基于RTDS的光伏逆變器接入薄弱電網(wǎng)仿真測(cè)試及研究

徐東坡 代永恒 姬成群 孫妙華

基于RTDS的光伏逆變器接入薄弱電網(wǎng)仿真測(cè)試及研究

徐東坡 代永恒 姬成群 孫妙華

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

采用物理試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)光伏逆變器進(jìn)行功能驗(yàn)證，存在測(cè)試工況少而無法反映各種極端工況的問題。采用數(shù)字物理混合的半實(shí)物仿真方法，能夠便捷提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)條件且風(fēng)險(xiǎn)可控，試驗(yàn)成本低。通過研究薄弱電網(wǎng)的電氣特性，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（RTDS）系統(tǒng)搭建薄弱電網(wǎng)下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，并基于該平臺(tái)開展低電壓穿越及高電壓穿越測(cè)試。通過對(duì)仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了該仿真方法的可行性和有效性。

光伏逆變器；實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（RTDS）；弱電網(wǎng)；仿真測(cè)試

0 引言

全球工業(yè)化發(fā)展使傳統(tǒng)化石能源被大量開發(fā)和使用，導(dǎo)致能源資源緊張、環(huán)境惡化、氣候變暖、冰川消融、海平面上升等問題突出，嚴(yán)重威脅人類生存和可持續(xù)發(fā)展[1-3]。第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間，習(xí)近平總書記向世界莊嚴(yán)承諾，將采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[4]。高比例的可再生能源發(fā)展路徑是實(shí)現(xiàn)“雙碳”的有效途徑。其中風(fēng)能與太陽(yáng)能分布廣泛，應(yīng)用靈活[5]。

目前太陽(yáng)能的利用主要以光伏發(fā)電為主，但由于我國(guó)土地、光照資源分布的影響，大規(guī)模光伏電站主要建設(shè)在沙漠或半沙漠偏遠(yuǎn)地區(qū)，用電負(fù)荷較少，大部分能量需要通過長(zhǎng)距離輸電線路送出[6]。長(zhǎng)距離的輸電線路導(dǎo)致線路阻抗增大，而且用戶負(fù)載通常以離網(wǎng)形式或以弱聯(lián)系的形式與外網(wǎng)連接，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，系統(tǒng)供電能力較差。在傳統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)中，將電網(wǎng)視為理想電壓源，但在弱電網(wǎng)下傳統(tǒng)電網(wǎng)模型將無法適用[7-9]。針對(duì)此種情況，必須開展逆變器在薄弱電網(wǎng)下是否能安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證[10]。

開展逆變器功能驗(yàn)證試驗(yàn)一般是通過搭建物理試驗(yàn)平臺(tái)或者基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，但是上述兩種試驗(yàn)手段均存在以下三個(gè)問題：①電網(wǎng)異常工況的模擬能力弱、異常工況的再現(xiàn)能力弱；②控制算法存在漏洞的情況下，容易造成一次設(shè)備損壞，安全隱患大，風(fēng)險(xiǎn)可控性差；③試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)環(huán)境條件要求嚴(yán)格，開展試驗(yàn)手續(xù)繁瑣。

本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simu- lation, RTDS）系統(tǒng)搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)可以便捷地模擬電網(wǎng)的異常工況，且異常工況再現(xiàn)能力強(qiáng)，試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)周期短，風(fēng)險(xiǎn)可控性強(qiáng)，關(guān)鍵參量觀測(cè)錄波能力強(qiáng)[11]，可有效解決物理試驗(yàn)平臺(tái)及基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等測(cè)試中存在的難題。

1 仿真平臺(tái)的搭建

RTDS是基于電磁暫態(tài)理論，采取并行運(yùn)算的多處理器方法，主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件用于計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出，軟件RSCAD用于搭建電力系統(tǒng)的一次系統(tǒng)及其控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真、監(jiān)測(cè)和控制[12]。本文首先在RTDS系統(tǒng)中建立仿真系統(tǒng)和光伏逆變器模型，然后搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上完成多種工況下光伏逆變器的高、低電壓穿越測(cè)試。被測(cè)試的光伏逆變器額定電壓為0.32kV，額定容量為500kW，本文測(cè)試數(shù)據(jù)均為光伏逆變器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)建模

我國(guó)陜北地區(qū)新能源發(fā)電機(jī)組大部分采用4級(jí)升壓變壓器（0.4kV/0.69kV-35kV-110kV-330kV-750kV）方式接入750kV系統(tǒng)，考慮真實(shí)性，本方案選擇按照該模式搭建仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[13]提出，一個(gè)電網(wǎng)被定義為“弱”或“強(qiáng)”是基于并網(wǎng)點(diǎn)的“短路比”特性，通常該值低于20的被認(rèn)為是“弱電網(wǎng)”。根據(jù)《陜電調(diào)綜〔2021〕6號(hào)國(guó)網(wǎng)陜西電力調(diào)控中心關(guān)于印發(fā)陜西電網(wǎng)新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)性能優(yōu)化提升工作方案（試行）的通知》中的相關(guān)技術(shù)要求，本方案新能源機(jī)端短路比設(shè)定為1.5。仿真系統(tǒng)示意圖如圖1所示，仿真系統(tǒng)建模關(guān)鍵參數(shù)見表1。

圖1 仿真系統(tǒng)示意圖

表1 仿真系統(tǒng)建模關(guān)鍵參數(shù)

1.2 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

光伏逆變器RTDS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)如圖2所示?？紤]到光伏逆變器的開關(guān)頻率較高，采用Small time-step模塊或者Substep模塊建模，為了避免接口元件對(duì)仿真結(jié)果造成影響，本次在Substep模塊中搭建整個(gè)仿真系統(tǒng)模型。RTDS通過模擬量輸出接口GTAO向光伏逆變器控制器提供電壓和電流反饋信號(hào)，通過數(shù)字量輸出接口GTDO向光伏逆變器控制器提供開關(guān)量反饋信號(hào)。光伏逆變器控制器將接收的信號(hào)經(jīng)計(jì)算處理轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，通過數(shù)字量輸入接口GTDI傳遞給RTDS驅(qū)動(dòng)光伏逆變器。

圖2 光伏逆變器RTDS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

2 電網(wǎng)故障工況模擬

根據(jù)GB/T 37408—2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求》、GB/T 31365—2015《光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)檢測(cè)規(guī)程》等相關(guān)技術(shù)要求，低電壓穿越能力和高電壓穿越能力是考核逆變器性能的關(guān)鍵項(xiàng)目，也是逆變器控制參數(shù)設(shè)置的難點(diǎn)。參照上述標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，在仿真平臺(tái)中模擬母線71及母線S處發(fā)生低電壓故障（單相、兩相相間、三相低電壓故障）和在母線71處發(fā)生三相高電壓故障分別考核光伏逆變器低電壓穿越和高電壓穿越性能的優(yōu)劣。

2.1 低電壓故障模擬

依據(jù)GB/T 37409—2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，宜采用無源電抗器阻抗分壓的原理模擬電網(wǎng)電壓跌落。電壓跌落發(fā)生原理如圖3所示。

圖3 電壓跌落發(fā)生原理

電壓跌落目標(biāo)值為

式中：1為并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電阻值；1為并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電感值；2為短路電抗器電阻值；2為短路電抗器電感值；X為電壓跌落目標(biāo)值；N為并網(wǎng)點(diǎn)電壓額定值。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出2、2的值，將模型中相應(yīng)參數(shù)正確修改后，通過控制開關(guān)S開通、關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電壓跌落控制。

工況一：設(shè)定光伏逆變器運(yùn)行在MPPT模式，有功功率為0.45MW，無功功率為0.15Mvar，調(diào)節(jié)等值系統(tǒng)電壓使并網(wǎng)點(diǎn)電壓為1.0p.u.，在母線S處模擬并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓跌落至0.2p.u.，跌落時(shí)間為0.625s，觀測(cè)光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓及輸出電流在低電壓故障及恢復(fù)期間的動(dòng)態(tài)特性。

工況一光伏逆變器低電壓穿越試驗(yàn)錄波如圖4所示，進(jìn)入低電壓穿越期間時(shí)，光伏逆變器迅速調(diào)整無功電流輸出至1.07p.u.，以響應(yīng)系統(tǒng)電壓跌落，并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓實(shí)際跌落至0.4p.u.，因無功電流輸出增大，為防止逆變器過電流保護(hù)動(dòng)作，在輸出無功電流的同時(shí)降低有功電流的輸出，低電壓穿越期間有功電流輸出為0。系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，逆變器有功功率、無功功率均恢復(fù)至低電壓穿越前正常狀態(tài)。

圖4 工況一光伏逆變器低電壓穿越試驗(yàn)錄波

工況二：設(shè)定光伏逆變器運(yùn)行在MPPT模式，有功功率為0.35MW，無功功率為0.05Mvar，調(diào)節(jié)等值系統(tǒng)電壓使并網(wǎng)點(diǎn)電壓為1.0p.u.，在母線71處模擬并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓跌落至0.5p.u.，跌落時(shí)間為1.21s，觀測(cè)光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓及輸出電流在低電壓故障及恢復(fù)期間的動(dòng)態(tài)特性。

工況二光伏逆變器低電壓穿越試驗(yàn)錄波如圖5所示，進(jìn)入低電壓穿越期間光伏逆變器迅速調(diào)整無功電流輸出至0.53p.u.，以響應(yīng)系統(tǒng)電壓跌落，并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓實(shí)際跌落至0.65p.u.，本次低電壓穿越過程中無功電流輸出增加不多，未達(dá)到逆變器輸出限過電流保護(hù)定值，有功電流基本保持不變。系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，逆變器有功功率、無功功率恢也均恢復(fù)至低電壓穿越前正常狀態(tài)。

圖5 工況二光伏逆變器低電壓穿越試驗(yàn)錄波

從圖4、圖5可知，在系統(tǒng)電壓跌落期間，光伏逆變器能持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，向電網(wǎng)提供一定的無功電流支撐，且并網(wǎng)點(diǎn)電壓及輸出電流無畸變，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，能快速恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)?？梢姡摲抡嫫脚_(tái)根據(jù)系統(tǒng)電壓跌落位置的不同，通過調(diào)整短路電抗器參數(shù)，可以模擬多種電力系統(tǒng)低電壓工況，并能考核光伏逆變器的低電壓穿越性能。

2.2 高電壓故障模擬

依據(jù)GB/T 37409—2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，宜采用無源電容器阻容分壓的原理模擬電網(wǎng)電壓升高。電壓升高發(fā)生原理如圖6所示。

圖6 電壓升高發(fā)生原理

電壓升高目標(biāo)值為

式中：1為并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電阻值；1為并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電感值；2為阻尼電阻值；為升壓電容器電容值；X為電壓升高目標(biāo)值；N為并網(wǎng)點(diǎn)電壓額定值。

根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算出2、的值，將模型中相應(yīng)參數(shù)正確修改后，通過控制開關(guān)S開通、關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電壓升高控制。

設(shè)定光伏逆變器運(yùn)行在MPPT模式，有功功率為0.35MW，無功功率為0.05Mvar，調(diào)節(jié)等值系統(tǒng)電壓使并網(wǎng)點(diǎn)電壓為1.0p.u.，在母線71處投入升壓電容器模擬并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓升高至1.30p.u.，持續(xù)0.5s，切除升壓電容器使電壓恢復(fù)，觀測(cè)光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓及輸出電流在高電壓故障及恢復(fù)期間的動(dòng)態(tài)特性。

光伏逆變器高電壓穿越試驗(yàn)錄波如圖7所示，進(jìn)入高電壓穿越期間光伏逆變器迅速調(diào)整無功電流方向，以響應(yīng)系統(tǒng)電壓升高，并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓實(shí)際升高至1.25p.u.，本次高電壓穿越過程中無功電流變化不大，高電壓穿越期間有功功率基本保持不變。系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，逆變器無功功率也恢復(fù)至高電壓穿越前正常狀態(tài)。

從圖7可知，在系統(tǒng)電壓升高期間，光伏逆變器裝置能持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，吸收電網(wǎng)無功電流以降低系統(tǒng)電壓的升高，且并網(wǎng)點(diǎn)電壓及輸出電流無畸變，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，光伏逆變器能快速恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)?？梢姡摲抡嫫脚_(tái)能有效地模擬電力系統(tǒng)的高電壓工況，并能考核光伏逆變器的高電壓穿越性能。

圖7 光伏逆變器高電壓穿越試驗(yàn)錄波

3 結(jié)論

通過RTDS系統(tǒng)搭建仿真模型，可以靈活調(diào)整電力系統(tǒng)運(yùn)行工況，準(zhǔn)確模擬、復(fù)現(xiàn)電網(wǎng)的多種異常工況。本文通過搭建薄弱電網(wǎng)下的光伏逆變器硬件在環(huán)仿真平臺(tái)對(duì)光伏逆變器高、低電壓穿越性能進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)試方法簡(jiǎn)單有效。該測(cè)試手段在新能源產(chǎn)品研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)問題排查過程中被廣泛使用。

[1] 朱澤安, 周修寧, 王旭, 等. 基于穩(wěn)暫態(tài)聯(lián)合仿真模擬的區(qū)域多可再生能源系統(tǒng)評(píng)估決策[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(13): 2780-2791.

[2] 白建華, 辛頌旭, 劉俊, 等. 中國(guó)實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展路徑研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(14): 3699-3705.

[3] 葉韜, 鄭峰, 楊威. 一種提高光伏發(fā)電系統(tǒng)故障穿越能力的混合型控制策略研究[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(4): 38-51.

[4] 徐韶峰. 擁抱碳中和, 助力構(gòu)建電網(wǎng)低碳可持續(xù)未來[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(12): 7-8.

[5] 胡彬, 吳超, 年珩, 等. 薄弱電網(wǎng)下新能源設(shè)備并網(wǎng)鎖相同步方式綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2020, 40(9): 26-33.

[6] 黃云輝, 宋澤凡, 唐金銳, 等. 連接弱電網(wǎng)的并網(wǎng)變換器直流電壓時(shí)間尺度穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(增刊1): 185-192.

[7] 張占俊, 李建文, 董耀, 等. 弱電網(wǎng)下多逆變器并網(wǎng)諧振失穩(wěn)分析方法[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(10): 21-28.

[8] 周識(shí)遠(yuǎn). 弱電網(wǎng)下光伏并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量控制策略研究[J]. 東北電力技術(shù), 2021, 42(5): 6-9.

[9] 仲相成, 曲中華, 李巖, 等. 基于阻抗分析法的多光伏逆變器接入弱電網(wǎng)穩(wěn)定性研究[J]. 電氣開關(guān), 2016, 54(6): 27-30.

[10] 張學(xué)廣, 夏丹妮, 陳文佳, 等. 三相并網(wǎng)變流器弱電網(wǎng)下頻率耦合抑制控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(21): 155-167.

[11] 張彥兵. 適用于鏈?zhǔn)絊VG的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建及功能驗(yàn)證[J]. 廣西電力, 2019, 42(5): 23-27.

[12] 張雅雯, 周獻(xiàn)遠(yuǎn). 基于RTDS微網(wǎng)的混合儲(chǔ)能優(yōu)化配置研究[J]. 安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2019, 24(1): 30-36.

[13] KOTHARI D P, SINGAL K C, RANJAN R. Rene- wable energy sources and emerging technologies[M]. 2nd ed. New Delhi: PHI Learning Private Limited, 2018.

Simulation test and study of photovoltaic inverter connected to weak power grid based on RTDS

XU Dongpo DAI Yongheng JI Chengqun SUN Miaohua

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Physical test platform is used to verify the function of photovoltaic inverter, but there is a problem that there are few test conditions and can not reflect all kinds of extreme conditions. The hardware-in-the-loop simulation method of digital physics mixture can provide accurate experimental conditions conveniently and with controllable risk and low experimental cost. By studying the electrical characteristics of weak power grid, a hardware-in-the-loop simulation platform of photovoltaic grid-connected system under weak power grid is built based on real time digital simulation (RTDS) system. Low voltage traverse and high voltage traverse tests are carried out based on this platform. By analyzing the simulation results, the feasibility and effectiveness of the simulation method are proved.

photovoltaic inverter; RTDS; weak power grid; simulation test

2021-09-15

2021-10-18

徐東坡（1989—），男，河南省蘭考人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品、電力電子產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試工作。