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新能源系统中的构网型策略评估与基于导纳扫描的稳定性分析

科技   2024-09-25 18:04   上海  
伴随着固态电力电子技术在输配电中的推广，目前的电网正在经历电力电子化的趋势。与此同时，包括风电和光伏在内的新能源在发电结构中比重的提升也增加了系统运行中的波动性。为了应对增加的波动性，现有电力系统需要通过合理调配储能设备、柔性交流输电系统、高压直流输电系统和需求侧管理来提升电网灵活性。
为了验证电网各方面的性能，需要在时域和频域对电力电子化的电力系统进行建模和仿真。验证方法主要包括两类：一类是利用时域仿真结果评估构网型变流器在扰动和故障情况下的性能；另一类是利用基于导纳扫描的频域分析方法来评估构网型变流器的稳定性。
这篇文章介绍了基于 Simscape 的新能源并网设计案例。该案例中的所有模型均符合 IEEE/IEC 和现有的电网运行标准，并包括如下内容：
  1. 光伏电站中的构网型电池储能系统性能评估
  2. 风电场的构网型四型风力发电机控制性能评估
  3. 逆变器并网电源（IBR）系统基于导纳扫描的稳定性分析
您可以在在文末点击“阅读原文”，获取此案例的代码和模型。

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光伏电站中的构网型电池储能系统性能评估
构网型变流器具有电压源特性，这有助于保证电力电子化电网保持稳定运行。本案例验证了构网型电池储能系统能够提升光伏电站运行的可靠性。根据光伏并网模型的时域仿真结果，可以验证包括光伏电站、电池储能系统及其控制器符合当前IEEE 2800标准。

模型中由左向右， 4.16 千伏的光伏电站和电池储能系统通过一个 4.16 千伏/ 24.9 千伏的升压变压器连接到中压网络。光伏电站的逆变器使用基于锁相环的跟网变流器使其运行在最大功率点。电池储能系统包括了两种控制模式：
  1. 包括电压和频率支持的基于锁相环的跟网型变流器
  2. 使用虚拟同步机（VSM）控制策略的构网型变流器
使用时域仿真，案例中验证了下面的多种测试场景：
  1. 光伏功率变化
    通过减少 50% 的光伏输出来仿真光伏功率的突然变化
  2. 剧烈负载变化
    通过增加 45% 的连接在光伏电站变压器 4.16 千伏侧的负载来仿真负载的突然变化
  3. 电网停电
    通过断开连接中压电网的断路器来仿真电网停电状况
  4. 暂时故障
    输电线跳闸故障并在 100 毫秒后清除
  5. 永久故障
    持续的输电线跳闸故障
这里受限于篇幅只介绍第一种测试场景的仿真波形。在光伏输出功率突然变化 50% 的情况下，时域仿真结果体现出整个系统在这一过程中稳定运行。
在该测试场景下，构网型变流器控制的电池储能系统可以有效应对输出功率的扰动。通过提供频率支持来提升系统惯性，同时通过输出无功功率来支撑系统电压。
风电场的构网型四型风力发电机控制性能评估
本案例验证了构网型变流器对四型风力发电机的控制对稳定运行电力电子化电网的意义。模型中的风电场包括了九台四型风力发电机，每台可以在标称风速 12 米/秒的条件下产生 6.2 兆瓦的最大功率。根据时域仿真结果，我们可以比较并网的风场在正常运行和意外情况下的动态性能。考虑的意外情况包括了风电功率大幅下降、负载变化、故障和发电机停电。本案例中的测试符合工业界中常用的标准。

在风电场中，可以选择跟网型和构网型风力发电机的数量。默认条件下，九台风力发电机中包括七台使用传统跟网型控制器和余下两台使用构网型控制器。其中跟网型风力发电机使用基于锁相环的控制器来达到最大功率点。本案例中的模型用两种方式实现了基于虚拟同步机（VSM）的构网型风力发电机：

  1. G-GFM：电网侧变流器使用 VSM 控制策略实现直流电压控制

  2. M-GFM：电网侧变流器使用 VSM 控制策略实现输出功率，并模拟惯性和阻尼特性 

本案例检验了风力发电机是否符合各种电网运行规范，例如：在 IEEE 2800 中的故障穿越要求、系统电压和频率限制、有功和频率控制要求、无功和电压控制要求。
使用时域仿真，案例中验证了下面的多种测试场景：
  1. 风电功率大幅下降
    通过降低 15% 风速来仿真风电功率的突然变化
  2. 剧烈负载变化
    通过增加 50 兆瓦连接在高压侧的负载来仿真负载的突然变化
  3. 暂时故障
    创建输电线跳闸故障并在 140 毫秒后清除
  4. 发电机停电
    断开风场中连接的六台风力发电机
这里受限于篇幅只介绍第三种测试场景，输电线跳闸故障并在 140 毫秒后清除。时域仿真结果体现出整个系统符合工业界中的标准要求。
仿真波形体现出故障条件下稳定的电压和频率，说明使用构网型四型风力发电机的风电场有低电压和频率的故障穿越能力。当故障清除后，系统在 0.5 秒以内恢复到其故障前的状态。这也说明其符合故障后恢复的能力。
逆变器并网电源（IBR）系统基于导纳扫描的稳定性分析
本案例验证了使用导纳扫描模块检测包括大量新能源的电网中常见的弱阻尼和不稳定性。这类电力电子化的电力系统面临着低惯性和有限短路电流容量的挑战。如果不从逆变器并网电源的角度解决问题，未来可能因为过大的三相电压和电流震荡出现更多的自动断路保护机制造成的切断新能源状况。
导纳扫描模块
导纳扫描是一种基于数据的稳定性评估方法。通过只使用信号注入点出的测量数据，可以确定并网系统中导纳在频域上的变化趋势。使用本案例中提供的导纳扫描模块利用了之前介绍的 Signal Generator 模块，细节请参考之前的文章“使用 Signal Generator 模块对各种电路进行阻抗扫描”。
在三相交流电网中，通常可以在 abc 参考系、d-q 参考系或在分解得到的对称分量中测量注入点处的导纳。如本节题目所说，本案例中使用的是 d-q 参考系。针对该导纳扫描模块，需要设定锁相环（PLL）参数和对 d-q 参考系注入扰动的参数。
风电场模型介绍
导纳扫描的完整模型可以选择连接一座安装多台风力发电机的风电场或者包括电池储能系统的光伏电厂，通过变压器连接至输电网络。为了验证不同的电网特性，可以使用同步机或者三相电压源来模拟输电网络端。下图中显示的就是连接风电场和三相电压源的情形：

该模型使用了固定的采样频率，依次在 d 轴和 q 轴注入电压扰动信号，并在注入点测量 d-q 参考系中所有的电流信息。扰动信号只在指定的时间窗口内注入系统，该时间窗口的长度需要在精度和处理数据量之间取得平衡。下图体现了如何在相似的光伏电厂并网模型中利用串联电压扰动注入的方法进行导纳扫描。
仿真结果
这里受限于篇幅，只介绍包括其中一种负载变化的情形。模型中的风电场中包括五台跟网型风力发电机，并且输电网由电压源描述。通过时域仿真，我们对 D 和 Q 参考系的同时进行了导纳扫描，结果如下：

通过波特图分别可以一个谐振峰值，其中 d 轴在 345 Hz 左右而 q 轴在 355 Hz 左右。在负载切换时，我们可以同时记录测量结果并对其进行 FFT 分析。
在负载切换时的 FFT 分析结果中，有功功率的频率峰值 345 H 和无功功率的频率峰值 355 Hz 与导纳分析中的谐振峰值高度吻合。上述结果体现了导纳扫描在研究构网型变流器稳定性中的有效性。
总结
本文介绍了利用时域和频域分析方法评估构网型变流器的性能。一类是利用时域仿真结果评估构网型变流器在扰动和故障情况下的性能；另一类是利用基于导纳扫描的频域分析方法来评估构网型变流器的稳定性。其中，着重介绍了基于 Signal Generator 模块的导纳扫描模块在新能源并网稳定性分析中的应用。
>> 相关阅读：

  1. 使用 Signal Generator 模块对各种电路进行阻抗扫描

  2. 设计和分析构网型变流器

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