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大规模光伏电站接入弱电网振荡特性及调控方法研究

蔺向阳  
【摘要】:为了缓解传统化石能源枯竭带来的能源压力,光伏等新能源得到了越来越多的关注与发展。由于大规模光伏电站产生的能源除受光照强度影响伴随的间歇性特点外,其通常通过长距离输电线路接入电网运行,线路阻抗不可忽略,因此光伏电站并网运行面临接入弱电网的现实挑战。由于在电网强度较弱情况下,其通过锁相环、电压电流控制器等环节与并网光伏逆变器耦合增强,进而给大规模电站的运行带来一系列宽频域多时间尺度的失稳问题。为保证大规模光伏电站并网稳定运行,必须认识光伏电站振荡失稳、谐波放大、母线电压越限等问题的产生机理,并设计相应的调控方法。因此,本文针对大规模光伏电站接入弱电网的振荡稳定性、谐波谐振特性、并网点母线电压保护等一系列问题展开研究,详细内容如下:(1)详细研究了大规模光伏电站的聚合等值方法。首先通过时域微分方程建立光伏逆变器的数学模型,利用不同系统之间同调性判据,求取多并联光伏逆变器的等值条件。通过逆变器中的能量关系建立同调系统之间状态变量满足的数学关系,进而提出了一种基于结构保持方法大规模光伏电站聚合等值方法。然后,通过比较详细模型与聚合模型之间的状态方程,给出了精确的光伏逆变器功率电路、控制器等效参数的计算方法。通过PSCAD/EMTDC仿真平台搭建的10台光伏逆变器详细模型与相应聚合等值模型验证了所提出的聚合方法的有效性,发现所提等效参数计算方法,不仅可以求取相同参数条件下的多并联光伏逆变器等值模型,也可以求取不同参数条件下的等值模型,并且聚合模型与详细模型在不同辐照度变化扰动、连续对称和非对称电网故障下具有动态一致性,证明了聚合等值方法的有效性。(2)以多并联光伏逆变器的聚合等值模型为对象,建立了两级式光伏逆变器的详细阻抗模型,其中包括光伏阵列,前级直流升压电路和后级三相逆变器及各部分控制电路。在两级式光伏逆变器的直流母线端口和并网点端口处分别求解逆变器的直流阻抗模型与交流阻抗模型,其中交流阻抗模型为同步旋转坐标系下的d-q轴阻抗模型。通过对不同端口下阻抗特性的分析,发现前级电路的直流输出阻抗表现为一阶低通滤波器,主要受直流链路电容的影响。同时电压外环控制器中积分增益的降低可能会导致d轴阻抗分量为负电阻容性阻抗。此外,利用广义奈奎斯特稳定判据,揭示光伏逆变器接入弱电网的振荡产生机理,发现锁相环带宽的增加、外环控制器积分增益的降低、光伏逆变器工作点的改变会分别造成逆变器接入弱电网发生30Hz、162Hz、1574Hz等不同频率范围的振荡。通过2.8MW聚合光伏逆变器接入弱电网的仿真模型,验证了阻抗模型和振荡频率分析的正确性。(3)为进一步研究光伏电站接入弱电网的谐波谐振特性,利用光伏逆变器正负序坐标系下的阻抗模型,建立了光伏接入弱电网的无源阻抗网络。通过对阻抗网络的串联谐振分析,得到了并网点谐波电压放大系数,并且详细评估了不同光伏逆变器参数、不同无功补偿容量与不同长度分布式输电线路对谐波放大程度的影响。同时,根据阻抗网络与谐波放大系数,可以求取在指定次电网背景谐波时光伏逆变器接入电网的谐波放大情况。针对电网背景谐波条件下光伏输出谐波含量越限的问题,设计基于多谐振电流控制器与有源阻尼反馈的谐波谐振控制策略,提升光伏逆变器在背景谐波条件下的谐波抑制能力,并通过逆变器分别接入含对称背景谐波与非对称背景谐波电网的仿真算例,证明了谐波谐振控制策略的有效性。(4)大规模光伏电站并网运行时需要有相应的无功补偿装置支撑并网点母线电压,因此本文研究了光伏电站中典型的星形连接H桥级联静止无功补偿装置(Static Var Generation,SVG)的基本架构与控制方法。在PSCAD仿真平台中搭建了三相星形连接每相8个H桥级联并且额定容量为8MVar的SVG仿真模型,分别实现了SVG的恒无功功率控制方式与恒母线电压控制,发现当采用恒无功功率控制方式时SVG可以稳定输出指定容量,但H桥电容电压存在两倍频正弦波动;当采用恒母线电压控制方式时SVG会随母线电压的变化而输出不同大小的无功容量,但其H桥电容电压两倍频波动明显减小。鉴于光伏电站中SVG与光伏逆变器均有无功输出能力,依据无功-电压下垂曲线,制定了光伏电站无功协调三层控制策略,合理调配光伏电站无功功率分配,满足母线电压保护要求。在PSCAD/EMTDC平台中搭建50MW额定容量的大规模光伏电站仿真模型,在稳态与电网单相接地故障条件下,分别验证了无功协调控制策略的有效性。


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