fā)展較為成熟。隨著新能源技術的發(fā)展，新能源并網時電力系統(tǒng)的次同步振蕩問題越來越得到人們的關注。其中，文獻［16］提出通過雙饋風機并網，并在風電場主控制器上加附加控制器，抑制交流串補引起的SSR，并以次同步IEEE第二標準模型作為實例仿真模型驗證控制器的有效性；文獻［17］提出一種控制方式來抑制風電場并網時風電機組產生的次同步振蕩問題。鑒于光伏發(fā)電的分布廣泛、清潔等優(yōu)點，基于研究光伏電站并網，提出通過光伏并網設計一種附加次同步阻尼控制器SSDC（SubSynchronousDampingController），加在光伏電站主控制器上來抑制交流串補引起的SSR。在保證光伏電站穩(wěn)定并網的同時，可通過此附加控制器抑制交流串補產生的SSR，很大程度上提高了新能源并網的穩(wěn)定性與并網效率。只有在嚴重擾動情況下交流串補才有引發(fā)SSR的可能性，且光伏發(fā)電具有間斷性，故而通過光伏并網附加控制抑制SSR只是作為一種備選方案研究其可行性。本文以次同步IEEE第一標準模型（IEEEFirstBenchmarkModel）作為實例仿真模型，并建立200×1MW的光伏電站與之并聯(lián)接入電網。在PSCAD／EMTDC仿真軟件上建立上述電網的仿真模型，仿真結果表明，光伏電站側的附加控制器可有效快速地抑制交流串補引起的SSR。

1基本原理

光伏電站并網的拓撲結構圖如圖1所示。由圖1知，IEEE第一標準模型中發(fā)電機軸系包括高壓缸（HP）、中壓缸（IP）、低壓缸A（LPA）、低壓缸B（LPB）、發(fā)電機（GEN）和勵磁機（EXC）6個部分。光伏電站發(fā)出直流電匯流后通過逆變站轉換為交流電，通過變壓器并入交流電網，光伏電站可在汽輪機升壓變壓器之前或之后并網。其中，RL、XL和XC分別為交流線路電阻、電抗和串補電容；iPV和uPV分別為光伏陣列匯流后的直流電流和電壓；CPV為直流側電容。本文研究重點是通過光伏并網控制的研究，來抑制交流串補引起的SSR問題，最大功率跟蹤問題不在此做討論。本文所研究光伏并網時通過電壓源換流器VSC（VoltageSourceConverter）逆變聯(lián)網，會在電網中產生高次諧波，主要由IGBT的開關頻率決定，并不會隨著附加控制器的加入而變化，且在模型搭建過程中已搭建相應的濾波器，故而沒有考慮附加控制對光伏并網的電能質量方面的影響。

1.1光伏并網控制原理光伏并網的逆變器采用三相兩電平的VSC，其拓撲圖如圖2所示。其中，Us和Uc分別為電網側和換流閥側基頻電壓分量；Rc和Lc分別為電網側的等效電阻和電感。VSC采用脈寬調制PWM（PulseWidthModula-tion）技術，并采用應用較為廣泛的雙閉環(huán)解耦控制策略。光伏并網時，有功分量的控制量選擇定直流電壓控制，為了實現(xiàn)有效抑制SSR的目的，無功分量的控制量為定交流電壓控制，控制邏輯圖如圖3所示。其中，us和uc分別為電網電壓和VSC交流側電壓；is為電網電流；L為聯(lián)結變壓器加相電抗器的等效電感；Udc和Uac為直流電壓和交流電壓；m為調制比；δ為電網側和換流器閥側電壓的相角差。下標d和q分別表示旋轉坐標系下的d軸和q軸分量，上標“*”表示控制量的參考值，無上標表示控制量的測量值。由SSR發(fā)生機理知，當電網中的諧振頻率與機組軸系自然扭振頻率互補時，有可能造成機網耦合彼此互激，故而將設計的次同步阻尼控制器的輸出信號加在無功功率控制上，產生的補償電流通過定轉子磁場作用，產生與振蕩模態(tài)頻率一致的電磁轉矩分量，進而生成一阻尼轉矩分量，實現(xiàn)機組軸系振蕩的平穩(wěn)。SSDC的信號加入圖如圖4所示。其中，USSR表示阻尼控制器的輸出信號。

1.2復轉矩系數(shù)法發(fā)電機電磁轉矩的增量可表示。為了達到抑制SSR的目的，需滿足De（f）＞0，即需滿足發(fā)電機轉速偏差Δω（f）和電磁轉矩偏差ΔTe（f）的相位差介于0°到90°之間。

1.3SSDC設計為實現(xiàn)次同步阻尼控制能有效抑制SSR，需先測出發(fā)電機轉速和電磁轉矩之間的相位差，然后通過相位補償達到抑制SSR的目的。根據(jù)復轉矩系數(shù)法的思想，設計的SSDC結構框圖如圖5所示。其中，Δω為發(fā)電機轉速偏差；K為分層控制器的增益。

濾波器設計SSDC設計中需注意的是當抑制某一種模態(tài)時，不能對其他模態(tài)造成影響，這就需要一種效果較好當相位補償角度為負時，由于式（8）不會對信號的幅值產生影響，故而該移向環(huán)節(jié)的增益恒為1。

2算例分析

在PSCAD／EMTDC仿真軟件中搭建IEEE第一標準模型與光伏電站并網的結構圖，進行仿真。系統(tǒng)拓撲結構圖如圖1所示，光伏電站接在汽輪機升壓變壓器的高壓側。

2.1不加SSDC

2．1．1時域仿真在2s時電網側施加三相短路故障，故障持續(xù)時間為0.075s。發(fā)電機轉速信號的仿真結果如圖6所示。由圖6知，發(fā)電機轉速在系統(tǒng)發(fā)生擾動后，發(fā)生了振蕩發(fā)散，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。各個缸體模塊之間的扭振轉矩如圖7所示。由圖7知，發(fā)電機的6個模塊間有5個扭振模式，每個扭振模式都是呈發(fā)散狀態(tài)。在系統(tǒng)發(fā)生擾動后，光伏并網輸出的有功、無功無功功率如圖8所示。由圖8知，光伏并網穩(wěn)定時，向電網輸送200MW的有功功率和480Mvar的無功功率，在系統(tǒng)發(fā)生擾動時，有功和無功功率發(fā)生波動發(fā)散狀態(tài)，且在13s后系統(tǒng)呈失穩(wěn)狀態(tài)。光伏電站逆變器為VSC，可實現(xiàn)有功無功解耦控制，可實現(xiàn)獨立無功發(fā)出以維持電壓穩(wěn)定。

2.1.2特征根分析取發(fā)電機轉速信號，采用文獻［18］提出的矩陣束算法進行特征根分析，可以得到不同振蕩頻率下的特征根與相位。光伏并網后SSR模態(tài)分析如表1所示。由表1知，光伏并網系統(tǒng)存在5個振蕩模態(tài)，前4個模態(tài)都為負阻尼，第5個模態(tài)為弱阻尼，非常容易造成振蕩發(fā)散，這與時域仿真相一致。辨識出的各個振蕩模態(tài)的發(fā)電機電磁轉矩信號相位如表2所示。

2.2加入SSDC

2.2.1時域仿真在加入SSDC前，首先要先得知各振蕩模態(tài)濾波器的移向角度和Δωi需要補償?shù)慕嵌取V波器的移相角和Δωi補償角如表3所示。根據(jù)表3列出的補償相位，分別計算出各振蕩模態(tài)的相位補償參數(shù)和增益。根據(jù)設計的SSDC的輸出信號加入到圖4所示的位置，加入SSDC以后的發(fā)電機轉速信號如圖9所示。由圖9知，在系統(tǒng)發(fā)生擾動后，發(fā)電機轉速嚴重振蕩，在SSDC加入后，發(fā)電機轉速的振蕩能迅速平穩(wěn)下來。加入SSDC后各個缸體模塊之間的扭振轉矩如圖10所示。由圖10知，在加入SSDC以后，發(fā)電機各模塊之間的扭振轉矩可實現(xiàn)快速平穩(wěn)。光伏并網輸出的有功、無功功率如圖11所示。由圖11知，在SSDC加入時，短時間內加劇了光伏有功、無功功率輸出的振蕩，但能很快平穩(wěn)，且振蕩不會發(fā)散，最終有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2.2特征根分析加入SSDC以后，取發(fā)電機轉速信號，采用文獻［18］提出的矩陣束算法進行特征根分析。分析結果如表4所示。對比表4與表1可知，加入SSDC以后系統(tǒng)在各模態(tài)的阻尼比都有很大的提高，且均為正阻尼，系統(tǒng)可以迅速恢復穩(wěn)定，這與圖10的時域仿真結果相一致。2.3光伏并網與STATCOM抑制比較在IEEE第一標準模型交流線路上加入一500Mvar的STATCOM來抑制SSR，STATCOM的控制方式為定直流電壓-交流電壓控制策略，然后進行時域仿真。其結果與光伏并網加SSDC的仿真結果相比較，發(fā)電機轉速的對比圖如圖12所示。由圖12知，當交流輸電線路發(fā)生故障時，發(fā)電機轉速的振蕩幅值會變大，但加入SSDC以后，發(fā)電機轉速可以比STATCOM更迅速地抑制SSR，光伏SSDC的抑制效果更明顯。在無擾動穩(wěn)態(tài)運行情況下，光伏電站和STATCOM向系統(tǒng)注入的無功分別為480Mvar和500Mvar，但STATCOM不向系統(tǒng)注入有功。光伏換流站和STATCOM的無功容量相差不大，故而在擾動時注入的補償電流幅值相差不大，但光伏并網向系統(tǒng)注入的有功功率會隨著電網功率波動而波動，在有功控制環(huán)節(jié)中PI的作用下，有一定的抑制作用，故而在一定程度上，通過光伏并網抑制SSR的效果要稍好于STATCOM。依然采用矩陣束算法對通過STATCOM抑制SSR進行特征根分析，分析結果如表5所示。由表4和表5知，通過光伏SSDC抑制SSR比通過STATCOM抑制SSR產生的阻尼更大，故而抑制效果更明顯，這與圖12時域仿真結果相一致。在配置STATCOM參數(shù)時，若采用雙閉環(huán)解耦控制策略，除了配置4個PI控制器參數(shù)較為復雜外，還要另設計附加控制器以抑制SSR，對于參數(shù)配置跟光伏逆變器的難度相當。但通過在光伏并網附加阻尼控制器，能在保證光伏并網穩(wěn)定性的同時，不增加一次設備，減小了工程投入，具有很大的經濟效益。

3結論

提出通過光伏電站并網，并在光伏電站的主控制器上加一個SSDC來抑制交流串補引起的SSR，以IEEE第一標準模型作為實例仿真模型，仿真分析結果表明，SSDC加入后可有效抑制SSR。通過新能源并網抑制SSR，可保證新能源并網穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)了抑制SSR的目的。控制器的設計只需要取得發(fā)電機轉速信號即可實現(xiàn)，工程實用性較強，且與STATCOM抑制SSR相比，經濟性有很大提高。同時為抑制交流串補SSR問題提供了一種可選方案，鑒于光伏發(fā)電具有間斷性，在原有的SEDC等控制器因故障未起作用時，通過此后備方法可進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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作者：陳實 李興源 李寬 單位：四川大學 電氣信息學院 國網山東省電力公司電力科學研究院