基于RTDS的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104111394 A (43)申请公布日 2014.10.22 CN 104111394 A (21)申请号 201410340436.5 (22)申请日 2014.07.17 G01R 31/00(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100761 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网江西省电力科学研究院 (72)发明人 周宁 赵勇 杨佳 付磊 程正 苏永春 陈波 (74)专利代理机构 南昌市平凡知识产权代理事 务所 36122 代理人 姚伯川 (54) 发明名称 基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护装置 测试平台 (57) 摘要 一种

2、基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护 装置测试平台， 所述平台依托 RTDS 仿真器及外 部设备， 构建测试平台， 搭建测试系统仿真模型， 实现对光伏并网系统的测试 ； 所述测试仿真模型 中， 特别设计了光伏列阵的 MPPT 控制模型和 V/Q 控制模型。测试平台由仿真系统工作站、 RTDS 仿 真器、 功率放大器、 孤岛防护装置及故障录波器构 成。所述平台通过搭建光伏并网测试 V/Q 控制模 型和 MPPT 控制模型， 实现了防孤岛保护装置动态 测试。 该光伏并网系统仿孤岛保护装置测试平台， 利用 RTDS/RSCAD 建模并仿真， 采用 V/Q 控制方式 实现光伏并网控制， 不需采用锁

3、相控制技术， 简化 了控制系统设计， 能准确实现功率因数可调， 控制 效果好。 该平台适用于35kV及以下电压等级的光 伏并网系统的孤岛防护装置的闭环测试。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104111394 A CN 104111394 A 1/2 页 2 1. 一种基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特征在于所述平台依 托 RTDS 仿真器及外部设备， 构建测试平台， 搭建测试系统仿真模型， 实现对光伏并

4、网系统 的测试 ； 所述测试仿真模型中， 特别设计了光伏列阵的 MPPT 控制模型和 V/Q 控制模型。 2.根据权利要求1所述的基于RTDS的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特征 在于， 所述平台由试验模型工作站、 RTDS 仿真器、 功率放大器、 光伏并网系统仿孤岛保护装 置及故障录波器连接构成 ； 试验模型工作站通过以太网与 RTDS 仿真器相连接， RTDS 输出的 数字信号连接到功率放大器的输入端， 功率放大器输出的二次信号同时连接到光伏并网系 统仿孤岛保护装置及故障录波器上 ； RTDS 的跳合闸信号通过 GTFPI 卡与光伏并网系统仿孤 岛保护装置的跳合闸继电器以及故障录

5、波器相连接， 光伏并网系统仿孤岛保护装置输出的 开关位置信号与 RTDS 仿真器相连接。 3. 根据权利要求 1 所述的基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特 征在于， 所述 RTDS 仿真器内设置了仿真模型， 所述仿真模型设置在 RTDS 仿真器内 ； 仿真模 型包括 ： DC/DC 直流变换、 DC/AC 直流 - 交流变换， 110kV 线路 L1， 35kV 线路 L2， 变压器 T35、 T110， 110kV 大电网系统 S110， 断路器 BRK1 BRK10 和光伏系统并网开关 BRK1 ； 每一路的 光伏电池均连接 DC/DC 的输入端， DC/DC 的

6、输出端连接 DC/AC 的输入端， DC/AC 的输出端通 过断路器连接 T35 变压器的低压 （380 伏） 端， T35 变压器的高压 （35kV） 端通过断路器连接 T110 变压器的低压 （35kV） 端， T110 变压器的高压 （110kV） 端通过断路器连接 110kV 大电 网系统S110 ； 仿真系统中间DC/AC输出端的380伏可直接接380伏负载 ； T35变压器输出的 35kV 经断路器也可接 35kV 的负载。 4.根据权利要求1所述的基于RTDS的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特征 在于， 所述平台光伏并网系统利用 RTDS/RSCAD 建模并仿真， 采用

7、 V/Q 控制模型实现光伏并 网控制， 不需要采用锁相控制技术， 简化了控制系统设计， 能准确实现功率因数可调， 控制 效果好 ； 所述 V/Q 控制模型由载波电路、 调制电路和比较器电路构成 ； 所述载波电路和调制 电路分别连接比较器电路的输入端， 所述比较器电路的输出端连接逆变器的控制端 ； 调制 电路的输入端的一个端口连接直流母线， 从直流母线接入直流电压信号， 另一个端口连接 电网， 从电网接入无功信号。 5.根据权利要求1所述的基于RTDS的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特征 在于， 所述光伏列阵的 MPPT 控制模型由调制器电路、 载波发生器电路、 比较器电路和 DC-D

8、C 电路构成 ； 调制器电路和载波发生器电路分别接比较器电路的输入端， 比较器电路的输出 端连接 DC-DC 电路 ； 光伏阵列端电压通过 PI 调节器连接调制器电路的输入端 ； 光伏列阵的 MPPT 控制模型采用 DC-DC 电路来实现太阳能电池阵列 MPPT 控制， 它利用 PI 调节器来对开 关管占空比 D 进行控制， 设置合理的 PI 控制参数， 光伏阵列端电压采样信号与电压基准值 比较， 误差经过 PI 调节器后， 得到调制信号， 此信号即为 DC-DC 电路开关管占空比， 载波信 号幅值设为 0 1， 规定调制信号大于或等于载波信号时， 开关管导通， 反之则关闭， 这样就 保证了调

9、制信号幅值就是开关管占空比 D 值。 6.根据权利要求1所述的基于RTDS的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 其特征 在于， 所述测试仿真模型要进一步对光伏阵列进行 MPPT 控制 ； 光伏并网系统是在 STC 下进 行仿真， 采用恒定电压法来跟踪光伏阵列 MPP ； 测试仿真模型中所用的载波发生器及比较 器均采用 RSCAD 提供的小步长模型 ； PI 调节能够实现外电路等效电阻的自动寻优， 使光伏 权 利 要 求 书 CN 104111394 A 2 2/2 页 3 阵列端电压稳定在给定值附近。 权 利 要 求 书 CN 104111394 A 3 1/4 页 4 基于 RTDS 的光

10、伏并网系统防孤岛保护装置测试平台 技术领域 0001 本发明涉及一种基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台， 属电力测 试技术领域。 背景技术 0002 随着电力需求的不断增长， 全球能源供应的日益紧张， 太阳能的利用正受到越来 越多的重视， 分布式发电中广泛利用太阳能， 既可以减少传统能源的消耗， 又可以减少环境 污染。 0003 RTDS 是精确的实时仿真系统， 可以为外部设备提供良好的测试环境。在 RTDS 仿 真平台上建立两级式光伏并网发电系统， 它对光伏并网发电系统的研究具有重要的现实意 义。 并网逆变器作为光伏发电设备与电网的接口设备， 对其的控制是并网发电系统的核心

11、。 常规的 PI 控制器易于实现， 但对正弦波的参考量却难以消除稳态误差。已有很多文献记载 了采用网侧电流控制模式实现并网逆变器的控制， 取得了较好的效果， 但必须采用对电网 电压的锁相环控制技术。本专利提出了 V/Q 控制模式实现逆变器的并网控制， 不需要采用 复杂的锁相环控制技术， 在保证逆变器直流侧电流恒定的情况下， 调节直流母线电压 V， 即 调节逆变器输入功率， 并控制网侧无功为恒定值 0， 保证了逆变器功率因数为 1 的并网运行 要求。光伏阵列的 MPPT 控制也是本文控制系统的一部分， 采用恒定电压跟踪法快速跟踪最 大功率点 (MPPMaximum Power Point)， 通

12、过大电感与逆变器直流侧相连， 从而保证了逆 变器输入的直流电流平滑， 仿真结果表明系统结构合理， 控制系统性能优良。 通过光伏电站 防孤岛保护装置实验， 验证了该光伏并网仿真模型结构合理， 控制系统性能优良， 能够应用 于大型光伏电站并网仿真研究及各类装置的闭环实验。 发明内容 0004 本发明的目的是， 为了对光伏并网系统防孤岛保护装置进行测试， 提出一种基于 RTDS 的光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台。 0005 本发明的技术方案是， 本发明依托 RTDS 仿真器及外部设备， 构建测试平台， 搭建 测试系统仿真模型， 实现对光伏并网系统的测试 ； 所述测试仿真模型中， 特别设计了光伏列

13、 阵的 MPPT 控制模型和 V/Q 控制模型。 0006 本发明光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台由试验模型工作站、 RTDS 仿真器、 功率放大器、 光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录波器连接构成。试验模型工作站通过 以太网与 RTDS 仿真器相连接， RTDS 输出的数字信号连接到功率放大器的输入端， 功率放大 器输出的二次信号同时连接到光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录波器上。 RTDS的跳合 闸信号通过 GTFPI 卡与光伏并网系统仿孤岛保护装置的跳合闸继电器以及故障录波器相 连接， 光伏并网系统仿孤岛保护装置输出的开关位置信号与 RTDS 仿真器相连接。 0007 所述功率放大器输

14、出的二次信号包括电压信号及电流信号， 经过功率放大器放大 后的电压和电流模拟量信号连接到光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录波装置的采样 说 明 书 CN 104111394 A 4 2/4 页 5 端子上。 0008 本发明测试平台连接如图 1 所示。 0009 本发明仿真模型如图 2 所示。仿真模型设置在 RTDS 仿真器内， 仿真模型包括 ： DC/ DC 直流变换、 DC/AC 直流 - 交流变换， 110kV 线路 L1， 35kV 线路 L2， 变压器 T35、 T110， 110kV 大电网系统S110， 断路器BRK1BRK10和光伏系统并网开关BRK1。 每一路的光伏电池均连

15、接 DC/DC 的输入端， DC/DC 的输出端连接 DC/AC 的输入端， DC/AC 的输出端通过断路器连接 T35 变压器的低压 (380 伏 ) 端， T35 变压器的高压 (35kV) 端通过断路器连接 T110 变压器 的低压 (35kV) 端， T110 变压器的高压 (110kV) 端通过断路器连接 110kV 大电网系统 S110。 仿真系统中间 DC/AC 输出端的 380 伏可直接接 380 伏负载 ； T35 变压器输出的 35kV 经断路 器也可接 35kV 的负载。 0010 本发明测试平台中， 光伏并网系统利用 RTDS/RSCAD 建模并仿真， 采用 V/Q 控

16、制模 型实现光伏并网控制。 所述V/Q控制模型由载波电路、 调制电路和比较器电路构成 ； 载波电 路和调制电路分别连接比较器电路的输入端， 比较器电路的输出端连接逆变器的控制端。 调制电路的输入端的一个端口连接直流母线， 从直流母线接入直流电压信号， 另一个端口 连接电网， 从电网接入无功信号。 0011 本发明测试仿真模型中， 设计了光伏列阵的MPPT控制模型， 光伏列阵的MPPT控制 模型由调制器电路、 载波发生器电路、 比较器电路和 DC-DC 电路构成 ； 调制器电路和载波发 生器电路分别接比较器电路的输入端， 比较器电路的输出端连接 DC-DC 电路 ； 光伏阵列端 电压通过 PI

17、调节器连接调制器电路的输入端。光伏列阵的 MPPT 控制模型采用 DC-DC 电路 来实现太阳能电池阵列 MPPT 控制， 它利用 PI 调节器来对开关管占空比 D 进行控制， 设置合 理的 PI 控制参数， 光伏阵列端电压采样信号与电压基准值比较， 误差经过 PI 调节器后， 得 到调制信号， 此信号即为DC-DC电路开关管占空比， 载波信号幅值设为01， 规定调制信号 大于或等于载波信号时， 开关管导通， 反之则关闭， 这样就保证了调制信号幅值就是开关管 占空比 D 值。 0012 本发明搭建的测试平台， 建立了适用于 35kV 及以下电压等级的装置测试的测试 仿真模型。 0013 本发明

18、的有益效果是 ： 光伏并网系统利用 RTDS/RSCAD 建模并仿真， 采用 V/Q 控制 模型实现光伏并网控制， 不需要采用锁相控制技术， 简化了控制系统设计， 能准确实现功率 因数可调， 控制效果好。 通过对光伏并网系统仿孤岛保护装置闭环各项测试， 进一步验证了 算法的实用性和装置的可靠性， 实验结论与理论判据一致。实验证明， 利用 RTDS 所建立的 光伏并网模型是可以应用于工程实际的， 能够满足光伏并网系统仿孤岛保护装置试验的要 求。 附图说明 0014 图 1 为测试平台构建示意图 ； 0015 图 2 为测试仿真模型示意图 ； 0016 图 3 为光伏阵列 MPPT 控制模型控制框

19、图 ； 0017 图 4 为 V/Q 控制模型电路框图。 说 明 书 CN 104111394 A 5 3/4 页 6 具体实施方式 0018 本发明的具体实施方式如图所示。 0019 本实施例通过建立测试平台， 搭建测试系统仿真模型来实现对光伏并网系统仿孤 岛保护装置的测试。 0020 利用该测试平台， 参数设置简单明了， 适用于 35kV 及以下电压等级的光伏并网系 统测试。 本次测试过程中， 模型以某光伏电站为依托， 将需要测试的仿孤岛保护装置串入测 试平台中， 形成一个模拟的仿真系统， 对装置进行离线的实时仿真测试。 0021 光伏并网系统防孤岛保护装置测试平台由试验模型工作站、 RT

20、DS 仿真器、 功率放 大器、 光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录波器连接构成。试验模型工作站通过以太网 与 RTDS 仿真器相连接， RTDS 输出的数字信号连接到功率放大器的输入端， 功率放大器输出 的二次信号同时连接到光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录波器上。 RTDS的跳合闸信号 通过 GTFPI 卡与光伏并网系统仿孤岛保护装置的跳合闸继电器以及故障录波器相连接， 光 伏并网系统仿孤岛保护装置输出的开关位置信号与 RTDS 仿真器相连接。 0022 所述功率放大器输出的二次信号包括电压信号及电流信号， 经过功率放大器放大 后的电压和电流模拟量信号连接到光伏并网系统仿孤岛保护装置及故障录

21、波装置的采样 端子上。 0023 测试过程中， 为检验光伏并网系统仿孤岛保护装置功能的准确性共设置以下几个 短路点 ： 图中 K1 K5 表示故障点， K1 为 110kV 线路远端故障， K2 为 110kV 线路近端故障， K3 为升压变低压侧 (35kV) 故障， K4 为 35kV 线路远端故障， K5 为 35kV 线路近端故障。 0024 为了提高太阳能利用效率， 在 STC 下， 应使太阳能电池阵列尽量工作在 MPP 处， 因 而要进一步对光伏阵列进行 MPPT 控制。由于本光伏并网系统是在 STC 下进行仿真， 采用恒 定电压法来跟踪光伏阵列 MPP， 既简单又实用。其 MPP

22、T 控制框图如图 3 所示。其中 ： UPV为 光伏阵列端电压值 ； Vref为光伏阵列端电压给定值。 0025 本实施例采用 DC-DC 电路来实现太阳能电池阵列 MPPT 控制， 它利用 PI 调节器来 对开关管占空比 D 进行控制， 设置合理的 PI 控制参数， 光伏阵列端电压采样信号与电压基 准值比较， 误差经过 PI 调节器后， 得到调制信号， 此信号即为 DC-DC 电路开关管占空比， 载 波信号幅值设为 0 1， 规定调制信号大于或等于载波信号时， 开关管导通， 反之则关闭， 这 样就保证了调制信号幅值就是开关管占空比 D 值。测试仿真模型中所用的载波发生器及比 较器均采用 RS

23、CAD 提供的小步长模型。PI 调节能够实现外电路等效电阻的自动寻优， 最终 使光伏阵列端电压稳定在给定值附近。若在光伏阵列功率突变的要求下， 可以改变参考电 压值， 实现功率调整， 此方法调节非常方便， 在 STC 下， 恒定电压跟踪法应用非常方便。 0026 本实施例专门设计采用 V/Q 控制模型， 应用正弦脉冲宽度调制 (SPWM) 原理很好 地实现了网侧功率因数的控制， 并保证了并网波形质量。最大的优点是消去了锁相控制技 术， 大大简化了控制系统。V/Q 控制框图如下图 4 所示。其中 ： V 为直流母线电压 ； Vref为直 流母线电压给定值 ； Q 为向电网输送的无功 ； Qref

24、为无功给定值 ； Angle 为正弦调制波相位 (rad) ； Mag 为正弦调制波幅值 ； 载波频率为 3kHz， 幅值范围为 1， 双极性调制。SPWM 调制波 频率采用电网频率 f， 保证了并网波形与电网同频的要求。 0027 模型中的光伏电站等值成 5 个相同容量的光伏发电模型。每个光伏阵列串联模块 数 Ns 200, 并联的模块数 NP 100， 每个模块中电池个数 Nc 36。在 STC 下， 单个模块的 说 明 书 CN 104111394 A 6 4/4 页 7 开路电压值为 Voc 21.7V， 光伏发电的理论计算 MPPT 处输出直流电压约为 3.4kV， 此值作 为 PI

25、 调节器的参考电压值 Vref。每个等值光伏阵列在 STC 下的最大功率约为 1MW。电网通 过接口变压器与 LC 滤波电路相连， 其中滤波电容器为连接方式， 接口变压器型号为 Yd11 型。 0028 图 2 中所示的光伏电池模块， 均采用本发明图 3 中的 V/Q 控制模型搭建， 共采用了 5 组光伏电池模型。该控制模型中 DC-DC 电路 PI 调节器参数设定为 ： 比例系数 Kp 0.5 ； 积分系数 Ki 10。DC-AC 电路中比例系数 Kp 0.2 ； 积分系数 Ki 10。 0029 通过上述理论在 RTDS 中搭建的光伏并网实验系统模型， 在孤岛防护装置闭环实 验中， 被试装

26、置在光伏并网的环境下可靠运行， 装置动作行为与理论判据一致， 同时也验证 了 RTDS 上所建立的光伏并网仿真模型能够适用于光伏并网装置试验。 0030 光伏并网系统利用 RTDS/RSCAD 建模并仿真， 采用 V/Q 控制模型实现光伏并网控 制， 不需要采用锁相控制技术， 简化了控制系统设计， 能准确实现功率因数可调， 控制效果 好。 通过孤岛防护装置闭环各项实验验证， 实验结果与设计思路一致， 验证了算法的实用性 和装置的可靠性， 实验结论与理论判据一致。因此， 利用 RTDS 所建立的光伏并网模型是可 以应用于工程实际的。 说 明 书 CN 104111394 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104111394 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104111394 A 9