大型光伏电站抑制低频振荡的有功阻尼控制策略
发布时间：2022-03-22
摘要：日益增大的光伏并网容量和光伏发电比重可能会对电力系统的低频振荡特性产生不良影响，大型光伏电站应该具备抑制低频振荡的能力。论文以大型光伏电站并入单机无穷大系统为研究对象，提出采用广域输电线路有功微分信号调节大型光伏电站最大有功输出的自适应阻尼控制策略，该控制策略能够尽可能多地输出有功并且确保光伏电站低频振荡抑制模式与最大功率跟踪模式之间的平滑切换。同时，考虑到相关标准对无功调压能力的要求，大型光伏电站无功控制沿用现有光伏系统无功调压的控制方法，进而形成大型光伏电站的功率控制策略。理论分析和仿真结果验证大型光伏电站有功阻尼控制策略能够显著提高系统抑制低频振荡的能力，保障系统安全稳定运行。
关键词：大型光伏电站;低频振荡;阻尼;有功控制;单机无穷大系统
0 引言
随着光伏发电技术的进步、光伏发电成本的降低、大型光伏电站的发电效益愈加明显。据我国能源局统计[1]：截至 2014 年底，我国光伏发电新增装机容量 1060 万千瓦，约占全球新增装机的四分之一。其中，光伏电站新增装机容量 855 万千瓦，累计装机容量已达 2338 万千瓦。并网容量达到百兆瓦级的大型光伏电站[2]相继在青海、甘肃等地开工建设或并网运行。有文献指出，大型光伏电站将会显著影响传统发电系统[3-5]，日益增大的光伏并网容量以及越来越大的光伏发电比重可能对系统稳定性产生影响[2,6-7]，尤其可能会对电力系统低频振荡特性产生影响[6]。文献[4]及项目课题研究指出，大型光伏电站应该具备参与抑制低频振荡的功能。
大型光伏电站抑制电力系统低频振荡控制策略的研究可分为控制器输入信号、控制器、控制对象三部分研究内容。
在控制器输入信号选择方面，可选择本地信号或广域信号。本地信号取自大型光伏电站内的电气信号，广域信号取自电力系统中光伏电站以外的电气测量信号[8]。现有研究通常采用本地信号作为控制器输入信号[9]，其检测成本低，实时性好，但其对低频振荡现象的观测性上不一定很好。广域信号通常选择同步发电机角频率作为控制器输入信号[8]，但实际工程中角频率并不容易准确测量。
在抑制低频振荡的控制器研究方面，目前应用于增大大型光伏电站阻尼的控制器有比例控制器[8] 和线性二次高斯(minimax linear quadratic Gaussian， LQG)[6]控制器。比例控制器简单、易于实现，但目前研究中未考虑到低频振荡频率不同时控制参数的适应性。LQG 控制器鲁棒性好，控制效果较好[10]，但其数学模型复杂，实现成本较高。
在控制对象选择方面，大型光伏电站抑制电力系统低频振荡的控制对象包含无功出力[4,6]，有功和无功出力[8]，无功出力和附加装置[11]。通过控制无功出力抑制低频振荡可以保证光伏电站最大有功输出[12]，但是光伏并网系统需具备快速无功支撑和调节能力来消除光伏并网系统中存在的瞬态过电压等问题[2]。文献[13]中指出通过控制有功出力来增加系统阻尼比控制无功出力的效果好，如果同时控制光伏电站的有功和无功出力可以使得光伏电站抑制低频振荡效果更好，但将光伏电站有功和无功都用于抑制电力系统低频振荡存在光伏电站并网点电压越限的可能。若附加储能装置抑制低频振荡，系统协调控制较为复杂，且增加了光伏电站的建设和运行成本。
鉴于此，本文提出采用广域输电线路有功微分信号调节大型光伏电站最大有功输出的自适应阻尼控制策略。同时结合现有光伏系统无功调压的控制方法，实现大型光伏电站参与抑制电力系统低频振荡的目标。
1 大型光伏电站抑制低频振荡控制策略
1.1 大型光伏电站有功阻尼控制策略
图 1 为本文参考 PSS 类控制器设计的大型光伏电站抑制电力系统低频振荡的有功控制策略框图。控制器输入信号 vin 经过低通滤波，在自适应比例控制器和限幅环节的作用下产生低频振荡的阻尼功率 Pstab 改变初始功率 P0，进而获得光伏电站输出有功参考值 Psolar_ref，实现抑制低频振荡的目标。值得注意的是，图 1 中 Psolar_refP0Pstab 中的(Pstab)与同步发电机转子运动方程 TJ·(d/dt)PmPeD·(1) 中D·(1)性质相同，均为阻尼项。
1.1.1 控制器输入信号选择
同步发电机在弱阻尼作用下的功角振荡近似如图 2(a)所示[14]，其中 a-b-c-d-a为同步发电机工作运行点的变化轨迹。近似认为同步发电机转子角频率 ω，运行功率(PeD·(1))在平衡点(角频率0，输入功率Pm)附近呈现正弦振荡，变化曲线如图2(b) 所示。值得注意的是图 2(b)中 ta、tb、tc、td、ta'时刻分别和图 2(a)中同步发电机的工作运行点 a、b、c、 d、a对应。
1.1.3 大型光伏电站阻尼功率限幅
在大型光伏电站输出有功阻尼功率参与抑制电力系统低频振荡情况下，光伏系统显然不能工作于最大功率跟踪状态，而应工作在光伏定功率控制模式。文献[15]中光伏系统在抑制低频振荡时首先将有功功率运行点限制为光伏最大功率的一半，以保证光伏系统有足够的有功调节裕量参与抑制电力系统低频振荡。但这种降出力的运行方式在减少光伏输出有功的同时，也改变了系统低频振荡过程中的稳态工作运行点，有可能在光伏电站切换回最大功率跟踪运行模式时引发系统新的振荡。
本文为保证大型光伏电站在正常运行与抑制低频振荡两种工作状态下系统稳态运行点一致，将定功率控制的有功参考初值设定为 PMPPT0，即与光伏电站最大功率输出相同。本文提出的大型光伏电站阻尼功率限幅措施如图 4 所示，Psolar_ref表示大型光伏电站有功输出参考值。其中阻尼功率上限 Pstab_maxPMPPT0，确保光伏系统向外输送能量的特性;阻尼功率下限 Pstab_min0，保证有功输出不超过光伏系统本身的上限 PMPPT0。
通过阻尼功率限幅和有功参考初值设定，使得大型光伏电站只提供正的阻尼功率 Pstab，即近似大型光伏电站只在>1的半个振荡周期内参与抑制系统低频振荡。以牺牲另外半个振荡周期的抑制目标为代价，在大型光伏电站尽可能多的输出有功功率的同时，保证系统在正常运行与抑制低频振荡两种工作状态之间的平滑切换。
总结 1.1.1-1.1.3，可以得到大型光伏电站抑制电力系统低频振荡的有功阻尼控制策略，如图 5 所示。对同步发电机送出线路的有功功率 Pline进行微分，在低通滤波器作用下滤除高频分量，考虑到低频振荡频率范围在 0.2~2.5 Hz[16]，故本文选择截止频率为 2.5Hz 的二阶低通滤波器。滤波后的低频振荡分量经过自适应比例控制和限幅环节产生阻尼功率 Pstab，通过改变大型光伏电站有功输出参考值
1.2 大型光伏电站无功控制策略
在电力系统低频振荡过程中，大型光伏电站并网点电压也存在波动，参考 GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》要求通过 110kV 及以上电压等级接入电网的光伏电站应具备无功功率调节及电压控制的能力。不难得出在低频振荡过程中，大型光伏电站应具备无功调压的能力。故本文仍采用大型光伏电站现有的无功调压控制策略，具体选择基于比例积分控制的无功调压方案。
综上所述，本文提出采用广域输电线路有功微分信号调节大型光伏电站最大有功输出的自适应阻尼控制策略，同时结合现有光伏系统基于比例积分控制的无功调压方案，实现大型光伏电站参与抑制电力系统低频振荡的目标。
2 控制策略理论验证
本文研究课题背景基于青海百兆瓦级大型光伏电站，初期研究中选择大型光伏电站并入不含 PSS 的单机无穷大系统为研究对象，如图 6 所示。 L1、L2、L3 代指输电线路长度。
2.1 大型光伏电站建模
大型光伏电站通常将容量约 500 kW 的光伏阵列汇流后接到 500 kW 光伏逆变器的直流输入侧，两台 500 kW 光伏逆变器经过一台双分裂变压器组成一个容量为 1MVA 光伏发电单元，而后双分裂变压器的高压侧经过汇流、升压接入光伏电站并网点 (point of interconnection，POI)[17-19]。本文在研究中忽略掉大型光伏电站内部变压器及集电线路分布参数的影响，近似认为每台 500 kW 光伏逆变器具有完全相同的电气结构和控制特性[20]，且自成一个光伏发电单元直接经过理想升压并入电网，如图 7 所示。
3 控制策略仿真验证
参照图 6 在 Simulink 中搭建大型光伏并网系统的仿真模型。相关参数设置参见附表。L1L3 100km，L2200km。
系统初始状态工作于稳态平衡点，t1s 时在公共连接点(UpxjUpy)发生三相短路接地故障，三相短路电阻和接地电阻均为 0.001，持续时间 0.02s。加入有功阻尼控制策略的大型光伏并网系统与原系统同步发电机 G 的电磁功率变化曲线对比如图 9 所示。
观察图 9 可以发现：故障结束后，加入有功阻尼控制策略后的大型光伏并网系统(有功阻尼+无功 PI 控制)低频振荡抑制效果明显优于未采用阻尼控制策略的并网系统(PQ 模式，PV 模式)，仿真结果验证前文分析结论。
同时观察图 10 中所示加入有功阻尼控制策略的大型光伏电站在抑制低频振荡过程中有功出力和并网点电压变化特性可以发现：大型光伏电站通过在半个振荡周期降出力运行提供阻尼功率，在参与抑制低频振荡、尽可能多的输出有功的同时确保了振荡结束后大型光伏电站能平滑切换回最大功率跟踪运行状态(抑制低频振荡模式稳态功率和最大功率跟踪模式稳态功率相同)。并且由于采用大型光伏电站现有的基于 PI 控制的无功调压控制策略，保证了大型光伏电站并网点电压的稳定。
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在不同并网工况下，大型光伏电站加入有功阻尼控制策略后系统低频振荡特性与原系统对比如图 11—13 所示。
通过对比图 11—13 中采用有功阻尼控制策略的大型光伏并网系统与原系统的低频振荡特性，可以发现采用有功阻尼控制策略的大型光伏并网系统比原系统具有更为优秀的抑制低频振荡性能，即 使在图 11 光伏电站并网容量达到 125 MW 以及图 13 公共连接点位置在 L150km，L2250km 时，原系统已经不稳定，然而大型光伏电站通过采用有功阻尼控制策略，在保证系统稳定的同时快速的平息了系统低频振荡。
4 结论
本文提出采用广域输电线路有功微分信号调节大型光伏电站最大有功输出的自适应阻尼控制策略。
1)在增大系统阻尼方面，本文提出的控制策略选择输电线路有功功率替代现有方法中将同步发电机角频率作为控制信号，工程实现成本低、实现方便。同时根据系统低频振荡频率自适应调整控制器参数，能够更好满足振荡工况发生变化时系统对阻尼控制器的要求。
2)此外，本文提出的控制策略能够尽可能多的输出有功并且确保光伏电站低频振荡抑制模式与最大功率跟踪模式之间的平滑切换。
理论分析和仿真结果表明，本文提出的广域输电线路有功微分信号调节大型光伏电站最大有功输出的自适应阻尼控制策略能够显著提高系统抑制低频振荡的能力，保证系统安全稳定运行。——论文作者：周林，任伟，余希瑞
参考文献
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