何 芳，叢 雨，王立強(qiáng)

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

BPA仿真軟件作為電力系統(tǒng)的一種機(jī)電暫態(tài)仿真計(jì)算工具，已被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的潮流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算分析中。因其具有仿真規(guī)模大、計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮著很大的作用。隨著光伏發(fā)電規(guī)模不斷增大，光伏發(fā)電出力的波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大，BPA中雖具有光伏發(fā)電機(jī)電暫態(tài)模型，但模型中的參數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際光伏逆變器性能響應(yīng)差異較大，無(wú)法精準(zhǔn)反映現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的實(shí)際性能，含光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析準(zhǔn)確性受到一定程度的影響。針對(duì)新能源機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，較多學(xué)者結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了參數(shù)辨識(shí)的方法研究[1-7]，結(jié)合遺傳算法等智能高級(jí)算法[8-11]，取得了一定進(jìn)展，但多側(cè)重于方法的提出和驗(yàn)證，沒(méi)有較好地與電網(wǎng)仿真工具相結(jié)合。

為滿足大規(guī)模光伏并網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析需求，本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制輸出特性的機(jī)電暫態(tài)模型控制原理進(jìn)行研究，提出一種基于電力系統(tǒng)分析軟件PSD-BPA 的光伏逆變器機(jī)電暫態(tài)功率控制參數(shù)辨識(shí)方法，采用粒子群算法尋優(yōu)與仿真模擬相結(jié)合，并通過(guò)控制器實(shí)物硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，從而提高了對(duì)含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

1 光伏逆變器機(jī)電暫態(tài)功率控制模型

光伏發(fā)電逆變器穩(wěn)態(tài)功率控制主要采用最大功 率 點(diǎn) 跟 蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）和恒功率控制，MPPT 模式可使光伏陣列輸出電壓跟蹤最大功率點(diǎn)電壓，從而輸出不同環(huán)境下的最大功率[11-18]。恒功率控制模式可使逆變器根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度實(shí)現(xiàn)固定的有功和無(wú)功輸出，還可根據(jù)其輸出電壓的相角和幅值的變化來(lái)對(duì)外部電網(wǎng)的功率需求做出響應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制，即通過(guò)控制逆變器輸出電壓的相角來(lái)調(diào)節(jié)其輸出有功功率，通過(guò)控制逆變器輸出電壓的幅值來(lái)調(diào)節(jié)其輸出無(wú)功功率。光伏發(fā)電單元機(jī)電暫態(tài)模型穩(wěn)態(tài)功率控制的準(zhǔn)確性主要受恒功率控制模式的控制參數(shù)影響。

光伏逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[19]。功率控制指令從下達(dá)到執(zhí)行，因受通信影響，會(huì)有一定的延時(shí)，因此在機(jī)電暫態(tài)模型中通過(guò)有功、無(wú)功控制指令的延時(shí)環(huán)節(jié)對(duì)該部分進(jìn)行等值。光伏逆變器MPPT 跟蹤和穩(wěn)態(tài)輸出功率電壓/電流/功率等電氣量采樣環(huán)節(jié)采用慣性環(huán)節(jié)等值。

圖1 光伏發(fā)電單元有功功率控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Active power control structure of PV unit

圖2 光伏發(fā)電單元無(wú)功功率控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Reactive power control structure of PV unit

光伏逆變器的功率控制采用外環(huán)控制，目的是實(shí)現(xiàn)PQ 解耦控制，其中有功控制通過(guò)直流母線電壓的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，無(wú)功控制通過(guò)無(wú)功功率的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，外環(huán)控制采用比例積分環(huán)節(jié)，輸出量為d、q軸電流的參考值。

光伏逆變器控制模型穩(wěn)態(tài)功率控制待辨識(shí)的控制參數(shù)包括有功和無(wú)功控制環(huán)節(jié)的PI（比例積分）參數(shù)，有功控制比例系數(shù)Kp、有功控制時(shí)間系數(shù)Tp、無(wú)功控制比例系數(shù)Kq、無(wú)功控制時(shí)間系數(shù)Tq，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性將直接影響其動(dòng)態(tài)特性，需要予以辨識(shí)。

利用MATLAB/Simulink軟件搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，如圖3所示，該模型主要用于光伏功率控制參數(shù)的仿真與驗(yàn)證，結(jié)合GB/T 32892—2016《光伏發(fā)電系統(tǒng)模型及參數(shù)測(cè)試規(guī)程》[19]，通過(guò)模型及參數(shù)的調(diào)整開(kāi)展仿真測(cè)試，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差對(duì)比分析，考核模型的準(zhǔn)確程度。

圖3 光伏逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)模型Fig.3 Photovoltaic inverter grid connected system model

2 模型參數(shù)測(cè)試及辨識(shí)方法

2.1 光伏逆變器功率輸出特性測(cè)試方案

利用RT-LAB 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，搭建光伏逆變器主電路模型及功率穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)測(cè)試模型（見(jiàn)圖3），并接入某組串式50 kW實(shí)物光伏逆變器控制器，開(kāi)展功率穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)測(cè)試相關(guān)電網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)，逆變器模型參數(shù)測(cè)試示意圖如圖4 所示。依據(jù)表1要求的電壓擾動(dòng)幅值和時(shí)間設(shè)置模擬交流側(cè)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)參數(shù)，完成表中所有試驗(yàn)，測(cè)試并記錄交流側(cè)電流電壓數(shù)據(jù)。

表1 交流側(cè)電網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)1）Tab.1 Parameters of grid disturbance test on AC side

圖4 逆變器模型參數(shù)測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram of inverter model parameter test

2.2 參數(shù)辨識(shí)方法

粒子群算法是一種模擬鳥(niǎo)群群體覓食過(guò)程中遷徙和群體行為的智能算法，具有魯棒性好、調(diào)整參數(shù)較少、收斂速度快等特點(diǎn)，適用于參數(shù)辨識(shí)中多目標(biāo)尋優(yōu)求解的問(wèn)題[20-23]。將Kp=0.1，TP=0.01，Kq=0.1，Tq=0.01 作為算法迭代的第一代初始值，并設(shè)定相應(yīng)算法的迭代次數(shù)、收斂調(diào)節(jié)、慣性權(quán)重、學(xué)習(xí)因子及參數(shù)限制條件。參數(shù)辨識(shí)采用粒子群算法與仿真模型計(jì)算相結(jié)合的方法。在電力系統(tǒng)仿真軟件中建立與試驗(yàn)系統(tǒng)相同容量、相同參數(shù)的仿真模型，設(shè)置與試驗(yàn)一致的運(yùn)行工況和擾動(dòng)進(jìn)行仿真，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間劃分和偏差計(jì)算，以驗(yàn)證模型參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，當(dāng)誤差超出要求后，通過(guò)優(yōu)化算法改變參數(shù)組合，并通過(guò)不斷迭代，直至得到最優(yōu)參數(shù)。其中，迭代次數(shù)為100 次，誤差收斂條件為電壓、有功功率、無(wú)功功率穩(wěn)態(tài)區(qū)間最大偏差允許值滿足GB/T 32892—2016的要求，穩(wěn)態(tài)區(qū)間最大偏差運(yùn)行值如表2所示。得到最優(yōu)參數(shù)后，選取電壓、無(wú)功電流、無(wú)功功率對(duì)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，具體流程如圖5所示。

圖5 參數(shù)辨識(shí)迭代示意圖Fig.6 Schematic diagram of parameter identification iteration

表2 穩(wěn)態(tài)區(qū)間最大偏差運(yùn)行值Tab.2 Maximum deviation operating value in steady-state interval

選取穩(wěn)態(tài)區(qū)間模型仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的最大偏差，考核模型的準(zhǔn)確程度。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理完后，得到4 組辨識(shí)的參數(shù)滿足GB/T 32892—2016中對(duì)偏差的要求[12]，如表3和表4所示。

表3 有功控制參數(shù)辨識(shí)結(jié)果Tab.3 Identification results of active power control parameters

表4 無(wú)功控制參數(shù)辨識(shí)結(jié)果Tab.4 Identification results of reactive power control parameters

3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.1 光伏逆變器BPA模型

PSD-BPA 中的模型主要通過(guò)參數(shù)卡填寫(xiě)的方式進(jìn)行搭建，光伏逆變器模型涉及功率輸出特性的參數(shù)卡主要有EU卡和EZ卡兩部分，EU卡表示正常運(yùn)行狀態(tài)下的有功功率控制模型，EZ卡表示正常運(yùn)行狀態(tài)下的無(wú)功功率控制模型，模型參數(shù)填寫(xiě)如圖6所示。

圖6 PSD-BPA中EU卡和EZ卡Fig.6 EU card and EZ card in PSD-BPA

KPUDC填寫(xiě)Kp數(shù)值，KIUDC填寫(xiě)Kp/Tp數(shù)值，KPV填寫(xiě)Kq數(shù)值，KPI填寫(xiě)Kq/Tq數(shù)值，其余參數(shù)根據(jù)廠家提供的參數(shù)填寫(xiě)。

3.2 BPA模型功率準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在PSD-BPA中對(duì)4組參數(shù)填寫(xiě)形成4種逆變器模型，按照表1 的交流側(cè)電網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)分別對(duì)4 種模型進(jìn)行仿真測(cè)試，并與RT-LAB 中實(shí)物控制器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證功率控制BPA模型的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出最優(yōu)參數(shù)組合為：Kp=0.587 7，Tp=0.014 0，Kq=0.305 5，Tq=0.022 4，各試驗(yàn)工況下的誤差對(duì)比曲線如圖7—圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明，BPA 中光伏逆變器功率輸出特性與RT-LAB 半實(shí)物仿真結(jié)果誤差滿足GB/T 32892—2016中對(duì)偏差的要求。

圖7 大功率和33%QCMAX工況下，電壓跌落到91%Un的功率變化對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve of power change when voltage drops to 91%Un under high power and 33%QCMAX conditions

圖10 大功率和33%QLMAX工況下，電壓升高至109%Un的功率變化對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curve of power change when the voltage rises to 109%Un under high power and 33%QLMAX conditions

圖8 大功率和33%QCMAX工況下，電壓升高至109%Un的功率變化對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of power change when voltage rises to 109%Un under high power and 33%QCMAX conditions

圖9 大功率和33%QLMAX工況下，電壓跌落至91%Un的功率變化對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve of power change when voltage drops to 91%Un under high power and 33%QLMAX conditions

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了“粒子群尋優(yōu)+仿真模擬”相結(jié)合的光伏逆變器功率控制參數(shù)辨識(shí)技術(shù)方法，選擇典型的光伏逆變器進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)及實(shí)物控制器試驗(yàn)偏差分析，驗(yàn)證了結(jié)果的有效性。該方法解決了逆變器等新能源機(jī)組由于核心保密參數(shù)無(wú)法公開(kāi)模型參數(shù)的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)外特性的擬合與評(píng)估手段得出了準(zhǔn)確的模型參數(shù)，可有效提升電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)仿真分析的動(dòng)態(tài)特性。