基于RT-LAB硬件在環的風電機組寬頻振蕩風險評估

王新宇,任 正,陳財福,白云鵬,鄭婷婷

(國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院,內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

隨著新能源接入電力系統占比逐漸增加,直流輸電的大規模推廣應用,電力系統電力電子化特征明顯,由其導致的寬頻振蕩風險凸顯[1-3],內蒙古地區新能源裝機逐漸增加,構成典型強直弱交型電網,且存在串補、電力電子裝置、風火電源耦合等引發次同步振蕩風險的多重因素[4]。

新能源機組并網寬頻振蕩風險評估方法主要包括時域分析法和頻域分析法[5]。時域分析法最常用的時域建模分析技術包括基于小信號狀態空間模型的特征值分析和基于電磁暫態模型的時域仿真分析。文獻[6]運用機理建模方法,基于特征方程降階的思路,得到了反映變流器與電網交互影響的特征方程。文獻[7]建立直驅風機正負序阻抗模型,利用奈奎斯特判據分析其接入交流電網次同步振蕩的產生機理。文獻[8]通過時域仿真建立目標系統的詳細電磁暫態模型來判斷互聯系統的穩定性,直觀了解系統穩定狀態。

目前常用的頻域分析法包括頻率掃描法、復轉矩系數法和基于阻抗模型的Nyquist判據法等。文獻[9]通過頻率掃描獲得串補輸電網的簡化等值模型及其參數,用復轉矩系數法推導出等值系統的電氣阻尼顯式表達,綜合考慮機組扭振模式的電氣和機械阻尼來判別其穩定性。文獻[10]建立了中低頻段考慮頻率耦合的簡化序阻抗模型和高頻段不考慮頻率耦合簡化序阻抗模型,分頻段討論了不同控制環節對阻抗模型的影響。文獻[11]利用阻抗頻域分析法和奈惠斯特判據揭示雙饋風電場與串補系統交互作用的次同步振蕩和雙饋風電場與交流弱電網交互作用的超同步振蕩機理。文獻[12]對機組阻抗特性頻帶進行劃分,并分析影響各頻帶阻抗特性的主導因素,結合最大峰值Nyquist穩定判據,揭示系統各頻帶振蕩機理。由于各廠商風機控制器控制策略的保密性,上述各研究采取的建模分析手段盡管可以近似模擬實際控制器特性,但卻均無法精確模擬風機實際控制器物理特性。

本文基于RT-LAB仿真平臺,開發新能源機組寬頻振蕩動態分析裝置,可實現對控制器物理寬頻振蕩測試,并應用于RT-LAB硬件在環仿真試驗,完成對直驅風機控制器的頻域阻抗分析,解決了傳統建模分析手段無法精確模擬直驅風機并網現場控制性能問題,對研究和分析新能源機組并網寬頻振蕩穩定性具有重要意義。

1 新能源機組寬頻振蕩動態分析方法

通常新能源機組控制器的控制策略以非可直接獲取的形式燒寫在控制器物理硬件中,稱為“黑盒”控制系統?？赏ㄟ^阻抗辨識得到設備的阻抗頻率特性曲線,進而分析其不同頻率下的阻抗特性。

如圖1所示,在待測新能源機組并網點注入三相諧波擾動交流電壓源ΔUabc+、ΔUabc-,為避免擾動信號幅值過大引起控制器過壓保護動作,同時避免擾動信號幅值過小導致采樣信號失真,擾動諧波源幅值取額定電壓幅值的1%～5%[13],其表達式如下:

圖1 擾動注入法阻抗辨識

(1)

(2)

式中:fp+fn=2f1,f1為工頻50 Hz。

當新能源機組收到電壓擾動信號ΔUabc+、ΔUabc-后,會產生對應頻率的電流響應信號ΔIabc+、ΔIabc-,根據歐姆定律,被測對象的阻抗特性可被定義為

(3)

寫成導納矩陣形式為

(4)

(5)

式中:左上角元素Ypp代表正序電壓擾動ΔUabc+對正序電流響應分量ΔIabc+的影響;右下角元素Ynn代表負序電壓擾動ΔUabc-對負序電流響應分量ΔIabc-的影響;右上角元素Ypn代表負序電壓擾動ΔUabc-對正序電流響應分量ΔIabc+的影響;左下角元素Ynp代表正序電壓擾動ΔUabc+對負序電流響應分量ΔIabc-的影響。

進而可以用于機組控制器阻抗外特性穩定性分析。為獲取新能源機組控制器阻抗外特性,本文基于上述原理設計開發了如圖2所示的動態分析裝置,通過將風電機組控制器與RT-LAB組成硬件在環仿真平臺,利用本裝置的與RT-LAB的硬件接口向RT-LAB模型中風電機組端口注入擾動信號,再通過獲取風機端口對應的電壓擾動和電流擾動響應信號,進而通過阻抗模型辨識方法獲得風機寬頻帶阻抗。

圖2 裝置設計原理

2 寬頻振蕩穩定判據

2.1 頻域穩定判據

通過劃分交流電網阻抗和待測設備阻抗2個子系統,獲得頻域阻抗模型,對比2個子系統的阻抗頻率特性曲線,基于阻抗穩定判據分析新能源機組與交流系統間在不同頻率范圍內是否存在振蕩的風險。若兩曲線存在幅值交點時,且此交點處相角裕度不足時,則表明該點對應頻率存在不穩定的振蕩風險。

對于接入短路比較低的弱電網直驅風電機組,在某特定頻率下,機組阻抗外特性表現為容性,且在諧振峰處呈現負阻尼特性,與弱電網感性特性參數相匹配從而引發振蕩發散[12,14]。

2.2 Nyquist穩定判據

Nyquist穩定判據依據如式(6)所示[15]:

Z=P-2(N+-N-)

(6)

式中:P為開環傳函正實部極點個數;N+、N-分別表示包圍(-1,j0)的正、負穿越次數。

若Z=0,則系統穩定,反之,系統不穩定。當Z=0,且對應的Nyquist曲線穿過(-1,j0)點,則系統臨界穩定。

通?？蓪⒉⒕W風電機組的機側看成一個受控電流源,與電網形成一個串聯回路,其中風電機組被看作是由機側的受控電流源Is和輸出阻抗Zs并聯得到,電網被看作是源系統,由理想電壓源Vg和電網阻抗Zg串聯得到[16],如圖3所示。

圖3 風機并網等效原理

結合戴維南等效定理,風機輸出電流為

(7)

假設風電機組與電網在連接前均處于穩定狀態,Is為逆變器的穩定參考電流,Vg為穩定的電網電壓源,Zg為電網側的無源線路阻抗,均不包含不穩定極點。所以系統的穩定性僅由式(8)決定:

(8)

由式(8)可知,前向通道為1,反饋回路為Zg(s)/Zs(s)的負反饋控制閉環傳遞函數。在Zg(s)/Zs(s)滿足Nyquist穩定判據的條件下,H(s)才能保持穩定,或通過Zg(s)/Zs(s)的伯德圖判斷系統是否穩定。

3 基于RT-LAB的硬件在環仿真試驗

3.1 RT-LAB平臺HIL模型搭建

通常基于CPU的仿真無法做到實時計算,仿真步長一般在幾十微秒左右,對于含有高頻電力電子開關的設備解算困難,計算耗時嚴重,本文研究采用的RT-LAB平臺基于FPGA的仿真器對電力電子電路進行解算,最小仿真步長可以達到納秒級,大大提高解算效率。寬頻振蕩測試平臺原理及實物分別如圖4、圖5所示。

圖4 寬頻振蕩測試平臺原理

圖5 寬頻振蕩測試平臺實物

如圖5所示,RT-LAB將新能源機組主電路劃分為傳統電力設備元件部分和高頻電力電子開關元件2部分,其中傳統電力設備元件用CPU解算,含高頻電力電子開關電路的變流器采用eHS(electrical hardware solver)技術,利用FPGA實現高頻電力電子開關的小步長仿真,通過接收電網采樣信號調節PWM信號,控制變流器輸出,實現CHIL(控制硬件在環)實時仿真,提高仿真精度。

物理接口是新能源機組控制器實物硬件在環電氣量的交換單元,同時也是本文所用寬頻振蕩動態分析信號的注入和采集接口;擾動反饋信號經數據采集卡與注入信號相比較從而完成對新能源機組與交流電網的阻抗分析。

基于上述平臺搭建方法,本文將直驅風機控制器、寬頻振蕩動態分析裝與RT-LAB平臺構成硬件在環實時仿真平臺,并將直驅風機、整流模塊、逆變模塊、濾波模塊、受控源等構建為CPU解算模型,將物理控制器輸出信號送入FPGA中利用eHS技術實現解算,完成阻抗測量及寬頻振蕩風險評估。

3.2 短路比設置

新能源發電單元電壓源換流器作為并網接口,具有良好的控制性能。然而這種電力電子式發電與電網相互作用可導致穩定性問題,直驅風機經弱電網送出引發次同步振蕩問題越來越受到學術界關注[17],短路比大小用于表征電網強弱,根據GB/T 40581—2021《電力系統安全穩定計算規范》規定,對新能源接入交流系統強度水平進行劃分:

a. 強系統:MRSCR大于3.0;

b. 弱系統:MRSCR在2.0～3.0;

c. 極弱系統:MRSCR小于2.0。

對于用戴維南等效的電網,可表示為理想電壓源串聯系統等效阻抗的形式,設系統短路容量為

(9)

式中:UN為額定電壓;Ic為短路電流。

令系統阻抗為

Zg=R+jX=R+jωL

(10)

則系統短路電流Ic可表示為

(11)

短路比SCR可表示為

(12)

式中:PN為風機額定功率。

當短路比較低時,應計及系統阻抗比X/R的影響。令K=X/R,則等效系統阻抗可分別表示為

(13)

(14)

由此可得特定短路比下的系統阻抗。

4 案例分析

以內蒙古地區某新能源場站采用的2 MW直驅風電機組為例進行分析,其主電路拓撲如圖6所示,PMSG機組參數如表1所示。本文重點考慮2 MW直驅風電機組接入弱電網對系統穩定性的影響,考慮K=10,采用短路比1.5進行計算。

表1 某PMSG機組電路拓撲參數

圖6 直驅風機拓撲圖

2 MW直驅風電機組接入弱電網(SCR=1.5)的幅頻相頻特性曲線如圖7、圖8所示。

圖7 正序阻抗Bode圖

圖8 負序阻抗Bode圖

由圖7、圖8可知,該直驅風電機組接入短路比SCR=1.5的弱電網,正序阻抗幅頻特性在次同步頻段(5～45 Hz)幅值相對比較穩定,相位在140°左右,與電網幅頻特性曲線無交點,故該頻段無穩定問題。當頻率增加到超同步頻段(55～95 Hz)及更高頻段,風機正序阻抗幅頻特性曲線在126 Hz處與電網正序阻抗幅頻特性曲線產生交點,此處,電網正序阻抗與風機正序阻抗相位差224.9°;風機負序阻抗幅頻特性曲線在63 Hz處與電網負序阻抗幅頻特性曲線產生交點,此處,電網負序阻抗與風機負序阻抗相位差236.4°,由此可見,幅頻相頻特性不滿足振蕩條件,無振蕩風險。

電網阻抗與風機阻抗比Zgrid(s)/Zpmsg(s)需滿足Nyquist判據才能保證系統穩定,Nyquist曲線如圖9和圖10所示。

圖9 正序Nyquist曲線

圖10 負序Nyquist曲線

由圖9、圖10可知,無論正序還是負序Zgrid(s)/Zpmsg(s)的Nyquist曲線均未圍繞(-1,j0)點,從而可以判斷系統穩定,無振蕩風險,與頻域阻抗判據結果保持一致。

5 結語

本文基于諧波源擾動法開發新能源機組寬頻振蕩動態分析裝置用以評估新能源機組并網帶來的寬頻振蕩問題,并搭建了基于RT-LAB的硬件在環仿真平臺,對物理控制器“黑盒”寬頻振蕩硬件在環測試,精確模擬風機并網物理控制器的實際控制特性,獲取了“黑盒”模式下物理控制器的真實阻抗外特性,具有良好的效果。并以內蒙古某低短路比地區新能源場站直驅風機并網為例,對其阻抗外特性進行了分析,結果表明該直驅風機單機接入弱電網具有較強穩定性,引發寬頻振蕩風險較小。對研究和分析新能源機組并網寬頻振蕩穩定性具有一定參考價值。

因新能源場站拓撲復雜,從電網安全穩定角度來看,最關注的是新能源場站對系統安全穩定的影響,下一步將繼續結合暫態穩定極限來綜合評價新能源場站在不同運行工況下給系統帶來的寬頻振蕩風險。