光伏與直流輸電系統(tǒng)建模分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24039光伏與直流輸電系統(tǒng)建模分析概述 1288441.1引言 182951.2光伏電站建模 2310461.2.1光伏電站等值模型 256051.2.2光伏逆變器的功率輸出控制模型 2276511.2.3光伏模型的有效性驗證 4165531.3直流輸電系統(tǒng)建模 5278751.3.1換流器模型 572081.3.2等值電路模型 769601.3.3分布參數(shù)模型 8157421.3.4含光伏和直流輸電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)模型有效性驗證 10262601.4光伏電站與直流輸電系統(tǒng)接入同一電網(wǎng)后交互影響分析 11引言為了對光伏電站和直流輸電系統(tǒng)接入同一受端電網(wǎng)的復(fù)雜電力系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，首先搭建光伏電站和直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。光伏并入受端電網(wǎng)的直流輸電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2.1所示，分為送端系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)和受端系統(tǒng)。受端系統(tǒng)由交流系統(tǒng)和多個光伏集成系統(tǒng)組成。直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、輸電線路、逆變站等組成[44]。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列通過并網(wǎng)逆變器將電能輸入電網(wǎng)。圖2.1光伏并入受端電網(wǎng)的直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱D光伏電站建模光伏電站等值模型大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)建模包括發(fā)電動態(tài)建模、光伏電池與列陣建模、并網(wǎng)換流器與內(nèi)環(huán)控制模型。光伏電池陣列由多個單二極管模型組成，根據(jù)基爾霍夫原理搭建光伏等值模型，利用不同光伏發(fā)電系統(tǒng)中短路電流等技術(shù)參數(shù)得到相對應(yīng)的模型表達(dá)式，應(yīng)用于工程計算中?；诠夥姵啬Ｐ偷贸龉夥嘘嚹Ｐ?。光伏發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)建模中需要利用發(fā)電系統(tǒng)組成狀態(tài)方程，將逆變器控制轉(zhuǎn)化為相應(yīng)狀態(tài)方程。光伏逆變器的控制方式，主要采用電壓源型電流控制的方式，利用瞬時無功功率原理，對負(fù)載電流和逆變器輸出電流中的有功、無功電流進(jìn)行檢測，當(dāng)需要對電網(wǎng)中的無功電流進(jìn)行補(bǔ)償時，可設(shè)置逆變器輸出無功電流的基準(zhǔn)值與負(fù)載電流無功基波分量值相等?；谒矔r無功功率原理對無功電流進(jìn)行檢測，將PWM控制方式作用于電流的無功指令監(jiān)測值與實際輸出的差額，實現(xiàn)無功補(bǔ)償額效果。其控制方式主要分為兩種：①恒定功率因數(shù)控制，對直流側(cè)基本電壓與實際電壓進(jìn)行比例積分控制得到控制電流，用功率因數(shù)給定有功、無功電流的設(shè)定值與實際監(jiān)測與做比例積分閉環(huán)控制；②恒定無功電壓控制，用無功功率的基準(zhǔn)值與實時反饋值做比例積分閉環(huán)控制，從而得到無功電流給定值，將有功、無功的電流給定求和后，經(jīng)增益調(diào)節(jié)器產(chǎn)生SPWM控制信號。由于光伏逆變器采用雙環(huán)控制模式，則可實現(xiàn)控制電壓方式接入電網(wǎng)。通過PI控制器給定固定值作為并網(wǎng)光伏電站的入網(wǎng)電流，功率因數(shù)為1的時，需安裝額外的無功補(bǔ)償裝置。同時，加裝的無功補(bǔ)償裝置輸出的無功功率由節(jié)點電壓幅值來控制。逆變側(cè)換流器對發(fā)電系統(tǒng)單元暫態(tài)并網(wǎng)特性有直接影響，經(jīng)控制環(huán)節(jié)生成內(nèi)環(huán)控制電流參考值，將內(nèi)環(huán)控制的輸入輸出電流作為的主要參考值，以此實現(xiàn)電流進(jìn)入受端電網(wǎng)。光伏逆變器的功率輸出控制模型光伏電站作為分布式電源接入受端電網(wǎng)，向受端電網(wǎng)提供電壓支撐。通過對光伏逆變器的不同工作狀態(tài)進(jìn)行研究，其主要工作模式可以分為三種：最大功率跟蹤模式、有功削減模式和STATCOM模式。用表示逆變器交流側(cè)輸出電壓，表示逆變器的等值電路中光伏電站接入點電壓，表示為以表示參考相位，光伏電站接入點電壓與逆變器交流側(cè)輸出電壓的相角差，xi表示逆變器交流側(cè)電抗；、分別表示逆變器輸入電網(wǎng)的有功和無功。有功功率和無功功率的計算公式為： (2-1)由上式可得：(2-2)當(dāng)有功功率為0時，可得無功功率的范圍為：(2-3)無功與有功關(guān)系可表示為：(2-4)其中，S表示光伏逆變器視在功率，光伏逆變器的有功和無功受視在功率的限制，一般逆變器允許工作功率為視在功率1.05倍，則：(2-5)(2-6)在此情況下，當(dāng)Pi為0時，Qmax=1.05p.u。光伏并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落時，光伏逆變器為受端電網(wǎng)提供動態(tài)無功補(bǔ)償，將換流母線電壓控制在合理的范圍之內(nèi)。光伏逆變器無功容量不足時進(jìn)行有功削減控制，以釋放出更多的無功容量，發(fā)出相應(yīng)的無功功率支撐并網(wǎng)點電壓[45]。(2-7)其中，idref是電流控制的參考值，kp，ki為PI控制器的參數(shù)，由Pmppt來表示光伏逆變器工作在最大功率跟蹤模式下的有功功率，ΔP表示為有功削減量，P0為有功削減模式下的有功功率設(shè)定值，P為光伏逆變器輸出的有功功率。當(dāng)光伏并網(wǎng)點電壓過低，系統(tǒng)無功缺額過大時，光伏逆變器工作在有功削減模式下，無法提供系統(tǒng)所需的無功功率。這時，需要切換光伏逆變器的工作模式，當(dāng)光伏逆變器處于STATCOM模式下時，將逆變器的全部額定容量進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，恢復(fù)并網(wǎng)點電壓。當(dāng)光伏電板處于不工作的狀態(tài)時，其電路結(jié)構(gòu)與靜止同步補(bǔ)償器的主電路完全一致，從而具有STATCOM一樣進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)挠布l件。光伏模型的有效性驗證基于上述控制策略，在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型。通過不同控制模塊實現(xiàn)光伏逆變器的工作模式，注重對所搭建的模塊進(jìn)行多次調(diào)試，保證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過測試，光伏模型可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)后長期穩(wěn)定運行，仿真波形如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2光伏電站并網(wǎng)輸出有功功率圖2.3光電站并網(wǎng)點電壓光伏作為分布式電源接入直流落點近區(qū)時建立模型時，光伏輸出的無功功率近似為0，故不作體現(xiàn)，光伏輸出的有功功率為200MW。從圖2.2和圖2.3所示，光伏并網(wǎng)模型處于穩(wěn)定運行工況時，有功功率和電壓處于穩(wěn)定值，驗證系統(tǒng)模型正常穩(wěn)定。直流輸電系統(tǒng)建模換流器模型電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)計算采用的是基波、相量的變量表示方式，而換流器的電磁暫態(tài)模型采用三相瞬時值表示變量，這種仿真機(jī)制的差別使得電磁暫態(tài)模型只有在開發(fā)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真接口后才能應(yīng)用于機(jī)電暫態(tài)仿真。而換流器的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型只需要獲取交流系統(tǒng)的電壓即可計算，能方便的應(yīng)用于機(jī)電暫態(tài)仿真，因而在研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的過程中，使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型為直流換流器基礎(chǔ)模型需符合以下幾種條件：（1）以頻率恒定且對稱的正弦波的電壓波形作為換流母線電壓的標(biāo)準(zhǔn)；（2）換流站采用不考慮內(nèi)阻的三相平衡換流變壓器；（3）采用大電感的平波電抗器，得到平直的直流電流；（4）采用正向?qū)ǖ碾妷簤航禐?和斷開時漏電流為0的理想閥；（5）各閥以理想次序、相同相位間隔輪流觸發(fā)。一個六脈動換流橋的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。交流系統(tǒng)及換流變壓器漏抗采用折算到換流變閥側(cè)的理想電壓源串聯(lián)阻抗的戴維南電路等效，六個橋閥按正常順序輪流導(dǎo)通?？煽毓栝y只有在承受正向電壓，同時又在控制極得到觸發(fā)信號時才開始導(dǎo)通。它一經(jīng)導(dǎo)通，即使除去觸發(fā)信號，仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到導(dǎo)通電流過零并且承受反向電壓時才會關(guān)斷，待載流子完全復(fù)合后才恢復(fù)正向阻斷能力。圖2.4整流器原理接線圖不計觸發(fā)角及換相過程時，換流器的直流電壓與交流電壓的關(guān)系如下： (2-8)式(2-8)中，E為換流變閥側(cè)線電壓（即圖2.4的理想電源）有效值，Udi0稱為理想空載直流電壓。計及觸發(fā)角α，不計及換相過程時，直流電壓的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程如式(2-9)：(2-9)計及觸發(fā)角及換相過程時，如圖2.5，設(shè)閥1，2導(dǎo)通，1、3換相，等效交流電壓為eabc，忽略換相電阻，換相電感為Lc，直流電流Id，閥間換相電流為isc。圖2.5六脈動整流器工作原理由基爾霍夫電流定律：(2-10)由基爾霍夫電壓定律可知：(2-11)假設(shè)采用大電感的平波電抗器，得到平直的直流電流，則有：(2-12)由式(2-10)(2-11)(2-12)可得：(2-13)換相過程中，短路電流為：(2-14)當(dāng)換相結(jié)束時，即時，有(2-15)聯(lián)立(2-13)(2-14)(2-15)求解可得： (2-16)對于整流器，直流電壓均值為：(2-17)對于逆變器，直流電壓均值為：(2-18)由式(2-17)、(2-18)，可以看出電壓源與換相阻抗電壓差值為直流電壓，且與觸發(fā)角存在一定的聯(lián)系，所以可用一個串聯(lián)的戴維南等效電路表示換流器，如圖2.6所示。圖2.6換流器等值電路直流線路的動態(tài)特性對于直流系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)有著重要的影響。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，選擇不同的線路模型，其兩側(cè)的輸入電壓變化與線路電流、充電功率的變化與恢復(fù)速率有著密切的聯(lián)系。因此，無論多端系統(tǒng)在直流側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，首先需要確定直流輸電線路的模型。等值電路模型集中參數(shù)模型不考慮直流線路的分布參數(shù)效應(yīng)，以電阻、電感、電容構(gòu)成的等值電路來表示線路，具體電路結(jié)構(gòu)可為T型或π型等值電路，其區(qū)別主要是等效并聯(lián)電容的位置。不考慮等效電容時，直流線路可用簡單的RL電路表示，如圖2.7。圖2.7直流輸電線路的R-L等值電路可列寫直流線路的微分方程式：(2-19)考慮直流電容時，等值電路為RLC型，以T型電路為例，將直流對地電容等效置于中點，線路等效電阻、電感分置兩邊，如圖2.8。圖2.8直流線路的R-L-CT型電路可列寫方程式如下：(2-20)(2-21) (2-22)分布參數(shù)模型兩端直流系統(tǒng)主回路模型如圖2.9所示，圖中輸電線路兩端為對稱的等效電壓源、線路阻抗、換相電抗等等效參數(shù)，依據(jù)等效參數(shù)形成直流系統(tǒng)一次電路模型，基于模型列寫主回路準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程，電路方程如下：圖2.9兩端直流系統(tǒng)主回路模型(2-23)式中，為整流側(cè)直流電流，為逆變側(cè)直流電流，為中點電壓。容易求解式(2-24)：(2-24)通過拉普拉斯變換式(2-24)，得到： (2-25)通過拉普拉斯反變換可求出。進(jìn)一步推出平抗出口處的直流電壓：(2-26)(2-27)同理，逆變側(cè)：(2-28)直流系統(tǒng)換流器的穩(wěn)態(tài)方程可以表示為：(2-29)(2-30)式中，表示為直流電壓，表示為直流電流，Pd表示為有功功率Qd無功功率，為理想狀態(tài)下的直流電壓，為串聯(lián)的橋數(shù)，為換流站變壓器的變比，為換相電抗，表示高壓側(cè)母線線電壓有效值，表示逆變側(cè)熄弧角，表示換流器的功率因數(shù)。通過上式可得換流器損耗的無功功率為：(2-31)含光伏和直流輸電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)模型有效性驗證基于上述光伏電站和直流輸電系統(tǒng)控制策略，為了測試含光伏和直流輸電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建相應(yīng)模型進(jìn)行驗證，仿真波形如圖2.10所示。圖2.10穩(wěn)態(tài)時交直流系統(tǒng)電氣量變化情況經(jīng)過測試，仿真波形如圖2.10所示，將容量為200MW的光伏電站接入受端電網(wǎng)，逆變側(cè)熄弧角為15°、換流母線電壓處于額定值、有功功率和無功功率保持穩(wěn)定，系統(tǒng)模型穩(wěn)定正常。光伏電站與直流輸電系統(tǒng)接入同一電網(wǎng)后交互影響分析光伏電站與直流輸電系統(tǒng)接入同一受端電網(wǎng)后，光伏電站與直流輸電系統(tǒng)相互影響，兩者任一方故障都將直接影響另一方的安全穩(wěn)定運行。光伏作為可再生清潔能源，接入電網(wǎng)容量不斷提高，受端電網(wǎng)能源占比越來越大[46]。光伏電站受光照影響大，晝夜、天氣陰晴都將嚴(yán)重影響其輸出功率受，所以光電站存在波動性。并網(wǎng)光伏電站將使并網(wǎng)點電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動，使電壓存在越限的風(fēng)險。于此同時，并網(wǎng)點電壓波動將直接影響受端交流系統(tǒng)電壓。光伏電站并網(wǎng)電壓的波動將直接影響受端電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。交、直流混聯(lián)系統(tǒng)中交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)深度耦合，由于直流固有特性，受端交流電網(wǎng)發(fā)生故障造成能量沖擊將直接傳遞到送端電網(wǎng)，造成直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗。當(dāng)故障嚴(yán)重情況下，可能造成送端的電網(wǎng)系統(tǒng)遭到破壞。直流近區(qū)存在大規(guī)模的光伏電站且低電壓穿越水平較低時，同一受端的多回直流若同時發(fā)生換想失敗可造成破壞送端電網(wǎng)穩(wěn)定的連鎖性故障。在直流換相失敗恢復(fù)的過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定逐漸發(fā)生變化，故障沖擊將直接影響弱連接受端電力系統(tǒng)電網(wǎng)機(jī)組的穩(wěn)定，發(fā)生功角失穩(wěn)等故障風(fēng)險。同時該地區(qū)輸出功率發(fā)生大幅波動，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致直流閉鎖，最終傳遞至遠(yuǎn)端電網(wǎng)區(qū)域。大容量直流輸送線路需要依靠直流落點附近的交流線路匯集及疏散，因而正常運行時這些交流線路的負(fù)載較重。一旦直流閉鎖，附近的交流線路潮流由重載變?yōu)檩p載，將導(dǎo)致近區(qū)母線電壓大幅升高，可能對交流系統(tǒng)的電壓安全造成威脅。以2010年冬季復(fù)奉特高壓直流為例，近區(qū)交流系統(tǒng)對于±500kV、3000MVA的常規(guī)高壓直流系統(tǒng)已經(jīng)足夠堅強(qiáng)，但對于特高壓線路來說，由于輸送容量增加了