基于阻抗扫描的新能源稳定性分析

以下文章来源于电气仿真技术，作者Aurora

一.介绍说明

随着新能源发展，多电力电子器件发电单元接入系统，给电网带来了宽频振荡风险，严重威胁电网的安全稳定。因换流器宽频振荡带来的巨大潜在风险已成为制约电网新能源高效消纳、新型电力系统建设的关键因素。

电力电子换流器设备存在运行工况复杂、拓扑多样、开关频率高，与弱电网宽频范围耦合机理复杂等特点。因换流器引发的次/超同步振荡问题越来越明显，频率可从数Hz到数千Hz呈现宽特性。

针对上述问题，采用基于控制器接入的半实物测试，是被普遍接受的一种测试方法。在半实物测试中，运用序阻抗扫描的方法，通过对新能源机组设备进行频率扫描，获得设备幅频和相频特性数据或Nyquist曲线，从而判断设备接入电网后是否存在某频率附件是否存在振荡或失稳风险，是目前被广泛认可的测试手段。

序阻抗测试一般是通过在机组并网点(PCC)注入一定大小、频率变化的电压或电流小信号，同时采集系统响应后并网点的电压、电流信号数据，通过傅里叶变换等手段，得到系统各频率段下的阻抗曲线和对应相角曲线，结合接入点系统阻抗或一些规定要求的裕度范围，从而判断新能源机组在某一系统下运行是否存在运行震荡、失稳风险或满足设计要求。

在进行测试时，一般通过在被测点按频率顺序注入不同频率的正弦波信号，通过V/I得到系统各频率下阻抗值和相角，注入方法如下示意图所示：

电压源信号注入

电流源信号注入

二. Z-View阻抗分析套件

Z-View阻抗分析套件是基于半实物开发的配套模块，包括小信号注入模块和Z-View数据分析工具。

1.小信号注入模块

小信号注入模块包括控制模块和信号发生模块两部分，支持定步长及代码生成，小信号注入模块完全开发，可根据需求进行二次开发调整，模块紧凑简洁，生成代码资源占用极少。

小信号注入模块

1.1 控制模块

控制模块可以设置基波电压值、所注入小信号电压占基波电压百分比，正负序注入信号选择以及使能，该模块及参数允许在模型运行中修改。

小信号注入控制模块

1.2 信号发生模块

信号发生模块主要设置不同的频率段范围、频率变化间隔及频段持续时间，共分为5个频率段，一般模型运行前设置，运行过程中无需修改。常用的一般可以分为按照固定时间注入和按照固定周期注入两种方式，目前普遍采用按照固定时间注入方式，此种方式虽然数据量较大，时间较长，但容易分析;采用固定周期数注入方式数据量小，耗时短，但难以获得满意的结果。

与Z-View分析工具对应的仍然采用基于固定时间注入方式，模块设置界面如下：

小信号注入信号发生模块

1.3 模块使用方法举例

根据上述模块描述，在使用时，只需将模块输出的Vabc端口与受控电压源或受控电流源连接即可，通常采用受控电流源的方式。

模块使用示例

2. Z-View阻抗数据分析工具

该套件分为三个界面：三端口(三相)设备阻抗绘制、单端口(单相/直流)设备阻抗绘制、恒定RLC阻抗(系统阻抗)绘图界面。

软件工具界面

2.1 三端口(三相)设备阻抗绘制

用于ABC三相系统阻抗扫描数据分析。主要包含注入信号设置板块和分析参数设置板块。

2.1.1 注入信号设置

用于设置所注入的小信号的频率范围、频点间隔、持续时间信息，主要是用于分析时，数据的切割;此设置需要与上述小信号注入模块设置保持完全一致。

小信号注入模块设置

2.1.2 分析参数设置

(1)是否为小数频次(精度0.1)：只有频段1支持小数频率，频率设置精度为0.1Hz，当为小数时，持续时间至少为10s，鉴于此时数据量会比较大，因此，记录数据时，可适当设置选择采用10k采样频率;

(2)电流方向(1 or -1)：电流流向电网方向为正，当电流数据为正向时，设为1，当电流为反向时，设置-1;

(3)信号采样采样周期：根据信号数据实采样际情况进行设置;

(4)耦合方式：正序、负序等，一般常用正序-正序，代表正序注入，分析正序阻抗;负序-负序，代表负序注入，分析负序阻抗;

(5)阻抗分析、导纳分析、实部/虚部分析、Nyquist分析：阻抗分析是其他分析的数据基础，因此，在进行其他分析时，必须先进行阻抗分析。

如果选中阻抗分析下的系统阻抗绘制，则绘图时会将恒定RLC阻抗(系统阻抗)绘图界面中的恒定阻抗曲线与装置阻抗绘制到同一视图中。

2.2 单端口(单相/直流)设备阻抗绘制

单端口(单相/直流)设备阻抗绘制

原则上该界面主要用于单相系统阻抗或直流系统阻抗扫描数据分析，由于与三相系统基本类似，为节省代码量，暂不支持，如果需要分析，可以将BC相电压、电流数据补0处理。

2.3 恒定RLC阻抗(系统阻抗)绘图

用于RLC固定参数阻抗曲线绘制，目前仅限RL参数曲线绘制，C参数暂时不起作用。

恒定RLC阻抗(系统阻抗)绘制界面

三.案例结果简析

搭建基于PQ控制的储能跟网并网模型，设置模型定步长50us，其中电源部分采用理想电源，小信号注入幅值为额定电压的3%。

储能跟网模型

5个频段小信号设置如下图所示，虽然信号频段设置范围为2-5000Hz，但在50us步长下，考虑精确性，建议分析到1000Hz左右为宜。

小信号设置

储能单机模型额定电压800V，额定功率180kW，直流侧电压1500V;控制采用基于正负序分离控制，并兼具高低穿功能。

控制模型

进行正序小信号注入，并记录正序激励下的各曲线，结果如下：

阻抗分析曲线

导纳分析曲线

实部虚部分析曲线

Nyquist分析曲线

通过仿真结果可以看出，Z-View阻抗分析套件完全可以满足当前主流模型或半实物扫频及数据结果分析的需求。