規模化光伏并網對火電機組次同步振蕩特性影響

鄭超，李媛

(1.中國電力科學研究院，北京市100192； 2.華北電力大學，河北省保定市071003)

規模化光伏并網對火電機組次同步振蕩特性影響

鄭超1，李媛2

(1.中國電力科學研究院，北京市100192； 2.華北電力大學，河北省保定市071003)

光伏規模化開發與集中并網，是我國太陽能資源利用的重要形式之一；波動性光伏電源與可調節常規火電機組近電氣距離聯合并網外送，則是提高交流送電線路利用效率的重要途徑。在上述場景中，光伏對火電機組次同步振蕩(sub-synchronous oscillation，SSO)阻尼特性的影響亟待研究。建立了包括光伏電池板、電壓源型逆變器以及控制系統3個主要組成部分的光伏發電單元電磁暫態仿真模型；研究了規模化光伏系統接入及其匯集線阻抗、運行點、接入位置等電氣特征量，對近電氣距離火電機組SSO阻尼特性的影響。針對交流線加裝串補可能引發的SSO問題，提出在光伏匯集站動態無功補償裝置配置附加阻尼控制器的抑制措施，并通過仿真驗證了該抑制措施的有效性。

規模化光伏；電磁暫態；火電機組；次同步振蕩(SSO)；阻尼特性；附加控制器

0 引 言

煤炭、石油等化石能源日漸枯竭，霧霾、全球變暖等環境問題日趨加劇，構建“資源節約型、環境友好型”可持續發展方式的呼聲日益高漲，共同推動以可再生能源以及新能源大規模應用為主要特征的第三次工業革命加速興起[1-2]。在此背景下，光伏發電作為新能源開發利用的重要形式之一，近年來發展迅猛[3]。

因光伏發電系統出力具有波動性、經電力電子逆變器并網、無機械旋轉慣量等有別于常規電源的差異化特征，大規模光伏并網，將會顯著影響電網穩態運行特性和暫態受擾特性[4-5]。針對光伏接入相關問題的研究，已成為當前電力工業界和學術界關注的熱點。本體性能優化方面，文獻[6]實現了光伏陣列最大功率跟蹤，并設計了電流控制的三相光伏并網控制系統；文獻[7]將粒子群優化算法引入無陰影工況下最大功率點跟蹤。仿真模型研究方面，文獻[8]利用相量法建立了并網光伏電站整體仿真模型；文獻[9-10]則建立了適應大電網受擾行為分析的光伏系統機電暫態仿真模型。電能質量治理方面，文獻[11]提出了一種既能并網發電，又能實現無功補償和濾除電網諧波電流的光伏并網及電能質量控制系統；文獻[12]則提出了一種可同時實現光伏并網發電、電能質量綜合治理以及電力中斷補給的新型電能質量調節器。繼電保護配置方面，文獻[13]分析了不同重合閘方式下，光伏等分布式電源接入對配電系統繼電保護協調性的影響；文獻[14]提出了一種考慮繼電保護影響的分布式電源接入容量分析和計算方法。無功電壓調節方面，文獻[15]提出將無功補償與光伏并網發電相結合的新型控制方案；文獻[16]研究了分布式光伏接入對配電網電壓的影響。安全穩定控制方面，文獻[17-19]分別圍繞功角穩定、電壓穩定以及功率振蕩等多形態穩定性開展相關研究。

火電機組經交流線路尤其是串聯電容補償交流線路外送，與電力電子設備近電氣距離并網，均存在著次同步振蕩(sub-synchronous oscillation，SSO)風險。由于保障電源安全是實現電網安全的重要基礎，因此圍繞串補外送系統、交直流混聯系統以及柔性交流輸電(flexible AC transmission system，FACTS)動態調控系統對火電機組SSO特性影響及應對措施，國內外開展了大量研究[20-24]。近年來以電力電子換流器為核心部件的風力發電系統對火電機組SSO特性的影響，也吸引了國內外學者熱切關注[24-26]。

我國陜、甘、青、寧、新等西北省區具有豐富的太陽能資源，同時也是煤炭資源富集地區。已建成的多個百萬kW級和規劃建設的數個千萬kW級光伏發電基地，具有“大規模集中開發、中高壓接入、高壓遠距離外送消納”格局的典型特征[27-28]。從增加并網點短路容量、改善系統抗擾能力、平抑功率波動和提升輸電設備利用效率等多方面考慮，規模化光伏與大型火電基地聯合開發，共用交直流通道外送的光火打捆近電氣距離并網已成為重要的網源結構模式[29]。規模化光伏接入將影響近電氣距離火電機組SSO特性。針對這一問題的研究，國內外尚未見報道。本文首先建立包括光伏電池板、電壓源型逆變器以及控制系統3個主要組成部分的光伏發電單元電磁暫態仿真模型；在此基礎上，利用測試信號法評估規模化光伏系統接入及其匯集線阻抗、運行點、接入位置等電氣特征量，對近電氣距離火電機組SSO阻尼特性的影響；針對光火打捆交流通道串聯補償外送系統存在的SSO風險，提出光伏匯集站動態無功補償裝置配置附加阻尼控制器的抑制措施，仿真結果驗證了措施的有效性。

1 光伏發電系統電磁暫態建模

1.1 光伏發電單元物理結構

光伏發電單元是規模化光伏發電系統的基礎組成部分，其結構如圖1所示，主要包括光伏電池陣列、電壓源型逆變器(voltage source converter，VSC)及其控制系統，以及交流換相電抗器。

圖1 單極式光伏發電單元的結構Fig.1 Structure of monopolar PV unit

光伏電池陣列在伏打效應作用下，接收光能并輸出直流電流；VSC及其控制系統維持直流側運行電壓，實現直流電向交流電轉換，同時控制其與交流電網交換的無功功率；換相電抗器是VSC與交流電網能量交換的紐帶。

1.2 光伏電池板建模

標準溫度Tref和標準光照強度Sref下，由電池的短路電流isc、開路電壓uoc、最大功率點電流im、最大功率點電壓um這4個參數，建立式(1)—(3)來模擬電池U-I特性：

(1)

(2)

(3)

式中：ip為光伏電池板輸出電流；ud為光伏電池板端口電壓。

Tref=25 ℃、Sref=1 kW/m2標準條件下，對應isc=8.09 A、uoc=44 V、im=7.47 A、um=34.8 V的光伏電池U-I和U-P特性曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，達到最大功率點前，隨著ud增大，ip小幅降低，光伏輸出功率單調增加；達到最大功率點之后，隨著ud增大，ip將快速減小，光伏輸出功率迅速降低。

圖2 光伏電池U- I與U-P特性Fig.2 U-I and U-P characteristics of PV cell

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：a與c為溫度補償系數；b為光強補償系數[30]。

對應補償系數取值a=0.000 8，b=0.2，c=0.005，以及Tact=25 ℃、Sact=0.6 kW/m2的非標準條件，光伏電池特性如圖2所示。

1.3 電壓源型逆變器模型

基于脈寬調制(pulse width modulation, PWM)控制的電壓源型逆變器的開關頻率達上千Hz。在次頻域內，可采用忽略開關動作的受控源模擬逆變器交流側和直流側特性[31]。

對應調制信號波sin(2πfrt)，電壓源逆變器交流側出口相電壓基波分量ucx為

(8)

式中：x分別取A，B，C；i分別取0，1，2；M為調制比；δ為移相角度；fr為調制波頻率。

從式(8)可以看出，電壓源逆變器的交流側，可視為幅值和相位受PWM調制比M和移相角度δ控制的受控電壓源，相比調制信號的增益系數為ud/2。

如圖1所示，逆變器開關損耗可由Rc附加值予以模擬，因此交直流兩側有功功率相等，直流電流id可計算如下：

(9)

式中：Pc為逆變器交流出口功率；icx為電壓源型逆變器交流側出口相電流基波分量。

可以看出，電壓源逆變器的直流側，可視為受控電流源。以受控電流源模擬光伏電池，受控電壓源和受控電流源分別模擬電壓源逆變器交流與直流側的光伏發電一次系統電磁暫態等效仿真模型如圖3所示。

圖3 光伏發電一次系統電磁暫態等效仿真模型Fig.3 Equivalent simulation model of electromagnetic transient for PV primary system

1.4 系統模型

為實現光伏電池最大運行功率點追蹤，逆變器需控制其直流側電壓。當光照強度、環境溫度變化或系統受擾波動，控制系統依據直流電壓偏差，動態調節輸出交流電壓移相角度，實現直流電壓在目標設定值下逆變器輸入功率與逆變器輸出功率動態平衡。且逆變器還可動態調節出口電壓幅值，按定功率或定功率因數方式，控制逆變器與交流電網交換無功的大小和方向。

基于比例積分調節器的光伏發電系統直流電壓控制器和無功功率或功率因數控制器模型，如圖4所示。

圖4 基于比例積分調節器的VSC控制器模型Fig.4 Controller model of VSC based on PI

2 復轉矩系數法的時域實現-測試信號法

發電機電氣阻尼特性分析的測試信號法，是復轉矩系數法的時域仿真實現方法[32]，其主要步驟如下所述。

(1)發電機軸系采用單剛體模型，在發電機轉子上施加如式(10)所示一系列次同步頻率小值脈動轉矩：

(10)

式中：Tf為頻率為f的脈動轉矩幅值；φf為頻率為f的脈動轉矩初相。

(3)利用公式(11)，計算發電機的電氣阻尼系數De：

(11)

3 光伏對火電機組SSO特性影響

3.1 光伏接入對機組阻尼特性的影響

圖5所示為規模化光伏與火電機組近電氣距離并網系統結構圖。規模化光伏與火電機組近電氣距離并網系統中，發電機采用單剛體模型，在100 MVA基準容量下，交流輸電系統參數分別為：火電機組升壓變電抗Xt=0.015 7 pu、外送線路電阻Rl=0.006 pu、電抗Xl=0.05 pu、系統等值電抗Xs=0.006 pu；光伏并網交流系統參數為：匯集站主變高中壓繞組電抗Xpt=0.15 pu、匯集線電抗Xpl=0.05 pu、光伏發電并網變壓器電抗Xps=0.15 pu。

圖5 規模化光伏與火電機組近電氣距離并網系統結構圖Fig.5 Structure of large-scale PV grid-connected system with thermal power unit

火電機組運行功率Pg為6.0 pu；光伏發電單元運行于如圖2所示最大功率o點，規模化并網系統由1.8×105塊電池板串并聯倍乘聚合模擬，合計運行功率0.5 pu。

通過圖5開關S的閉合與開斷，模擬光伏系統接入與退出。對應2種情況，利用測試信號法計算得到的發電機電氣阻尼特性曲線，如圖6所示。可以看出，光伏系統接入可小幅提升發電機電氣阻尼，有助于改善機組的次同步振蕩特性。

圖6 有無光伏并網發電機電氣阻尼特性差異Fig.6 Differences of electrical damping characteristic with or without PV

3.2 光伏并網系統電氣特性對機組阻尼系數的影響

并網匯集線電抗Xpl、受日照強度和直流電壓控制水平影響的光伏運行點、電壓源逆變器無功控制方式以及并入交流電網的位置等，是規模化光伏發電系統主要電氣特征量，其對發電機電氣阻尼特性的影響如圖7所示，由圖7可知：

(1)隨匯集線電抗Xpl增大，光伏發電系統與機組間電氣距離加大，發電機的De減小。

圖7 光伏并網系統電氣特性對機組電氣阻尼影響Fig.7 Influence of electrical characteristics on damping characteristic of thermal power unit

(2)運行于不同光照強度下的最大功率點，對發電機的De無明顯影響。相同的光照強度下，運行于U-P特性曲線最大功率點左側的低電壓小功率區間，對發電機的De無明顯影響；運行于右側高電壓大功率運行區間時，小于20 Hz的頻域內發電機的De有所減小，大于20 Hz的頻域內De無明顯變化。

(3)光伏逆變器定無功功率控制或定功率因數控制，對發電機的De無明顯影響。

(4)隨著光伏接入位置遠離發電機，De將減小。

綜上，光伏發電系統本體的運行點以及無功控制方式，對近電氣距離并網的火電機組的阻尼特性無明顯影響；受光伏系統與火電機組電氣距離增大的影響，De有所減小，但程度不大。

4 光火打捆交流串補外送系統

圖8所示為規模化光伏與火電機組經串聯電容補償交流線路聯合外送系統，其交流系統參數與圖5所示的系統一致，串聯補償容抗Xc=-0.02 pu，發電機軸系采用多質量塊模擬，參數與IEEE第一標準測試系統一致[33]。

圖8 規模化光伏與火電機組近電氣距離并網串補外送系統
Fig.8 Transmission line compensated with series capacitor for PV and thermal power unit system

對應開關S閉合與開斷兩種狀態，即光伏系統接入與退出，發電機電氣阻尼特性De以及受擾后轉子轉速時域響應的對比曲線，分別如圖9和圖10所示。從圖9和圖10中可以看出，光伏接入能提高串補輸電系統中發電機電氣阻尼，對次同步振蕩有一定的抑制作用，但仍不足以規避發散振蕩的風險。

為平抑光伏功率波動對交流系統電壓的影響，通常在光伏匯集站主變第三繞組側安裝有靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)等動態無功補償裝置。在STATCOM電壓主控制器的基礎上，附加配置如圖11所示的以發電機轉子轉速為輸入信號的次同步振蕩阻尼控制器，動態調節其輸出的無功功率，則能顯著改善發電機電氣阻尼特性，有效規避機組軸系次同步振蕩風險。

圖9 串補外送系統中機組電氣阻尼特性Fig.9 Damping characteristics of transmission line compensated with series capacitor

圖10 發電機轉子轉速暫態響應Fig.10 Transient response of rotor speed

圖11 STATCOM次同步振蕩阻尼控制器Fig.11 SSO damping controller equipped in STATCOM

對應圖8所示系統，匯集站STATCOM配置附加阻尼控制，參數分別為Tm=0.01、Tw=8、K=5、T1=0.3、T2=0.1。配置附加阻尼控制器后的發電機電氣阻尼De以及受擾后的轉子角速度暫態時域響應，分別如圖9和圖12所示。從計算結果可以看出，發電機電氣阻尼顯著提升，軸系振蕩衰減平息。

圖12 附加阻尼控制下的發電機轉子轉速暫態響應Fig.12 Transient response of rotor speed with additional SSO damping controller

5 結 論

(1)光伏發電單元電磁暫態模型包括光伏電池板、逆變器以及控制系統3個部分，其中光伏電池板可采用電壓控制的電流源模擬，逆變器交流與直流側可分別采用受控電壓源和受控電流源模擬。

(2)光火打捆近距離聯合并網可小幅提升近電氣距離并網的火電機組次同步振蕩阻尼；光伏運行點和無功控制方式對阻尼特性影響較小，光伏與火電機組間電氣距離增大，則阻尼提升幅度減小。

(3)光伏與火電機組經串聯補償交流線路外送的系統中，仍存在機組次同步振蕩威脅。在光伏匯集站動態無功補償裝置中，附加次同步振蕩阻尼控制器，可降低振蕩威脅。

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(實習編輯 郭文瑞)

Influence of Scaled Photovoltaic Grid-Connected System on SSO Characteristic of Thermal Power Unit

ZHENG Chao1, LI Yuan2

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2.North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Large-scaled development of photovoltaic (PV) and concentrated to power grid, is one of the important forms of solar energy resources utilization in China.The fluctuated PV power combined with adjustable conventional thermal power unit is an important way to enhance the capacity utilization efficiency of AC transmission line.In the above scenario, it is urgent to research the influence of PV on the sub-synchronous oscillation (SSO) damping characteristics of proximate thermal unit.This paper establishes the electromagnetic transient simulation model of PV power generation unit including three main parts such as battery plates, voltage source converter and control system.And then, this paper studies the influences of large-scaled grid-connected PV and its different electrical parameters on SSO damping characteristics of proximate thermal unit, such as the impedance of collective line, operating points, access location and so on.Aiming at the threat of SSO under AC transmission compensated with series capacitor, this paper proposes the suppression measure that the additional damping controller is installed into the dynamic reactive compensation device located at the PV power collection station.The simulation results verify the effectiveness of the proposed measure.

large-scale photovoltaic; electromagnetic transient; thermal power unit; sub-synchronous oscillation(SSO); damping characteristics; additional controller

國家電網公司基礎性前瞻性科技項目(XT71-14-005)

TM 621

A

1000-7229(2016)09-0062-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.009

2016-04-25

鄭超(1977)，男，工學博士，教授級高級工程師，研究方向為電力系統穩定與控制、交直流系統分析、FACTS、新能源并網技術；

李媛(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統穩定與控制、新能源并網技術。