研旭著力于嵌入式領(lǐng)域、電氣領(lǐng)域進(jìn)行上下游產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售

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SOLUTION

YXESP-GFP-D2開放式構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器測試開發(fā)系統(tǒng)方案

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新型電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

開放式混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)

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方案介紹

一、背景

構(gòu)網(wǎng)型變流器產(chǎn)生的背景是我國新能源和電力電子設(shè)備的滲透率不斷增加，火電機(jī)組所占的比重逐年減小，由于電力電子變流器不能提供與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似的慣性，使得電力系統(tǒng)的強(qiáng)度變?nèi)酰€(wěn)定性問題逐漸突出。以1000MW火電機(jī)組為例，其慣性時(shí)間常數(shù)通常為8~10s，而目前新能源發(fā)電機(jī)組大部分通過跟網(wǎng)型變流器的解耦控制接入電網(wǎng)幾乎沒有等效慣性。構(gòu)網(wǎng)型變流器通過模擬同步發(fā)電機(jī)特性，使其外在表現(xiàn)為電壓源，能提供電壓、頻率支撐，增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)的核心是通過儲(chǔ)能逆變器構(gòu)建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓源，可以起到快速調(diào)頻調(diào)壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

二、為什么構(gòu)網(wǎng)

為了構(gòu)建穩(wěn)定的頻率，電網(wǎng)具備統(tǒng)一和穩(wěn)定的頻率是有功平衡的前提。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生切機(jī)或擾動(dòng)時(shí)，由于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性其內(nèi)電勢的角度和頻率均不突變，各同步發(fā)電機(jī)組能瞬間自動(dòng)分配、支撐不平衡功率，減緩系統(tǒng)頻率下降速度，為一次調(diào)頻贏得時(shí)間，幫助系統(tǒng)達(dá)到新平衡點(diǎn)，保證了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

為了構(gòu)建穩(wěn)定的電壓，電網(wǎng)在一定區(qū)域內(nèi)需要有穩(wěn)定的電壓源，當(dāng)電網(wǎng)因短路帶來電壓跌落時(shí)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不能突變，維持機(jī)組在一定時(shí)間尺度內(nèi)電勢幅值不隨電網(wǎng)電壓跌落，提供充足的無功電流，減緩了機(jī)組附近電壓的跌落。每臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組都如此，縮小了短路故障影響的范圍。

Grid Following(GFL)跟網(wǎng)型變流器從外部特征表現(xiàn)為電流源特性，其控制策略是通過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)的相位來控制注入電網(wǎng)電流的幅值和相角。跟網(wǎng)型變流器依賴于電網(wǎng)，必須并網(wǎng)運(yùn)行，自身無法提供電壓和頻率支持。

Grid Forming(GFM)構(gòu)網(wǎng)型變流器外部特征表現(xiàn)為電壓源，它采用與同步發(fā)電機(jī)類似的功率同步策略，通過調(diào)節(jié)輸出電壓相角和幅值來調(diào)節(jié)輸出的有功和無功功率。構(gòu)網(wǎng)型變流器可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，輔以儲(chǔ)能元件或預(yù)留備用容量時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型變流器還能為系統(tǒng)提供虛擬慣性和阻尼。
構(gòu)網(wǎng)型與跟網(wǎng)型控制的區(qū)別如下：

項(xiàng) 目	跟網(wǎng)型	構(gòu)網(wǎng)型
運(yùn)行特性	受控電流源特性	受控電壓源特性
控制策略	基于鎖相環(huán)的矢量控制，根據(jù)有功/無功需求確定自身功角和幅值	有功偏差經(jīng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程形成相角，電壓偏差經(jīng)勵(lì)磁環(huán)節(jié)形成幅值；兩者合成輸出電壓矢量
支撐特性	無法效仿同步發(fā)電機(jī)利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能支撐電網(wǎng)、抑制頻率波動(dòng)	虛擬慣性支撐與調(diào)頻能力
阻尼特性	自身穩(wěn)定性依賴接入電網(wǎng)的強(qiáng)度，系統(tǒng)階數(shù)高、耦合深，易出現(xiàn)寬頻振蕩	系統(tǒng)階數(shù)低，易實(shí)現(xiàn)基于慣量控制的阻尼，改善寬頻振蕩現(xiàn)象
優(yōu)勢	技術(shù)成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單	提供虛擬慣性、具備振蕩抑制、黑啟動(dòng)能力
適用場景	強(qiáng)電網(wǎng)，不適應(yīng)孤島/弱電網(wǎng)運(yùn)行	弱電網(wǎng)，并/離網(wǎng)運(yùn)行可無縫切換，強(qiáng)電網(wǎng)環(huán)境易發(fā)生功率振蕩

三、平臺(tái)組成

研旭開放式構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器測試開發(fā)系統(tǒng)，具備構(gòu)網(wǎng)型控制的頻率主動(dòng)支撐、電壓主動(dòng)支撐、慣量、主動(dòng)阻尼電網(wǎng)振蕩、高過載、電網(wǎng)強(qiáng)度適應(yīng)性、故障穿越等功能，可以進(jìn)行快速原型開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)、自動(dòng)生成源代碼、測試和調(diào)整技術(shù)路線。
平臺(tái)測試設(shè)備包括可編程直流模擬源/電池模擬器、可編程交流模擬源/交流RLC負(fù)載、待測儲(chǔ)能變流器、選配設(shè)備：遠(yuǎn)程控制開關(guān)柜、功率分析儀、示波器、電能質(zhì)量分析儀等。

平臺(tái)拓?fù)鋱D

四、核心設(shè)備

4.1 YX6000D 多功能可編程雙向直流電源/電池模擬器

研旭YX6000D系列大功率雙向直流電源采用全數(shù)字控制技術(shù)，在4U機(jī)箱體積內(nèi)功率可實(shí)現(xiàn)20kVA，輸出電壓可達(dá)到800V和1000V，輸出電流可達(dá)到正負(fù)50A~100A，輸出具有直流電源和有源負(fù)載特性，可運(yùn)行于兩象限方式，交流輸入具有主動(dòng)PFC功能，可輸出功率，同時(shí)待測設(shè)備能量可回饋至電網(wǎng)，具有高效、綠色、環(huán)保的特點(diǎn)。YX6000D系列電源具有雙向直流電源、有源負(fù)載、電池模擬和光伏電池模擬功能，四合一多功能設(shè)計(jì)，一機(jī)多用，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設(shè)計(jì)，用戶可對YX6000D系列電源的功能和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。

研旭YX6000D系列直流電源廣泛應(yīng)用于科研院所和電力設(shè)備企業(yè)的新能源發(fā)電設(shè)備和新能源汽車系統(tǒng)研發(fā)、測試和生產(chǎn)，如光伏逆變器、雙向直流變換器、電動(dòng)汽車雙向充電器、雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、能量回饋式電梯調(diào)速系統(tǒng)等領(lǐng)域的研發(fā)、測試和生產(chǎn)。

4.2 YXACS回饋式交流源載一體模擬器

研旭YXACS系列大功率回饋式交流源載一體電網(wǎng)模擬器采用全數(shù)字控制技術(shù)，輸出功率可達(dá)正負(fù)15kVA-600kVA，輸出電壓范圍0~350Vrms，輸出電流可達(dá)到正負(fù)50~500Arms，輸出具有交流電源和負(fù)載特性，可運(yùn)行于四象限方式，輸入具有主動(dòng)PFC功能，可輸出功率，同時(shí)待測設(shè)備能量可回饋至電網(wǎng)，具有高效、綠色、環(huán)保的特點(diǎn)。YXACS系列電源具有回饋式交流電源、各類交流交流負(fù)載功能，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設(shè)計(jì)，用戶可對YXACS系列回饋式交流源載一體電網(wǎng)模擬器的功能和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。

研旭YXACS系列廣泛應(yīng)用于科研院所和電力設(shè)備企業(yè)的新能源發(fā)電設(shè)備和新能源汽車系統(tǒng)研發(fā)、測試和生產(chǎn)，如光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其故障穿越、電動(dòng)汽車回饋式充電器、回饋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、能量回饋式電梯調(diào)速系統(tǒng)等領(lǐng)域的研發(fā)、測試和生產(chǎn)。

4.3 SP2000快速原型控制器

研旭公司推出的YXSPACE產(chǎn)品系列，能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實(shí)際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：

4.4 開放式構(gòu)網(wǎng)型雙向儲(chǔ)能變流器

• 具備高過載運(yùn)行功能，可短時(shí)過載150%；
• 具備離并網(wǎng)切換功能；
• 具備有功無功控制功能；
• 具備自主建立電壓和頻率的功能；
• 電網(wǎng)強(qiáng)度適應(yīng)性功能，電網(wǎng)短路比在1.2-10范圍內(nèi)時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型PCS可以穩(wěn)定運(yùn)行；
• 具備低電壓穿越功能；
• 具備慣量支撐功能；
• 可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，電池充放電測試。
• 可滿足鉛酸蓄電池、鋰電、超級電容等不同儲(chǔ)能形式的接入，適用范圍廣。
• 完善的保護(hù)功能，有效保證逆變器安全運(yùn)行。
• 帶有工頻隔離變壓器，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
• 具有大尺寸液晶屏幕，可以通過面板上的按鍵，查詢顯示微電網(wǎng)智能穩(wěn)定控制器工作情況、設(shè)定工作狀態(tài)等。
• 采用開放式硬件架構(gòu)，主控板、采集板、功率板、繼電器板等板卡需各自獨(dú)立封裝，且柜體在板卡部分的封板需采用合頁結(jié)構(gòu)，使之可以方面打開進(jìn)行更換板卡，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試。

五、構(gòu)網(wǎng)控制策略

當(dāng)前主流的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)為虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)的核心是通過儲(chǔ)能逆變器構(gòu)建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓源，可以起到快速調(diào)頻調(diào)壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

由P-f、Q-V控制得到了虛擬同步電機(jī)的參考電勢Em和角頻率?，通過這兩個(gè)信息可以虛構(gòu)出一個(gè)三相電壓波形。
同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢在并入電網(wǎng)時(shí)需經(jīng)過定子電阻R和同步電抗L，虛擬阻抗控制通過模擬同步發(fā)電機(jī)定子電阻與同步電抗在變流器出口附加了一個(gè)可調(diào)的虛擬阻抗。

同步發(fā)電機(jī)的控制環(huán)節(jié)主要包括有功控制、無功控制、虛擬阻抗控制以及變流器自身電流內(nèi)環(huán)。有功控制模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和一次調(diào)頻；無功控制模擬同步機(jī)的主動(dòng)調(diào)壓；虛擬阻抗控制模擬了同步機(jī)的定子電阻和同步電抗；電流內(nèi)環(huán)控制生成電壓參考信號(hào)。其控制框圖如下：

六、功能測試實(shí)驗(yàn)

? 測試實(shí)驗(yàn)1：有功功率控制
? 測試實(shí)驗(yàn)2：啟停機(jī)控制
? 測試實(shí)驗(yàn)3：無功功率控制
? 測試實(shí)驗(yàn)4：電能質(zhì)量測試
? 測試實(shí)驗(yàn)5：一次調(diào)頻控制
? 測試實(shí)驗(yàn)6：低電壓穿越測試
? 測試實(shí)驗(yàn)7：高電壓穿越測試
? 測試實(shí)驗(yàn)8：相位階躍測試
? 測試實(shí)驗(yàn)9：慣量相應(yīng)測試

七、實(shí)驗(yàn)測試示例

測試項(xiàng)目9：慣量響應(yīng)測試
1、試驗(yàn)條件：
交流電壓：380V，有功功率：3.2kW。
2、國標(biāo)G/T 37408要求：無。
3、試驗(yàn)步驟：
試驗(yàn)①：頻率按照。0.2Hz/s從額定降至49.5Hz，并保持17s左右后恢復(fù)再以0.2Hz/s升至額定值；
4、試驗(yàn)波形與分析：以下所有數(shù)據(jù)采樣率為7500次/s，即1s種采集7500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖25-1為頻率變化過程中，有功功率隨頻率變化的曲線，通過曲線得出，隨著電壓頻率的下降，有功功率從3.2kW逐漸增加到9kW。

圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，并網(wǎng)有功功率變化過程

圖25-2和圖25-3為頻率變化過程中，無功功率以及交流電壓隨頻率變化的曲線。由于采用的是電網(wǎng)模擬器，因此當(dāng)有功功率發(fā)生變化時(shí)，電網(wǎng)模擬器的電壓也發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致變流器的無功功率也隨之變化。體現(xiàn)出慣量支撐功能。

圖25-2 三相電壓頻率變化過程中，并網(wǎng)無功功率變化過程

圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，交流電壓變化過程

圖25-4為頻率變化過程中，并網(wǎng)電流隨頻率變化的曲線。

圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，并網(wǎng)電流變化過程

八、設(shè)備列表

序號(hào)	設(shè)備名稱	參數(shù)
1	YXACS回饋式交流源載一體模擬器	5kw-200kw
2	YX6000D系列雙向可編程直流電源/電池模擬器	5kw-200kw
3	YXDG開放式構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能雙向變流器PCS	5kw-200kw
4	快速原型控制器、基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng)	SP2000/SP6000
5	開放式功率硬件開發(fā)系統(tǒng)（simulink模型、DSP代碼、測試實(shí)驗(yàn)等）