- MW规模同步功率控制器光伏电站对智利北部电力系统稳定的影响
ISSN 1751-8687
Received on 8th February 2017
Revised 13th April 2017
Accepted on 15th May 2017
E-First on 11th August 2017
doi: 10.1049/iet-gtd.2017.0203
www.ietdl.org
Daniel Remon1 , Claudio A. Cantilde;izares2, Pedro Rodriguez1,3
1Department of Electrical Engineering, Technical University of Catalonia, 08222 Barcelona, Spain
2Department of Electrical and Computer Engineering, University of Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G5 Canada
3Department of Engineering, Loyola University Andalusia, 41014 Seville, Spain
E-mail: daniel.remon@estudiant.upc.edu
摘要：电力电子接口的可再生能源对电力系统的影响越来越大。重要的是它们在世代组合中所占的份额增加，因此需要详细说明。 考虑到它们动态的分析
和控制器。在这项研究中，我们对光伏发电厂对智利北部电力系统的影响进行了分析。研究中的工厂使用了一个控制器，它允许电源转换器与电网进行交互，比如虚拟同步发电机，其模型包括装置动力学和转炉动力学模型，转换器控制，以及直流和光伏系统。呈现分析包括模态分析和大扰动的时域模拟，评估了这些方法的影响。与光伏发电厂有关的植物 传统的转换器控制器。测试并验证模型是由有效性控制器是为连接智利北部电力系统的实际商业用太阳光电发电厂和高可靠性控制系统执行的，以及大规模商业用太阳光电发电厂的接入时对系统的影响。结果表明，由结果表明，由虚拟同步功率变换器组成的光伏电站能够限制频率，大功率不平衡引起的偏移，并减轻系统中同步机的功率振荡。
1介绍
从可再生能源中获得的总发电量的比例可以看出，可再生能源已经随着相关技术越来越成熟而变得更具有竞争力。这一趋势预计会在接下来的几年里，有一些像风和太阳能等能源中出现。而太阳能在电力系统中的占比可达到30%左右[1-4]。
这些类型的发电厂,由风力发电机或太阳能光伏(商业用太阳 光电发电厂)系统,对电网产生影响,不仅由于资源的特点,不仅由于资源的特殊性，而且还会对电网造成影响。 该技术用于将能量输送到电网，在许多情况下，电网是基于电力电子学的。与同步发电机相反，电力电子转换器运行速度快(通常在在几个电网循环的范围内)，而它们与电网的交互主要是由他们的控制器，但是它通常是被设计为提取源的最大功率，却不考虑与电力系统的互动的。作为这些新能源发电机
在能源组合所占比例的增加，出现了许多分布式发电机与配电网络相连，以及该类型大型变电站连接到电网中，便有必要分析和减轻这些问题对系统的影响，设计适当的控制策略和可能的系统升级。有几篇著作对上述问题进行了研究。大
中对分布式发电机的集成进行了回顾[5],控制大规模有源配电网中发电机的影响在[6]中进行了评估。此外，还对实际配电系统上的太阳能光伏组件进行了分析[7，8]。在输电级别，分析的重点是在许多情况下的理论发电厂和测试电力系统。例如，[9，10]的作者研究了一个在风源和光伏源的存在下9母线系统的暂态稳定性。 有几篇论文考虑了可再生能源对实际系统运行和经济的影响。例如：风力限制在西班牙的研究[11];在[12]中讨论了扩大西班牙与法国之间的互联互通间歇发电的整合问题。丹麦的无功储备在[13]中作了分析；加州的负荷跟踪、监管和相关市场是在[14]中讨论；芬兰的发电不平衡在[15]中得到了考虑。关于对电网、风力发电机对电力系统的真实稳定性的影响西班牙的动态在[ 16 ]中讨论；考虑到大规模集成的不同路径，光伏电站对安大略省电力系统的影响是[17]。[18]研究了可再生能源对区域系统的影响，计算了可再生发电对欧洲互联系统惯量的影响。在[19]中，讨论了PV对北美西部互连的小扰动和暂态稳定性的影响。最后，在[20-22]中讨论了在风力发电机的作用下更容易出现不稳定问题的更弱、更小的系统。在之前提到的所有工作中，可再生发电机采用的是符合电网规范的传统控制器，但并不是专门设计来与电网和谐互动的。然而，可再生发电机控制器的建议有助于电力系统的稳定。因此,沙等等。[23]提出了一种大型光伏电站的鲁棒控制器，该控制器通过调节无功功率来实现功率振荡的阻尼，而Korai和Erlich[24]提出了一种通过电压依赖性负载下的电压控制来提高频率稳定性的策略。另一种方法是再现同步发电机的一些特性。因此，在[25]中研究了合成惯性的提供，这一概念扩展到同步机的仿真，这导致了所谓的虚拟同步发电机[26]。这些类型的控制器通常只在小型测试系统中进行分析，考虑到一个与主电网相连的转换器或一个小的微网(27-32)。然而，它们对大容量电力系统的影响尚未得到详细说明，因为这些系统可能会受到在较小系统中不存在的现象和相互作用的影响。在[33]中提出了第一个方法，研究了一个12总线的测试电力系统，并将PV建模为一个有功功率限制。本文分析了几乎同步功率变换器形成的大型发电厂实际输电系统的影响。该工厂模型是基于一个与智利北部电力系统相连的100mw光伏电站，并考虑使用动态的光伏电站和转换器控制器所引入的动力学。
图1光伏电站串并联控制模型
稳定性研究的等效模型。这个装置中的每个转换器都可以通过同步功率控制器(SPC)[34，35]作为虚拟同步发电机。为了评估该控制器的影响，将结果与传统的转换器控制器[36]的结果进行了比较。对智利北部实际光伏发电系统进行了小扰动稳定性和大扰动稳定性研究。该文件的主要贡献如下：
·将变换器直流侧模型和光伏系统模型纳入光伏电站的等效模型中。
·对实际光伏电站接入智利北部电力系统的影响进行建模和分析，考虑到其使用电流逆变器的能力。
- 含有电流逆变器的光伏电站
本文所研究的光伏电站是以智利北部100 MW实际电厂为基础，由100台额定功率为1MW的变流器组成，连接到50 Hz、220 kV电网。每个变流器都可以由电流逆变器[34]控制，它将同步发电机的某些特性嵌入到变流器动力学中，从而使装置具有与电力系统同步互动的能力。
对于本文提出的系统分析，发电厂采用了一个等效的单变换器，基频，平衡，聚合模型，它考虑了两个控制层，详见[37]。上层是中央控制装置，下层是等效变换器控制器，继承了SPC控制各单元的特点。此外，该模型还包含了等效直流链路和光伏场的动力学特性。
2.1中央工厂控制器
中央装置控制器将有功和无功功率参考发送给等效的变换器控制器，同时测量发电厂公共耦合点(PCC)处的频率，仅用于频率调节。一方面，在工厂级设置一个恒定的有功参考，考虑到10%的储备，以便工厂可以修改其输出以响应某些电网事件。在转换器电平上接收的有源功率参考在本地进行修改，同时考虑到PCC的频率测量。 另一方面，工厂通过比例控制器控制PCC的电压，该控制器为变换器电平产生无功参考。
2.2转换控制器
变换器控制器的核心是模拟虚拟导纳后的虚拟同步发电机的电动势(EMF)的SPC，由三个主要模块组成，因此，无功控制器在考虑无功功率误差的情况下，利用比例积分控制器产生表示虚拟电动势的电压源的幅值。 另一方面，有功功率控制器合成一个带有阻尼的摆动方程，利用该方程，有功功率误差导致一个虚拟转子速度，最终定义虚拟电动势的相角；此外，该回路允许变换器自然地与电网同步，因此不需要一个辅助锁相环(Pll)。电气特性控制器确定功率变换器的电流基准。 该电流对应于通过虚拟导纳的电流，这是由于内部虚拟EMF与转换器连接点的电压之间的电压差造成的。
该转换器控制器可以包括频率和电压下垂，分别修改从中央控制器接收的有功和无功功率参考图-1表示用于稳定性分析的完整变换器控制图，内电流控制回路的动态响应用一个低通滤波器表示，该滤波器具有典型的1/4循环时间常数，适用于SPC计算的电流基准。
由多个几乎同步的功率变换器组成的pv装置的影响，可以根据采用传统的面向矢量控制策略的功率变换器的类似工厂的影响来评估，这种控制策略基于瞬时功率理论[36]，当后者启用时，直接从参考视功率和端电压相量中获得电流参考值。
与SPC的情况一样，这种传统策略考虑了频率和电压下降，以及电流控制回路的延迟，但是，当采用常规控制器时，电流环的延迟还包括PLL的影响，该控制器需要与电网同步。
2.3直流侧与PV模型
为了在评估光伏电站可能产生的影响时考虑到太阳能的限制，本文提出的模型包括直流侧的动力学和光伏系统的特性。因此，功率变换器直流环节被建模为一个理想的电容器，其电压取决于变换器的有功功率平衡。光伏系统产生的功率与将变换器注入电网的有功功率之间的差异，将两个项除以直流电压。
光伏系统产生的功率用一个简单的双二极管模型[38]计算，其中光伏系统产生的电流是太阳辐照度、温度和直流电压的函数，太阳辐照度和温度的动态比本分析中考虑的网格事件的动态要慢得多，因此这些数值被认为是常数。因此，最大功率点跟踪。算法不包括在本文所使用的模型中。
自图中的转换器控制器。如图1所示，1不考虑直流侧，即附加的直流电压控制器。该控制器具有与光伏阵列特性的稳定部分相对应的宽死区，即最大功率点与开路电压之间的电压范围，但当达到这些限制之一时，一个比例积分控制器被激活，从而修改了变换器控制器的有功功率基准，从而使电压恢复到正常工作范围内。为了避免SPC机电控制器在这种快速控制动作中引入的延迟，包括前馈分支，由直流电压控制器产生的信号修改SPC的有功功率基准和角度状态，如图所示。1有虚线
2.4电站模型
在DigSILENT电厂中实现了等效对象模型。reg;为了进行多种类型的分析，包括潮流分析、模态分析和时域模拟，该模型由一个静态发电机单元组成，该单元对等效变换器和滤波器建模；一个内部母线连接该静态发电机；以及将该总线连接到一个表示等效厂阻抗的网格节点的通用阻抗。此外，该模型还包括用户定义的描述设备控制结构的功能。它的控制器采用一组微分代数方程，所使用的等效单变换器模型可以在不损失精度的情况下加速不同分析和模拟所涉及的计算，其中比较了几种不同聚集程度的等效模型。
3研究系统
北部智利电力系统是一个平均需求量在2000 MW左右的50 Hz系统。与采矿有关的工业负荷是这一需求的主要部分，每小时变化相对较小。发电组合主要是煤、天然气和柴油，尽管近期正在安装或计划连接大量光伏发电厂。
图中示出了系统中心部分的示意图。3.根据[40]中的详细说明，该系统的主要干线从塔拉帕卡到阿塔卡马，内有与Crucero母线电力相连的大型发电厂。如图所示，研究的光伏发电厂之一是目前正在建造的100 MW光伏发电厂，连接到一条Enuentro-塞拉利昂戈达线路的一条线路。3.该工厂的设计是为了使用功率转换器，它可以使用SPC选项。
在本文的研究中考虑到了数字化电厂的电力系统模型。reg;由系统操作员[41]发布。考虑低需求的运行方案，它对应于现有光伏发电的最大规模，不与argentin进行互联。此操作方案被修改为在相同的需求水平上添加计划的100 MW光伏电站，断开同步发电机。此外，为了评估光伏电站与SPC之间的影响，提高穿透水平，计划的额定功率。光伏厂增加到200兆瓦，另外增加了3座200兆瓦的光伏发电厂，总计800兆瓦，并相应地增加了总需求。新增的光伏发电厂位于未来的太阳能光伏场；因此，其中一座发电厂连接在塔拉帕卡以北的帕里纳科塔巴士，而另两座发电厂则在多梅科和拉伯托巴士连接。
在这两种情况下，太阳辐射和温度使得光伏发电厂在0.64 pU直流电压下能产生最大1.015 pU的有功功率，并且考虑到每台系统的开路直流电压为0.79 pU。此外，光伏发电厂的初始操作点考虑了10%的有功备用裕度，从而可以促进频率控制和稳定性，同时考虑ipt和spc控制器。
如表1所示，在修改方案中主要发电机的有功发电与[41]2015年6月的低需求数据有关，如表1所示，在100兆瓦和800兆瓦光伏方案中，假定光伏发电厂取代托科皮拉的U14单元，而同样在托科皮拉的u16机组则将其有功功率注入增加到211兆瓦。在另一方面，U15机组的设定点在每一种情况下都进行了修改；在100 MW光伏发电情况下，U15的技术最低功率为75 MW，而在800 MW光伏发电情况下，U15机组产生130 MW，接近其最大功率，800 MW机组的负荷增加由U15产生的功率的增加和额外的光伏发电来补偿。 值得注意的是，虽然这一高光伏渗透率方案给电力系统的经济性和可持续性带来了好处，但由此产生的调度会降低传统同步电机产生的功率比，从而降低系统的总惯性。 考虑到[41]描述的与智利北部电力系统相连的发电机的特性，假定光伏电站对频率调节有贡献，其下垂为5%，并且考虑惯性常数为5s。此外，还选择了阻尼系数D，使得光伏电站有源功率回路的阻尼比为0.7，并且选择了等于0.3 pu的虚拟电抗，从而使装置的响应受到足够的阻尼，并与电网密切相互作用。
4研究结果
这些光伏电站对系统的影响，取决于系统的总穿透和控制，通过研究数字电力系统的稳定性，来评估这些光伏电站对系统的影响。reg;接下来讨论的三种干扰。
4.1
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