新型分布式并网发电仿真平台.pdf

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第40卷第20期2012年10月l6日电力系统保护与控制PowerSvstemProtectionandControlV_01.40NO.20Oct.16.2012新型分布式并网发电仿真平台白建成,荆龙,童亦斌(北京交通大学新能源研究所,北京100044)摘要:介绍了一种数字仿真与实物变流器相结合的分布式并网发电研究平台。利用实时数字仿真系统(RTDS)搭建的电力系统模型,通过功率放大装置,模拟电网的接入点,并连接小功率并网变流器。该平台用于研究变流器与电网问的相互作用及相互影响,具有能模拟电网故障及变流器不同工况的功能,解决了实际电网实验困难,成本高等问题,具备非常高的灵活性和安全性。使用该平台,模拟了向电网注入有功,并通过变流器控制手段稳定并网点电压的测试,取得了与理论分析相同的结果,证明了该平台的可操作性。关键字:分布式发电;RTDS;数字功率放大器;变流器;PQ控制Novelsimulatingplatformfordistributedgrid・・connectedgeneration—BAIJian-cheng,JINGLong,TONGYibin(NewEnergyResearchInstitute,BeijingJiaotongUniversity,Bering100044,China)Abstract:Thispaperintroducesthedistributedgrid-connectedgenerationresearchingplatform,whichconnectsdigitalsimulmionwithconvenem.Thereal-timedigitalsystem(RTDS)isusedtobuildthepowersystemmode1.ThesignalfromRTDSisamplifiedbythepoweramplifier,andtheamplifierregardedastheaccesspointofsimulatinggridcallconnectwithsmallpowerconvene ̄WecanusetheplatformtoresearchtheinteractionandinterplaybetweenthegridandcOnverter.Theplatformcansimulategridfaultanddifferentoperationconditionsoftheconvene ̄andsolvetheproblemofdifficultexperimentandhighcostoftherealgrid.Itisflexibleandsafe.WeusetheplatformtosimulatethetestthattheDSPcontrolstheconvenertoputactivepowerintothesimulatinggrid,andstabilizethevoltageintheconnectingpoint.Theresultofthetestagreeswiththatoftheoreticalanalysis,whichprovesthattheoperationoftheplatformisreliable.Keywords:distributedgeneration;RTDS;digitalpoweramplifier;convener;PQcontrol中图分类号:TM619文献标识码:A——文章编号:16743415(2012)20-0130050引言随着能源和环境问题的日益突出,新能源发电成为现今研究的热门问题。新能源的大量接入改变传统电力系统的拓扑,从而影响电网的潮流分布及电网的稳定性[1-2]。此外由于能量需经过电力电子设备变换才能并入电网,也带来了电网与电力电子设备间相互影响的问题。以往,研究对象包含电力系统时,我们习惯选用电力系统仿真软件,如PSCAD、RTDS、PSASP等。并且共同仿真电力电子与电力系统更无合适的工具。软件仿真获取的结果,不能够准确反应实际情况。假如用实物做实验耗资太高。尤其涉及到庞大的电力系统,对电力系统做实验往往不现实。面对这种情况,我们选择折中考虑。采用RTDS搭建模拟电网装置,并将它与实际负载或者变流器相连接。研究新能源并网后,与电网的相互影响。1平台构成平台简介:利用实时数字仿真系统(RTDs)搭建电网的模型,并实时地输出任意节点电压信号。然后利用数字功率放大器不失真地放大输出该信号。由RTDS和数字功放构成模拟电网装置。DSP控制变流器接到模拟电网,同时RTDS采集并网电流。在RTDS内部,以电流源形式注入到模拟电网中,来实现发电装置的输出功率并入电网。平台整体结构如图1。常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。对于这些运行在数字计算机上的仿真程序来说,其限制在于为计算被仿真系统1S的响应大多要花费数白建成,等新型分布式并网发电仿真平台.131-分钟乃至几小时的时间。这种非实时的仿真速度不能满足与外部物理控制设备和保护装置进行实时交互试验的需要。实时数字仿真器(RTDS)的出现是计算机技术、并行处理技术和数字仿真技术发展的产物。首先,并行处理技术的采用和专门设计的硬件保证了RTDS运行的实时性,RTDS可以运行在5O级的步长上实时仿真较大规模的电力系统;其次,RTDS用来仿真电力系统各元件的模型和仿真算法是建立在已获得公认的当代使用面较广的电磁暂态分析软件包(EMTP,EMTDC等)的标准技术的基础上。图1平台整体结构图Fig.1TheoverallstructureoftheplatformRTDS能实现与外界实物连接。但实际实验证实,RTDS的功率输出能力很低,仅能输出 ̄10V以内的信号,不能与外部变流器连接,无法满足分布式并网发电模拟装置的要求J。功率放大器选用自主设计的数字功放。该类功放常用在音响设备中,输入的音频信号经过PWM调制变为相关的调制波。通过低通滤波器,滤除高次谐波,从而恢复输入的音频信号。数字功放相比其他类功放有着效率高,谐波含量少的优点。开关频率可达到300kHz。并且我们考虑电网的谐波范围大概在5kHz以内,前者是后者的6O倍。因此,该功放对模拟电网引入的谐波可以忽略。实验中变流器的主电路拓扑选为DC/AC,如图2。主电路参数:DC电源电压为70V;变流器功率为420W;最大输出电流6A;开关频率5kHz。图2DC/AC变流器拓扑Fig.2DC/ACconvertertopology2RTDS搭建配电网模型RTDS对于电力系统的仿真研究可以包含几乎所有的网络结构。从非常小的单电源的负载研究直到能代表一个完整的电力公司网络的基本动态特性的研究。因为RTDS仿真系统代表的系统特性包含了一个很大的频率范围(直流到4l(Hz),因此RTDS仿真系统提供的结果比传统的稳定和精确。同时,RTDS的插孔可直接对外输出网络节点的电压电流模拟量,范围分别是+10V和士5mA,需要外部功放放大后与设备连接【4-。依据RTDS以上的特点,在RTDS的图形用户界面PSCAD中,搭建配电网模型如图3。配电网模型特点:配电网电压等级为380V,配电网线路都简化为RL模型。选用放射状的配电网,并在配电线路中引入两条负载线路。线路末节点选作变流器并网节点。选用三相可控电流源代替变流..TheMo锶iAd_ve..unuhe2Line3LIn04Une5Un0BLIn图3RTDS配电网模型Fig.3DistributionnetworkmodelinRTDS一132一电力系统保护与控捌器,受控源控制信号来自外部真实变流器的并网电流,电流参考方向以流入该节点为正。3数字功放原理数字功放放大的是经脉宽调制(PWM)的数字信号,模拟信号的信息埋藏在脉冲的占空比中。单相信号的PWM调制方式最为直观。信号幅值越高,脉冲的宽度越宽。对于双向信号也可用PwM调制,占空比为50%时,脉冲宽度与间隔宽度1:1,表示信号幅值为0,占空比大于50%,幅值为正,幅值越高,占空比越接近1;占空LLd,于50%,幅值为负,幅值越高,占空比越接近0。工作原理如图4。图4数字功放工作原理图Fig.4Theworkingprincipleofdigitalpoweramplifier数字功放的开关频率采用300kHz,谐波的主要含量在开关频率倍数次以上。因此,低通滤波器的设计就很简单,并且对LC参数的要求很低,滤波器的体积也会较小。隔离变压器主要有两个作用,一是输入信号与输出信号隔离,防止负载或者变流器引入干扰,影响数字功放工作;二是针对外界负载电压的要求,可以改变输出电压。数字功放参数:单电源为50V;单相输出功率300W;电压0~50V(峰值)信号输入士1v内;随着输出电压的升高,最大输出电流变小。4并网变流器的控制策略本实验变流器的控制目标是:通过调节注入到电网的有功功率,使并网点线电压稳定在380V。为实现该目标,在此采用电压环为外环,电流环为内环的双环控制。从RTDS的DA输出端采集电网电压信号,经过调理电路后,送入DSP中处理。为实现变流器有功P和无功Q的解耦,通常需将电网侧获取的电压、电流进行坐标变换,已达到解耦的目的。选择d轴与三相电网合成电压矢量重合,此时q轴分量为0。则电流d轴分量为有功分量,q轴分量为无功分量。可以方便地实现网侧有功功率和无功功率的解耦控制L6堪j。三相静止坐’标系到两相垂直旋转坐标系的正交变换矩阵为r2、∞。if一]3。。+三]3.r一2、一sinl0+71;Ij/利用坐标变换公式,根据基尔霍夫定律,同时选定变流器流向电网为正方向。通过复杂的推导和相应的三角函数运算,可得——d『id]一∞——上01U一—e]l“一Pj式中:L,R为交流侧电感和等效电阻;fd,为电网电流d,q轴分量;ed,为电网电压d,q轴分量;CO为电网基波电压旋转角频率。由式(2)可看出,在旋转坐标系中,经电感作用会使d、q轴问产生耦合,控制系统只有通过解耦才能单独控制、fa,式中d-q轴电流受到交叉耦合电压coLid、coLi。扰动和电网电压的扰动。因此引入电流前馈补偿以及电网电压前馈补偿,即可实现分别独立控 ̄U19]。为此可采用前馈解耦控制策略(图5)。当电流调节器采用PI调节器时,则有式(3。图5电流环的前馈解耦控制器Fig.5Feedforwarddecouplingcontrol|erofcurremloop结合式(2)、式(3),消除、得解耦后的d、q轴电流是解耦的,该方法展现了同步旋转坐标系的优点,有功电流和无功电流实现解耦和独立控制。PI调节器能实现无差调节,动态和静态响应令人满意和频率保持稳定。5数字功放测试结果测试方法:运行RTDS建立的电力系统模型,通过DA输出A相波形,经过数字功放放大A相信号,对比输入波形与输出波形。变流器的控制结构e++..£一+..一一●●、、_、、\、一、——++K●●●/,,//,,,一/一一==“白建成,等新型分布式并网发电仿真平台.133.如图6。图6变流器的控制结构图Fig.6Theconve ̄ercontrollingblock图7为A相信号经过数字功放后的波形。波形特点:功放放大后的波形与输入信号形状完全一样,保证了同频同相,且输出波形的频率和幅值能快速的跟随输入信号变化。因此,数字功放很好地实现了弱信号到高压高功率波形的转换。(a)5次谐波波形(b)7次谐波波形图9数字功放输出波形Fig.9Thewaveformfromdigitalpoweramplifier出的波形,其波形和RTDS输出波形相对应。可发现RTDS和示波器测得波形一样。因此,数字功放能很好地放大含有5次、7次乃至更高次谐波的电网。.图放大前后的波形7变流器并网测试结果Fig.7Thewaveformbeforeandafterbeingamplified’………n’’…’‘。。6谐波注入测试结果为了测试数字功放的频带特性,使RTDS的输出波形含有5次和7次谐波。实现方法:通过向RTDS建立的电网模型注入一定量的5次和7次谐波电流,实现RTDS输出三相畸变的波形。图8为RTDS的输出波形。图9为数字功放输8s一(a)5次谐波s1)N37s1)N38s1)N39(b)7次谐波图8RTDS输出波形Fig.8ThewaveformfromRTDS分布式并网发电平台联合调试,RTDS建立电网等级为380V,通过DA输出信号为士1V,经过数字功放放大为3OV。变流器接到RTDS与数字功放组成的模拟电网上。通过低电压低功率的模拟平台,研究变流器与电网的相互影响。变流器输出有功、无功的波形如图10、图11。图10变流器输出有功的波形Fig.10Theconverteroutputsactivepower通过DSP完成变流器并网的控制策略,程序中给定id=5A、iq=0;实际观测电网的A相电压㈤.134.电力系统保护与控制和并网电流厶。此时电压与电流反向,电网向变流器注入有功功率。图11变流器输出无功的波形Fig.11Theconve ̄eroutputsreactivepower程序中给定id=0、iq=5A:此时,电压超前电流9O。。变流器向电网吸收感性无功和输出容性无功。本实验目的是通过调节注入到电网的有功功率,使并网点线电压稳定在380V。利用RTDS的AD模块采集变流器并网电流,经受控电流源注入到电网模型中。图l2为向RTDS内部注入功率的仿真结果。图示注入到电网的三相电流波形质量较好,且三相平衡,并网点的谐波含量少。0,40.2立0.0-02—040.30.2010.0一O1—0.2-038结论0oo0010.o20030040050O6(a)并网点电压波形8一VV菸、V0oo0.010o20O30O40.050O6(b)并网电流波形图12RTDS注入功率波形Fig.12InputactivepowerintoRTDS利用分布式并网发电模拟平台,成功模拟了变流器稳定并网点电压的测试。说明该平台能够模拟变流器与电网之间的相互影响,因而对研究变流器与电网都具有重要意义。由RTDS和数字功放组成的模拟电网,充分利用了RTDS的实时性,且可以与实际变流器相连接。它的突出优点是模拟多种形态的电网,可研究针对不同情况的电网条件下,变流器所需的控制策略,这是实际试验无法进行的。实验中,采用小功率变流器,其结果可以为大功率变流器并网提供很好的参考。利用分布式并网发电模拟平台,可以减少大功率变流器并网研究的时间和投入成本。参考文献[1]朱守真,张昊,郑竟宏,等.分布式电源与配电网系统并网运行的探讨【J].沈阳工程学院学报,2005,1(4):1.4.—ZHUShou-zhen,ZHANGHao,ZHENGJinghong,eta1.Discussiononparalleloperationbetweendistributedgeneratoranddistributionsystem[J].JournalofShenyangInstituteofEngineering:NaturalScience,2005,l(4):1-4.[2]李冬辉,王鹤雄,朱晓丹,等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护与控制,2010,—38(21):208214.LIDong-hui,WANGHe-xiong,ZHUXiao-dan,eta1.Researchonseveralcriticalproblemsofphotovoltaicgrid-connectedgenerationsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(21):208-214.[3]梁志成,马献东,王力科.实时数字仿真器RTDS及其—应用【J】.电力系统自动化,1997,21(10):6164.—LIANGZhicheng,MAXian-dong,WANGLi-ke.Real-timedigitalsimulator(RTDS)anditsapplications[J].AutomationofElectricPowerSystems,—1997,21(10):6164.[4]周巍,张沛超,杨星星.基于RTDS的微机保护实时闭环数字仿真系统【J】.电力系统保护与控制,2010,38(16):127-131.ZHOUWei,ZHANGPei-ehao,YANGXing-xing.Areal・-timeclosed--loopdigitalsimulationsystemforcomputerprotectionsbasedonRTDS[J].Relay,20lO.—38(16):127131.[5]袁超,吴刚,曾祥君,等.分布式发电系统继电保护技术[J】.电力系统保护与控制,2009,37(2):99.105.YUANChao,wUGang,ZENGXiang 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̄IJPQDIF文件格式逻辑层上。通过对装置软硬件进行讨论,解决了利用IEC61850数据及数据集服务实现实时数据通信,同时通过IEC61850文件服务和PQDIF数据格式实现了统计数据的上传。最后通过专业机构和专业软件测试验证了该装置设计的正确性和实用性。参考文献[1]韩法玲,黄润长,张华,等.基于IEC61850标准的IED建模分析[JJ.电力系统保护与控制,2010,38(19):219.222.—HANFa-ling,HUANGRunchang,ZHANGHua,eta1.IEDmodelinganalysisbasedonIEC61850standard[J[.PowerSystemProtectionandControl,2010,38(19):2l9.222.[2]李友军,徐广辉,王文龙,等.WebService和MMS技术在IEC61850标准体系中的应用分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(14):101104.——LIYou 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̄erScontrolstrategyindistributedpowersystem[D[.HangzhouZh ̄iangUniversity,2006.收稿日期:201卜11-21:作者简介:白建成(1988-),男,能源方向的研究;E.mail:荆龙(1977-),男,能源方向的研究;修回日期:2012-05-12硕士研究生,从事电力电子与新ieekoor@126.eom博士,讲师,从事电力电子与新童亦斌(1969一),男,副教授,从事电力电子与新能源方向的研究。
大叔大爷
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