基於rtds的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺的製作方法
2023-12-10 10:46:17 1
基於rtds的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺的製作方法
【專利摘要】一種基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，所述平臺依託RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建測試系統仿真模型，實現對光伏併網系統的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。測試平臺由仿真系統工作站、RTDS仿真器、功率放大器、孤島防護裝置及故障錄波器構成。所述平臺通過搭建光伏併網測試V/Q控制模型和MPPT控制模型，實現了防孤島保護裝置動態測試。該光伏併網系統仿孤島保護裝置測試平臺，利用RTDS/RSCAD建模並仿真，採用V/Q控制方式實現光伏併網控制，不需採用鎖相控制技術，簡化了控制系統設計，能準確實現功率因數可調，控制效果好。該平臺適用於35kV及以下電壓等級的光伏併網系統的孤島防護裝置的閉環測試。
【專利說明】基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，屬電力測 試【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著電力需求的不斷增長，全球能源供應的日益緊張，太陽能的利用正受到越來 越多的重視，分布式發電中廣泛利用太陽能，既可以減少傳統能源的消耗，又可以減少環境 汙染。
[0003] RTDS是精確的實時仿真系統，可以為外部設備提供良好的測試環境。在RTDS仿 真平臺上建立兩級式光伏併網發電系統，它對光伏併網發電系統的研究具有重要的現實意 義。併網逆變器作為光伏發電設備與電網的接口設備，對其的控制是併網發電系統的核心。 常規的PI控制器易於實現，但對正弦波的參考量卻難以消除穩態誤差。已有很多文獻記載 了採用網側電流控制模式實現併網逆變器的控制，取得了較好的效果，但必須採用對電網 電壓的鎖相環控制技術。本專利提出了 V/Q控制模式實現逆變器的併網控制，不需要採用 複雜的鎖相環控制技術，在保證逆變器直流側電流恆定的情況下，調節直流母線電壓V，即 調節逆變器輸入功率，並控制網側無功為恆定值〇,保證了逆變器功率因數為1的併網運行 要求。光伏陣列的MPPT控制也是本文控制系統的一部分，採用恆定電壓跟蹤法快速跟蹤最 大功率點（MPP -Maximum Power Point),通過大電感與逆變器直流側相連，從而保證了逆 變器輸入的直流電流平滑，仿真結果表明系統結構合理，控制系統性能優良。通過光伏電站 防孤島保護裝置實驗，驗證了該光伏併網仿真模型結構合理，控制系統性能優良，能夠應用 於大型光伏電站併網仿真研究及各類裝置的閉環實驗。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是，為了對光伏併網系統防孤島保護裝置進行測試，提出一種基於 RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺。
[0005] 本發明的技術方案是，本發明依託RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建 測試系統仿真模型，實現對光伏併網系統的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列 陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。
[0006] 本發明光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、 功率放大器、光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波器連接構成。試驗模型工作站通過 乙太網與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的數位訊號連接到功率放大器的輸入端，功率放大 器輸出的二次信號同時連接到光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波器上。RTDS的跳合 閘信號通過GTFPI卡與光伏併網系統仿孤島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相 連接，光伏併網系統仿孤島保護裝置輸出的開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
[0007] 所述功率放大器輸出的二次信號包括電壓信號及電流信號，經過功率放大器放大 後的電壓和電流模擬量信號連接到光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波裝置的採樣 端子上。
[0008] 本發明測試平臺連接如圖1所示。
[0009] 本發明仿真模型如圖2所示。仿真模型設置在RTDS仿真器內，仿真模型包括：DC/ DC直流變換、DC/AC直流-交流變換，110kV線路Ll，35kV線路L2,變壓器T35、T110,110kV 大電網系統SI 10,斷路器BRK1?BRK10和光伏系統併網開關BRK1。每一路的光伏電池均連 接DC/DC的輸入端，DC/DC的輸出端連接DC/AC的輸入端，DC/AC的輸出端通過斷路器連接 T35變壓器的低壓（380伏）端，T35變壓器的高壓（35kV)端通過斷路器連接T110變壓器 的低壓（35kV)端，T110變壓器的高壓（110kV)端通過斷路器連接110kV大電網系統S110。 仿真系統中間DC/AC輸出端的380伏可直接接380伏負載；T35變壓器輸出的35kV經斷路 器也可接35kV的負載。
[0010] 本發明測試平臺中，光伏併網系統利用RTDS/RSCAD建模並仿真，採用V/Q控制模 型實現光伏併網控制。所述V/Q控制模型由載波電路、調製電路和比較器電路構成；載波電 路和調製電路分別連接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出端連接逆變器的控制端。 調製電路的輸入端的一個埠連接直流母線，從直流母線接入直流電壓信號，另一個埠 連接電網，從電網接入無功信號。
[0011] 本發明測試仿真模型中，設計了光伏列陣的MPPT控制模型，光伏列陣的MPPT控制 模型由調製器電路、載波發生器電路、比較器電路和DC-DC電路構成；調製器電路和載波發 生器電路分別接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出端連接DC-DC電路；光伏陣列端 電壓通過PI調節器連接調製器電路的輸入端。光伏列陣的MPPT控制模型採用DC-DC電路 來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節器來對開關管佔空比D進行控制，設置合 理的PI控制參數，光伏陣列端電壓採樣信號與電壓基準值比較，誤差經過PI調節器後，得 到調製信號，此信號即為DC-DC電路開關管佔空比，載波信號幅值設為0?1，規定調製信號 大於或等於載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這樣就保證了調製信號幅值就是開關管 佔空比D值。
[0012] 本發明搭建的測試平臺，建立了適用於35kV及以下電壓等級的裝置測試的測試 仿真模型。
[0013] 本發明的有益效果是：光伏併網系統利用RTDS/RSCAD建模並仿真，採用V/Q控制 模型實現光伏併網控制，不需要採用鎖相控制技術，簡化了控制系統設計，能準確實現功率 因數可調，控制效果好。通過對光伏併網系統仿孤島保護裝置閉環各項測試，進一步驗證了 算法的實用性和裝置的可靠性，實驗結論與理論判據一致。實驗證明，利用RTDS所建立的 光伏併網模型是可以應用於工程實際的，能夠滿足光伏併網系統仿孤島保護裝置試驗的要 求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為測試平臺構建示意圖；
[0015] 圖2為測試仿真模型示意圖；
[0016] 圖3為光伏陣列MPPT控制模型控制框圖；
[0017] 圖4為V/Q控制模型電路框圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發明的【具體實施方式】如圖所示。
[0019] 本實施例通過建立測試平臺，搭建測試系統仿真模型來實現對光伏併網系統仿孤 島保護裝置的測試。
[0020] 利用該測試平臺，參數設置簡單明了，適用於35kV及以下電壓等級的光伏併網系 統測試。本次測試過程中，模型以某光伏電站為依託，將需要測試的仿孤島保護裝置串入測 試平臺中，形成一個模擬的仿真系統，對裝置進行離線的實時仿真測試。
[0021] 光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、功率放 大器、光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波器連接構成。試驗模型工作站通過乙太網 與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的數位訊號連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出 的二次信號同時連接到光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波器上。RTDS的跳合閘信號 通過GTFPI卡與光伏併網系統仿孤島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相連接，光 伏併網系統仿孤島保護裝置輸出的開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
[0022] 所述功率放大器輸出的二次信號包括電壓信號及電流信號，經過功率放大器放大 後的電壓和電流模擬量信號連接到光伏併網系統仿孤島保護裝置及故障錄波裝置的採樣 端子上。
[0023] 測試過程中，為檢驗光伏併網系統仿孤島保護裝置功能的準確性共設置以下幾個 短路點：圖中K1?K5表示故障點，K1為110kV線路遠端故障，K2為110kV線路近端故障， K3為升壓變低壓側（35kV)故障，K4為35kV線路遠端故障，K5為35kV線路近端故障。
[0024] 為了提高太陽能利用效率，在STC下，應使太陽能電池陣列儘量工作在MPP處，因 而要進一步對光伏陣列進行MPPT控制。由於本光伏併網系統是在STC下進行仿真，採用恆 定電壓法來跟蹤光伏陣列MPP，既簡單又實用。其MPPT控制框圖如圖3所示。其中山"為 光伏陣列端電壓值；為光伏陣列端電壓給定值。
[0025] 本實施例採用DC-DC電路來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節器來 對開關管佔空比D進行控制，設置合理的PI控制參數，光伏陣列端電壓採樣信號與電壓基 準值比較，誤差經過PI調節器後，得到調製信號，此信號即為DC-DC電路開關管佔空比，載 波信號幅值設為〇?1，規定調製信號大於或等於載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這 樣就保證了調製信號幅值就是開關管佔空比D值。測試仿真模型中所用的載波發生器及比 較器均採用RSCAD提供的小步長模型。PI調節能夠實現外電路等效電阻的自動尋優，最終 使光伏陣列端電壓穩定在給定值附近。若在光伏陣列功率突變的要求下，可以改變參考電 壓值，實現功率調整，此方法調節非常方便，在STC下，恆定電壓跟蹤法應用非常方便。
[0026] 本實施例專門設計採用V/Q控制模型，應用正弦脈衝寬度調製（SPWM)原理很好 地實現了網側功率因數的控制，並保證了併網波形質量。最大的優點是消去了鎖相控制技 術，大大簡化了控制系統。V/Q控制框圖如下圖4所示。其中：V為直流母線電壓；V Mf為直 流母線電壓給定值；Q為向電網輸送的無功；QMf為無功給定值;Angle為正弦調製波相位 (rad) ;Mag為正弦調製波幅值；載波頻率為3kHz，幅值範圍為1，雙極性調製。SPWM調製波 頻率採用電網頻率f，保證了併網波形與電網同頻的要求。
[0027] 模型中的光伏電站等值成5個相同容量的光伏發電模型。每個光伏陣列串聯模塊 數Ns = 200,並聯的模塊數NP = 100,每個模塊中電池個數N。= 36。在STC下，單個模塊的 開路電壓值為V。。= 21. 7V，光伏發電的理論計算MPPT處輸出直流電壓約為3. 4kV，此值作 為PI調節器的參考電壓值VMf。每個等值光伏陣列在STC下的最大功率約為1MW。電網通 過接口變壓器與LC濾波電路相連，其中濾波電容器為Λ連接方式，接口變壓器型號為Ydll 型。
[0028] 圖2中所示的光伏電池模塊，均採用本發明圖3中的V/Q控制模型搭建，共採用了 5組光伏電池模型。該控制模型中DC-DC電路PI調節器參數設定為：比例係數K p = 0. 5 ; 積分係數I = 10。DC-AC電路中比例係數Κρ = 0. 2 ;積分係數& = 10。
[0029] 通過上述理論在RTDS中搭建的光伏併網實驗系統模型，在孤島防護裝置閉環實 驗中，被試裝置在光伏併網的環境下可靠運行，裝置動作行為與理論判據一致，同時也驗證 了 RTDS上所建立的光伏併網仿真模型能夠適用於光伏併網裝置試驗。
[0030] 光伏併網系統利用RTDS/RSCAD建模並仿真，採用V/Q控制模型實現光伏併網控 制，不需要採用鎖相控制技術，簡化了控制系統設計，能準確實現功率因數可調，控制效果 好。通過孤島防護裝置閉環各項實驗驗證，實驗結果與設計思路一致，驗證了算法的實用性 和裝置的可靠性，實驗結論與理論判據一致。因此，利用RTDS所建立的光伏併網模型是可 以應用於工程實際的。
【權利要求】
1. 一種基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特徵在於所述平臺依 託RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建測試系統仿真模型，實現對光伏併網系統 的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。
2. 根據權利要求1所述的基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特徵 在於，所述平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、功率放大器、光伏併網系統仿孤島保護裝 置及故障錄波器連接構成；試驗模型工作站通過乙太網與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的 數位訊號連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出的二次信號同時連接到光伏併網系 統仿孤島保護裝置及故障錄波器上；RTDS的跳合閘信號通過GTFPI卡與光伏併網系統仿孤 島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相連接，光伏併網系統仿孤島保護裝置輸出的 開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
3. 根據權利要求1所述的基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特 徵在於，所述RTDS仿真器內設置了仿真模型，所述仿真模型設置在RTDS仿真器內；仿真模 型包括：DC/DC直流變換、DC/AC直流-交流變換，llOkV線路Ll，35kV線路L2,變壓器T35、 T110, llOkV大電網系統S110,斷路器BRK1?BRK10和光伏系統併網開關BRK1 ;每一路的 光伏電池均連接DC/DC的輸入端，DC/DC的輸出端連接DC/AC的輸入端，DC/AC的輸出端通 過斷路器連接T35變壓器的低壓（380伏）端，T35變壓器的高壓（35kV)端通過斷路器連接 T110變壓器的低壓（35kV)端，T110變壓器的高壓（110kV)端通過斷路器連接110kV大電 網系統S110 ;仿真系統中間DC/AC輸出端的380伏可直接接380伏負載；T35變壓器輸出的 35kV經斷路器也可接35kV的負載。
4. 根據權利要求1所述的基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特徵 在於，所述平臺光伏併網系統利用RTDS/RSCAD建模並仿真，採用V/Q控制模型實現光伏並 網控制，不需要採用鎖相控制技術，簡化了控制系統設計，能準確實現功率因數可調，控制 效果好；所述V/Q控制模型由載波電路、調製電路和比較器電路構成；所述載波電路和調製 電路分別連接比較器電路的輸入端，所述比較器電路的輸出端連接逆變器的控制端；調製 電路的輸入端的一個埠連接直流母線，從直流母線接入直流電壓信號，另一個埠連接 電網，從電網接入無功信號。
5. 根據權利要求1所述的基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特徵 在於，所述光伏列陣的MPPT控制模型由調製器電路、載波發生器電路、比較器電路和DC-DC 電路構成；調製器電路和載波發生器電路分別接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出 端連接DC-DC電路；光伏陣列端電壓通過PI調節器連接調製器電路的輸入端；光伏列陣的 MPPT控制模型採用DC-DC電路來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節器來對開 關管佔空比D進行控制，設置合理的PI控制參數，光伏陣列端電壓採樣信號與電壓基準值 比較，誤差經過PI調節器後，得到調製信號，此信號即為DC-DC電路開關管佔空比，載波信 號幅值設為〇?1，規定調製信號大於或等於載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這樣就 保證了調製信號幅值就是開關管佔空比D值。
6. 根據權利要求1所述的基於RTDS的光伏併網系統防孤島保護裝置測試平臺，其特徵 在於，所述測試仿真模型要進一步對光伏陣列進行MPPT控制；光伏併網系統是在STC下進 行仿真，採用恆定電壓法來跟蹤光伏陣列MPP ;測試仿真模型中所用的載波發生器及比較 器均採用RSCAD提供的小步長模型；PI調節能夠實現外電路等效電阻的自動尋優，使光伏 陣列端電壓穩定在給定值附近。
【文檔編號】G01R31/00GK104111394SQ201410340436
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】周寧, 趙勇, 楊佳, 付磊, 程正, 蘇永春, 陳波 申請人:國家電網公司, 國網江西省電力科學研究院