【《光伏并网系统的大干扰稳定特性及控制策略》16000字】

[6]。光伏系统向电网输送功率主要取决于逆变器与电网电压的状态。若相角超前电网，则发出有功功率；若电压幅值大于电网侧，则发出无功功率。光伏并网系统模型PSCAD为电力行业常用的电磁暂态仿真软件，本研究即在PSCAD中搭建模型进行仿真分析。模型的整体结构如下图2.3所示，光伏阵列输出直流电，先经过Boost升压器，再由逆变器转换为交流电，滤波后升压接入电网。加入负载以保证光伏所发电量送往系统方向，以及采用双回线路接入电网。升压器与逆变器都有控制模块，以实现对于光伏发电的各类控制策略。模型整体结构下面介绍光伏并网系统模型整体结构中的各个模块。由于两个控制模块较为复杂，将在下一小节中介绍其原理及构成。光伏阵列采用软件中已有的模块PVArray，输入光照、辐射数值、光伏模块的串并联数目，输出端模拟真实光伏阵列的输出电流与电压。在输入光照、辐射端后，接入速率限制器（RateLimiter），以抑制光照、辐射波动时光伏阵列发电量的波动，保证实际中云朵飘过等快速变化时光伏发电的平稳性。设置输入温度为28℃，输入辐照强度为1200W/m2，对光伏阵列模块进行仿真，得到输出特性如下图2.4、2.5所示。曲线与实际光伏阵列的输出特性相符，此模块能够较好地模拟真实光伏阵列。并且可以看到，在当前环境条件下，最大输出功率为0.38MW，对应最大功率点电压为0光伏阵列P-U曲线光伏阵列I-U曲线Boost升压器模块内部电路如图2.6所示，为LC低通滤波电路加标准的boost升压斩波器电路。低通滤波过滤前端直流电压的波动。输出电压大小由IGBT开关占空比决定，因此可以通过给予不同的开关控制信号，调节输出直流电压。升压器控制模块主要就是产生需要的开关控制信号，控制IGBT开断。逆变器采用常用的三相逆变器，电路图如图2.7所示。每个桥臂的两个IGBT交替导通，将直流信号转变为交流信号。利用脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）技术产生IGBT的开关控制信号，可以调节输出的交流电压大小。即逆变器控制模块同样是产生所需的开关控制信号，实现对输出信号的调节。直流升压器电路逆变器电路经逆变器变换后，经过LCL滤波，才能输出较稳定的交流电压、电流。LCL滤波电路图如图2.8所示，由逆变器侧电感L1、电容、网侧电感L2构成。逆变器侧电感与电容对纹波电压进行分压，电感承担大部分电压，因此网侧纹波电压小。网侧电感和电容对纹波电流进行分流，纹波电流主要都被电容旁路，而不进入网侧。因此L滤波电路滤波之后经过升压变压器，通过双回线路接入电压有效值为35kV的电网。采用双回线路主要考虑实际中更多采用双回线，以及后面研究故障情况时模拟其中一回线路故障、故障后切除的情形。故障前后系统状态不同，而都能通过控制运行在稳定状态，使得本文设计的控制策略更具有鲁棒性。基本控制策略光伏发电设备的基本控制策略主要通过升压器控制模块、逆变器控制模块这两个控制模块实现。升压器控制模块可以产生Boost升压器的开关信号GBoost，进而控制输入端电压Vpv或输出端电压Vdc_bus。具体控制框图如下图2直流升压器控制模块控制框图当采用MPPT控制时，PI模块前的选择器会接入下回路。软件自带的最大功率追踪模块接入光伏阵列输出的电压Vpv、电流Ipv，内部利用扰动观察、电导增量算法，计算得到此时的最大功率点电压V_MPPT。与实际电压Vpv作差，经过积分器后作为功率参考值Pref。利用乘法器计算实际功率P锯齿波发生器产生一定频率的锯齿波作为载波，调制波与载波共同输入PWM信号发生器，进行比较，产生最终的IGBT开关控制脉冲信号GBoost。除了最大功率追踪模式，还可以选择控制Boost输出端直流电压Vdc_bus。此种工作模式下，PI模块前接入的是该电压参考值Vdcref与实际值Vdc_busPI模块为比例、积分调节，控制表达式为kp+1/sTi，其中kp代表比例环节，而1/sTiBoost控制模块内部参数控制环节参数取值积分器T=0.01PI模块KT逆变器控制模块内部控制框图如图2.10所示，大体分为三个部分。首先经过锁相环得到并网点电压的相角，同时经过派克变换将三相电压、电流转变为旋转坐标系下的值，便于后续处理。之后经过功率解耦双环控制得到d、q轴电压ud、u其中，功率解耦双环控制外环可以选择控制有功功率P或者直流电压Vdc_bus，以及无功功率Q或者交流电压Vac。外环不仅控制这些变量，同时给出内环的参考值。内环则是控制电流有功分量id、无功分量iq。控制变量都是采用参考值减去实际值，再接入P内环产生ud ud= uq=其中，ω为角频率，L为逆变器输出端的电感。逆变器控制模块控制框图6个PI模块的控制参数如下表2.2所示：Inverter控制模块内部参数控制环节参数取值PI1KPI2KPI3KPI4KPI5KPI6K参数选择主要考虑比例、积分环节的调节程度，选择系统稳定运行下的合理取值。升压器控制模块、逆变器控制模块合理设计之后，便实现了光伏并网发电设备的基本控制策略。稳态运行仿真前两小节介绍了光伏并网系统的整体结构以及各个模块的模型，并且讲述了基本控制策略的原理与实现方式。本小节基于前面搭建的模型，进行仿真运行。由前面介绍可知，Boost升压器有两种运行模式，最大功率追踪模式或输出设定直流电压模式，通过控制信号MPPT进行选择。观测最大功率电压点电压V_MPPT、光伏阵列输出电压Vpv、输出有功功率Ppv、升压器输出侧直流电压MPPT运行模式下，仿真曲线图如图2.11所示。可以看到Vpv趋近最大功率追踪模块计算得到的最大功率点电压0.53kV，此时输出有功功率0.38MW，与图2.4光伏阵列P-U曲线所示相符。说明当下控制有效实现了最大功率追踪功能。此时输出直流电压为1kV。注意开始由于存在一个短暂的启动过程，控制环节在开始的0.2s升压器处于MPPT运行模式下的仿真图升压器处于控制Vdc运行模式下的仿真图在设定直流输出电压云顶模式下，设置Vdcref=0.8kV时的仿真图如图2.12所示。此时Vpv为0.59kV，与最大功率点电压并不重合，输出有功功率0.35MW，小于MPPT验证了升压器两种控制模式均能有效运行后，再验证逆变器模块的控制运行效果。逆变器可以选择控制有功功率P或者直流电压Vdc_bus，以及无功功率Q或者交流电压Vac，通过两个选择控制信号ctrl1以及ctrl2进行选择。观测并网点输出有功功率P_VSC、并网点输出无功功率Q_VSC、并网点交流电压V_VSC、逆变器输入侧直流电压当逆变器处于控制两侧直流电压、交流电压状态下，设定Vdcref=0.8kV，Vacref=0.2kV（相电压幅值），仿真曲线如下图2.13所示。可以看到输出有功功率为0.31MW，不输出无功功率。直流电压稳定在控制值0.8kV，以及交流电压（图中为逆变器处于控制Vdc、Vac运行模式下的仿真图逆变器处于控制P、Q运行模式下的仿真图逆变器处于控制输出有功功率、无功功率状态下，设定Pref=0.1MW，Qref=0.2MVar，仿真曲线如图2.14所示。此时输出有功、无功功率稳定在设定参考值，控制有效运行。并网点交流电压幅值为0经过上面几组仿真验证，可以看到系统稳定运行，并且设置的升压器、逆变器的各个控制模式都能有效实现，光伏发电设备的基本控制策略基本实现。本章小结本章完成了光伏发电并网系统模型搭建。以最简单的并网系统模型为研究对象，将光伏阵列通过Boost升压器、逆变器变换，再接入电网。在PSCAD软件中，搭建整体模型，验证了各个模块的特性及作用。主要控制环节通过设计升压器控制模块、逆变器控制模块，合理选择PI调节参数，实现了一些基本的控制策略。经过仿真验证，系统稳定运行，且各个控制策略都有效实现。对于系统的输出有功、无功功率，光伏阵列输出端的直流电压、逆变器输入端的直流电压、逆变器输出端的交流电压都能进行控制使稳定在设置的参考值。本章完成了模型搭建工作，为后续研究建立了基础。大干扰稳定控制大干扰下系统运行情况前文建立了基本的光伏并网仿真模型，本章将研究大干扰下的稳定性控制。首先需要在系统中加入故障，查看大干扰下的运行情况。如图3.1所示，在电网侧双回线中一条线路上的A点加入故障。本研究讨论基本的对称故障下的情况，在A点设置三相短路故障，从0.6s开始，持续0.2s。在0.8s时，切除故障，该条线路从系统中断路。光伏并网系统加入大干扰系统采用MPPT工作模式，即控制直流电压，使光伏阵列始终发出最大功率，实际中的光伏电站常常就是工作在此模式下。同时逆变器处于控制直流电压、交流电压状态。在仿真模型中观察并网点PCC处的各个电量变化。直流电压Vdc_bus、并网点交流电压V_VSC（A相）、并网点交流电流I_VSC（A相）曲线如图3.2观测功率变化情况，光伏阵列输出有功功率PPV、并网点输出有功功率P_VSC、并网点输出无功功率Q_VSC曲线如图3.3所示。MPPT控制下，故障时光伏阵列依然输出较大有功功率，而由于系统故障并网点输出的有功功率下降，功率不平衡导致直流电压上升。中间由于PI模块输出的上下限，以及系统中的电容、电感的作用，存在一些波动。0.7s电压、电流仿真图功率仿真图实际中，电流过大会对逆变器等器件造成较为严重的损害。逆变器会在电流超过某限制的情况下进行闭锁，即各个IGBT开关信号都为0，都工作于高阻状态，逆变器输出电压、电流都将变为0，相当于光伏发电设备从系统中切除。系统恢复后，锁相环可以快速调节，逆变器能够快速调节功率，可以重新恢复系统稳定。总体而言，对于光伏并网系统，发生大干扰故障期间各量都有较大的波动。而故障切除后，系统又能快速恢复稳定，各个电量都能恢复到正常运行状态。因此，光伏发电设备的稳定性问题主要是故障期间能否维持稳定。有功控制上一小节介绍到大干扰故障下，过电流会引起逆变器自锁甚至损坏逆变器等设备。为了维持系统的稳定性，光伏发电设备在大干扰下需要保持并网，保证光伏低电压穿越主要需要限制电流。而电流主要是有功分量id，因此主要进行有功控制，控制id。要进行控制，首先需要识别故障，以切换到新的控制状态。有功控制的控制流程图如图3.4所示。检测并网点交流电压，当电压跌落时，切换到有功控制模式。否则，在正常双环控制下运行。具体的有功控制方式为断开电压/功率外环，原本由外环得到内环电流的参考值idref，现在该参考值直接取一个设置的较小的值。有功控制流程图识别故障时，测量并网点电压有效值，利用比较器进行判断。当电压有效值低于0.9标幺值时，判断为故障状态，控制信号faultctrl输出1。故障识别效果见图3.5。并网点电压有效值为V_rms，在0.6-0.8秒跌落，faultctrl信号在这一时间段输出1。可以快速有效识别故障，切换信号。故障识别仿真图改进原有图2.8中的电流环，id参考值信号由faultctrl信号进行选择控制，faultctrl为0时，参考值取由外环得到的idref；faultctrl为1时，参考值取新设置的值id∗有功控制下交流电压、电流仿真图设置id∗为0.52（0.7标幺值），并网点交流电压、电流曲线如图3.6有功控制有效减小了电流。但同时，由于功率降低，电压有略微下降，使得电压跌落更为严重。无功控制大干扰时输出无功可以起到支撑电压的作用，减小电压跌落程度。原控制交流电压模式下，无功功率输出比较小，可以在大干扰期间切换到无功控制模式。在有功控制基础上，加入无功控制，整体的控制流程图如图3.7所示。电压跌落时，由控制交流电压转为控制无功功率模式。无功功率增加，无功电流会上升，也会造成电流增大，因此Qref需合理取值，以使得电压有一定上升的同时，电流不过大。另外，有功控制的id∗有功、无功控制流程图在大干扰期间进行有功、无功控制，逆变器控制模块改造后的功率控制部分控制框图如图3.8所示。由故障识别信号faultctrl控制选择器，进行控制模式的切换。有功、无功控制框图有功、无功控制下交流电压、电流仿真图设置id∗为0，Qref为0.04，对加入有功、无功控制的系统进行仿真，观测到并网点交流电压、电流的曲线如图3.9直流电压控制通过有功、无功控制，可以对大干扰下的电流、电压稳定性进行改善。而由故障时的曲线可以看到，由于功率不平衡，直流侧电压有较大波动，也会对光伏发电设备造成损害，因此还需要对直流侧电压进行稳定控制。在光伏阵列与Boost升压器之间并入电容以及卸荷电路，系统结构图如图3.10所示。电容能够储存能量，卸荷电路可以消耗能量，从而改善光伏阵列输出功率与逆变器端送入电网的功率间的不平衡，抑制直流电压上升。加入卸荷电路的系统结构图卸荷电路的结构图如图3.11所示，实质为一个电阻与开关串联。控制器内部通过比较器实现，当直流电压上升到1.1标幺值时，控制开关闭合，并入电阻，消耗能量。当电压回到标幺值时，断开开关。卸荷电路结构图设置电容C=10000μF，卸荷电路中的电阻r=2Ω，有功功率与直流电压的仿真图如下图3.12所示。大干扰期间光伏阵列仍保持输出最大功率，PPV曲线较为稳定。并网点输出有功功率P_VSC较小，与PPV无法平衡。而由于电容与卸荷电路存储、消耗了这部分功率，直流电压V直流电压控制下有功功率与直流电压仿真图电容可以储存能量，维持电压。足够大的C使得卸荷电路接入期间可以消耗足够多的能量。电阻R可以消耗能量，较小的R将消耗较大功率。因此C取值越大，R取值越小，控制直流电压的效果越好。但是超出一定限制可能会导致直流电压下降，稳定在较低的值而非标幺值。加入电容与卸荷电路，合理设置电容、电阻数值，可以有效控制大干扰下直流电压的稳定性。本章小结本章利用仿真分析了对称故障大干扰对光伏并网系统稳定性的影响，会造成故障期间交流电流增大、电压跌落。以及故障期间传输进电网的有功功率非常小，而光伏阵列仍处在MPPT运行模式，发出较大功率，造成直流电压上升。而故障切除后基本的控制策略会使得系统快速恢复稳定。因此光伏发电设备的大干扰稳定性问题主要发生在故障期间，各量的波动可能会造成器件损伤以及脱网。在此基础上，设计了提高大干扰稳定性的控制策略。首先是有功控制，有效限制大扰动期间电流过大。以及无功控制，使得光伏设备发出更多无功功率，以改善电压跌落程度。另外，进行直流电压控制，利用卸荷电路消耗不平衡的功率，使得直流电压波动较小。本章依据大干扰下光伏并网系统的运行状态，设计了提高大干扰稳定性的控制策略，并利用仿真验证了其具有较好的效果。总结与展望研究结论在全球能源变革与我国“双碳”目标提出的背景下，越来越多的光伏装机投产。光伏所发直流电需要通过电压源型逆变器转换为交流电后，才能并入电网，通过电力电子器件进行控制与调节，波动性大、惯性小、电抗大，与传统发电机组特性有较大差异。光伏并网系统的大干扰稳定特性具有多时间尺度、非线性程度高等新特点。未来将有更多光伏发电设备并入电网，研究光伏并网系统的稳定性至关重要。本文总结了现有研究，利用仿真分析了大干扰下光伏并网系统的稳定性问题，可以与传统发电机进行比较。传统发电机的大干扰稳定问题主要发生在故障切除后，主要考虑原动机械惯性造成的功率不平衡，引起转子加速，失去同步稳定性。而光伏发电逆变电源惯性小，可以快速调节，故障后总可以快速恢复稳定。主要需要考虑大干扰期间各量的稳定性，保持并网，实现低电压穿越。因此，现有研究以及本文都在考虑故障期间的稳定性问题。本文首先建立了简单的光伏阵列并入无穷大电网的系统模型，并且实现了MPPT控制、逆变器功率解耦双环控制等基本控制策略，在稳态下正常运行。有效控制系统运行在最大功率追踪状态，以及可以运行在多种控制模式下，对直流电压、交流电压、有功功率、无功功率等量进行控制。之后，模拟三相短路对称故障大干扰下系统的运行状态，出现电流上升、电压跌落、直流电压上升等现象。进而设计了提高大干扰稳定性的控制策略。通过有功、无功控制，调整故障期间的功率输出大小，抑制过电流，改善电压跌落。通过直流电压控制，加入卸荷电路，消耗多余功率，使得直流侧电压较为稳定。综合改善了大干扰期间的稳定性，避免过电流、过直流电压等对于器件的损害甚至造成脱网现象。未来展望本文通过仿真分析了光伏发电设备大干扰稳定特性，以及针对对称故障设计了提高稳定性的控制策略。本文研究还有一些不足，尚有一些研究有待进一步开展：首先，非对称故障下的稳定性控制更为复杂，有待进一步研究。对于非对称故障，锁相环需要进行相序分离，控制模块也需要针对不同相序进行处理。本文设计的控制策略只能改善对称故障下的大干扰稳定性。其次，本文只是研究了光伏发电设备自身的大干扰稳定性，对于更复杂的系统，光伏接入对于其他传统机组的稳定性影响还有待分析研究。另外，本文主要基于仿真进行研究，而对于光伏并网系统的大干扰稳定性还缺乏深入的理论分析。未来可以尝试建立数学模型，利用直接法等方法进行稳定性分析。参考文献InternationalEnergyAgency.SnapshotofGlobalPVMarkets2021[R/OL].2021-04./snapshot-reports/snapshot-2021/.2021年中国光伏发电产业运行现状及未来发展趋势分析[EB/OL].2022-05-05./m0_68724905/article/details/124582030.GB38755-2019,电力系统安全稳定导则[S].李春来,张海宁,弓建荣,王东方等.大规模光伏发电系统及并网技术[M].北京:中国电力出版社,2016.焦阳,宋强,刘文华.光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真[J].电网技术,2010,34(11):198-202.宋代春.光伏发电并网控制及其暂态过程研究[D].天津理工大学,2011.闵勇,陈磊,姜齐荣.电力系统稳定分析[M].北京:清华大学出版社,2016.胡家兵,袁小明,程时杰.电力电子并网装备多尺度切换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题[J].中国电机工程学报,2019,39(18):5457-5467+5594.袁小明,程时杰,胡家兵.电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J].中国电机工程学报,2016,36(19):5145-5154+5395.Y.Liu

etal.TransientStabilityEnhancementControlStrategyBasedonImprovedPLLforGridConnectedVSCduringSevereGridFault[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,vol.36,no.1,pp.218-229,March2021.Chen,J.Yao,Y.Liu,J.Pei,S.HuangandZ.Chen.CouplingMechanismAnalysisandTransientStabilityAssessmentforMultiparalleledWindFarmsDuringLVRT[J].IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.12,no.4,pp.2132-2145,Oct.2021.X.HeandH.Geng.TransientStabilityofPowerSystemsIntegratedWithInverter-BasedGeneration[J].

IEEETransactionsonPowerSystems,vol.36,no.1,pp.553-556,Jan.2021.S.R.Mohamed,P.A.JeyanthyandD.Devaraj.Investigationontheimpactofhigh-penetrationofPVgenerationontransientstability[C].2017IEEEInternationalConferenceonIntelligentTechniquesinControl,OptimizationandSignalProcessing(INCOS),2017,pp.1-6.M.Yagami,N.Kimura,M.TsuchimotoandJ.Tamura.Powersystemtransientstabilityanalysisinthecaseofhigh-penetrationphotovoltaics[C].2013IEEEGrenobleConference,2013,pp.1-6.M.Yagami,S.Ishikawa,Y.Ichinohe,K.MisawaandJ.Tamura.Powersystemtransientstabilityanalysisinthecaseofhigh-penetrationphotovoltaics(part2)[C].2015IEEEEindhovenPowerTech,2015,pp.1-6.赖全怡.含高渗透率光伏电源的受端电网暂态电压响应特性分析[D].浙江大学,2019.李练兵.光伏发电并网逆变技术[M].北京:化学工业出版社,2016.周林,武剑,栗秋华,郭珂.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术,2008(06):1145-1154.GB/T19964-2012,光伏发电站接入电力系统技术规定[S].陈波,朱晓东,朱凌志,赖金朋.光伏电站低电压穿越时的无功控制策略[J].电力系统保护与控制,2012,40(17):6-12.郑飞,张军军,丁明昌.基于RTDS的光伏发电系统低电压穿越建模与控制策略[J].电力系统自动化,2012,36(22):19-24.张明光,陈晓婧.光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略[J].电力系统保护与控制,2014,42(11):28-33.刘耀远,曾成碧,李庭敏,付文雯.基于超级电容的光伏并网低电压穿越控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(13):77-82.S.M.IstiaqueMahmud,M.A.MannanandM.R.Hazari.LVRTPerformanceAnalysisandTransientStabilityAugmentationofaGrid-TiedPVSystem[C].20212ndInternationalConferenceonRobotics,ElectricalandSignalProcessingTechniques(ICREST),2021,pp.48-52.A.Ghosh,R.Patel,M.DattaandL.Meegahapola.Investigationoftransientstabilityofapowernetworkwithsolar-PVgeneration:Impactofloadinglevel&controlstrategy[J].2017IEEEInnovativeSmartGridTechnologies-Asia(ISG