直流逆变型分布式电源动态建模及其小扰动稳定性研究

摘要

逆变型接口分布式发电作为新能源发电的主要形式之一，已在微电网及规模化新能源电站中取得广泛应用。其中，以光伏发电和燃料电池发电为代表的直流逆变型分布式电源(Distributed Generation，DG)是其重要组成部分。逆变器接口虽然使DG运行和控制更加灵活，但直流逆变型分布式电源其电池本身无旋转惯量约束，同时逆变器及其控制系统具有高动态和强非线性，当系统受到扰动时，因系统惯量小而更易引发振荡失稳，因此在含逆变接口微网小信号建模稳定性分析中得到广泛关注。此外，有别于水电、火电、风机等旋转型电源，直流逆变型分布式电源本身不存在电磁量与机械量不平衡的动力学稳定问题，但其规模化接入改变了网络原有的潮流分布、通道传输功率及系统等效惯量，其对系统阻尼特性的影响也不可忽略。
　　本文首先分析了固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作特性、运行机理及并网系统的动态特性，建立了充分考虑各模块特性的发电系统全阶状态空间模型，并在其特征分析和电池动特性时间尺度分析的基础上，忽略了逆变控制系统高动态和SOFC电池的慢动态，指出SOFC在小扰动过程中可用等效的电压源描述，实现了模型降阶，提出了适应于微网小信号建模分析的，用一阶动态环节描述的燃料电池发电系统降阶模型，最后通过Matlab/simulink仿真验证了理论分析的有效性和正确性。
　　建立了充分考虑电池U-I外特性、直流侧电容动特性和逆变器及控制系统动特性等重要环节的光伏发电系统小信号模型，然后在其特征分析的基础上，基于阻尼转矩分析(Damping Torque Analysis，DTA)的方法分析了光伏发电系统阻尼成因，推导了无功电流内环模式的性质判定条件，结合特征值轨迹分析了系统特征模式随参数变化的规律，并基于此提出了系统控制参数的优化方法;最后依此优化设计了系统控制参数，并通过非线性时域仿真对比验证了上述分析的正确性。研究表明:光伏发电系统的阻尼由其与同步机动力学阻尼类似的电气阻尼现象决定，系统等效阻尼系数与等效同步系数及各状态变量间的耦合关系共同决定了特征模式的性质。光伏发电系统工作于单位功率因数时，无功电流内环模式与其他模式解耦，其阻尼由无功电流内环比例系数和逆变出口侧等值电阻提供，其性质可直接由判定条件确定。根据DTA分析结果，合理选择控制参数，可提升系统阻尼，改善系统受扰暂态特性。
　　在电力系统综合仿真程序(PSASP)中建立了规模化光伏发电系统的机电暂态模型，然后利用EPRI-36节点系统测试了不同工况下，光伏发电接入不同位置及不同渗透率对互联系统阻尼特性和特征模态的影响。研究表明:光伏发电系统本身不参与系统的机电振荡，其按不同渗透率和不同位置接入时，均是通过改变系统平衡点，从而影响系统阻尼特性;光伏发电系统接入对系统的影响因其运行方式不同而显示出差异化的特征，同步机组采用停机维持负荷平衡的运行方式时，与停机机组强相关的局部模式会消失;当光伏发电渗透率增加，所在母线机组采用降低出力维持负荷平衡的运行方式时，由于系统旋转备用增加，与降出力机组强相关的局部模式阻尼特性呈现增大的趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 含分布式新能源发电的系统稳定性概述

1．2．1 电力系统稳定性的定义及分类

1．2．2 含分布式新能源发电的系统稳定性

1．3 含分布式新能源发电系统小扰动稳定性研究基本方法及现状

1．3．1 小扰动稳定分析的基本方法

1．3．2 规模化并网对系统阻尼特性的影响

1．3．3 含多微源的逆变微网小信号动态特性分析

1．4 本文主要工作内容及各章节安排

第2章 燃料电池发电系统状态空间降阶模型

2．1 燃料电池发电系统数字仿真模型

2．1．1 燃料电池发电系统拓扑

2．1．2 固体燃料电池工作原理及建模

2．1．3 发电系统并网逆变器数学建模

2．1．4 逆变并网系统控制策略

2．2 燃料电池发电系统状态空间模型

2．2．1 电池堆状态空间模型

2．2．2 逆变并网系统状态空间模型

2．3 燃料电池发电系统状态空间模型降阶

2．3．1 发电系统特征分析

2．3．2 发电系统时间尺度分析

2．3．3 小扰动仿真验证

2．3．4 燃料电池发电系统降阶模型

2．4 本章小结

第3章 基于阻尼转矩分析方法的光伏发电系统小信号建模分析

3．1 光伏发电系统小信号建模

3．1．1 光伏阵列建模

3．1．2 直流侧电容动特性

3．1．3 逆变器及控制系统模型

3．1．4 光伏发电系统与电网接口模型

3．2 光伏发电系统特征模式分析

3．2．1 光伏发电系统全阶模型

3．2．2 特征模式与参与因子

3．3 光伏发电系统阻尼特性分析

3．3．1 光伏发电系统的阻尼成因

3．3．2 光伏发电系统DTA

3．3．3 特征值轨迹分析

3．4 系统控制参数优化选择

3．5 仿真验证

3．5．1 光照阶跃扰动系统受扰响应

3．5．2 并网母线电压跌落时系统受扰暂态响应

3．6 本章小结

第4章 规模化光伏发电并网对系统阻尼特性影响研究

4．1 光伏发电单元机电暂态UD建模

4．1．1 光伏阵列UD建模

4．1．2 直流侧电容动特性模型

4．1．2 VSC及其控制系统模型

4．1．3 规模化光伏发电系统动态等值和机网转换接口

4．2 含光伏发电单元的小扰动稳定性计算方法

4．2．1 光伏发电单元潮流及机电暂态仿真算法

4．2．2 PSASP小扰动稳定性计算方法

4．3 规模化光伏并网对系统阻尼的影响

4．3．1 测试系统

4．3．2 小扰动计算和特征模态分析

4．3．3 结果分析与讨论

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术成果目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目