基于PSASP的新能源恒频控制策略建模与仿真分析_徐东.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第6期No.62023年3月Mar.2023收稿日期：2021-12-22稿件编号：202112149基金项目：国家重点研发计划（2018YFB0904004）作者简介：徐 东（1996），男，江苏连云港人，硕士研究生。研究方向：电力系统频率稳定分析与控制等。近年来，我国新能源的装机容量已居于世界首位。预计至 2035年，我国新能源装机容量将超过传统发电的装机容量1。新能源发电占比快速增加，使得电力系统的整体惯量水平和调节能力大幅下降，系统发生较小故障也会引发频率产生较大的偏差2-5。基于PSASP的新能源恒频控制策略建模与仿真分析徐 东1，李兆伟2，3，4，朱 玲2，3，吴雪莲2，3，林文莉3，李天然1（1.南京师范大学 南瑞电气与自动化学院，江苏 南京 210042；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏 南京 211106；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；4.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）摘要：该文针对新能源参与电网频率主动支撑的实现方式介绍了一种基于虚拟功角下垂控制原理的恒频控制策略，推导了恒频控制中有功控制模块、无功控制模块、频率采集模块的数学模型。基于电力系统分析综合程序（PSASP）的自定义功能搭建了新能源恒频控制模型，在典型系统中仿真分析了其响应特性，并与下垂控制、惯量控制以及下垂+惯量控制三种新能源频率主动支撑控制方式进行比较。仿真表明，交直流故障下新能源恒频控制可以有效支撑电网频率，提高系统的稳定水平。关键词：恒频控制方式；自定义模型；频率偏差；新能源控制中图分类号：TN70文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）06-0064-06DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.06.014Modeling and simulation analysis of new energy constant frequency control strategybased on PSASPXU Dong1，LI Zhaowei2，3，4，ZHU Ling2，3，WU Xuelian2，3，LIN Wenli3，LI Tianran1（1.Nanrui School of Electricity and Automation，Nanjing Normal University，Nanjing 210042，China；2.NARI Group Co.，Ltd.，(State Grid Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，)，Nanjing 211106，China；3.Guodian NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China；4.School of Electrical and ElectronicEngineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）Abstract:This paper aims at the realization method of new energy participating in the active support ofgrid frequency.A constant frequency control strategy based on the virtual power angle droop controlprinciple is introduced.Deduced the mathematical model of active power control module，reactivepower control module and frequency acquisition module in constant frequency control.A new energyconstant frequency control model is built based on the custom function of the Power System AnalysisSoftware Program(PSASP).In a typical system，the response characteristics are simulated and analyzed，and compared with the droop control and inertia control and droop+inertia control three new energyfrequency active support control methods.Simulation shows that constant frequency control of new energysourcesunder AC/DC faults can effectively support the grid frequency and improve the stability of thesystem.Keywords:constant frequency control mode；custom model；frequency deviation；new energy control-64基于电力电子技术的新能源发电具备良好的频率调节潜力。有学者甚至认为电力系统可以实现100%的电力电子化新能源发电6-7。根据响应电网频率变化的方式不同，可以通过下垂控制、虚拟惯量控制或恒定功率控制等调整新能源发电功率8-12。我国于2019年发布的 电力系统安全稳定导则13明确规定包括新能源在内的所有电源均应具备一次调频能力，2021年发布的 风电场接入电力系统技术规定14对陆上风电的一次调频和惯量响应提出了量化要求，其中一次调频采用下垂控制，惯量响应则根据电网频率变化率调节新能源发电输出功率。此外，基于电网构造型（GFM）变流器的频率控制方法近年来也被相继提出15-18，但其对大电网稳定特性的影响还缺少系统研究。该文针对新能源恒频控制（Constant FrequencyControlled New Energy，CFCNE）这一频率主动支撑方式，建立其数学模型，基于 PSASP 用户自定义（UD）环境搭建了完整的恒频控制仿真模型，并通过典型IEEE 系统仿真验证了交直流故障下恒频控制的响应特性。1新能源恒频控制简介CFCNE 是一种基于 GMF 变流器实现的频率主动支撑策略，和虚拟同步机控制类似，适用于无传统同步发电机的电网，这一点与采用下垂控制、虚拟惯量控制的新能源发电不同。因此，理论上恒频控制面向于高比例新能源接入的电力系统，甚至全新能源接入的电力系统，从而使变流器可以充分发挥其电力电子器件具有的快速控制能力，维持系统频率保持恒定。恒频控制总体控制框图如图1所示19，包含有功控制、无功控制、频率采集三个部分。恒频控制输出的电压幅值Vt参与无功功率。频率采集模块提供恒频控制输出的频率给有功控制环，有功控制环计算出与机端电压相角等效的虚拟相角，该相角与系统设定的参考相角0进行比较，附加一定的增益后输出参考的有功功率Pcmd，该有功控制方式避免了对频率的直接控制，进一步对相角进行控制，可以实现系统发生功率扰动后无差频率调节，故称为恒频控制。图中Vtd、Vtq为机端输出的 d 轴电压和 q轴电压，为发电机机端相角，Pref和Qref分别为输入有功功率和无功功率参考值。图1恒频控制总体控制框图该 文 不 考 虑 CFCNE 的 能 量 来 源 问 题，假 设CFCNE的能量来源无穷；忽略交直流故障扰动后新能源控制策略切换过程，即假设电力电子器件的容量大到足够承受电网各种短路故障，该文主要针对恒频控制策略在PSASP用户自定义模型中搭建模型原理和恒频控制本身所呈现的特征进行研究。2基于PSASP平台的恒频控制建模PSASP是目前应用较为广泛的电力系统机电暂态仿真工具，主要用于对大电网的机电暂态特性进行仿真，其内置的用户自定义暂态模型建模可以帮助使用者在不了解平台内部软件设计结构和仿真运行程序编程的前提下，按照自己所需的控制逻辑，运用 基 本 的 函 数 逻 辑 和 控 制 逻 辑 框，搭 建 可 以 与PSASP 内固有的系统元件进行交互仿真的控制模型。基于 PSASP平台开展 CFCNE建模，便于开展大量采用恒频控制的新能源接入大电网的安全稳定特性分析，基于 PSASP平台的恒频控制模型的总体结构图如图2所示。图2恒频控制结构图恒频控制暂态稳定自定义模型主要由恒频有功徐 东，等基于PSASP的新能源恒频控制策略建模与仿真分析-65电子设计工程 2023年第6期控制模块、恒频无功控制模块、频率采集模块、自定义输出电流接口模块共四个模块组成，频率采集模块负责为有功控制环节和无功控制环节提供频率和电压，有功无功控制模块输出参考的有功功率和无功功率，自定义输出电流接口负责完成 dq轴电流的计算和与PSASP的交互。2.1恒频控制有功控制模块CFCNE接入电网示意图如图3所示。图3CFCNE与电网连接示意图不同于微网，大电网环境下逆变器输出阻抗一般是呈现感性的，故忽略电阻，仅用jLi表示电感。设第 i个逆变器向电力系统输入的复功率功率为Si，则有：Si=Pi+jQi=UI*i（1）式中，i=1,2,I*i为第 i个 CFCNE输出共轭电流的复数形式。则有：I*i=|Uicosi+jUisini-UjLi*（2）S*i=U|Uicosi+jUisini-UjLi*（3）i为 CFCNE 输出端与并网点的功角差，第 i 个恒频控制的有功功率和无功功率为：Pi=UUiLisini（4）Qi=UUicosi-U2Li（5）考虑到感性电路中i很小，所以有sinii，cosi1。则恒频控制输出的有功功率P的大小可以通过其相角差i来调节，而无功功率 Q的大小可由电压幅值 U 来调节。从而可以得到恒频有功控制公式：=0-Kreff(Pcmd-Pref)（6）恒频有功控制基于对频率偏差积分出的相角偏差进行控制，相当于在有功控制环内增加了积分控制环节，避免了传统频率下垂控制所产生的频率偏差，可以实现系统频率无差调节。Kreff为恒频控制有功控制环节的增益，其控制原理框图如图 4 所示。图4恒频控制有功原理框图2.2恒频控制无功控制模块无功控制环表示式如下：Q=|Kp+Kis(U-U0)+Q0（7）由式（7）可得：U=U0-Q-Q0Kp+Kis（8）恒频控制电压-无功控制环节加入了 PI 控制，提升了无功控制环的响应速度，消除了静差。2.3频率采集模块基于同步坐标系锁相环（Synchronous RotatingFrame Phase-Locked Loop，SRF-PLL）是最典型和常用的锁相环，根据典型锁相环控制原理建立机电暂态模型。设恒频控制输出端电压瞬时值可表示为:|utautbutc=Ut|coscos-23cos+23（9）进行 CLARK 变换有：|utut=23|1-12-1203232|utautbutc=|UtcosUtsin（10）对CLARK 变换后的值PARK 变换可得:|utdutq=|cos sin-sin cos|utut（11）将式（11）代入式（12）可得:|utdutq=Ut|cos(-)sin(-)（12）由于，有:utq=Utsin(-)Ut(-)（13）上式为SF-PLL的机电仿真下的数学模型，通过该式即可将锁相环由三相瞬时值表达转化为基于机电暂态的等效表达。2.4自定义电流接口模块PSASP用户自定义平台提供了固定的电流接口用于用户编写的模型接入仿真平台，故在控制后需-66要将控制所产生的电流量与平台所提供的电流接口量