通過(guò)VSC互連的光伏電站控制，以改善電力系統(tǒng)中的功率振

蕩

抽象

本文提出了一種應(yīng)用于光伏（PV）電站的用于提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的綜合方法。所提出的方法基于初級(jí)頻率控制，該控制將

輔助信號(hào)添加到電年源轉(zhuǎn)換器（VSC＞的直流母線的電壓基準(zhǔn)中，以戰(zhàn)少功率振蕩。該輔助信號(hào)通過(guò)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)在直流母線VSC

中的能址和存:儲(chǔ)在同步電機(jī)軸中的能量來(lái)計(jì)嵬.此外，該方法還考慮了VSC的工作限制，VSC優(yōu)先考慮有功功率而不是無(wú)功功

率。此外,VSC控制通過(guò)互連和阻記分配無(wú)源性控制（IDA-PBO以及與傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行比校來(lái)評(píng)估。IDA-PBC用于設(shè)計(jì)一

個(gè)Lyapunov漸近穩(wěn)定控制器，該把制器使用VSC開環(huán)模型的哈密頓結(jié)構(gòu)性質(zhì)。采用考慮光伏電站的12路測(cè)試系統(tǒng)，將所提

出的IDAFBC控制與經(jīng)典的比例機(jī)分控制方法進(jìn)行比較。在捌試電力系統(tǒng)中牝伏滲透率分別為10%、30%、50%和80%的4

種場(chǎng)景和4種大擾動(dòng)，分析了所提方法的影響。此外,還分析了同步電機(jī)的慣性從100%降低到25%的情況.時(shí)域仿真結(jié)果表

明，與未實(shí)施的方法相比，頻率振蕩分別降低了16.8%、38.43%、37.53%和76.94%。仿真是使用MATLAB/Simulink軟件的

SimPowerSystems工具箱進(jìn)行的，

關(guān)鍵在:功率振蕩;初級(jí)頻率控制;光伏電站;減少慣性

1.引言

電力系統(tǒng)已經(jīng)從基于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的傳統(tǒng)電網(wǎng)（包括水力和熱力（燃煤和天然氣發(fā)電廠等）發(fā)電）發(fā)展到分布式能源:DER）

高度滲透的系統(tǒng)［1］,DER的主要類里是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)的光伏（PV）發(fā)電,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的這種轉(zhuǎn)變主要是由于全球?qū)θ蜃儠嵛?/p>

險(xiǎn)影響的日益關(guān)注，2015年在巴黎簽界的氣候變化協(xié)議證明了這?點(diǎn)［2］.該協(xié)議的目的是減少主要由電氣和運(yùn)輸系統(tǒng)排放到大

氣中的數(shù)仃萬(wàn)噸污染物氣體引起的溫室效應(yīng)［3］,將DER集成到電氣系統(tǒng)中可以幫助減少溫室氣體搭放，因?yàn)榛剂峡梢员豢?/p>

再生能源發(fā)電取代［4卜

DER系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是一次能源（太陽(yáng)輻射或風(fēng)速）的高可變性，此外還從其功率流模式及其穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)狀態(tài)網(wǎng)中修改

了電力系統(tǒng)的分析。

光伏電站本質(zhì)上是無(wú)慣性的，可以在大干擾期間產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的功率振蕩，這些振蕩具有低頻率，是互連電力系統(tǒng)的特征。

當(dāng)電力系統(tǒng)的慣性減小時(shí)，振蕩增加，就像可再生能源資源高滲透率的能源系統(tǒng)一樣［5］。此外，這些振蕩會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)完全

停電.這是非常不可取的［6］,?些研究還表明,當(dāng)PV穿透率高于20%時(shí)，較大的擾動(dòng)會(huì)在負(fù)我角中產(chǎn)生振蕩［6卜在其他情況

下，已經(jīng)確定PV穿透會(huì)引起負(fù)明尼［7〉

目前的文獻(xiàn)中很少有研究側(cè)里于研究光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)稔定性的影響，本研究探討了電力系統(tǒng)中功率振蕩阻尼（POD）

的增強(qiáng)問(wèn)題，同時(shí)不限制電壓源轉(zhuǎn)換器（VSC）的動(dòng)力學(xué)以充當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī).這是基于一次頻率和電壓控制，因此，它涉

及在故障事件卜使用光伏電站作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償湍。此外，本研究還試圖利用VSC的哈密頓開環(huán)結(jié)構(gòu)及其自然能量模里。因此，它

旨在設(shè)計(jì)一個(gè)基丁Lyapunov理論的漸近穩(wěn)定控制器網(wǎng)“最能利用VSC動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因素之一是基于無(wú)源性控制（PBC）的

方法。

一些研究調(diào)查了可再生資源高滲透率的電力系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)定性.在［9肝,作者研究了風(fēng)力發(fā)電的高灣透性對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)

力學(xué)的影響及其對(duì)頻率調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)110］研究了在基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的隔離電力系統(tǒng)中補(bǔ)償DER低慣性的方法。在［11］中，

作者分析了加拿大電力系統(tǒng)在不同DER滲透水平下的穩(wěn)定性。參芍文獻(xiàn)［12］研究了歐洲的頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，［13］將風(fēng)力發(fā)電建

模為STATCOM.在電網(wǎng)故障期間先供無(wú)功功率而不影響穩(wěn)定性“雖然這些方法符合電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，但它們并不專注于實(shí)現(xiàn)

與網(wǎng)絡(luò)的和諧交互。

同時(shí)，其他作者專注于DER控制器，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在［14］中，作者專注于由風(fēng)力跳閘引起的欠領(lǐng)事

件。他們確定核率偏移深度受在線生成的慣性響應(yīng)的影響。在［15］中,分析了?種提高具有高DER穿透率的電力系統(tǒng)短率穩(wěn)定

性的方法.在［16］中，作者提出了一種降壓調(diào)制控制方法，以使大型太陽(yáng)能光伏電站能夠抑制機(jī)電振蕩。該方法基于有功功率調(diào)

制，不像其他方法那樣需要限流。在［17］中，線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于提出自適應(yīng)控刎，以減少風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率振蕩。該控制在

基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中注入補(bǔ)充控制信號(hào).在［18］中，使用相信測(cè)量單元（PMU）數(shù)據(jù)執(zhí)行廣域阻

尼控制以穩(wěn)定區(qū)域間振蕩。參考文獻(xiàn)［19］采用粒子群優(yōu)化（PSO）來(lái)調(diào)整電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）參數(shù)，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的瞬態(tài)

穩(wěn)定性。然而，［18.19］沒(méi)仃考慮可再生資源在電力系統(tǒng)中的滲透。因此,在幺種情況下，無(wú)法分析其提案的效果。

一些研究已經(jīng)使用不同類型的設(shè)備來(lái)改善電力系統(tǒng)中的功率振蕩。最格.見的器件包括FACTS［20,21］、岸態(tài)VAR補(bǔ)償

泌（SVC）［22］和STATCCM［2司、［20］中提出了種結(jié)仆巨定理論和名目標(biāo)粒廣群優(yōu)化的密類技術(shù).巨的是優(yōu)化放置受控

串聯(lián)電容器（TCSC）,此分配目標(biāo)是增強(qiáng)電力系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)定性.為了提右哲態(tài)穩(wěn)定性，［21］分析了統(tǒng)一潮流控制器、靜態(tài)同

步申聯(lián)補(bǔ)償器和SVC的實(shí)現(xiàn)。在［22］中，SVC被用于在瞬態(tài)穩(wěn)定事件下穩(wěn)定電力系統(tǒng)，并且［23］描述了結(jié)合遺傳和PSO算法來(lái)

優(yōu)化風(fēng)?光伏?熱捆綁電力系統(tǒng)中的STATCOMFOD.

其他研究在將VSC建模為虛以同步發(fā)電機(jī)的同時(shí)，分析了具有高水平DER滲透率的配電系統(tǒng)，例如微電網(wǎng)或智能電網(wǎng)［24,

25,26］,在［27,28］中分析了DER對(duì)輸電電力系統(tǒng)的影響和影響.在這些研浣中，光伏系統(tǒng)被建模為虛擬同步發(fā)電機(jī)。［29］

提出了一種基于LQR的電力系統(tǒng)自適應(yīng)虛擬同步電機(jī)。在［30）中，作者確定了電力系統(tǒng)中最脆弱的部分，同時(shí)考慮了轉(zhuǎn)換器的

高滲透率。在這些研究中，DER系班被建模為虛擬同步發(fā)電機(jī)。然而,這?概念沒(méi)1考慮這些設(shè)備固仃的低慣性，并11不太可

能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生預(yù)期的效果。

重耍的是要理峋，以前的許多研究都沒(méi)有考慮光伏能源的法透率，而那些包含光伏能源的胡泥在光伏法透率低于50%的

情況下工作.此外，這些研究沒(méi)有分析同步電機(jī)慣性的降低及其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.

本研究提出了一種在光伏普及率較高的電力系統(tǒng)中改進(jìn)POD的方法。這種方法包括通過(guò)光伏電站向電力系統(tǒng)注入慣性，

這就是實(shí)現(xiàn)?次頻率和電壓控制概念的原因。這些控制不會(huì)強(qiáng)制光伏電站中的VSC充當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)。所提出的方法與初級(jí)

頻率控制一起工作，其中輔助信號(hào)被添加到VSC的直流鏈路的參考電壓中以抑制功率振蕩。這種方法是通過(guò)將存儲(chǔ)在電容器中

的能用與存儲(chǔ)在同步電機(jī)軸中的能殳相等而開發(fā)的。此外，該方法考慮了VSC的工作極限，因此在考慮無(wú)功功率之前考慮有功

功率”它還在初級(jí)頻率控制中包括一個(gè)死區(qū)，以泄除頻率信號(hào)中的噪聲，以減少VSC的操作次數(shù)［31］.

對(duì)所提出的方法進(jìn)行了評(píng)估，并與兩個(gè)控制㈱進(jìn)行了比較。第一種是常規(guī)的PI控制涔，它是VSC中最常用的控制器。第

二種是基「互連和阻尼分配無(wú)源性的控制（IDA-PBC）,IDA-PBC適用丁?管理光伏電站，因?yàn)閂SC在開環(huán)中保持被動(dòng)，并呈

現(xiàn)出端U-哈密頓結(jié)構(gòu)，IDA-PBC利用這些特性米設(shè)計(jì)閉環(huán)控制篇，從而保留了無(wú)源特性，并保證了Lyapunov愈又上的穩(wěn)定

運(yùn)行?？刂破髟鲆媸褂靡环N稱為交互式教學(xué)-學(xué)習(xí)優(yōu)化器的元啟發(fā)式技術(shù)進(jìn)行調(diào)諧，如［32］所示。在滲透率分別為10%,30%、

50%和80%的4種情景中分析了所提方法的影響。此外，還分析了同步電機(jī)的慣性從100%降低到25%的情況。

本文件組織如下:第2節(jié)解釋擬議的方法;第3部分介紹了光伏電站的動(dòng)力學(xué)模型;第4節(jié)介紹了控制器的擬議控制和設(shè)計(jì);

第5節(jié)描述了測(cè)試系統(tǒng)和隹議的場(chǎng)景;以下第6節(jié)分析了主要結(jié)果;第7節(jié)介紹了該研究的結(jié)論，概述了未來(lái)的研究，并提供了參

考清單。

第2章建議的方法

所提出的在具有高PV穿透率的電力系統(tǒng)中改進(jìn)POD的方法法于一次頻率和電壓控制。該方法解決了光伏電站的VSC問(wèn)

題。在這里，參考值是使用上述概念確定的.因此,VSC不被限制為虛擬同步發(fā)電機(jī)。初級(jí)頊率控制用于補(bǔ)償POD.從而將

反餓信號(hào)添加到Vtrdc（注意.★表示所需的參考值）的直流母線，以增強(qiáng)系統(tǒng)陽(yáng)尼。此外,所提出的方法通過(guò)利用直流電壓

和角頻率之間的關(guān)系為交流系統(tǒng)提供頻率支持.為了提供振蕩阻尼和頻率支持，光伏系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流參考電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸

出功率。擺動(dòng)方程將交流電網(wǎng)的不平衡功率（導(dǎo)致頻率偏差）關(guān)聯(lián)如下［33卜

2.MAu）dt=P^-Pe-Dp（cu-cJ*）,

⑴

哪里CO是用速度轉(zhuǎn)子，并且CO”是它的設(shè)定值，而Ato是角速度轉(zhuǎn)子的偏差。M是慣性矩，PM是機(jī)械動(dòng)力，Pe是電力,

以及Dp是一個(gè)阻尼因素。

之間的不匹配PM和Pe由上電機(jī)中變化的負(fù)載需求或卜擾引起的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可轉(zhuǎn)會(huì)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能

可以部分抵消不平衡功率。

同樣，VSC直流母線中存儲(chǔ)的能設(shè)速率部分補(bǔ)償了不平衡功率，這可以通過(guò)以下等式［34］來(lái)解釋：

Cvdcdvdcdt-Pdc-PVSC,

(2)

哪里是直流母線電壓，Pdc是光伏電池產(chǎn)生的功率，PVSC是VSC輸送到電力系統(tǒng)的功率，C是直流母線電容.，

從圖1可以看出，通過(guò)將同步電機(jī)的軸能與電容器能量等同起來(lái)，可以獲得角頻率和直流電壓之間的關(guān)系，如卜.所示：

ZbAdujdt-Cvdcdvdcdt.

⑶

SynchronousgeneratorDC-linkcapacitor

EnergyE=；Miv2Energy￡=第喙

圖1.同步發(fā)電機(jī)和直流母戰(zhàn)電容踹的能國(guó)之向的類比。

通過(guò)對(duì)等式(3)的兩邊進(jìn)行積分并對(duì)其進(jìn)行線性化，可以獲得以下結(jié)果:

△vdc=2MCv*dcAco=KwZko,

哪里K”是初級(jí)頻率增益。

與初級(jí)頻率增益相對(duì)應(yīng)的所捱方法的局限性Keo,這是因?yàn)槠渲抵苯尤Q于所需的虛擬慣性和直流埴路的電容器尺寸。0

此，不可能在不影響直流母線電容素尺寸的情況下分配任意初級(jí)增益.

值得一提的是定義為五流母線的標(biāo)稱電壓與頻率信號(hào)之間的誤差之和CU和參考值（CO*）乘以正增益（KUJ）.

此外，考慮使用死區(qū)來(lái)謔除頻率信號(hào)中的噪聲，從而減少VSC操作的次數(shù).這增加了設(shè)備的使用壽命［31］。所提出的方法如圖

2所示。

PrimaryfrequencycontrolPrimaryvoltagecontrol

圖2.VSC的參考值。

初級(jí)電壓控制有助于調(diào)節(jié)所連接光伏系統(tǒng)的電壓。這包括控制VSC的消耗/輸送的無(wú)功功率q這里q*定義為所需的無(wú)

功功率加上光伏電站連接點(diǎn)處的電壓信號(hào)v與其參考值（）q*）乘以正增益（Kv）（請(qǐng)參閱圖2）。

同時(shí),所提出的方法還考慮了VSC仃功和無(wú)功功率傳輸?shù)木窒扌浴４讼拗仆ǔＳ蛇^(guò)流限制器限制。圖3描述了仃功功率

優(yōu)先于無(wú)功功率的情況.之所以選擇此優(yōu)先緞.是因?yàn)楸狙芯康哪繕?biāo)是減少POD此策略限制到最大電流容吊:士而5歐，

并且它限制了使其不超過(guò)最大額定電流，其表示如下［31］：

-------------------乂,《：2亨八。乂一

⑸

哪里idq流向VSC的電流，以及i…x是VSC可以支持的最大電流。

圖3.優(yōu)先考慮以。3根據(jù)當(dāng)前限制％略.

應(yīng)當(dāng)指出，擬議的方法是地方性的，不需要在系統(tǒng)的其他部分采取任何行動(dòng)。此外，無(wú)需將其操作與其他甚高分頻器或現(xiàn)

有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的操作這行協(xié)調(diào).這種I準(zhǔn)模式是永久性的，取決于所選的死區(qū)。假設(shè)死區(qū)為09005pu,哥倫比亞

電力系統(tǒng)為30mHz.

3.光伏電站

大型光伏電站由數(shù)百個(gè)光伏陣列組成，通過(guò)電源逆變器和開壓變壓器連裝到電力系統(tǒng)。PV陣列通過(guò)使用PV效應(yīng)將太陽(yáng)

能轉(zhuǎn)換為電子流。然后，該直流電通過(guò)電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能.VSC采用隹換向開關(guān)，可以是柵極關(guān)斷晶色管（GTO）或絕

綠柵雙極晶體管（IGBT）（35］,這些開關(guān)可以以受控方式打開或關(guān)閉。此外，'/SC通過(guò)利用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)在高開關(guān)頻

率下工作。

圖4顯示了本研究中使用的光伏系統(tǒng)。它僅顯示VSC的典型配田.，因?yàn)樗僭O(shè)直流母線電流恒定.這一暇設(shè)是有效的,

因?yàn)閷?duì)于瞬態(tài)穩(wěn)定性研究，太陽(yáng)福見被認(rèn)為是恒定的［27］。因此，不考慮直流母線之前存在的動(dòng)態(tài)。

圖4.光伏電站通過(guò)VSC的典型互連。

平均值模型已用于瞬態(tài)穩(wěn)定性研究中的VSC動(dòng)力學(xué),因?yàn)樗÷粤宿D(zhuǎn)換器的快速切換口6）.本研究采用了該模型.

VSC的動(dòng)態(tài)模型

VSC的動(dòng)態(tài)模型在dq參考系由［37］給出:

Li'dli'(]Cvdf--RTid-coliq4-\/dr.inAd-vd,=-RTtq4-cuLid^vdr.vv\q-vq,-i<.-id\nAd-iqtnAq,

(6)

就里idq是流向變壓器的電流,L和RT分別是它們的電感和電阻效應(yīng)。這是VSC的調(diào)制指數(shù)，口q是主電

網(wǎng)中的交流電壓，以及3c是直流燈線的電壓。C是VSC的宜流母線電容，并且&表示輸送到光伏系統(tǒng)的電流，該電流始終

為正血〉。適用于所有光伏電站）。CU表示電網(wǎng)的角頻率，該頻率與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)相同。

4.IDA-PBC方法

基于互連和阻尼無(wú)源性的控制（IDA-PBC）理論是一種魯棒且在數(shù)學(xué)上得到充分支持的控制理論，適用于具有哈密頓結(jié)構(gòu)

的非線性系統(tǒng)［38］。通常，IDA-PBC使用系統(tǒng)的開環(huán)哈密頓結(jié)構(gòu)來(lái)提出一種保密無(wú)源特性的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以便設(shè)計(jì)出保證Lyapunov

意義上的操作穩(wěn)定性的控制器［1卜

4.1.開環(huán)結(jié)構(gòu)

用于電力電子轉(zhuǎn)換器的端口?哈密頓(pH)系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以定義如F：

定義1.

平均模型下任何電力電子轉(zhuǎn)換器的端口?哈密頓系統(tǒng)可以表示為［37］：

Dx，=［J(u)-R］x+4>,

(7)

騰里。WRnxn被稱為慣性矩性,這是由于它與機(jī)械系統(tǒng)模型的相似性。它是肯定的,應(yīng)以D=DT.J(U)WR八,八對(duì)位于

偏斜對(duì)稱控制矩陣,這意味著』"｝二-JK^ReRcxn是一個(gè)正半定矩陣,包含系統(tǒng)的所有耗散效應(yīng)。?ERc時(shí)應(yīng)于

包含所有外部^入的向量，XRRn表示所有狀態(tài)變最,以及認(rèn)RRm是系統(tǒng)的控制輸入。請(qǐng)注意,對(duì)于欠援動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng),

m<F\,

需饕強(qiáng)謖的是.pH系統(tǒng)具有以下特性［39］：

■

它們由兩個(gè)矩陣組成,其中包含有關(guān)狀態(tài)變心之間互連和系統(tǒng)耗脫尿性的信息。

它們具有開環(huán)無(wú)流結(jié)的,可通過(guò)基于無(wú)源性的控制理論在閉環(huán)設(shè)評(píng)中使用,

它們通常是非線性數(shù)學(xué)公式,表示可以從歐拉-拉格朗日方程推導(dǎo)出來(lái)的動(dòng)力系統(tǒng).

通過(guò)將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)<7)與VSC的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行比較，可以建立以卜數(shù)學(xué)關(guān)系［40)：

D=\\\LOOOLOOOC]II〃(u)」lIO(jJL-^dH(jjU>^v\qi^d^o\\\,R=flIRTOOORTOOOC>\JIAlidiqvdc

/l,0=/M-vd-vqisVI

⑻

4.2.所需的閉環(huán)結(jié)構(gòu)

將等式<7)中給出的開環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與公式(8)中給出的參數(shù)進(jìn)行比較,以便使用鈍化理論設(shè)計(jì)控制器［41］,所需的閉環(huán)

動(dòng)力學(xué)對(duì)應(yīng)于具有改進(jìn)的互連和阻尼矩陣的穩(wěn)定雙線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng).電力電子轉(zhuǎn)換器所需動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一般定義可以表示加下［41)：

定義2.

VSC所需的閉環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公式為

PX-=［J*(M)-R*K，

(9)

哪里和R*表示所需的互連矩陣和阻尼矩陣,這跳矩陣顯示與開環(huán)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)相同的特性,四｝它們分別是斜對(duì)稱和正

華定。另外XT=K-X*哪里X+表示所露的工作點(diǎn)［41］.

在Park參考系下對(duì)VSC進(jìn)行建模的一個(gè)重要方面是：X★不依賴r時(shí)間.這意味若*

43控制器設(shè)計(jì)

請(qǐng)注惹，現(xiàn)在可以將開壞動(dòng)態(tài)條統(tǒng)(7)與公式(9)給出的所而即環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行比較。這會(huì)產(chǎn)生［41］

J*(u)x*=Rx-R*)C-(p.

(10)

視察以下選擇作為所需的互連和阻尼矩陣，以獲得公式(10)［1］：

J*(u)=J(u),R*=［llR1000R2000R.5］iI.

(11)

求解(10)的前兩個(gè)方程，得到控制定律和Mq.這樣可以產(chǎn)生

kv\d=(v*dc)-l(RL我d+u>L我*勺+尺1(我*〃一我d)+vd),kv\q=(v*dc)-l(RL我q-cuL我*H+D(我★q-我q)+vq).

(12)

從等式(12)中可以觀察到控制輸入可用于控制電流況它與從光伏電站傳輸?shù)诫娏ο到y(tǒng)的有功功率相關(guān)聯(lián).同時(shí)

可用于控制VSC和電力系統(tǒng)之間的無(wú)功功率交換［37］。此外，有功功率與直流電容器的充電狀態(tài)直接相關(guān).這意味著只有

來(lái)自光伏組件的電力才能傳輸?shù)诫娏ο到y(tǒng)，即通過(guò)使用電流&.因此，通過(guò)求價(jià)最后一個(gè)方程(12),所需的參考以電流是作

為直流電容器兩端所需電壓的函數(shù)獲得的［37］。

/★q-R3(Hdc-vdcy),

(13)

i^q=qirvd.

(14)

4.4.控制器的穩(wěn)定性測(cè)試

在電力電子轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)控制策略中加入IDA-PBC的主要優(yōu)點(diǎn)是確保Lyapunov意義上的穩(wěn)定性的可行性。因此，候選

李雅普諾夫函數(shù)v(y)可以定義如下：

V(x~)=12x-TPx~.

(15)

請(qǐng)注意，M（X~）＞O欣HX★和M（O）=O.這顯然滿足了李雅普諾夫穩(wěn)定性定理的前兩個(gè)條件［42］

以下是通過(guò)取等式（15）的時(shí)間導(dǎo)數(shù).替換等式（9）并重新排列幾個(gè)項(xiàng)來(lái)獲得的：

v（>r）==x-TPx~=x-T[j*（u）-R*]x~x~u*（u）x~-x~TR*X~="X~TR*）C<O.

（16）

需要強(qiáng)闞的是,等式（16）允許保證應(yīng)用于VSC的任何IDA-PBC控制器的全局漸近收斂。這方面的詳細(xì)證據(jù)見［37「最

后，圖5描述J'所提出的控制方案和所提方法的應(yīng)用.

圖5.提出的控制者和方法方案,

5.測(cè)試系統(tǒng)和模擬案例

5.1.測(cè)試系統(tǒng)

圖6描述了具有不同光伏電站穿透水平的12總線測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系院是在［27］中提出的，它用「證明所提出方法的有

效性。測(cè)試系統(tǒng)有四臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，六臺(tái)雙繞組變壓罌，六個(gè)負(fù)載和八條輸電線路。同步發(fā)電機(jī)配有AVR、PSS和渦輪調(diào)速

器。測(cè)試系統(tǒng)的所有參數(shù)都在［43］中提供.每個(gè)光伏電站都采用表1中列出的參數(shù).此外，對(duì)所提出的方法進(jìn)行了評(píng)估,并與兩

個(gè)控制器（例如傳統(tǒng)的PI控制器和IDAFBC方法）進(jìn)行了比較。所有參數(shù)均如表1所示。

R36

1360

MVA

Bui

PVII4U7

aIxwl4。Ti

3X?MV/Kr

I

22

WMVAr

Uxd2<GDI?G40MVAg

7?MVA

PV3廠布PV5WXIPV6

PV24>

1MlI。

HwA-

+W

Hz

1to%PV

IPVilM>MVAr

]WtPVEO

1??%PV

圖6.具有不同穿透力水平的光伏電咕12路測(cè)試系統(tǒng)。

表1.數(shù)據(jù)和參數(shù)值.

他得一提的是，控制器增益是使用一種稱為交互式教學(xué)優(yōu)化器的元啟發(fā)式技術(shù)進(jìn)行調(diào)整的，如［32］所示。

模擬案例

為了證明所提出方法的有效性，考慮了以下仿真案例:

第一種情況:假設(shè)發(fā)電機(jī)4突然斷開。

第二種情況:考慮總線8上的短路140ms

第三種情況:考慮在線路L-2中間的三相接地的永久短路.還假設(shè)煤護(hù)系統(tǒng)以140ms的速度運(yùn)行.

第四種情況：（相當(dāng)于負(fù)載5）被認(rèn)為在總畿5處突然連接。

為了分析光伏電站對(duì)電力系統(tǒng)的影響，還考慮了四種不同灌透水平的場(chǎng)找“在考慮的場(chǎng)景中，光伏電站港透水平逐漸提高.

以說(shuō)明電力系統(tǒng)的演變。滲透水平利光伏電站的數(shù)量及其位置如圖6所示。

情景1：考慮三個(gè)滲透率為10%的光伏電站。這些代表了當(dāng)前采用可再生能源的電力系統(tǒng)。

*

*

場(chǎng)兔2：在此場(chǎng)屏中假設(shè)有五個(gè)濠透率為30%的光伏電站。這些代友了短期內(nèi)包含可再生能源的最終電力系統(tǒng)。

*

情景3：考慮9個(gè)滲透率為50%的光伏電站.這表示滲透率超過(guò)目前可再生能源納入限制的可行情況.

*

方案4：考慮12個(gè)滲透率為80%的光伏電站。

請(qǐng)注意，假設(shè)所有場(chǎng)景中光伏電站產(chǎn)生的有功功率相等。這四種場(chǎng)景的同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況如表2所示。

表2.同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件.

對(duì)于所有情況.假設(shè)擾動(dòng)發(fā)生在1.0秒處.此外，據(jù)認(rèn)為.所提議的方法與第4節(jié)中介紹的IDA-PBC一起實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)

的轉(zhuǎn)換器控制器（PD不包括所建議的方法。

6.結(jié)果

這四個(gè)案例和具有不同光伏電站滲透水平的12總線測(cè)試系統(tǒng)（見圖6）在MATLAB/Simulink?：MATLAB2019b）口實(shí)現(xiàn)，

并在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行（具有INTEL（R）Core（TM"7-7700CPU@3.60GHz.8GBRAM和64位Windows10Professional）a

第一種情況

該案例顯示了所提出的方法在發(fā)生器4斷開連接時(shí)補(bǔ)償POD的能力.對(duì)f?場(chǎng)景1、2、3和4,該發(fā)生器分別產(chǎn)生測(cè)武

系統(tǒng)中總有功功率的22.75、17.75、12.75和4.48%。在每種情況H，在發(fā)電機(jī)4斷開連接后，產(chǎn)生的有功功率在其他三臺(tái)

發(fā)電機(jī)之間平均分配.

同步發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差、發(fā)電機(jī)1的端電壓和光伏電站1的有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示。

——10%1DA-PBC——10%PI——30°?IDA-PBC——30%H

50%IDA-PBC50%P1——80°.?IDA-PBC--------80%P1

□

d

7

s

v

⑥

=

￡

§

(

)q

12

n一*

d

-

￡JJ

/

◎1

123456

Time[s]

圖7.測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)4突然斷開的響應(yīng)：（a）發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子?傳速偏差，（b）發(fā)電機(jī)1的端電用，（c）光伏電站1的有

功功率。

請(qǐng)注意,Acos幫助確定測(cè)式系統(tǒng)頻率受到影晌的程度（參見圖7a）.方案1顯示的△33.發(fā)生這種情況是因?yàn)楫?dāng)

PV穿透率為10%時(shí)，發(fā)電機(jī)4的斷開會(huì)產(chǎn)生更大的功率不平衡。這是因?yàn)榭偘l(fā)電量的22.75%突然消失了，而其他三種情況則

不同,其中發(fā)電機(jī)4的貢獻(xiàn)較低。

圖7a還表明，所提出的方法能夠減輕POD的效果，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不公限制VSC以模擬同步發(fā)電機(jī)的

動(dòng)力學(xué)。

圖7b顯示，當(dāng)采用初級(jí)電壓控制時(shí)，電壓曲線穩(wěn)定得更快.這證實(shí)J'光伏電站的VSC可用丁?在大干擾下改善其電壓曲

線。這發(fā)生在發(fā)電機(jī)1總線和電力系統(tǒng)中的所有其他總線上。

當(dāng)實(shí)施初級(jí)頻率控制時(shí),PVPlant1產(chǎn)生的有功功率顯示出更大的變化（見圖7c）。這些移位對(duì)丁一補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的POD

是必要的，因此頻率振蕩減少所需的時(shí)間更少（圖7a）.在情景1中，與情戰(zhàn)2、3和4相比，產(chǎn)生的有功功率顯示出更大

的變化。這是因?yàn)閳?chǎng)景1的光伏電站較少，可能會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生電力不平衡。在光伏電站的設(shè)計(jì)中，有必要檢查VSC是否

能夠安全地支持這些過(guò)載，從而確定光伏電站是否能夠產(chǎn)生所需的有功功率。

第二種情況

該案例涉及分析電力系統(tǒng)中大規(guī)模干擾的影響，總線8上的短路事件證明/這一點(diǎn)。圖8顯示J'發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏

差、發(fā)電機(jī)1端子處的電壓曲線、光伏電站1提供的有功功率以及發(fā)電機(jī)2的有功功率。圖8a顯示了PV穿透水平與須率偏差

之間的直接關(guān)系：當(dāng)仃源發(fā)電量最小時(shí)，會(huì)顯示出更高的頻率振蕩。當(dāng)光伏系統(tǒng)的仃功功率最大時(shí),頻率偏差最小。這種行為

是可以預(yù)料的，因?yàn)闇p少頻率偏差的能力與光伏系統(tǒng)的電流施力以及圖2中描述的主控制有關(guān)。

-10°?IPA-PBC-10%PI——IDAPBC---3(F.PI

50%IDA-rue50%PI------NYIDATIK-7，n

Time|s]

圖8.測(cè)試系統(tǒng)對(duì)總線8短路140ms的響應(yīng)：（a）發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子速度偏差，（b）發(fā)電機(jī)1的終端電壓，（c）光伏電站1

的有功功率，以及td）發(fā)電機(jī)2的有功功率。

請(qǐng)注意,在四種光伏溶透情景中.將所提出的方法與IDA-PBC方法的應(yīng)用減少了與PI方法的頻率偏差。與未使用所提出

方法獲得的坡大值相比，情景1、2、3和4的頻率振蕩分別好低了16.8%、38.43%、37.53%和76.94%。這表明所提出的方法

對(duì)頻率振蕩阻尼的影響仃利于同步電機(jī)并減少軸上的應(yīng)力。

圖8b顯示了發(fā)電機(jī)1端子處電壓曲線的動(dòng)態(tài)性能。在這電，在所有儕況下，PI方法的電壓曲線振蕩都高于所提出的

IDA-PBC控制方法。盡管如此，系統(tǒng)在澄清故障4s后4秒內(nèi)恢笈了兩種控制策略的正常行為。該行為表明，PI和IDA-PBC

方法允許通過(guò)考慮有關(guān)光伏電力穿透的廣泛變化來(lái)在劇烈短路事件期間保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖8c描繪了光伏電站1的有功功率輸出。請(qǐng)注意，與圖8a,b中描述的行為不同，IDA-PBC方法顯示的有功功率輸出

振蕩比PI痣.這是可以預(yù)料的,因?yàn)閿M議的初級(jí)電壓和頻率控制作為光伏電站提供的仃功功率的函數(shù)運(yùn)行,這意味著需要更高

的有功功率變化才能在最短的時(shí)間內(nèi)降低頻率（電壓）振蕩。

圖8d顯示，采用所提方法時(shí).發(fā)電機(jī)2的有功功率振蕩較低。此外,對(duì)于所有滲透水平，所提出的方法具有更快的響應(yīng)

速度，并在更短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定系統(tǒng)。

第三種情況

本例模擬了所提出的方法在拓?fù)淦婆c輸電線路L-2跳閘?起發(fā)生時(shí)對(duì)泥高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn),圖9W示了轉(zhuǎn)廣轉(zhuǎn)速

偏差的動(dòng)態(tài)性能，以及發(fā)電機(jī)3中的電壓曲線，PV站1中的功率輸出和發(fā)電機(jī)2的有功功率。

-10%IDAPBC---10%PI——30MDAPBC…30%PI

50%IDA-PBC50%PI——80%IDA-PBC——80%P!

2

11一5

2一

二

—

八

5

5

4

3

2

1

0

Time|s)

圖9.測(cè)試系統(tǒng)對(duì)線路L-2中間短路的響應(yīng)：（a）發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，（b：發(fā)電機(jī)1的終端電壓，（c）光伏電站1的有功

功率，以及（d）發(fā)電機(jī)2的有功功率。

請(qǐng)注意,與所提出的IDA-PBC方法相比.PI控制在頻率和電壓信號(hào)中表現(xiàn)出更高的振蕩（見圖9a.b）。此外,光伏電

站1和發(fā)電機(jī)2的有功功率輸出與箱一情況的解釋相似（見圖9c,d）.最后，說(shuō)明本案例說(shuō)明了通過(guò)主控制方法控制電網(wǎng)中

光伏電站的優(yōu)勢(shì).即與傳統(tǒng)方法相比，大規(guī)模擾動(dòng)后的瞬態(tài)條件（包括拓?fù)渚W(wǎng)格變化）可以得到顯著改善。

第四種情況

本案例研究了所提出的方法在總線5處突然連接負(fù)載時(shí)減輕POD的能力。圖10說(shuō)明了發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差、發(fā)電

機(jī)1端子處的電質(zhì)曲線以及光伏電站1輸送的有功功率。如前所述，當(dāng)使用所提出的方法時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。此外，所提出的

方法即使在突然連接的情況下也能更快地穩(wěn)定系統(tǒng).

------10°o1DA-PBC-------10%1?1---------30%?IDA-PBC-------300，。PI

50?i,IDA-PBC---50%PI——80%IDA-PBC——80%PI

3

Time(s)

n一

d

二

d4

s

345

Time|s]

圖10.測(cè)試系統(tǒng)對(duì)總線5處負(fù)載突然連接的響應(yīng)：（a）發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子速度，＜b）發(fā)電機(jī)1的終端電壓，以及（c）光伏電站

1的自功功率。

重要的是要注意，初級(jí)物率控制是電力系統(tǒng)的額外慣性;它決定性地有助于抑制頻率的變化率，從而抑制其最大偏差。這

可以通過(guò)比較來(lái)驗(yàn)證ACO當(dāng)主頻率控制實(shí)現(xiàn)時(shí),當(dāng)它不是在所仃場(chǎng)母中時(shí)（參見圖7a.圖8a.圖9a和圖10a）?此外.鑒

于光伏系統(tǒng)滲透率的提離，頻率偏差的降低變得明顯.

可以觀察到，當(dāng)大擾動(dòng)消失（例如，短路）約1.4秒時(shí)，光伏系統(tǒng)的有功功率急劇增加（參見圖7c,圖8c,圖9c和圖

10O.這是因?yàn)樵诎l(fā)生大擾動(dòng)事件后，所有?系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)中的RMS電壓急劇增加，從而增加J'整個(gè)電力系統(tǒng)中的瞬時(shí)有功功率.

慣性降低分析

本小節(jié)探討了當(dāng)同步電機(jī)的憒性從100%降低到25%時(shí),所提出的方法增強(qiáng)桎定性的能力。該分析在第二種情況下進(jìn)行.

因?yàn)樗@示了最大的角頻率振蕩。圖11顯示了當(dāng)考慮降低同步電機(jī)的慣性時(shí)，同步電機(jī)的最大平均頻率偏差。

Withouttheproffedmethodology

-------Withtheproposedmethodology

253055404550556065707580859095100

253035