电力电子化电力系统 | 设计和分析构网型变流器

科技   2024-08-28 18:04   上海  
随着风电和光伏的快速发展,水电和火电在发电结构中比重的大幅下降,伴随着柔性输电技术的推广,电网呈现电力电子化趋势。电力电子化电力系统面临低惯性和有限短路电流容量的挑战。这些挑战无法通过基于电网锁相环的传统跟网变流器控制策略来解决。在这种情况下,构网型变流器是比传统跟网变流器的更好选择。
构网型变流器具有电压源特性,可以提高新型电力系统的稳定性。构网型控制策略模拟惯性,以改善电网强度、增强阻尼并提供更好的电压控制。构网型变流器控制策略包括下垂控制和虚拟同步机(VSM)控制。在 VSM 控制中,变流器控制策略模拟传统同步机的动态响应。这种策略模拟惯性、阻尼,并提供更好的电网电压支持。
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该案例包括下内容:
  1. 根据电网评价标准判断变流器性能是否满足要求。
  2. 使用下垂控制和虚拟同步机(VSM)控制方法设计构网型控制。
  3. 使用虚拟阻抗和电流饱和方法设计不同的电流限制策略。
  4. 验证构网型技术规范,包括电压、频率和相位的变化。
  5. 通过改变惯性、阻尼和故障过程来评估系统性能。

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案例系统概要
下图为案例构网型变流器系统的顶层视图。该模型包括一个 500 kVA、415 V、50 Hz 的三相构网型变流器,连接到一个 415 V/11 kV 的升压变压器。一条输电线将变压器连接到 11 kV 电网, 一个本地负载连接到低压侧。
案例实现了下垂和虚拟同步机两种算法,以下是部分算法模型截图。
下垂控制
虚拟同步机
在这个案例中您可以更改电网电压、频率、相位、本地负载、短路比(SCR)、X/R 比、功率参考、孤岛模式,并施加故障。
设计依据
构网型变流器标准 
构网型变流器的运行标准不断发展中,本例以美国联邦能源监管委员会(FERC)和英国的构网型规范标准为依据:
  • GC0137:GB 构网型(GBGF)能力的最低规范要求。
  • FERC Order Nos. 827:非同步发电单元的无功功率要求。
  • FERC Order Nos. 828:小型发电设施的频率和电压穿越能力要求。
  • FERC Order Nos. 842:基础可靠性服务和不断发展的大容量电力系统——一次频率响应。
构网型变流器的运行区域 
在 GC01037 构网并网标准中,构网型变流器必须具有预定义的频率响应特性,覆盖由图中绿线和蓝线定义的整个范围1。在该范围内,构网型变流器需保持不与电网断开连接的情况下稳定运行。
故障穿越要求 
在 GC0137、FERC. order nos. 827, 828, and 842 标准中,所有基于变流器的电源都必须具备电压和频率扰动的穿越能力。任何不受欢迎的构网型变流器跳闸,无论是直接还是间接由于穿越区域内的电压或频率扰动而导致,都构成了不符合标准实践的行为。电流限制方法和功率控制器有助于使构网型变流器在可允许的瞬态扰动期间保持连接。GC0137 要求构网型变流器在输出电压降至零时注入至少其额定峰值电流的无功电流。
下图显示了低电压无功电流下的构网型变流器无功电流要求。注入的无功电流必须在或高于图中所示的一条线上。
下图展示了构网型变流器在低电压故障电流下的注入时间响应要求。
标准构网型测试
案例使用了 GC0137 电网并网标准中的测试场景,测试所设计的算法性能。下图展示了 GC0137 标准中的构网型变流器测试场景。该标准要求在电网扰动期间保持稳定运行,包括系统电压、频率和相位的变化。
案例中的测试场景
为研究构网型变流器特案例中预定义了 13 个测试场,并提供场景配置界面,方便快速实现场景的切换。13 个场景分成以下两组。
正常和故障操作条件下的构网型控制器
这些测试确保在有功功率参考、无功功率参考、电网电压、本地负载、故障和孤岛运行条件发生变化时,构网型变流器保持稳定运行。
  • 正常运行:仿真没有任何扰动的模型。
  • 有功功率参考变化:瞬时改变有功功率参考。
  • 无功功率参考变化:瞬时改变无功功率参考。
  • 电网电压变化:瞬时改变电网电压。
  • 本地负载变化:瞬时改变本地负载。
  • 临时三相故障:产生三相对地故障,并在特定时间后清除。
  • 孤岛条件:在稳态运行期间,电网断路器跳闸,模拟构网型变流器处于孤岛状态。
标准电网并网测试条件下的构网型控制
这些测试模拟了 GC0137 电网并网标准中规定的一些操作场景。
  • 电网频率变化:1Hz/s,+0.5Hz,以 1 Hz/s 的速率增加系统频率 0.5 Hz。
  • 电网频率变化:2Hz/s,+2Hz,以 2 Hz/s 的速率增加系统频率 2 Hz。
  • 电网频率变化:2Hz/s,+2Hz,然后 1Hz/s 直到 -5Hz,以 2 Hz/s 的速率增加系统频率 2 Hz,等待5秒,然后以 1 Hz/s 的速率降低频率 5 Hz。
  • 电网相位变化:瞬时改变相位 10 度。
  • 电网相位变化:瞬时改变相位 60 度。
  • 永久三相故障:产生三相对地故障并测量无功功率。
典型测试工况
瞬时有功功率参考变化 
在这个测试场景中,系统经历了有功功率参考的瞬时变化。这个测试场景允许您研究构网型变流器的跟踪能力、响应时间和输出电压波动。
仿真波形
基于标准的结果判断:系统稳定运行。
电网系统频率变化 
这个测试场景将电网系统频率增加 2 Hz,速率为 2 Hz/s,然后将其降低 5 Hz,速率为 1 Hz/s。模拟结果显示,构网型变流器在稳定区域内运行,提供所需的有功和无功功率,而不会断开连接。
仿真波形
基于标准的结果判断:系统稳定运行。
故障穿越特性 
在这个测试场景中,您可以模拟一个构网型变流器在三相对地(LLL-G)故障条件下,具有不同的故障阻抗。将故障无功电流注入与电网规范GC0137中的最小注入电流进行比较。
仿真波形
故障电流注入是否在标准要求区间内判断。
基于标准的结果判断:系统稳定运行。
不同惯性常数是GFM 变流器对有功参考突变的响应
您可以仿真不同惯性常数对瞬时有功功率参考变化的影响。如下图所示较高的惯性常数会导致构网型变流器的振荡响应。
振荡衰减后稳定状态统计
限于篇幅,本文到此为止。如果想了解更多,请安装 MATLAB R2023b 及之后版本,并点击下方“阅读原文”的链接,获取案例下载地址

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