大规模光伏并网对低频振荡的影响及控制方法研究

摘要

随着能源、环境问题的日益严峻，大力发展清洁、可再生的新能源已成为世界各国的共识。然而，以风电、光伏为代表的新能源发电具有间歇性、随机性，其在电网中渗透率的逐步升高将会对系统的安全、稳定运行带来深远影响。尤其是，零惯量的光伏发电并网会对系统的低频振荡稳定性造成影响。本文以大规模光伏发电接入多机电力系统为对象，较为全面地研究了大规模光伏并网对系统低频振荡稳定性的影响。在此基础上，提出了光伏发电参与抑制系统低频振荡的广域阻尼控制方案。主要研究内容如下:
　　1)建立了光伏接入多机电力系统的线性化分析模型。综合考虑包括光伏阵列、逆变器及其控制模块在内的并网光伏电站动态模型，结合同步发电机、电力网络的数学模型，经过详细坐标变换、线性化变换过程，推导并建立了含光伏电站的多机电力系统状态方程及其线性化模型。
　　2)考虑系统转动惯量改变和转动惯量保持不变两种典型光伏并网场景，研究不同并网点及不同渗透率光伏并网对于系统振荡模式的影响。以四机两区域系统为分析算例，对其线性化模型进行模式分析，并结合Prony分析法验证结果的正确性。通过多场景的分析，得到结论:光伏并网不会产生新的低频振荡模式;在上述两种场景下，光伏并网对系统振荡模式存在不同程度的影响，与并网点位置、并网容量有关;此外，采用灵敏度分析法验证了旋转惯量不变情况下光伏并网对于区间低频振荡模式的影响。最后，通过仿真计算分析了电力系统稳定器(Power system stabilizer，PSS)对于系统振荡的阻尼作用以及光伏入网输送距离对系统阻尼特性的影响。
　　3)提出了基于无功调制的光伏广域阻尼控制器(Wide-area damping controller,WADC)设计方案。与目前的有功调制方案不同，无功调制不需要光伏电站降出力运行。在WADC反馈信号的选择方面，综合考虑反馈信号的可控/可观性、控制代价，提出利用两步法选择总体性能最优者作为控制器输入信号。在系统建模方面，利用基于伪随机信号的相关辨识法得到系统的开环传递函数，避免了复杂电网中精确线性化建模的困难。在控制器设计方面，分别提出了基于极点配置和多目标鲁棒控制的控制器设计方法。最后，在DIgSILENT/PowerFactory软件平台中搭建含大型光伏电站的四机两区域系统，仿真结果表明:所设计的附加控制器能够显著改善系统区间模式的阻尼特性。与极点配置法相比，所设计的多目标控制器鲁棒性能更好，在不同扰动形式下均具有较好的阻尼效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 低频振荡概述

1．2．1 低频振荡机理

1．2．2 低频振荡分析及抑制方法

1．3 国内外研究现状

1．3．1 光伏电站建模

1．3．2 光伏并网对低频振荡的影响

1．3．3 光伏并网系统的阻尼控制方法

1．4 本文的主要工作

2 大规模光伏并网系统的线性化建模

2．1 大型光伏电站建模

2．1．1 光伏阵列数学模型

2．1．2 逆变器及其控制模型

2．1．3 直流电容方程

2．2 同步发电机建模

2．2．1 同步发电机数学模型

2．2．2 自动电压调节器(AVR)模型

2．2．3 电力系统稳定器(PSS)模型

2．3 大规模光伏并网系统的线性化建模

2．4 本章小结

3 大规模光伏并网对低频振荡的影响

3．1 特征值分析法

3．2 时域信号扩展Prony分析法

3．3 大规模光伏并网对系统低频振荡的影响

3．3．1 仿真算例

3．3．2 系统旋转惯量改变

3．3．3 系统旋转惯量不变

3．3．4 阻尼比对光伏出力的灵敏度计算

3．3．5 电力系统稳定器(PSS)对振荡模式的影响

3．3．6 光伏电站入网输送距离对振荡模式的影响

3．4 本章小结

4 大型光伏电站广域阻尼控制策略

4．1 光伏电站无功阻尼控制策略

4．2 光伏电站广域反馈信号选择方法

4．2．1 相关辨识法

4．2．2 广域反馈信号选择方法

4．2．3 时滞对于阻尼控制的影响

4．3 基于极点配置的广域阻尼控制器设计方法

4．3．1 控制器结构

4．3．2 控制器设计

4．4 基于LMI的多目标鲁棒控制器设计方法

4．5 仿真验证

4．5．1 仿真算例

4．5．2 控制器设计

4．5．3 结果分析

4．6 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参与的科研项目