基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)的研制及其仿真試驗(yàn)方法研究

張雨晨 張留杰 王哲

摘 要：文中首先分析泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)背景下，可再生能源通過(guò)逆變器大量接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)慣性減小、穩(wěn)定性變差。傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器因不具備調(diào)頻調(diào)壓功能，已不能適應(yīng)新的發(fā)展，而虛擬同步發(fā)電機(jī)具有傳統(tǒng)逆變器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)其控制原理進(jìn)行深入研究，研制出一種大容量集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)，介紹了該產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)原理及其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，提出一種基于RTDS的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，并研究了在RTDS環(huán)境下該虛擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓功能的仿真試驗(yàn)方法，對(duì)產(chǎn)品的調(diào)壓調(diào)頻功能仿真試驗(yàn)方法的研究及產(chǎn)品檢驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng);并網(wǎng)逆變器;微電網(wǎng);虛擬同步發(fā)電機(jī);RTDS;仿真驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的需求也在不斷增加，清潔分布式新能源成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在此背景下，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了打造泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想，不斷提升電網(wǎng)的安全水平和智能化調(diào)度能力。泛在物聯(lián)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息連接和交互。因此，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是泛在物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的具體表現(xiàn)形式和應(yīng)用落地。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：信息感知全面，組網(wǎng)快速靈活;信息融合度高，通信方式靈活;拓?fù)渥兓l繁，具有自愈能力;以數(shù)據(jù)為中心，面向具體服務(wù);訪問(wèn)權(quán)力受限，安全性要求高;可擴(kuò)展性強(qiáng)，智能化程度高。

相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者在考慮未來(lái)由于新能源接入之后電網(wǎng)的可靠性和安全性方面提出了很多方法。從設(shè)備本身來(lái)說(shuō)，應(yīng)不斷提升設(shè)備本身的性能指標(biāo)，如研制新型的并網(wǎng)逆變器等。當(dāng)前，微電網(wǎng)技術(shù)與分布式發(fā)電技術(shù)得到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。其中，并網(wǎng)逆變器的功能提升與技術(shù)的深入挖掘得到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[4-6]。此前，學(xué)者們關(guān)注于逆變器常規(guī)的控制策略，但是，不得不關(guān)注的是常規(guī)并網(wǎng)逆變器響應(yīng)速度快，幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，難以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，使其很難對(duì)分布式能源的主動(dòng)配電網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐[7-8]，這就使得常規(guī)控制策略本身對(duì)配電網(wǎng)與微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)[9-10]。此外，常規(guī)控制策略設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器，更無(wú)法為穩(wěn)定性相對(duì)較差的微電網(wǎng)提供必要的阻尼作用[11-12]，使得該逆變器無(wú)法與配電網(wǎng)和微電網(wǎng)達(dá)到一種“同步”的效果。

若使得并網(wǎng)逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的外部特性，將極大地提高并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的運(yùn)行性能;同時(shí)，還可以將一部分傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略移植到微電網(wǎng)中。有些學(xué)者基于該思想，提出了在并網(wǎng)逆變器的功率外環(huán)中引入類(lèi)似于同步發(fā)電機(jī)的電壓和頻率調(diào)差特性，提出了并網(wǎng)逆變器的下垂控制策略。這些理論大概包括并網(wǎng)逆變器在離網(wǎng)運(yùn)行模式下的下垂控制策略和并網(wǎng)逆變器在聯(lián)網(wǎng)模式下的下垂控制策略。其中并網(wǎng)逆變器在聯(lián)網(wǎng)模式下的下垂控制策略，可以使得并網(wǎng)逆變器能夠根據(jù)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的電壓頻率異常事件做出反應(yīng)，在故障時(shí)能夠有效地為電網(wǎng)提供必要的有功和無(wú)功支撐。然而，基于下垂控制的一些方法只是針對(duì)同步發(fā)電機(jī)下垂外特性來(lái)做適當(dāng)?shù)慕?，還不足以模擬同步發(fā)電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行特性。因此，隨著研究的不斷深入，部分學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術(shù)，該技術(shù)借鑒了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程和電磁方程來(lái)控制并網(wǎng)逆變器，使得并網(wǎng)逆變器在機(jī)理上和外部特性上均能與同步發(fā)電機(jī)相媲美，其特別適用于儲(chǔ)能裝置與配電網(wǎng)之間的連接，是目前最先進(jìn)的方法之一。

在虛擬同步發(fā)電機(jī)理論研究的基礎(chǔ)上，本文研制出一種大容量集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)，該項(xiàng)目已掛網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，本文給出了在RTDS仿真試驗(yàn)環(huán)境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS環(huán)境下該虛擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓功能的仿真試驗(yàn)方法，對(duì)大容量集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真試驗(yàn)方法的研究具有一定的借鑒意義。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

依照前期理論研究，可以通過(guò)硬件和軟件的平臺(tái)搭建完善的虛擬同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。本文提出了自適應(yīng)虛擬慣性控制技術(shù)，其控制不依賴(lài)于電網(wǎng)頻率檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的自動(dòng)同步;同時(shí)，可以根據(jù)電網(wǎng)頻率變化率主動(dòng)輸出有功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)支撐。

運(yùn)用換流器無(wú)功-電壓下垂控制技術(shù)，在無(wú)功負(fù)荷變化等工況下，虛擬同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值的調(diào)節(jié)。

在三相對(duì)稱(chēng)短路故障狀態(tài)下，虛擬同步發(fā)電機(jī)根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度自主輸出無(wú)功實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的支撐;在不對(duì)稱(chēng)短路故障下，可實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償（自動(dòng)輸出負(fù)序無(wú)功），比傳統(tǒng)同步機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，完整地運(yùn)用了基于機(jī)端電壓正、負(fù)序解耦的不平衡抑制技術(shù)。當(dāng)電網(wǎng)不平衡時(shí)，通過(guò)機(jī)端負(fù)序電壓閉環(huán)控制，VSG主動(dòng)輸出負(fù)序無(wú)功電流用以抑制電網(wǎng)不平衡。當(dāng)負(fù)荷不平衡時(shí)，通過(guò)負(fù)載電流負(fù)序分量閉環(huán)控制生成VSG負(fù)序電壓指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷不平衡補(bǔ)償。

運(yùn)用基于頻率-有功下垂、無(wú)功-電壓下垂的并離網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略，在并網(wǎng)、離網(wǎng)狀態(tài)均為電壓源運(yùn)行，切換過(guò)程無(wú)沖擊，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)縫切換。運(yùn)用了自主追蹤電網(wǎng)相位和幅值的離并網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略，通過(guò)對(duì)VSG頻率進(jìn)行閉環(huán)控制，來(lái)使其加速或追蹤電網(wǎng)電壓相位，通過(guò)對(duì)VSG輸出電壓幅值進(jìn)行閉環(huán)控制來(lái)追蹤電網(wǎng)電壓幅值。本文設(shè)計(jì)的虛擬同步發(fā)電機(jī)的硬件原理如圖1所示。圖2為VSG的控制柜，目前該系統(tǒng)已掛網(wǎng)運(yùn)行。

2 仿真試驗(yàn)環(huán)境的搭建

2.1 RTDS中仿真試驗(yàn)環(huán)境的搭建

在RTDS建立的仿真模型如圖3所示，其中在RTDS中重點(diǎn)仿真了該虛擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻、調(diào)壓功能。

首先，在RTDS仿真系統(tǒng)中搭建包括無(wú)窮大系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、整流/逆變器閥組、濾波器、直流升壓回路、電池及電池控制系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)仿真模型和基于本文所述的控制原理的控制器模型，并進(jìn)行純數(shù)字仿真。使用GTAO板卡將電網(wǎng)電壓、支路電流、濾波電容電流、直流電壓、直流電流、電池電壓傳輸至物理設(shè)備。GTDI板卡采集物理設(shè)備提供的PWM脈沖及保護(hù)控制信號(hào)至RTDS仿真環(huán)境中。GTDO將仿真模型中斷路器狀態(tài)、電池狀態(tài)、閥組溫度等信號(hào)傳輸至物理設(shè)備，形成物理數(shù)字混合仿真系統(tǒng)。由于模擬系統(tǒng)有功跌落和本地?zé)o功功率不足，使仿真系統(tǒng)頻率或電壓低于額定值運(yùn)行，收集仿真數(shù)據(jù)，量化分析虛擬同步機(jī)功能。仿真環(huán)境如圖4所示。

2.2 RTDS中仿真算例和結(jié)果分析

首先使用物理設(shè)備提供的直流軟啟信號(hào)將電池接入到直流升壓回路的電壓輸出端;其次使用物理設(shè)備提供的直流斷路器控制信號(hào)和直流斷路器，并通過(guò)軟啟信號(hào)斷開(kāi)軟啟回路;最后修改物理設(shè)備的功率輸出設(shè)定值，使用PWM脈沖信號(hào)對(duì)電池輸出功率進(jìn)行調(diào)制。電池并網(wǎng)并加載之后，調(diào)節(jié)仿真參數(shù)，使無(wú)窮大系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)同時(shí)向本地動(dòng)態(tài)負(fù)荷提供有功功率;然后模擬35 kV側(cè)無(wú)窮大系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，80 ms后跳開(kāi)無(wú)窮大系統(tǒng)，模擬本地電網(wǎng)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行;最后收集系統(tǒng)頻率、網(wǎng)側(cè)電壓、電流、有功功率數(shù)據(jù)，量化物理設(shè)備調(diào)頻啟動(dòng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間及有功功率誤差控制指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖5所示。

電池并網(wǎng)并加載之后，調(diào)節(jié)仿真參數(shù)，使無(wú)窮大系統(tǒng)和本地?zé)o功補(bǔ)償裝置同時(shí)向動(dòng)態(tài)負(fù)荷提供無(wú)功功率;然后跳開(kāi)本地?zé)o功補(bǔ)償裝置，模擬本地電網(wǎng)無(wú)功不足;最后收集系統(tǒng)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、無(wú)功功率數(shù)據(jù)，量化物理設(shè)備響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、無(wú)功功率誤差控制指標(biāo)，如圖6所示。

運(yùn)用RTDS仿真試驗(yàn)環(huán)境，可以通過(guò)RTDS自身的控制模塊搭建控制器，也可以通過(guò)外部的虛擬同步發(fā)電機(jī)中寫(xiě)入的控制算法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。若在虛擬同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)初期，可將設(shè)計(jì)的控制算法通過(guò)RTDS程序接口功能將算法在RTDS中實(shí)現(xiàn)。這樣，在研發(fā)初期，可以很好地驗(yàn)證算法的優(yōu)越性。

在產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，可以采用VSG自身的控制器與RTDS構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而驗(yàn)證VSG自身控制算法的正確性。此外，還進(jìn)行了基于RT-LAB的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，這里不再贅述。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，針對(duì)此特點(diǎn)，在新能源領(lǐng)域還應(yīng)不斷提升設(shè)備的性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，研制出了一種大容量集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)。同時(shí)，本文給出了在RTDS仿真試驗(yàn)環(huán)境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS環(huán)境下該虛擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓功能的仿真試驗(yàn)方法。以上研究對(duì)集中式虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真試驗(yàn)方法的研究具有一定的借鑒意義。

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