光伏并网附加控制抑制交流范文

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《电力自动化设备杂志》2015年第一期

摘要：

高压交流串补有引发次同步谐振的风险，严重影响发电机组乃至整个电网的稳定运行。在光伏发电的基础上，研究通过光伏并网附加控制抑制交流串补引起的次同步谐振问题的可行性。基于复转矩系数思想设计一种次同步阻尼控制器加在光伏电站主控制器上，在保证光伏电站稳定并网的同时，抑制了交流串补引起的次同步谐振问题，很大程度提高了电网的稳定性与新能源并网效率。基于PSCAD／EMTDC仿真软件，以次同步IEEE第一标准模型作为仿真算例进行仿真验证，结果表明，相比STATCOM，通过在光伏电站并网附加阻尼控制器抑制次同步谐振的效果更好。

关键词：

光伏并网；串联电容补偿；次同步谐振；复转矩系数法；附加阻尼控制器

太阳能因其分布广泛、可再生、不污染环境等优点，逐渐得到人们广泛关注，同时光伏发电也是缓解化石能源消耗与环境保护的有效发电方式，青海近两年光伏发电的规划已达8000MW。为了提高光伏发电效率，国内外专家学者在太阳能光伏阵的最大功率点跟踪MPPT（MaximumPowerPointTracking）方面做了大量研究［1-3］。同时为了提高光伏并网效率与稳定性，大规模光伏发电并网影响分析成为当前研究重点。目前应用最广泛的并网控制方式为双闭环解耦控制策略［4-5］，也有大量研究提出利用无差拍控制、模糊控制、比例谐振控制与鲁棒控制等代替原有的PI控制方式［6-8］，以提高光伏并网的稳定性，光伏电站的稳定并网并具有较好的暂态特性也成为光伏发电亟待实现的目标。交流输电系统中通常通过串补电容以提高输电线路的输送能力，但当串补系统发生扰动时，有可能引起次同步谐振SSR（SubSynchronousResonance）。

SSR是发电机组轴系与电网之间的一种能量放大现象，表现为机组轴系模块间的相互扭振，严重的SSR会造成发电机组轴系损坏乃至影响整个电网的安全稳定运行［9］。在SSR振荡模态的检测与抑制方面，已有大量的研究。目前研究较为成熟的振荡电气量检测方法是特征根分析法［10-12］。SSR的抑制方法多种多样，其中通过静止无功补偿器SVC（StaticVarCompensator）［13-14］和附加励磁阻尼控制器SEDC（SupplementaryExcitationDampingController）［15］等方法发展较为成熟。随着新能源技术的发展，新能源并网时电力系统的次同步振荡问题越来越得到人们的关注。其中，文献［16］提出通过双馈风机并网，并在风电场主控制器上加附加控制器，抑制交流串补引起的SSR，并以次同步IEEE第二标准模型作为实例仿真模型验证控制器的有效性；文献［17］提出一种控制方式来抑制风电场并网时风电机组产生的次同步振荡问题。鉴于光伏发电的分布广泛、清洁等优点，基于研究光伏电站并网，提出通过光伏并网设计一种附加次同步阻尼控制器SSDC（SubSynchronousDampingController），加在光伏电站主控制器上来抑制交流串补引起的SSR。在保证光伏电站稳定并网的同时，可通过此附加控制器抑制交流串补产生的SSR，很大程度上提高了新能源并网的稳定性与并网效率。只有在严重扰动情况下交流串补才有引发SSR的可能性，且光伏发电具有间断性，故而通过光伏并网附加控制抑制SSR只是作为一种备选方案研究其可行性。本文以次同步IEEE第一标准模型（IEEEFirstBenchmarkModel）作为实例仿真模型，并建立200×1MW的光伏电站与之并联接入电网。在PSCAD／EMTDC仿真软件上建立上述电网的仿真模型，仿真结果表明，光伏电站侧的附加控制器可有效快速地抑制交流串补引起的SSR。

1基本原理

光伏电站并网的拓扑结构图如图1所示。由图1知，IEEE第一标准模型中发电机轴系包括高压缸（HP）、中压缸（IP）、低压缸A（LPA）、低压缸B（LPB）、发电机（GEN）和励磁机（EXC）6个部分。光伏电站发出直流电汇流后通过逆变站转换为交流电，通过变压器并入交流电网，光伏电站可在汽轮机升压变压器之前或之后并网。其中，RL、XL和XC分别为交流线路电阻、电抗和串补电容；iPV和uPV分别为光伏阵列汇流后的直流电流和电压；CPV为直流侧电容。本文研究重点是通过光伏并网控制的研究，来抑制交流串补引起的SSR问题，最大功率跟踪问题不在此做讨论。本文所研究光伏并网时通过电压源换流器VSC（VoltageSourceConverter）逆变联网，会在电网中产生高次谐波，主要由IGBT的开关频率决定，并不会随着附加控制器的加入而变化，且在模型搭建过程中已搭建相应的滤波器，故而没有考虑附加控制对光伏并网的电能质量方面的影响。

1.1光伏并网控制原理光伏并网的逆变器采用三相两电平的VSC，其拓扑图如图2所示。其中，Us和Uc分别为电网侧和换流阀侧基频电压分量；Rc和Lc分别为电网侧的等效电阻和电感。VSC采用脉宽调制PWM（PulseWidthModula-tion）技术，并采用应用较为广泛的双闭环解耦控制策略。光伏并网时，有功分量的控制量选择定直流电压控制，为了实现有效抑制SSR的目的，无功分量的控制量为定交流电压控制，控制逻辑图如图3所示。其中，us和uc分别为电网电压和VSC交流侧电压；is为电网电流；L为联结变压器加相电抗器的等效电感；Udc和Uac为直流电压和交流电压；m为调制比；δ为电网侧和换流器阀侧电压的相角差。下标d和q分别表示旋转坐标系下的d轴和q轴分量，上标“*”表示控制量的参考值，无上标表示控制量的测量值。由SSR发生机理知，当电网中的谐振频率与机组轴系自然扭振频率互补时，有可能造成机网耦合彼此互激，故而将设计的次同步阻尼控制器的输出信号加在无功功率控制上，产生的补偿电流通过定转子磁场作用，产生与振荡模态频率一致的电磁转矩分量，进而生成一阻尼转矩分量，实现机组轴系振荡的平稳。SSDC的信号加入图如图4所示。其中，USSR表示阻尼控制器的输出信号。

1.2复转矩系数法发电机电磁转矩的增量可表示。为了达到抑制SSR的目的，需满足De（f）＞0，即需满足发电机转速偏差Δω（f）和电磁转矩偏差ΔTe（f）的相位差介于0°到90°之间。

1.3SSDC设计为实现次同步阻尼控制能有效抑制SSR，需先测出发电机转速和电磁转矩之间的相位差，然后通过相位补偿达到抑制SSR的目的。根据复转矩系数法的思想，设计的SSDC结构框图如图5所示。其中，Δω为发电机转速偏差；K为分层控制器的增益。

滤波器设计SSDC设计中需注意的是当抑制某一种模态时，不能对其他模态造成影响，这就需要一种效果较好当相位补偿角度为负时，由于式（8）不会对信号的幅值产生影响，故而该移向环节的增益恒为1。

2算例分析

在PSCAD／EMTDC仿真软件中搭建IEEE第一标准模型与光伏电站并网的结构图，进行仿真。系统拓扑结构图如图1所示，光伏电站接在汽轮机升压变压器的高压侧。

2.1不加SSDC

2．1．1时域仿真在2s时电网侧施加三相短路故障，故障持续时间为0.075s。发电机转速信号的仿真结果如图6所示。由图6知，发电机转速在系统发生扰动后，发生了振荡发散，不利于系统的稳定。各个缸体模块之间的扭振转矩如图7所示。由图7知，发电机的6个模块间有5个扭振模式，每个扭振模式都是呈发散状态。在系统发生扰动后，光伏并网输出的有功、无功无功功率如图8所示。由图8知，光伏并网稳定时，向电网输送200MW的有功功率和480Mvar的无功功率，在系统发生扰动时，有功和无功功率发生波动发散状态，且在13s后系统呈失稳状态。光伏电站逆变器为VSC，可实现有功无功解耦控制，可实现独立无功发出以维持电压稳定。

2.1.2特征根分析取发电机转速信号，采用文献［18］提出的矩阵束算法进行特征根分析，可以得到不同振荡频率下的特征根与相位。光伏并网后SSR模态分析如表1所示。由表1知，光伏并网系统存在5个振荡模态，前4个模态都为负阻尼，第5个模态为弱阻尼，非常容易造成振荡发散，这与时域仿真相一致。辨识出的各个振荡模态的发电机电磁转矩信号相位如表2所示。

2.2加入SSDC

2.2.1时域仿真在加入SSDC前，首先要先得知各振荡模态滤波器的移向角度和Δωi需要补偿的角度。滤波器的移相角和Δωi补偿角如表3所示。根据表3列出的补偿相位，分别计算出各振荡模态的相位补偿参数和增益。根据设计的SSDC的输出信号加入到图4所示的位置，加入SSDC以后的发电机转速信号如图9所示。由图9知，在系统发生扰动后，发电机转速严重振荡，在SSDC加入后，发电机转速的振荡能迅速平稳下来。加入SSDC后各个缸体模块之间的扭振转矩如图10所示。由图10知，在加入SSDC以后，发电机各模块之间的扭振转矩可实现快速平稳。光伏并网输出的有功、无功功率如图11所示。由图11知，在SSDC加入时，短时间内加剧了光伏有功、无功功率输出的振荡，但能很快平稳，且振荡不会发散，最终有利于系统稳定。

2.2.2特征根分析加入SSDC以后，取发电机转速信号，采用文献［18］提出的矩阵束算法进行特征根分析。分析结果如表4所示。对比表4与表1可知，加入SSDC以后系统在各模态的阻尼比都有很大的提高，且均为正阻尼，系统可以迅速恢复稳定，这与图10的时域仿真结果相一致。2.3光伏并网与STATCOM抑制比较在IEEE第一标准模型交流线路上加入一500Mvar的STATCOM来抑制SSR，STATCOM的控制方式为定直流电压-交流电压控制策略，然后进行时域仿真。其结果与光伏并网加SSDC的仿真结果相比较，发电机转速的对比图如图12所示。由图12知，当交流输电线路发生故障时，发电机转速的振荡幅值会变大，但加入SSDC以后，发电机转速可以比STATCOM更迅速地抑制SSR，光伏SSDC的抑制效果更明显。在无扰动稳态运行情况下，光伏电站和STATCOM向系统注入的无功分别为480Mvar和500Mvar，但STATCOM不向系统注入有功。光伏换流站和STATCOM的无功容量相差不大，故而在扰动时注入的补偿电流幅值相差不大，但光伏并网向系统注入的有功功率会随着电网功率波动而波动，在有功控制环节中PI的作用下，有一定的抑制作用，故而在一定程度上，通过光伏并网抑制SSR的效果要稍好于STATCOM。依然采用矩阵束算法对通过STATCOM抑制SSR进行特征根分析，分析结果如表5所示。由表4和表5知，通过光伏SSDC抑制SSR比通过STATCOM抑制SSR产生的阻尼更大，故而抑制效果更明显，这与图12时域仿真结果相一致。在配置STATCOM参数时，若采用双闭环解耦控制策略，除了配置4个PI控制器参数较为复杂外，还要另设计附加控制器以抑制SSR，对于参数配置跟光伏逆变器的难度相当。但通过在光伏并网附加阻尼控制器，能在保证光伏并网稳定性的同时，不增加一次设备，减小了工程投入，具有很大的经济效益。

3结论

提出通过光伏电站并网，并在光伏电站的主控制器上加一个SSDC来抑制交流串补引起的SSR，以IEEE第一标准模型作为实例仿真模型，仿真分析结果表明，SSDC加入后可有效抑制SSR。通过新能源并网抑制SSR，可保证新能源并网稳定性的同时，实现了抑制SSR的目的。控制器的设计只需要取得发电机转速信号即可实现，工程实用性较强，且与STATCOM抑制SSR相比，经济性有很大提高。同时为抑制交流串补SSR问题提供了一种可选方案，鉴于光伏发电具有间断性，在原有的SEDC等控制器因故障未起作用时，通过此后备方法可进一步提高系统稳定性。

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作者：陈实 李兴源 李宽 单位：四川大学 电气信息学院 国网山东省电力公司电力科学研究院