基于RTDS的光伏逆变器接入薄弱电网仿真测试及研究

徐东坡 代永恒 姬成群 孙妙华

基于RTDS的光伏逆变器接入薄弱电网仿真测试及研究

徐东坡 代永恒 姬成群 孙妙华

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

采用物理试验平台对光伏逆变器进行功能验证，存在测试工况少而无法反映各种极端工况的问题。采用数字物理混合的半实物仿真方法，能够便捷提供准确的实验条件且风险可控，试验成本低。通过研究薄弱电网的电气特性，基于实时数字仿真（RTDS）系统搭建薄弱电网下的光伏并网系统硬件在环仿真平台，并基于该平台开展低电压穿越及高电压穿越测试。通过对仿真结果分析，验证了该仿真方法的可行性和有效性。

光伏逆变器；实时数字仿真（RTDS）；弱电网；仿真测试

0 引言

全球工业化发展使传统化石能源被大量开发和使用，导致能源资源紧张、环境恶化、气候变暖、冰川消融、海平面上升等问题突出，严重威胁人类生存和可持续发展[1-3]。第75届联合国大会期间，习近平总书记向世界庄严承诺，将采取更加有力的政策和措施，力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[4]。高比例的可再生能源发展路径是实现“双碳”的有效途径。其中风能与太阳能分布广泛，应用灵活[5]。

目前太阳能的利用主要以光伏发电为主，但由于我国土地、光照资源分布的影响，大规模光伏电站主要建设在沙漠或半沙漠偏远地区，用电负荷较少，大部分能量需要通过长距离输电线路送出[6]。长距离的输电线路导致线路阻抗增大，而且用户负载通常以离网形式或以弱联系的形式与外网连接，电网结构薄弱，系统供电能力较差。在传统逆变器的设计中，将电网视为理想电压源，但在弱电网下传统电网模型将无法适用[7-9]。针对此种情况，必须开展逆变器在薄弱电网下是否能安全稳定运行的技术研究及试验验证[10]。

开展逆变器功能验证试验一般是通过搭建物理试验平台或者基于现场环境，但是上述两种试验手段均存在以下三个问题：①电网异常工况的模拟能力弱、异常工况的再现能力弱；②控制算法存在漏洞的情况下，容易造成一次设备损坏，安全隐患大，风险可控性差；③试验环境建设周期长，试验环境条件要求严格，开展试验手续繁琐。

本文基于实时数字仿真（real time digital simu- lation, RTDS）系统搭建光伏并网系统硬件在环仿真平台。该平台可以便捷地模拟电网的异常工况，且异常工况再现能力强，试验环境建设周期短，风险可控性强，关键参量观测录波能力强[11]，可有效解决物理试验平台及基于现场环境等测试中存在的难题。

1 仿真平台的搭建

RTDS是基于电磁暂态理论，采取并行运算的多处理器方法，主要由硬件和软件两部分组成。硬件用于计算和数据输出，软件RSCAD用于搭建电力系统的一次系统及其控制回路，实现对系统的实时仿真、监测和控制[12]。本文首先在RTDS系统中建立仿真系统和光伏逆变器模型，然后搭建光伏并网系统硬件在环仿真平台，在此基础上完成多种工况下光伏逆变器的高、低电压穿越测试。被测试的光伏逆变器额定电压为0.32kV，额定容量为500kW，本文测试数据均为光伏逆变器工作在最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）模式下的测试数据。

1.1 系统建模

我国陕北地区新能源发电机组大部分采用4级升压变压器（0.4kV/0.69kV-35kV-110kV-330kV-750kV）方式接入750kV系统，考虑真实性，本方案选择按照该模式搭建仿真系统。文献[13]提出，一个电网被定义为“弱”或“强”是基于并网点的“短路比”特性，通常该值低于20的被认为是“弱电网”。根据《陕电调综〔2021〕6号国网陕西电力调控中心关于印发陕西电网新能源场站涉网性能优化提升工作方案（试行）的通知》中的相关技术要求，本方案新能源机端短路比设定为1.5。仿真系统示意图如图1所示，仿真系统建模关键参数见表1。

图1 仿真系统示意图

表1 仿真系统建模关键参数

1.2 硬件在环试验平台

光伏逆变器RTDS硬件在环仿真平台如图2所示。考虑到光伏逆变器的开关频率较高，采用Small time-step模块或者Substep模块建模，为了避免接口元件对仿真结果造成影响，本次在Substep模块中搭建整个仿真系统模型。RTDS通过模拟量输出接口GTAO向光伏逆变器控制器提供电压和电流反馈信号，通过数字量输出接口GTDO向光伏逆变器控制器提供开关量反馈信号。光伏逆变器控制器将接收的信号经计算处理转换成PWM信号，通过数字量输入接口GTDI传递给RTDS驱动光伏逆变器。

图2 光伏逆变器RTDS硬件在环仿真平台

2 电网故障工况模拟

根据GB/T 37408—2019《光伏发电并网逆变器技术要求》、GB/T 31365—2015《光伏发电站接入电网检测规程》等相关技术要求，低电压穿越能力和高电压穿越能力是考核逆变器性能的关键项目，也是逆变器控制参数设置的难点。参照上述标准相关要求，在仿真平台中模拟母线71及母线S处发生低电压故障（单相、两相相间、三相低电压故障）和在母线71处发生三相高电压故障分别考核光伏逆变器低电压穿越和高电压穿越性能的优劣。

2.1 低电压故障模拟

依据GB/T 37409—2019《光伏发电并网逆变器检测技术规范》要求，宜采用无源电抗器阻抗分压的原理模拟电网电压跌落。电压跌落发生原理如图3所示。

图3 电压跌落发生原理

电压跌落目标值为

式中：1为并网点系统电阻值；1为并网点系统电感值；2为短路电抗器电阻值；2为短路电抗器电感值；X为电压跌落目标值；N为并网点电压额定值。

根据式（1）、式（2）计算出2、2的值，将模型中相应参数正确修改后，通过控制开关S开通、关断实现电压跌落控制。

工况一：设定光伏逆变器运行在MPPT模式，有功功率为0.45MW，无功功率为0.15Mvar，调节等值系统电压使并网点电压为1.0p.u.，在母线S处模拟并网点三相电压跌落至0.2p.u.，跌落时间为0.625s，观测光伏逆变器并网点电压及输出电流在低电压故障及恢复期间的动态特性。

工况一光伏逆变器低电压穿越试验录波如图4所示，进入低电压穿越期间时，光伏逆变器迅速调整无功电流输出至1.07p.u.，以响应系统电压跌落，并网点三相电压实际跌落至0.4p.u.，因无功电流输出增大，为防止逆变器过电流保护动作，在输出无功电流的同时降低有功电流的输出，低电压穿越期间有功电流输出为0。系统电压恢复后，逆变器有功功率、无功功率均恢复至低电压穿越前正常状态。

图4 工况一光伏逆变器低电压穿越试验录波

工况二：设定光伏逆变器运行在MPPT模式，有功功率为0.35MW，无功功率为0.05Mvar，调节等值系统电压使并网点电压为1.0p.u.，在母线71处模拟并网点三相电压跌落至0.5p.u.，跌落时间为1.21s，观测光伏逆变器并网点电压及输出电流在低电压故障及恢复期间的动态特性。

工况二光伏逆变器低电压穿越试验录波如图5所示，进入低电压穿越期间光伏逆变器迅速调整无功电流输出至0.53p.u.，以响应系统电压跌落，并网点三相电压实际跌落至0.65p.u.，本次低电压穿越过程中无功电流输出增加不多，未达到逆变器输出限过电流保护定值，有功电流基本保持不变。系统电压恢复后，逆变器有功功率、无功功率恢也均恢复至低电压穿越前正常状态。

图5 工况二光伏逆变器低电压穿越试验录波

从图4、图5可知，在系统电压跌落期间，光伏逆变器能持续并网运行，向电网提供一定的无功电流支撑，且并网点电压及输出电流无畸变，系统电压恢复正常后，能快速恢复到初始运行状态。可见，该仿真平台根据系统电压跌落位置的不同，通过调整短路电抗器参数，可以模拟多种电力系统低电压工况，并能考核光伏逆变器的低电压穿越性能。

2.2 高电压故障模拟

依据GB/T 37409—2019《光伏发电并网逆变器检测技术规范》要求，宜采用无源电容器阻容分压的原理模拟电网电压升高。电压升高发生原理如图6所示。

图6 电压升高发生原理

电压升高目标值为

式中：1为并网点系统电阻值；1为并网点系统电感值；2为阻尼电阻值；为升压电容器电容值；X为电压升高目标值；N为并网点电压额定值。

根据式（3）、式（4）计算出2、的值，将模型中相应参数正确修改后，通过控制开关S开通、关断实现电压升高控制。

设定光伏逆变器运行在MPPT模式，有功功率为0.35MW，无功功率为0.05Mvar，调节等值系统电压使并网点电压为1.0p.u.，在母线71处投入升压电容器模拟并网点三相电压升高至1.30p.u.，持续0.5s，切除升压电容器使电压恢复，观测光伏逆变器并网点电压及输出电流在高电压故障及恢复期间的动态特性。

光伏逆变器高电压穿越试验录波如图7所示，进入高电压穿越期间光伏逆变器迅速调整无功电流方向，以响应系统电压升高，并网点三相电压实际升高至1.25p.u.，本次高电压穿越过程中无功电流变化不大，高电压穿越期间有功功率基本保持不变。系统电压恢复后，逆变器无功功率也恢复至高电压穿越前正常状态。

从图7可知，在系统电压升高期间，光伏逆变器装置能持续并网运行，吸收电网无功电流以降低系统电压的升高，且并网点电压及输出电流无畸变，系统电压恢复正常后，光伏逆变器能快速恢复到初始运行状态。可见，该仿真平台能有效地模拟电力系统的高电压工况，并能考核光伏逆变器的高电压穿越性能。

图7 光伏逆变器高电压穿越试验录波

3 结论

通过RTDS系统搭建仿真模型，可以灵活调整电力系统运行工况，准确模拟、复现电网的多种异常工况。本文通过搭建薄弱电网下的光伏逆变器硬件在环仿真平台对光伏逆变器高、低电压穿越性能进行了验证，测试方法简单有效。该测试手段在新能源产品研发和现场问题排查过程中被广泛使用。

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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

徐东坡（1989—），男，河南省兰考人，本科，工程师，主要从事电力系统继电保护产品、电力电子产品的研发测试工作。