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并网逆变器振荡与阻抗分析

电压源型的并网逆变器广泛应用于风电、光伏等可再生能源的电网接入,随着风电,光伏等可再生能源的发电比重日益增大,越来越多的并网逆变器被投入到电网中,但在实际运行中也出现了并网逆变器自身动态与电网的相互作用而引发的一系列复杂的振荡问题,给电力系统的安全稳定带来不良的影响。

并网逆变器振荡问题机理复杂,阻抗分析方法将电网和逆变器看作两个子系统,利用每个子系统的阻抗模型,通过频域分析的方法来分析稳定性,较好的揭示了振荡问题的本质机理,如当并网逆变器系统在一些频率点对电网呈现容性阻抗时,易发生振荡现象,因此阻抗分析方法近年来受到越来越多的关注。

阻抗有两种方法得到,一种是通过理论分析,即对并网逆变器模型做线性化或简化,得到阻抗的数学模型;另一种是实验方法,在每个频率测点,在电网电压中叠加一个对应频率的小扰动,然后测得对应频率的电流响应,通过FFT以及阻抗的定义(V/I)计算得到对应频点的阻抗;最后通过扫频的方法重复这个过程把整个频段的阻抗测量得到。实验测得的阻抗数据可以用来验证理论分析得出的阻抗模型。


基于StarSim小步长实时仿真的阻抗分析

通过实时仿真的方法测实验阻抗的优势有:

控制器是实物,更接近真实的情况

这样精确叠加小扰动的实验一般较难在逆变器系统是实物的系统上实现;纯软件仿真又有控制器不是真实的缺点,或者说较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。但由真实控制器与实时仿真器构成硬件在环仿真系统更接近实际情况,同时实时仿真可以精确的控制叠加小扰动的频率和幅度,也可以准确的得到响应电流,是阻抗实验测量的理想方法。

小步长仿真对得到准确的阻抗分析结果很重要

基于平均值的大步长(步长通常是几十微秒的量级)实时仿真方法,等效是在一个仿真步长(几十微秒)窗口内对结果进行了平均,这样使得系统的频率响应(frequency response)的不能反应高频部分;同时对于阻抗分析来说,不仅需要幅度响应(magnitude response),其相位响应(phase response)也是非常重要的信息(判断并网逆变器系统是否已经呈现容性阻抗特性等),而平均值方法较大的仿真步长会引入实际物理系统中并不存在的较大的计算延迟,会扭曲系统的相位响应。基于细节模型的小步长(1微秒)仿真则不存在如上这些限制因素,是进行阻抗实验测量的理想实时仿真方法。


上海远宽能源科技有限公司(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,同时利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于可再生能源、电机驱动系统的实时仿真中;西南交通大学的科研团队就采用了 StarSim 电力电子实时仿真器来进行单相逆变器的阻抗测量实验,并将研究成果发表于电力电子领域最高水平的期刊之一, IEEE Transactions on Power Electronics。

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