基于RT-LAB硬件在环的风电机组宽频振荡风险评估

王新宇,任 正,陈财福,白云鹏,郑婷婷

(国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院,内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

随着新能源接入电力系统占比逐渐增加,直流输电的大规模推广应用,电力系统电力电子化特征明显,由其导致的宽频振荡风险凸显[1-3],内蒙古地区新能源装机逐渐增加,构成典型强直弱交型电网,且存在串补、电力电子装置、风火电源耦合等引发次同步振荡风险的多重因素[4]。

新能源机组并网宽频振荡风险评估方法主要包括时域分析法和频域分析法[5]。时域分析法最常用的时域建模分析技术包括基于小信号状态空间模型的特征值分析和基于电磁暂态模型的时域仿真分析。文献[6]运用机理建模方法,基于特征方程降阶的思路,得到了反映变流器与电网交互影响的特征方程。文献[7]建立直驱风机正负序阻抗模型,利用奈奎斯特判据分析其接入交流电网次同步振荡的产生机理。文献[8]通过时域仿真建立目标系统的详细电磁暂态模型来判断互联系统的稳定性,直观了解系统稳定状态。

目前常用的频域分析法包括频率扫描法、复转矩系数法和基于阻抗模型的Nyquist判据法等。文献[9]通过频率扫描获得串补输电网的简化等值模型及其参数,用复转矩系数法推导出等值系统的电气阻尼显式表达,综合考虑机组扭振模式的电气和机械阻尼来判别其稳定性。文献[10]建立了中低频段考虑频率耦合的简化序阻抗模型和高频段不考虑频率耦合简化序阻抗模型,分频段讨论了不同控制环节对阻抗模型的影响。文献[11]利用阻抗频域分析法和奈惠斯特判据揭示双馈风电场与串补系统交互作用的次同步振荡和双馈风电场与交流弱电网交互作用的超同步振荡机理。文献[12]对机组阻抗特性频带进行划分,并分析影响各频带阻抗特性的主导因素,结合最大峰值Nyquist稳定判据,揭示系统各频带振荡机理。由于各厂商风机控制器控制策略的保密性,上述各研究采取的建模分析手段尽管可以近似模拟实际控制器特性,但却均无法精确模拟风机实际控制器物理特性。

本文基于RT-LAB仿真平台,开发新能源机组宽频振荡动态分析装置,可实现对控制器物理宽频振荡测试,并应用于RT-LAB硬件在环仿真试验,完成对直驱风机控制器的频域阻抗分析,解决了传统建模分析手段无法精确模拟直驱风机并网现场控制性能问题,对研究和分析新能源机组并网宽频振荡稳定性具有重要意义。

1 新能源机组宽频振荡动态分析方法

通常新能源机组控制器的控制策略以非可直接获取的形式烧写在控制器物理硬件中,称为“黑盒”控制系统。可通过阻抗辨识得到设备的阻抗频率特性曲线,进而分析其不同频率下的阻抗特性。

如图1所示,在待测新能源机组并网点注入三相谐波扰动交流电压源ΔUabc+、ΔUabc-,为避免扰动信号幅值过大引起控制器过压保护动作,同时避免扰动信号幅值过小导致采样信号失真,扰动谐波源幅值取额定电压幅值的1%～5%[13],其表达式如下:

图1 扰动注入法阻抗辨识

(1)

(2)

式中:fp+fn=2f1,f1为工频50 Hz。

当新能源机组收到电压扰动信号ΔUabc+、ΔUabc-后,会产生对应频率的电流响应信号ΔIabc+、ΔIabc-,根据欧姆定律,被测对象的阻抗特性可被定义为

(3)

写成导纳矩阵形式为

(4)

(5)

式中:左上角元素Ypp代表正序电压扰动ΔUabc+对正序电流响应分量ΔIabc+的影响;右下角元素Ynn代表负序电压扰动ΔUabc-对负序电流响应分量ΔIabc-的影响;右上角元素Ypn代表负序电压扰动ΔUabc-对正序电流响应分量ΔIabc+的影响;左下角元素Ynp代表正序电压扰动ΔUabc+对负序电流响应分量ΔIabc-的影响。

进而可以用于机组控制器阻抗外特性稳定性分析。为获取新能源机组控制器阻抗外特性,本文基于上述原理设计开发了如图2所示的动态分析装置,通过将风电机组控制器与RT-LAB组成硬件在环仿真平台,利用本装置的与RT-LAB的硬件接口向RT-LAB模型中风电机组端口注入扰动信号,再通过获取风机端口对应的电压扰动和电流扰动响应信号,进而通过阻抗模型辨识方法获得风机宽频带阻抗。

图2 装置设计原理

2 宽频振荡稳定判据

2.1 频域稳定判据

通过划分交流电网阻抗和待测设备阻抗2个子系统,获得频域阻抗模型,对比2个子系统的阻抗频率特性曲线,基于阻抗稳定判据分析新能源机组与交流系统间在不同频率范围内是否存在振荡的风险。若两曲线存在幅值交点时,且此交点处相角裕度不足时,则表明该点对应频率存在不稳定的振荡风险。

对于接入短路比较低的弱电网直驱风电机组,在某特定频率下,机组阻抗外特性表现为容性,且在谐振峰处呈现负阻尼特性,与弱电网感性特性参数相匹配从而引发振荡发散[12,14]。

2.2 Nyquist稳定判据

Nyquist稳定判据依据如式(6)所示[15]:

Z=P-2(N+-N-)

(6)

式中:P为开环传函正实部极点个数;N+、N-分别表示包围(-1,j0)的正、负穿越次数。

若Z=0,则系统稳定,反之,系统不稳定。当Z=0,且对应的Nyquist曲线穿过(-1,j0)点,则系统临界稳定。

通常可将并网风电机组的机侧看成一个受控电流源,与电网形成一个串联回路,其中风电机组被看作是由机侧的受控电流源Is和输出阻抗Zs并联得到,电网被看作是源系统,由理想电压源Vg和电网阻抗Zg串联得到[16],如图3所示。

图3 风机并网等效原理

结合戴维南等效定理,风机输出电流为

(7)

假设风电机组与电网在连接前均处于稳定状态,Is为逆变器的稳定参考电流,Vg为稳定的电网电压源,Zg为电网侧的无源线路阻抗,均不包含不稳定极点。所以系统的稳定性仅由式(8)决定:

(8)

由式(8)可知,前向通道为1,反馈回路为Zg(s)/Zs(s)的负反馈控制闭环传递函数。在Zg(s)/Zs(s)满足Nyquist稳定判据的条件下,H(s)才能保持稳定,或通过Zg(s)/Zs(s)的伯德图判断系统是否稳定。

3 基于RT-LAB的硬件在环仿真试验

3.1 RT-LAB平台HIL模型搭建

通常基于CPU的仿真无法做到实时计算,仿真步长一般在几十微秒左右,对于含有高频电力电子开关的设备解算困难,计算耗时严重,本文研究采用的RT-LAB平台基于FPGA的仿真器对电力电子电路进行解算,最小仿真步长可以达到纳秒级,大大提高解算效率。宽频振荡测试平台原理及实物分别如图4、图5所示。

图4 宽频振荡测试平台原理

图5 宽频振荡测试平台实物

如图5所示,RT-LAB将新能源机组主电路划分为传统电力设备元件部分和高频电力电子开关元件2部分,其中传统电力设备元件用CPU解算,含高频电力电子开关电路的变流器采用eHS(electrical hardware solver)技术,利用FPGA实现高频电力电子开关的小步长仿真,通过接收电网采样信号调节PWM信号,控制变流器输出,实现CHIL(控制硬件在环)实时仿真,提高仿真精度。

物理接口是新能源机组控制器实物硬件在环电气量的交换单元,同时也是本文所用宽频振荡动态分析信号的注入和采集接口;扰动反馈信号经数据采集卡与注入信号相比较从而完成对新能源机组与交流电网的阻抗分析。

基于上述平台搭建方法,本文将直驱风机控制器、宽频振荡动态分析装与RT-LAB平台构成硬件在环实时仿真平台,并将直驱风机、整流模块、逆变模块、滤波模块、受控源等构建为CPU解算模型,将物理控制器输出信号送入FPGA中利用eHS技术实现解算,完成阻抗测量及宽频振荡风险评估。

3.2 短路比设置

新能源发电单元电压源换流器作为并网接口,具有良好的控制性能。然而这种电力电子式发电与电网相互作用可导致稳定性问题,直驱风机经弱电网送出引发次同步振荡问题越来越受到学术界关注[17],短路比大小用于表征电网强弱,根据GB/T 40581—2021《电力系统安全稳定计算规范》规定,对新能源接入交流系统强度水平进行划分:

a. 强系统:MRSCR大于3.0;

b. 弱系统:MRSCR在2.0～3.0;

c. 极弱系统:MRSCR小于2.0。

对于用戴维南等效的电网,可表示为理想电压源串联系统等效阻抗的形式,设系统短路容量为

(9)

式中:UN为额定电压;Ic为短路电流。

令系统阻抗为

Zg=R+jX=R+jωL

(10)

则系统短路电流Ic可表示为

(11)

短路比SCR可表示为

(12)

式中:PN为风机额定功率。

当短路比较低时,应计及系统阻抗比X/R的影响。令K=X/R,则等效系统阻抗可分别表示为

(13)

(14)

由此可得特定短路比下的系统阻抗。

4 案例分析

以内蒙古地区某新能源场站采用的2 MW直驱风电机组为例进行分析,其主电路拓扑如图6所示,PMSG机组参数如表1所示。本文重点考虑2 MW直驱风电机组接入弱电网对系统稳定性的影响,考虑K=10,采用短路比1.5进行计算。

表1 某PMSG机组电路拓扑参数

图6 直驱风机拓扑图

2 MW直驱风电机组接入弱电网(SCR=1.5)的幅频相频特性曲线如图7、图8所示。

图7 正序阻抗Bode图

图8 负序阻抗Bode图

由图7、图8可知,该直驱风电机组接入短路比SCR=1.5的弱电网,正序阻抗幅频特性在次同步频段(5～45 Hz)幅值相对比较稳定,相位在140°左右,与电网幅频特性曲线无交点,故该频段无稳定问题。当频率增加到超同步频段(55～95 Hz)及更高频段,风机正序阻抗幅频特性曲线在126 Hz处与电网正序阻抗幅频特性曲线产生交点,此处,电网正序阻抗与风机正序阻抗相位差224.9°;风机负序阻抗幅频特性曲线在63 Hz处与电网负序阻抗幅频特性曲线产生交点,此处,电网负序阻抗与风机负序阻抗相位差236.4°,由此可见,幅频相频特性不满足振荡条件,无振荡风险。

电网阻抗与风机阻抗比Zgrid(s)/Zpmsg(s)需满足Nyquist判据才能保证系统稳定,Nyquist曲线如图9和图10所示。

图9 正序Nyquist曲线

图10 负序Nyquist曲线

由图9、图10可知,无论正序还是负序Zgrid(s)/Zpmsg(s)的Nyquist曲线均未围绕(-1,j0)点,从而可以判断系统稳定,无振荡风险,与频域阻抗判据结果保持一致。

5 结语

本文基于谐波源扰动法开发新能源机组宽频振荡动态分析装置用以评估新能源机组并网带来的宽频振荡问题,并搭建了基于RT-LAB的硬件在环仿真平台,对物理控制器“黑盒”宽频振荡硬件在环测试,精确模拟风机并网物理控制器的实际控制特性,获取了“黑盒”模式下物理控制器的真实阻抗外特性,具有良好的效果。并以内蒙古某低短路比地区新能源场站直驱风机并网为例,对其阻抗外特性进行了分析,结果表明该直驱风机单机接入弱电网具有较强稳定性,引发宽频振荡风险较小。对研究和分析新能源机组并网宽频振荡稳定性具有一定参考价值。

因新能源场站拓扑复杂,从电网安全稳定角度来看,最关注的是新能源场站对系统安全稳定的影响,下一步将继续结合暂态稳定极限来综合评价新能源场站在不同运行工况下给系统带来的宽频振荡风险。