级联型SVG序阻抗建模与电网适应性研究.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.35 No.6Jun.2023级联型 SVG 序阻抗建模与电网适应性研究朱明星1，2，王柘1，2，张华赢3（1.安徽大学电气工程与自动化学院，合肥 230601；2.安徽大学电能质量教育部工程中心，合肥230601；3.南方电网公司新型智慧城市高品质供电联合实验室（深圳供电局有限公司），深圳 518020）摘要：针对级联静止无功发生装置并网运行时与电网及电缆线路的谐振问题，基于阻抗分析法对级联静止无功发生装置的序阻抗特性进行分析，并研究了级联静止无功发生装置与电网谐振的机理和抑制策略。首先，阐述了级联静止无功发生装置的主电路结构及基本控制，建立了级联静止无功发生装置的频域模型；其次，基于阻抗分析法建立了考虑控制环节在内的级联静止无功发生装置序阻抗模型，基于序阻抗模型研究了级联静止无功发生装置与电网交互谐振的机理；然后，通过仿真软件和实际案例分析分别验证了所推导级联静止无功发生装置序阻抗模型的正确性和级联静止无功发生装置与电网交互谐振的机理；最后，从网侧和静止无功发生装置设备侧分别提出了级联静止无功发生装置并网谐振的抑制策略，结合实际案例分析验证了抑制策略的有效性。关键词：级联静止无功发生装置；谐振；序阻抗模型；抑制策略中图分类号：TM711文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）06-0090-09DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001093Research on Cascaded SVG Sequence Impedance Modeling and Grid AdaptabilityZHU Mingxing1，2，WANG Zhe1，2，ZHANG Huaying3（1.College of Electrical Engineering and Automation，Anhui University，Hefei 230601，China；2.PowerQuality Engineering Research Center of Ministry of Education，Anhui University，Hefei 230601，China；3.New Smart City High-quality Power Supply Joint Laboratory of China Southern Power Grid（Shenzhen PowerSupply Bureau Co.，Ltd），Shenzhen 518020，China）Abstract:Aimed at the problem that a cascaded static var generator（SVG）will resonate with power grid and cablelines when it is connected to the grid，its impedance characteristics are analyzed using the impedance analysis method，and the mechanism of resonance between the cascaded SVG and grid and the corresponding suppression strategy arestudied.First，the main circuit structure and basic control of the cascaded SVG are elaborated upon，and its frequency-domain model is established.Second，based on the impedance analysis method，a sequence impedance model of thecascaded SVG considering the control link is built，and the mechanism of interactive resonance between the cascadedSVG and grid is studied based on the sequence impedance model.Third，the derived cascaded SVG sequence impedance model and the mechanism of interactive resonance between the cascaded SVG and grid are verified by a simulationsoftware and the analysis of a real example.Finally，the suppression strategies for the cascaded SVG grid-connected resonance are proposed from the grid and SVG device sides，respectively，and the effectiveness of the suppression strategyis verified by combining the analysis of the real example.Keywords:cascaded static var generator（SVG）；resonance；sequence impedance model；suppression strategy为了实现碳达峰、碳中和“3060”目标，大力发展以新能源为主体的新型电力系统，风电、光伏等新能源发电技术发展迅速，装机容量占比日益增高。截至2022年2月，全国总装机容量共23.9108kW，其中核电、风电和太阳能发电等清洁能源占比约25%，我国已经建成世界上并网新能源装机规模最大的电网1。随着新能源占比逐渐增加，相关电力电子变换装置不断接入电网，含大规模电力电子装置的发电集群给系统安全稳定运行带来了新的挑战，使电网结构发生了较为明显的变化。国内外发生了一些电力电子装置和电网交互谐振的故障，例如河北沽源2、新疆哈密3-4等多个大型风电场发生过次同步振荡，造成大量风机脱网；德国北海的海上风电场收稿日期：2022-04-14；修回日期：2022-08-31网络出版时间：2022-09-14 12：53：59基金项目：南方电网公司科技项目（090000KK52190169/SZKJXM2019669）朱明星等：级联型 SVG 序阻抗建模与电网适应性研究朱明星等：级联型SVG序阻抗建模与电网适应性研究91第 35 卷发生250 Hz的谐振事故，造成直流换流站滤波电容爆炸；西班牙光伏电厂发生25 Hz的谐振事故，造成设备损坏5。静止无功发生装置SVG（static var generator）在应对低电压穿越和抑制次同步振荡等问题方面具有突出作用6-8，广泛应用于新能源场站中。阻抗分析法是分析电力电子设备与电网交互作用的重要工具，广泛应用于电压源换流器VSC（voltage source converter）、SVG、模块化多电平变换器 MMC（modular multilevel converter）等电力电子设备的分析9-11。该方法通过对设备进行线性化处理，能够有效地揭示考虑内部控制环节的阻抗特性，并准确分析设备与电网交互谐振的机理。文献12建立了考虑锁相环的VSC在dq坐标系下的阻抗模型。文献13以文献12所提模型为基础，对VSC并网稳定性进行了研究。文献14建立了蓄电池逆变器和SVG在dq坐标系下的阻抗模型，分析了电流环和锁相环等控制参数对微网稳定性的影响。文献15建立了并网逆变器的dq轴阻抗模型，通过理论推导和实验分析了锁相环等控制参数对光伏并网逆变器并网稳定性影响。Sun16提出了谐波线性化的方法，并分别建立了风力发电机和高压直流HVDC（high voltage direct current）输电系统等的正、负序阻抗模型，分析了二者与电网的动态相互作用17-18。文献19-20基于谐波线性化理论建立了SVG恒电压和恒无功两种工作方式下的阻抗模型，分析了两种工作状态对风电场并网稳定性的影响。文献21采用主动控制策略对SVG的输出阻抗进行重塑，通过增大SVG的阻尼来抑制系统谐振。文献22对谐波线性化方法进行了推广，充分考虑了其他频次谐波分量对小信号建模的影响，提出了多谐波线性化方法，并建立了MMC装置详细的阻抗模型，但建模过程中考虑的谐波因素较多，使得模型较为复杂。现有研究中涉及级联SVG阻抗特性的内容较少，且大多将外部的逆变器作为谐波源，仅研究了SVG的阻抗-频率特性对新能源场站并网稳定性的影响。上述研究中尚未涉及SVG作为谐波源引起或参与电网谐振的问题，然而近期在国内外的新能源场站中出现了SVG装置所引发的超高次谐波谐振问题。为此，本文以星型级联SVG为研究对象，首先，介绍了星型级联SVG的控制结构；其次，通过阻抗分析法建立了包含SVG锁相环、电压控制外环、电流控制内环及主电路的序阻抗模型，并通过仿真软件对序阻抗模型进行了验证；然后，建立了包含级联SVG阻抗在内的配电网阻抗模型，基于实际故障案例研究了星型级联SVG与电网交互谐振的机理；最后，给出了星型级联SVG与电网交互谐振的抑制策略，并结合实际案例验证了所提抑制策略的有效性。1级联 SVG 控制结构级联SVG每相由多个H桥模块串联构成，星型级联SVG的电路结构如图1所示，每个H桥模块的直流侧电容均为Cm，经过桥臂滤波电感L与电网相连。其中，vn为星型连结的中性点电压，vsa、vsb和vsc为公共连接点的三相电压，ia、ib和ic分别为三相桥臂电流。星型级联SVG的基本控制和运行方式如图2所示。首先由全局均压环节调节得到d轴电流参考值id_ref，然后将id_ref和q轴电流参考值iq_ref输入至电流内环控制环节中，对d、q轴电流id和iq进行调节得到d、q轴调制信号md和mq，然后再通过相间均压和相内均压控制对调制信号md和mq进行修正，得到最终控制信号ma、mb和mc。图2中，v i_avg和Vi_ref分别为全部子模块直流侧电容电压平均值和直流侧电压参考值；via、vib和vic分别为各相子模块电压之和；v ia、v ib和v ic分别为三相子模块电压平均值；vdcxj为各相各子模块的电容电压，x=a,b,c，j=1，2，N；Vd和Vq分别为公共连接点的d轴和q轴电压幅值；PLL为锁相环输出相角；HPLL(s)、Hv(s)和Hi(s)分别为锁相环、全局电压控制和内环电流PI控制器的传递函数；Hbv(s)和Kb分别为相间电压控制的PI控制器传递函数和比例系数；Kc为相内电压控制的比例系数；Kdq为交叉解耦系数。图 1星型级联 SVG 主电路拓扑Fig.1Main circuit topology of star-cascaded SVGHBa2HBb2HBc2HBaNHBbNHBcNvnCmHBa1HBb1HBc1iaibicvsavsbvscLLLCmCm电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报92第 6 期2级联 SVG 的序阻抗建模将各相内的H桥子模块等效为1个H桥模块，忽略开关动作带来的影响23，得到如图3所示的星型级联SVG等效主电路模型。图3中，直流侧电容等效电容可以视为N个H桥模块电容的串联，即C=Cm/N。此时，星型级联SVG的时域方程可以表示为Lddtiaibic=vsavsbvsc-maviambvibmcvic-vn（1）Cddtviavibvic=maiambibmcic（2）在系统三相平衡的情况下，在公共连接点中注入频率为fp、幅值为Vp的正序扰动电压，此时在相电流中会产生1个