CN107425544A - 一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法 - Google Patents

一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法。电磁暂态稳定装置并联接入分布式发电系统的交流母线，包括功率单元、滤波单元、检测单元、控制单元和阻抗计算单元。功率单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端并联接入系统交流母线，检测单元的输入端连接滤波单元的输出端，阻抗计算单元的输入端连接检测单元的输出端，阻抗计算单元的输出端连接控制单元的输入端，控制单元的输出端连接功率单元的控制端。检测单元采样电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号，阻抗计算单元据此计算外部系统的阻抗，控制单元据此重塑装置的自身阻抗，从而阻尼谐振，改善并网电流波形质量，提高并网稳定性。

Description

一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法
技术领域
本发明属于发电系统技术领域，特别涉及了一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法。
背景技术
对于一个理想的分布式发电系统而言，系统中各个参数都是固定的，根据合理的设计，可以使得控制系统拥有较高的稳定性，系统中不存在谐波振荡的现象。但是在实际电网中，由于传输线路等参数的影响，电网阻抗不可忽略，电网呈现弱网特性，分布式发电装置(并网逆变器)与电网之间的交互影响将会引起谐波振荡，降低分布式发电系统的电能质量和稳定性。另外，现有的柔性交流输电(FACTS)装置，比如有源电力滤波器(APF)和统一电能质量控制器(UPQC)，主要用来抑制超同步谐振，而对次同步谐振抑制效果并不理想；同时，FACTS装置只能在并网逆变器与电网阻抗都已知的情况下，对系统的某一特定谐振频率进行补偿设计，灵活性较差，没有自治性。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置和方法，通过阻抗测量和重塑阻抗，在系统所需的任意频域上提供足够的并联阻抗，阻尼不同电网接入条件下分布式发电系统与电网动态交互影响所产生的谐波振荡，改善并网电流波形质量和提高并网稳定性。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置，所述分布式发电系统由新能源并网发电装置与电网连接组成，其特征在于：该电磁暂态稳定装置包括功率单元、滤波单元、检测单元、控制单元和阻抗计算单元，功率单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端并联接入并网逆变器与电网之间的交流母线，检测单元的输入端连接滤波单元的输出端，阻抗计算单元的输入端连接检测单元的输出端，阻抗计算单元的输出端连接控制单元的输入端，控制单元的输出端连接功率单元的控制端；检测单元采样电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号，阻抗计算单元根据该电压电流信号阻抗计算单元根据该电压电流信号得到外部系统的阻抗特性，控制单元根据外部系统的阻抗特性，进行自身阻抗重塑，从而在系统所需的任意频域上提供足够的并联阻尼，增强整个系统的阻尼谐振能力。
基于上述电磁暂态稳定装置的电磁暂态稳定方法，包括以下步骤：
(1)控制单元根据预设的时间间隔在电流环路上叠加一个宽脉冲序列，实现谐波的注入；
(2)检测单元将实时采样的电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号传送给阻抗计算单元，阻抗计算单元将输出电压进行傅里叶分解，得到频域内输出电压的响应电压，将电磁暂态稳定装置的输出电流进行傅里叶分解，得到频域内输出电流的响应电流，再根据欧姆定律，用频率内的响应电压除以响应电流，得到外部系统的阻抗；
(3)阻抗计算单元根据外部系统的阻抗信息判断电磁暂态稳定装置的输出阻抗能否为系统在谐振频率点或潜在谐振频率点处提供足够的阻尼，若能，则不需要进行重塑阻抗控制，本次检测结束；否则需要进行重塑阻抗控制，转入步骤(4)；
(4)控制单元根据检测单元采集的电压电流信号和外部系统的阻抗信息，确定在当前谐振频率下满足阻尼要求的电磁暂态稳定装置的阻抗特性，并据此生成重塑阻抗控制信号；
(5)将重塑阻抗控制信号与相电流控制信号相叠加，得到调制信号，再将调制信号经过载波移相，产生驱动信号，将驱动信号注入功率单元，实现阻抗重塑，提高系统阻尼，阻尼谐振。
进一步地，在步骤(3)中，首先，判断外部系统的阻抗特性曲线上是否存在谐振频率点或者潜在谐振频率点，即该频率点处系统本身是否有足够阻尼；若无足够阻尼，则将谐振频率或潜在谐振频率处的非线性系统线性化处理，得到外部系统机侧和网侧的等效阻抗，以阻抗稳定性判据判断并入电磁暂态稳定装置后的三端口网络是否稳定，即三端网络的阻抗特性是否满足交点频率处相位裕度大于45度，若满足，则结束本次检测，若不满足，则进行重塑阻抗控制。
进一步地，所述判断外部系统的阻抗特性曲线上是否存在谐振频率点或者潜在谐振频率点的方法如下：
在阻抗特性曲线上，分别计算幅值曲线和相位曲线在各频率点的斜率，设幅值曲线上某频率点a处的斜率为k1，相位曲线上频率点a处的斜率为k2，如果在该频率点a处同时满足以下两个条件：
条件1：频率点a为谐振点，即幅值曲线在a处有峰值或者谷值，且相位曲线在a处穿越0°；
条件2：k1<K，且k2<K，其中K是用来判定频率点谐振时阻尼是否足够的参考值，其大小是根据实际应用中对入网电流电压谐波含量的要求设定的；
则判断外部系统在频率点a处有足够的阻尼，否则判断外部系统在频率点a处无足够的阻尼。
进一步地，在步骤(4)中，首先，控制单元确定三端网络在谐振频率处需要额外补偿的阻尼，以满足阻抗稳定性判据的相位要求；然后，控制单元根据阻尼需求构造虚拟等效阻抗，重塑电磁暂态稳定装置的输出阻抗，该虚拟等效阻抗模拟电阻、电容、电感以及三者间串并联组合的阻抗特性，并根据虚拟等效阻抗的阻抗特性，以前馈电压或电流的方式实现控制目标，从而改变电磁暂态稳定装置的输出阻抗，以阻尼谐振。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明能够在线测量系统阻抗，实时监测系统稳定性；电磁暂态稳定装置既可放置在太阳能电站或风电场出口，调节逆变器侧阻抗，又可放置在某一级汇流站或变电站，调节网侧阻抗，实现电磁暂态频率范围内的阻尼，提高系统稳定性。
由于电磁暂态稳定装置在系统的电压母线处接入，既可以把装置看作与机侧并联，也可以把装置看作与网侧并联，调节装置自身阻抗，就是间接调节机侧阻抗或者网侧阻抗，从而实现减小机侧与网侧的动态交互影响，抑制谐波振荡，改善入网电流的波形质量。
该装置只需要外部系统阻抗和自身阻抗，就能实现系统侧电磁暂态的稳定，无需远程采样，具有一定的自治性。该装置的控制单元在固定时间间隔内向电流环路注入一次谐波，检测外部系统的阻抗信息，判断外部系统谐振点是否需要阻尼，进行阻抗测量和重塑阻抗控制，在线调节系统阻抗，增强系统的阻尼，实现自适应控制。
附图说明
图1是本发明装置的结构图；
图2是本发明的流程图；
图3是外部系统的测量阻抗特性示意图；
图4是未接入电磁暂态稳定装置时外部系统的阻抗波特图；
图5是电磁暂态稳定装置的控制框图；
图6是接入电磁暂态稳定装置后外部系统的阻抗波特图；
图7是未加入重塑阻抗控制的分布式发电系统时域仿真波形图；
图8是加入重塑阻抗控制后的分布式发电系统时域仿真波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置，如图1所示，分布式发电系统由一台或多台并网逆变器与电网并联组成，电磁暂态稳定装置包括功率单元、滤波单元、检测单元、控制单元和阻抗计算单元，功率单元的输出端连接滤波单元的输入端，功率单元的输入端和滤波单元的输出端分别接入并网逆变器与电网之间的母线，检测单元的输入端连接滤波单元的输出端，阻抗计算单元的输入端连接检测单元的输出端，检测单元的输出端和阻抗计算单元的输出端分别连接控制单元的输入端，控制单元的输出端连接功率单元的控制端；检测单元采样电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号，阻抗计算单元根据该电压电流信号计算外部系统的阻抗，控制单元根据外部系统的阻抗进行自身阻抗的重塑控制，从而阻尼谐振。
本发明还设计了基于上述装置的电磁暂态稳定方法，如图2所示，步骤如下。
步骤1：控制单元根据预设的时间间隔向电流环路注入一次谐波。
在控制单元的电流环路上叠加一个宽频率脉冲序列，从而实现谐波注入。
步骤2：检测单元将实时采样的电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号传送给阻抗计算单元，阻抗计算单元根据该电压电流信息计算外部系统的阻抗:。
阻抗计算单元将电磁暂态稳定装置的输出电压进行傅里叶分解，得到频域内输出电压的响应电压，将电磁暂态稳定装置的输出电流进行傅里叶分解，得到频域内输出电流的响应电流，再根据欧姆定律，用频率内的响应电压除以响应电流，得到外部系统的阻抗。
步骤3：阻抗计算单元根据外部系统的阻抗判断外部系统在谐振点是否有足够的阻尼，若是，则不需要进行重塑阻抗控制，本次检测结束；否则，判断电磁暂态稳定装置的自身阻尼是否足够抑制阻尼，若是，则不需要进行重塑阻抗控制，本次检测结束；否则，需要进行重塑阻抗控制，转入步骤4。
判断外部系统在谐振点是否有足够的阻尼的方法如下：
在阻抗特性曲线上，分别计算幅值曲线和相位曲线在各频率点的斜率，设幅值曲线上某频率点a处的斜率为k1，相位曲线上频率点a处的斜率为k2，如果在该频率点a处同时满足以下两个条件：
条件1：频率点a为谐振点，即幅值曲线在a处有峰值或者谷值，且相位曲线在a处穿越0°；
条件2：k1<K，且k2<K，其中K是用来判定频率点谐振时阻尼是否足够的参考值，其大小是根据实际应用中对入网电流电压谐波含量的要求设定的；
则判断外部系统在频率点a处有足够的阻尼，否则判断外部系统在频率点a处无足够的阻尼。
图3是基于MATLAB仿真测量得到的外部系统(机侧与网侧并联的系统)的阻抗特性曲线图，包括正序图和负序图，实线为理论值，空心圆为实际测量值。由图中可以看到，电磁暂态稳定装置测量的外部阻抗基本与理论值重合，具有较高的精确性。在本次事例中，设置K为400。图中a点，经过算法验算判断，幅值曲线上a点斜率k1＝411>K，说明该频率点存在谐振峰；相位曲线上a点斜率k2＝3328>K，说明该频率点阻尼不够；即，该点需要电磁暂态稳定装置提供足够的阻尼谐振。
通过外部系统的阻抗特性曲线图，可以将a点处非线性系统用数学方法线性化后，计算得到机侧和网侧的等效阻抗，同时对稳定装置进行建模，得到稳定装置的阻抗特性。如图4所示，定义电网与稳定装置并联等效阻抗为Zeq1，并网逆变器的等效阻抗为Zw，Zeq1与Zw的阻抗曲线交截点频率为ωc1＝104Hz,相位裕度为11.75°；并网逆变器与稳定装置并联等效阻抗为Zeq2，电网阻抗为Zg，Zeq2与Zg的阻抗曲线交截点频率为ωc2＝101Hz，相位裕度为4.52°，即Zeq1与Zw的阻抗曲线在ωc1的相位裕度和Zeq2与Zg的阻抗曲线在ωc2的相位裕度都不能满足稳定性判据要求，也就是说，电磁暂态稳定装置本身的阻尼不足以抑制外部系统的谐振峰，需要对装置进行重塑阻抗控制，才能对外部系统提供足够的阻尼。
步骤4：控制单元根据检测单元采集的电压电流信号，选择等效阻抗的串联、并联或串并联，计算相应的等效阻抗值，得到重塑阻抗控制的输出信号。
在本实例中，以并联等效阻抗的方式对装置进行重塑阻抗控制，设并联的等效阻抗为ZP。假设装置并联等效阻抗ZP后，Zeq2与Zg交截点相位裕度为45°，且交截点频率ωc2不变；在本实例中稳定装置在交截点频率ωc2呈容性，则其两端并联阻抗就可以采用感性阻抗补偿的形式，由此得到：
Zp(jω)＝Rp+jωLp (2)
Zeq2(jω)＝X(ω)+jY(ω) (3)
由式(1)、(2)(3)解析得到
只要ZP满足式(4)的条件，即Rp、Lp的值均为关于X(ωc2),Y(ωc2)的函数，上述的假设条件就能满足，重塑后的稳定装置就能增强系统的阻尼，阻尼谐振。本次实例中，得到上述并联等效阻抗为Rp＝3.2Ω，Lp＝2.5mH，稳定装置的阻抗特性发生了改变，结合对稳定装置阻抗特性的分析，可以得到阻抗控制的控制框图。
步骤5：将重塑阻抗控制信号与相电流控制信号相叠加，得到调制信号，再将调制信号经过载波移相，产生驱动信号，将驱动信号注入功率单元，实现阻抗重塑，提高系统阻尼，阻尼谐振。
图5为稳定装置的控制框图。相电流控制是在dq坐标系下调节装置输出电流，阻抗控制是对装置的输出阻抗重新塑造，两者输出信号叠加得到装置三相调制信号，经过载波移相调制策略，产生驱动信号，实现控制目标。其中，对装置重塑阻抗控制，就是根据等效阻抗特性对阻抗控制器传递函数进行重新设计。在本实例中，采取并联等效阻抗的方式重塑阻抗，因此阻抗控制模块只需采样装置的三相输出电压；如果采取串联等效阻抗的方式，则需要采样输出电流，或者采用串并联方式，则输出电流输出电压都需要。
图6是接入电磁暂态稳定装置后外部系统的阻抗波特图，Zeq1p(s)与Zwp(s)交点频率为196Hz，相应的相位裕度为95.49°，Zg(s)与Zeq2p(s)交点频率为102Hz，相应的相位裕度为46.46°，两种情况下的相位裕度都符合设计要求。从阻抗波特图中可以看出，阻抗控制确实对外部系统的阻抗特性有着明显的改善效果。
图7、图8是基于MATLAB仿真得到的新能源发电系统时域仿真波形图，图7是系统中的电磁暂态稳定装置没有加入重塑阻抗，包括(a)、(b)两幅图，分别为PCC电压波形图和风场输出电流波形图，由于电网阻抗的存在，机侧与网侧存在动态交互影响，系统存在谐振，不能稳定工作。图8是系统中加入重塑阻抗控制，包括(a)、(b)、(c)、(d)四幅图，分别为PCC电压波形图、风场输出电流波形图、系统侧电磁暂态稳定装置输出电流波形图和入网电流波形图，电磁暂态稳定装置调整阻抗，提高系统阻尼，阻尼谐振，具有明显的效果。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式发电系统的电磁暂态稳定装置，所述分布式发电系统由新能源并网发电装置与电网连接组成，其特征在于：该电磁暂态稳定装置并联接入分布式发电系统的交流母线，其主要结构包括功率单元、滤波单元、检测单元、控制单元和阻抗计算单元，功率单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端并联接入并网逆变器与电网之间的交流母线，检测单元的输入端连接滤波单元的输出端，阻抗计算单元的输入端连接检测单元的输出端，阻抗计算单元的输出端连接控制单元的输入端，控制单元的输出端连接功率单元的控制端；检测单元采样电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号，阻抗计算单元根据该电压电流信号阻抗计算单元根据该电压电流信号得到外部系统的阻抗特性，控制单元根据外部系统的阻抗特性，进行自身阻抗重塑，从而在系统所需的任意频域上提供足够的并联阻尼，增强整个系统的阻尼谐振能力。
2.基于权利要求1所述电磁暂态稳定装置的电磁暂态稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)控制单元根据预设的时间间隔在电流环路上叠加一个宽脉冲序列，实现谐波的注入；
(2)检测单元将实时采样的电磁暂态稳定装置的输出电压电流信号传送给阻抗计算单元，阻抗计算单元将输出电压进行傅里叶分解，得到频域内输出电压的响应电压，将电磁暂态稳定装置的输出电流进行傅里叶分解，得到频域内输出电流的响应电流，再根据欧姆定律，用频率内的响应电压除以响应电流，得到外部系统的阻抗；
(3)阻抗计算单元根据外部系统的阻抗信息判断电磁暂态稳定装置的输出阻抗能否为系统在谐振频率点或潜在谐振频率点处提供足够的阻尼，若能，则不需要进行重塑阻抗控制，本次检测结束；否则需要进行重塑阻抗控制，转入步骤(4)；
(4)控制单元根据检测单元采集的电压电流信号和外部系统的阻抗信息，确定在当前谐振频率下满足阻尼要求的电磁暂态稳定装置的阻抗特性，并据此生成重塑阻抗控制信号；
(5)将重塑阻抗控制信号与相电流控制信号相叠加，得到调制信号，再将调制信号经过载波移相，产生驱动信号，将驱动信号注入功率单元，实现阻抗重塑，提高系统阻尼，阻尼谐振。
3.根据权利要求2所述电磁暂态稳定方法，其特征在于，在步骤(3)中，首先，判断外部系统的阻抗特性曲线上是否存在谐振频率点或者潜在谐振频率点，即该频率点处系统本身是否有足够阻尼；若无足够阻尼，则将谐振频率或潜在谐振频率处的非线性系统线性化处理，得到外部系统机侧和网侧的等效阻抗，以阻抗稳定性判据判断并入电磁暂态稳定装置后的三端口网络是否稳定，即三端网络的阻抗特性是否满足交点频率处相位裕度大于45度，若满足，则结束本次检测，若不满足，则进行重塑阻抗控制。
4.根据权利要求3所述电磁暂态稳定方法，其特征在于，所述判断外部系统的阻抗特性曲线上是否存在谐振频率点或者潜在谐振频率点的方法如下：
在阻抗特性曲线上，分别计算幅值曲线和相位曲线在各频率点的斜率，设幅值曲线上某频率点a处的斜率为k1，相位曲线上频率点a处的斜率为k2，如果在该频率点a处同时满足以下两个条件：
条件1：频率点a为谐振点，即幅值曲线在a处有峰值或者谷值，且相位曲线在a处穿越0°；
条件2：k1<K，且k2<K，其中K是用来判定频率点谐振时阻尼是否足够的参考值，其大小是根据实际应用中对入网电流电压谐波含量的要求设定的；
则判断外部系统在频率点a处有足够的阻尼，否则判断外部系统在频率点a处无足够的阻尼。
5.根据权利要求2所述电磁暂态稳定方法，其特征在于：在步骤(4)中，首先，控制单元确定三端网络在谐振频率处需要额外补偿的阻尼，以满足阻抗稳定性判据的相位要求；然后，控制单元根据阻尼需求构造虚拟等效阻抗，重塑电磁暂态稳定装置的输出阻抗，该虚拟等效阻抗模拟电阻、电容、电感以及三者间串并联组合的阻抗特性，并根据虚拟等效阻抗的阻抗特性，以前馈电压或电流的方式实现控制目标，从而改变电磁暂态稳定装置的输出阻抗，以阻尼谐振。
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