基于RTDS的光伏逆變器接入薄弱電網仿真測試及研究

徐東坡 代永恒 姬成群 孫妙華

基于RTDS的光伏逆變器接入薄弱電網仿真測試及研究

徐東坡 代永恒 姬成群 孫妙華

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

采用物理試驗平臺對光伏逆變器進行功能驗證，存在測試工況少而無法反映各種極端工況的問題。采用數字物理混合的半實物仿真方法，能夠便捷提供準確的實驗條件且風險可控，試驗成本低。通過研究薄弱電網的電氣特性，基于實時數字仿真（RTDS）系統搭建薄弱電網下的光伏并網系統硬件在環仿真平臺，并基于該平臺開展低電壓穿越及高電壓穿越測試。通過對仿真結果分析，驗證了該仿真方法的可行性和有效性。

光伏逆變器；實時數字仿真（RTDS）；弱電網；仿真測試

0 引言

全球工業化發展使傳統化石能源被大量開發和使用，導致能源資源緊張、環境惡化、氣候變暖、冰川消融、海平面上升等問題突出，嚴重威脅人類生存和可持續發展[1-3]。第75屆聯合國大會期間，習近平總書記向世界莊嚴承諾，將采取更加有力的政策和措施，力爭二氧化碳排放于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[4]。高比例的可再生能源發展路徑是實現“雙碳”的有效途徑。其中風能與太陽能分布廣泛，應用靈活[5]。

目前太陽能的利用主要以光伏發電為主，但由于我國土地、光照資源分布的影響，大規模光伏電站主要建設在沙漠或半沙漠偏遠地區，用電負荷較少，大部分能量需要通過長距離輸電線路送出[6]。長距離的輸電線路導致線路阻抗增大，而且用戶負載通常以離網形式或以弱聯系的形式與外網連接，電網結構薄弱，系統供電能力較差。在傳統逆變器的設計中，將電網視為理想電壓源，但在弱電網下傳統電網模型將無法適用[7-9]。針對此種情況，必須開展逆變器在薄弱電網下是否能安全穩定運行的技術研究及試驗驗證[10]。

開展逆變器功能驗證試驗一般是通過搭建物理試驗平臺或者基于現場環境，但是上述兩種試驗手段均存在以下三個問題：①電網異常工況的模擬能力弱、異常工況的再現能力弱；②控制算法存在漏洞的情況下，容易造成一次設備損壞，安全隱患大，風險可控性差；③試驗環境建設周期長，試驗環境條件要求嚴格，開展試驗手續繁瑣。

本文基于實時數字仿真（real time digital simu- lation, RTDS）系統搭建光伏并網系統硬件在環仿真平臺。該平臺可以便捷地模擬電網的異常工況，且異常工況再現能力強，試驗環境建設周期短，風險可控性強，關鍵參量觀測錄波能力強[11]，可有效解決物理試驗平臺及基于現場環境等測試中存在的難題。

1 仿真平臺的搭建

RTDS是基于電磁暫態理論，采取并行運算的多處理器方法，主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件用于計算和數據輸出，軟件RSCAD用于搭建電力系統的一次系統及其控制回路，實現對系統的實時仿真、監測和控制[12]。本文首先在RTDS系統中建立仿真系統和光伏逆變器模型，然后搭建光伏并網系統硬件在環仿真平臺，在此基礎上完成多種工況下光伏逆變器的高、低電壓穿越測試。被測試的光伏逆變器額定電壓為0.32kV，額定容量為500kW，本文測試數據均為光伏逆變器工作在最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）模式下的測試數據。

1.1 系統建模

我國陜北地區新能源發電機組大部分采用4級升壓變壓器（0.4kV/0.69kV-35kV-110kV-330kV-750kV）方式接入750kV系統，考慮真實性，本方案選擇按照該模式搭建仿真系統。文獻[13]提出，一個電網被定義為“弱”或“強”是基于并網點的“短路比”特性，通常該值低于20的被認為是“弱電網”。根據《陜電調綜〔2021〕6號國網陜西電力調控中心關于印發陜西電網新能源場站涉網性能優化提升工作方案（試行）的通知》中的相關技術要求，本方案新能源機端短路比設定為1.5。仿真系統示意圖如圖1所示，仿真系統建模關鍵參數見表1。

圖1 仿真系統示意圖

表1 仿真系統建模關鍵參數

1.2 硬件在環試驗平臺

光伏逆變器RTDS硬件在環仿真平臺如圖2所示。考慮到光伏逆變器的開關頻率較高，采用Small time-step模塊或者Substep模塊建模，為了避免接口元件對仿真結果造成影響，本次在Substep模塊中搭建整個仿真系統模型。RTDS通過模擬量輸出接口GTAO向光伏逆變器控制器提供電壓和電流反饋信號，通過數字量輸出接口GTDO向光伏逆變器控制器提供開關量反饋信號。光伏逆變器控制器將接收的信號經計算處理轉換成PWM信號，通過數字量輸入接口GTDI傳遞給RTDS驅動光伏逆變器。

圖2 光伏逆變器RTDS硬件在環仿真平臺

2 電網故障工況模擬

根據GB/T 37408—2019《光伏發電并網逆變器技術要求》、GB/T 31365—2015《光伏發電站接入電網檢測規程》等相關技術要求，低電壓穿越能力和高電壓穿越能力是考核逆變器性能的關鍵項目，也是逆變器控制參數設置的難點。參照上述標準相關要求，在仿真平臺中模擬母線71及母線S處發生低電壓故障（單相、兩相相間、三相低電壓故障）和在母線71處發生三相高電壓故障分別考核光伏逆變器低電壓穿越和高電壓穿越性能的優劣。

2.1 低電壓故障模擬

依據GB/T 37409—2019《光伏發電并網逆變器檢測技術規范》要求，宜采用無源電抗器阻抗分壓的原理模擬電網電壓跌落。電壓跌落發生原理如圖3所示。

圖3 電壓跌落發生原理

電壓跌落目標值為

式中：1為并網點系統電阻值；1為并網點系統電感值；2為短路電抗器電阻值；2為短路電抗器電感值；X為電壓跌落目標值；N為并網點電壓額定值。

根據式（1）、式（2）計算出2、2的值，將模型中相應參數正確修改后，通過控制開關S開通、關斷實現電壓跌落控制。

工況一：設定光伏逆變器運行在MPPT模式，有功功率為0.45MW，無功功率為0.15Mvar，調節等值系統電壓使并網點電壓為1.0p.u.，在母線S處模擬并網點三相電壓跌落至0.2p.u.，跌落時間為0.625s，觀測光伏逆變器并網點電壓及輸出電流在低電壓故障及恢復期間的動態特性。

工況一光伏逆變器低電壓穿越試驗錄波如圖4所示，進入低電壓穿越期間時，光伏逆變器迅速調整無功電流輸出至1.07p.u.，以響應系統電壓跌落，并網點三相電壓實際跌落至0.4p.u.，因無功電流輸出增大，為防止逆變器過電流保護動作，在輸出無功電流的同時降低有功電流的輸出，低電壓穿越期間有功電流輸出為0。系統電壓恢復后，逆變器有功功率、無功功率均恢復至低電壓穿越前正常狀態。

圖4 工況一光伏逆變器低電壓穿越試驗錄波

工況二：設定光伏逆變器運行在MPPT模式，有功功率為0.35MW，無功功率為0.05Mvar，調節等值系統電壓使并網點電壓為1.0p.u.，在母線71處模擬并網點三相電壓跌落至0.5p.u.，跌落時間為1.21s，觀測光伏逆變器并網點電壓及輸出電流在低電壓故障及恢復期間的動態特性。

工況二光伏逆變器低電壓穿越試驗錄波如圖5所示，進入低電壓穿越期間光伏逆變器迅速調整無功電流輸出至0.53p.u.，以響應系統電壓跌落，并網點三相電壓實際跌落至0.65p.u.，本次低電壓穿越過程中無功電流輸出增加不多，未達到逆變器輸出限過電流保護定值，有功電流基本保持不變。系統電壓恢復后，逆變器有功功率、無功功率恢也均恢復至低電壓穿越前正常狀態。

圖5 工況二光伏逆變器低電壓穿越試驗錄波

從圖4、圖5可知，在系統電壓跌落期間，光伏逆變器能持續并網運行，向電網提供一定的無功電流支撐，且并網點電壓及輸出電流無畸變，系統電壓恢復正常后，能快速恢復到初始運行狀態。可見，該仿真平臺根據系統電壓跌落位置的不同，通過調整短路電抗器參數，可以模擬多種電力系統低電壓工況，并能考核光伏逆變器的低電壓穿越性能。

2.2 高電壓故障模擬

依據GB/T 37409—2019《光伏發電并網逆變器檢測技術規范》要求，宜采用無源電容器阻容分壓的原理模擬電網電壓升高。電壓升高發生原理如圖6所示。

圖6 電壓升高發生原理

電壓升高目標值為

式中：1為并網點系統電阻值；1為并網點系統電感值；2為阻尼電阻值；為升壓電容器電容值；X為電壓升高目標值；N為并網點電壓額定值。

根據式（3）、式（4）計算出2、的值，將模型中相應參數正確修改后，通過控制開關S開通、關斷實現電壓升高控制。

設定光伏逆變器運行在MPPT模式，有功功率為0.35MW，無功功率為0.05Mvar，調節等值系統電壓使并網點電壓為1.0p.u.，在母線71處投入升壓電容器模擬并網點三相電壓升高至1.30p.u.，持續0.5s，切除升壓電容器使電壓恢復，觀測光伏逆變器并網點電壓及輸出電流在高電壓故障及恢復期間的動態特性。

光伏逆變器高電壓穿越試驗錄波如圖7所示，進入高電壓穿越期間光伏逆變器迅速調整無功電流方向，以響應系統電壓升高，并網點三相電壓實際升高至1.25p.u.，本次高電壓穿越過程中無功電流變化不大，高電壓穿越期間有功功率基本保持不變。系統電壓恢復后，逆變器無功功率也恢復至高電壓穿越前正常狀態。

從圖7可知，在系統電壓升高期間，光伏逆變器裝置能持續并網運行，吸收電網無功電流以降低系統電壓的升高，且并網點電壓及輸出電流無畸變，系統電壓恢復正常后，光伏逆變器能快速恢復到初始運行狀態。可見，該仿真平臺能有效地模擬電力系統的高電壓工況，并能考核光伏逆變器的高電壓穿越性能。

圖7 光伏逆變器高電壓穿越試驗錄波

3 結論

通過RTDS系統搭建仿真模型，可以靈活調整電力系統運行工況，準確模擬、復現電網的多種異常工況。本文通過搭建薄弱電網下的光伏逆變器硬件在環仿真平臺對光伏逆變器高、低電壓穿越性能進行了驗證，測試方法簡單有效。該測試手段在新能源產品研發和現場問題排查過程中被廣泛使用。

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Simulation test and study of photovoltaic inverter connected to weak power grid based on RTDS

XU Dongpo DAI Yongheng JI Chengqun SUN Miaohua

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Physical test platform is used to verify the function of photovoltaic inverter, but there is a problem that there are few test conditions and can not reflect all kinds of extreme conditions. The hardware-in-the-loop simulation method of digital physics mixture can provide accurate experimental conditions conveniently and with controllable risk and low experimental cost. By studying the electrical characteristics of weak power grid, a hardware-in-the-loop simulation platform of photovoltaic grid-connected system under weak power grid is built based on real time digital simulation (RTDS) system. Low voltage traverse and high voltage traverse tests are carried out based on this platform. By analyzing the simulation results, the feasibility and effectiveness of the simulation method are proved.

photovoltaic inverter; RTDS; weak power grid; simulation test

2021-09-15

2021-10-18

徐東坡（1989—），男，河南省蘭考人，本科，工程師，主要從事電力系統繼電保護產品、電力電子產品的研發測試工作。