鄒毅軍， 戴智鵬

(上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233)

0 引 言

我國擁有大量分布式能源，它們分布廣、類型多，優(yōu)質地利用這部分能源能夠改善我國電網(wǎng)供給結構，優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度空間，創(chuàng)造社會效益與環(huán)保效益[1-3]。目前，大部分分布式能源均采用逆變器的形式并入電網(wǎng)。逆變器能夠高質、穩(wěn)定地控制分布式能源轉換的電能，使并入電網(wǎng)的逆變型分布式電源(inverter-interfaced distributed generators， IIDG)成為友好、可控的并網(wǎng)源[4]。

IIDG應用廣泛，通常作為太陽能、風能等分布式能源與電網(wǎng)間的接口。然而由于IIDG缺乏慣性，且具有大量非線性模塊，因此其動態(tài)特性較為復雜。尤其當IIDG外側出現(xiàn)故障時，大擾動會使IIDG遠離正常狀態(tài)的運行平衡點，而出現(xiàn)新的平衡態(tài)，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定態(tài)。這些由故障等大擾動引起的不穩(wěn)定態(tài)將會導致分布式能源的能量無法穩(wěn)定地輸出至電網(wǎng)，電網(wǎng)的電壓、頻率出現(xiàn)波動，嚴重狀況下，IIDG將出現(xiàn)保護誤動，脫離電網(wǎng)。

大量文獻對IIDG面對故障時的狀態(tài)進行了研究。文獻[5]對IIDG在動態(tài)模型進行了研究，根據(jù)IIDG的控制策略與控制特點，用動態(tài)向量的方法建立了IIDG的模型。文獻[6]采用的是響應軌跡的方式對暫態(tài)狀態(tài)進行研究。文獻[7]對IIDG在暫態(tài)狀態(tài)下的機理進行了探究，完成了對IIDG暫態(tài)穩(wěn)定的判斷，對IIDG的暫態(tài)穩(wěn)定性進行計算，然而以上文獻沒有考慮到IIDG的控制策略以及外部參數(shù)對IIDG穩(wěn)定性的影響。

本文針對采用下垂控制的IIDG，研究IIDG在電網(wǎng)故障后的動態(tài)響應軌跡，分析IIDG在電網(wǎng)故障后的平衡態(tài)與不穩(wěn)定態(tài)，計算并評估IIDG的穩(wěn)定性。本文分析了IIDG在故障后的動態(tài)變化機理。根據(jù)研究出的IIDG動態(tài)機理，研究了IIDG故障后穩(wěn)定性的影響因素。

1 系統(tǒng)模型

1.1 IIDG控制模型

為了實現(xiàn)頻率、電壓的自動調(diào)節(jié)和功率的快速調(diào)節(jié)，IIDG通常采用如圖1所示的三環(huán)控制器。三環(huán)控制器包含下垂控制環(huán)、電壓外環(huán)控制環(huán)與電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)。

1.1.1 下垂控制環(huán)

下垂控制器可不借助通信設備實現(xiàn)IIDG頻率和電壓的自動調(diào)節(jié)。下垂控制器在接收采集到的IIDG有功與無功輸出后，為IIDG提供頻率與電壓信號，以達到額定功率的輸出。下垂控制方程如下：

(1)

式中：ω與V分別為IIDG的輸出角頻率與輸出電壓;ωn與Vn分別為IIDG的額定角頻率與額定電壓；Po與Qo分別為IIDG的輸出有功功率與無功功率;Pn與Qn分別為IIDG的額定有功功率與額定無功功率；mP與mQ分別為下垂控制器的下垂有功系數(shù)與下垂無功系數(shù)。IIDG的下垂特性如圖2所示。

1.1.2 電壓電流雙閉環(huán)控制器

在下垂控制器之后為IIDG的電壓電流雙閉環(huán)控制器，該雙閉環(huán)控制器能夠實現(xiàn)IIDG穩(wěn)定電壓調(diào)節(jié)與快速電流調(diào)節(jié)，其控制結構圖如圖3所示。雙閉環(huán)輸出內(nèi)電勢信號經(jīng)過dq/abc變換與調(diào)制后作為PWM控制信號，調(diào)制三相電壓。

1.2 配網(wǎng)模型

IIDG所接入的配網(wǎng)模型如圖4所示。IIDG與配電網(wǎng)通過開關S2相連，配電網(wǎng)側包含變電站與其他分布式電源,IIDG將電能輸送至配電網(wǎng)與負荷。

公共電網(wǎng)具有穩(wěn)定的運行電壓與頻率，同時還為系統(tǒng)提供參考電壓、參考頻率，因此可以將公共電網(wǎng)等效為無窮電源，其輸出電壓為U∠0。IIDG所連本地負荷的大小與線路電壓相關，用公式為：

(2)

式中：PL與QL分別為本地負荷消耗的有功功率與無功功率；PnL與QnL分別為本地負荷的額定消耗有功功率與無功功率。

為了簡化問題，可認為IIDG與公共電網(wǎng)之間的饋線及本地負荷與公共電網(wǎng)之間的饋線相同，則IIDG的輸出功率用公示表達為：

(3)

式中：Z與γ分別為饋線阻抗的大小與阻抗角；δ為IIDG與公共電網(wǎng)之間的相角差，記作功角。

2 暫態(tài)穩(wěn)定性機理及影響因素

在建立IIDG模型后，需要分析暫態(tài)事件對于該模型的影響，分析IIDG的穩(wěn)定性變化過程，以此得出IIDG的暫態(tài)穩(wěn)定性機理。同時對IIDG的模型內(nèi)的各參數(shù)進行分析，研究影響IIDG暫態(tài)穩(wěn)定性的因素。

2.1 IIDG暫態(tài)穩(wěn)定機理

根據(jù)IIDG的輸出功率公式，以功角δ作為變量，變化電壓V的值，可得到不同的功角-有功功率曲線，如圖5所示。由圖5可知，IIDG的有功功角特性是正弦型的，且在功角δ=γ時IIDG的有功輸出最低，在功角δ=π-γ時IIDG的有功輸出達到最大。

通常IIDG的額定頻率將設定為電網(wǎng)頻率，因此由下垂方程(1)可得：

(4)

式中：ωg為電網(wǎng)角頻率。結合圖5可知，在[-π,π]的范圍內(nèi)，功角曲線分別在[-γ,π-γ]與[-γ,π-γ]∪[π-γ,π]兩個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)與額定功率相等的點，分別記作δn1與δn2。當IIDG的功角δ∈[-γ,π-γ]時，可得到以下分析結果。

(1)若IIDG的輸出功率小于額定功率，此時dδ/dt>0，IIDG功率將增加，功角δ將向著δn1不斷變化，直到功角δ=δn1。

(2)若IIDG的輸出功率大于額定功率，此時dδ/dt<0，IIDG功率將減小，功角δ將向著δn1不斷變化，直到功角δ=δn1。

(3)若IIDG的輸出功率等于額定功率，此時若受到一定擾動，IIDG的功率將最終恢復到額定功率。

由以上分析可知，IIDG的功角在不同點時功率變化如圖5中箭頭所示。由于電壓不同，功角曲線不同，因此額定功角與輸出電壓相關，根據(jù)式(3)可得額定功角與輸出電壓的關系：

(5)

系統(tǒng)在切除故障后穩(wěn)定平衡點δn存在的條件可由式(5)推導得到：

(6)

2.2 IIDG暫態(tài)穩(wěn)定影響因素

IIDG系統(tǒng)內(nèi)的各個參數(shù)影響著IIDG的穩(wěn)定性，本文就IIDG與電網(wǎng)的連接阻抗，IIDG的輸出電壓及IIDG連接的本地負荷大小進行分析。

2.2.1 連接阻抗

IIDG與電網(wǎng)的連接阻抗影響著IIDG的輸出功率，當連接阻抗過大時，IIDG的輸出功率可能會很小，難以達到額定的輸出功率值。根據(jù)式(6)可知，當連接阻抗增大時，即Z增大時，不等式左邊變小，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

2.2.2 輸出電壓

輸出電壓V直接決定著不等式(6)左邊的大小，當輸出電壓較大時，不等式左邊較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

2.2.3 本地負荷

根據(jù)式(6)可知，系統(tǒng)的本地負荷大小影響著IIDG的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)的本地負荷大時，不等式左邊大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度大，穩(wěn)定性強；反之則系統(tǒng)穩(wěn)定性弱。

3 算例

本文通過建立仿真模型，對IIDG的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響因素進行具體的分析測試，仿真模型建立在RT-LAB上，在運行至15 s時線路發(fā)生故障，并于16 s將線路切除。系統(tǒng)的各項參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

為了對IIDG的暫態(tài)穩(wěn)定影響因素進行分析，將其初始值設定為：電纜阻抗Z=1.414 Ω，輸出電壓V=0.42 kV，本地負荷PnL=0.1 MW。根據(jù)式(7)可知，初始條件下系統(tǒng)是恰好穩(wěn)定的，其功率、功角的變化如圖6所示。

由圖6可知，系統(tǒng)在初始條件下暫態(tài)穩(wěn)定。在故障切除后，系統(tǒng)有較大的波動，但在經(jīng)過4 s后，波動開始衰減至很小，最終系統(tǒng)穩(wěn)定。

改變系統(tǒng)的暫態(tài)影響因素后再進行測試，具體條件改變狀況及系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)如圖7所示。

根據(jù)仿真結果分析可知：

(1) 線路阻抗。對于線路阻抗Z，當其增加一倍時，由圖7(a)可知，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定，此時系統(tǒng)將在暫態(tài)事件后不斷震蕩，且震蕩周期較長。當其減小至原本的一半時，如圖7(b)所示，IIDG輸送功率的能力大大增加，此時系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2) 輸出電壓。如圖7(c)所示，系統(tǒng)電壓增加了50%，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，系統(tǒng)在經(jīng)過小幅度的波動后不再波動，達到了暫態(tài)穩(wěn)定。當系統(tǒng)電壓減小至0.35 kV后，如圖7(d)所示，系統(tǒng)無法達到暫態(tài)穩(wěn)定。

(3) 本地負荷。當系統(tǒng)本地負荷增加至0.4 MW時，如圖7(e)所示，IIDG能夠達到暫態(tài)穩(wěn)定，此時IIDG的所有有功輸出均會被本地負荷吸收。當系統(tǒng)本地負荷減小至0.2 MW時，如圖7(f)所示，IIDG無法暫態(tài)穩(wěn)定，此時系統(tǒng)在故障切除后不斷震蕩。

根據(jù)上述分析可知，仿真結果與本文提出的暫態(tài)穩(wěn)定機理及各影響因素對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響相符合。

4 結束語

本文針對逆變型分布式電源(IIDG)，分析了其在并網(wǎng)后的暫態(tài)穩(wěn)定性能力，對影響其暫態(tài)穩(wěn)定性的各參數(shù)進行了分析，并提出了判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。根據(jù)仿真結果可知，仿真結果與本文提出的暫態(tài)穩(wěn)定機理及各影響因素對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響相符合，本文所提出的IIDG暫態(tài)穩(wěn)定性具有一定實踐意義。