CN104917459B - 一种光伏发电的低电压穿越测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏发电的低电压穿越测试系统及方法，该系统包括依次连接的电网、升压站、电站输出汇总点开关和光伏电站输出汇总点，以及分别与光伏电站输出汇总点连接的模拟电网和被测光伏发电装置，所述的升压站内设有升压站变压器，所述的模拟电网包括一个或多个并联的电网模拟单元，所述的电网模拟单元和被测光伏发电装置均包括依次连接的光伏阵列、网侧变流器、LC滤波器、升压变压器和并网开关，所述的并网开关与光伏电站输出汇总点连接。与现有技术相比，本发明具有实现简单、测试成本低、测试条件灵活可设、测试过程不影响电网安全运行等优点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电测试领域，尤其是涉及一种光伏发电的低电压穿越测试系统及方法。
背景技术
经过近年来的不断发展，光伏发电已成为人类解决能源危机与环境问题的重要手段。随着越来越多的光伏发电系统接入电网，为保证电力系统安全稳定运行，世界各国均制订出相应标准要求所有大中型并网光伏发电系统具备低电压穿越能力，即在电网故障时保持不脱网运行并在故障切除后迅速恢复正常。
低电压穿越测试是验证光伏发电系统关键性能的重要实验，目前所有大中型光伏发电系统必须经过相关机构对低电压穿越功能进行测试认证，光伏发电系统低电压穿越测试的基本原理是将被测系统与模拟电源相连接(其中模拟电源模拟电网运行)，通过模拟电源人为产生故障条件对光伏发电系统的低电压穿越性能进行测试。为模拟电网故障，目前的测试方法主要包括：变压器模拟、阻抗模拟以及变流器模拟三种方法，其中阻抗模拟法是目前广泛采用的低电压穿越测试技术。以现场测试为例，现有的车载移动式测试系统将一系列阻抗构成的故障模拟装置装载在卡车上，现场测试时驱车前往光伏电站现场，然后将阻抗式故障模拟器串联在电网和光伏电站并网点之间，通过配置各相阻抗的大小模拟各类不同严重程度的电网故障完成被测光伏发电系统的低电压穿越测试。
现有技术存在测试设备成本高、运输与安装较复杂、测试过程可能威胁电网安全等不足，因此实际工程中需要更为简便、经济以及安全的光伏发电系统低电压穿越测试技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光伏发电的低电压穿越测试系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光伏发电的低电压穿越测试系统，该系统包括依次连接的电网、升压站、电站输出汇总点开关和光伏电站输出汇总点，以及分别与光伏电站输出汇总点连接的模拟电网和被测光伏发电装置，所述的升压站内设有升压站变压器，所述的模拟电网包括一个或多个并联的电网模拟单元，所述的电网模拟单元和被测光伏发电装置均包括光伏阵列和光伏并网逆变器，所述的光伏电站输出汇总点、光伏并网逆变器和光伏阵列依次连接。
所述的光伏并网逆变器为隔离型光伏并网逆变器或非隔离型光伏并网逆变器，当光伏并网逆变器为隔离型光伏并网逆变器时，所述的光伏并网逆变器包括依次连接的网侧变流器、LC滤波器、升压变压器和并网开关，当光伏并网逆变器为非隔离型光伏并网逆变器时，所述的光伏并网逆变器包括依次连接的网侧变流器、LC滤波器和并网开关，所述的并网开关与光伏电站输出汇总点连接，所述的网侧变流器与光伏阵列连接。
所述的电网模拟单元的光伏阵列和网侧变流器之间的直流母线上并联设有直流母线电容和外置crowbar电路，所述的被测光伏发电装置的光伏阵列和网侧变流器之间的直流母线上并联设有直流母线电容，所述的外置crowbar电路包括相互连接的投切开关和crowbar电阻，所述的投切开关和crowbar电阻分别与直流母线连接。
一种光伏发电的低电压穿越测试方法，包括以下步骤：
1)测试准备；
2)启动电网模拟单元；
3)启动被测光伏发电装置，包括以下步骤：
31)启动被测光伏发电装置的光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
32)通过被测光伏发电装置网侧变流器控制直流母线电压，实现最大功率点跟踪运行；
33)投入各电网模拟单元的外置crowbar电路消耗被测光伏发电装置输出的有功功率，将电网模拟单元的直流母线电压控制在一定限值；
4)进行低电压穿越测试，包括以下步骤：
41)电网模拟单元模拟电网故障运行产生故障电压，电网故障包括三相对地故障、单相对地故障和相间故障；
42)被测光伏发电装置进入低电压穿越运行状态；
43)电网模拟单元恢复电网电压正常运行；
44)被测光伏发电装置恢复正常运行；
45)低电压穿越测试结束；
5)完成测试并安全停机。
所述的步骤1)具体包括以下步骤：
11)根据被测光伏发电装置的容量和光伏电站的实际条件，确定电网模拟单元并联组数，所述的电网模拟单元并联组数符合以下条件：
∑Pgrid(n)≥PTest_max(n＝1,2,…Ng)
其中Ng为电网模拟单元并联组数，PTest_max为被测光伏发电装置最大输出功率，Pgrid(n)为第n台电网模拟单元的额定功率；
12)配置电网模拟单元外置crowbar电路的额定容量：
电网模拟单元通过装设外置crowbar电路以满足测试过程中能量泄放的要求，第n台外置crowbar电路的额定容量Ecrowbar(n)满足以下条件：
Ecrowbar(n)≥k(n)×ETest_max+Egrid(n)
k(n)＝Pgrid(n)/∑Pgrid(n)(n＝1,2,…Ng)
Egrid(n)＝Pgrid(n)×Ttest
ETest_max＝PTest_max×Ttest；
其中，Ecrowbar(n)为第n台电网模拟单元外置crowbar电路的额定容量，ETest_max为被测光伏发电装置最大输出能量，Egrid(n)为第n台电网模拟单元的输出能量，Pgrid(n)为第n台电网模拟单元的额定功率，PTest_max为被测光伏发电装置最大输出功率，Ttest为测试过程总时间，k(n)为第n台电网模拟单元额定容量占模拟电网总容量的比例系数；
13)确定被测光伏发电系统测试运行工作点，包括直流母线电压、有功功率和无功功率。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)启动首台电网模拟单元，其网侧变流器按电网正常运行条件模拟产生电网电压，包括以下步骤：
211)启动第一台电网模拟单元的光伏阵列并将直流母线电容预充电；
212)确定光伏电站并网点位置及网络等效阻抗；
213)根据光伏电站并网点位置和网络等效阻抗确定补偿阻抗，并控制第一台电网模拟单元网侧变流器使电网电压达到给定值，第一台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量Vgc(1)为：
Vgc(1)＝Vg_ref(1)+Igc_meas(1)×ZV(1)
ZV(1)＝ZG_eq-(ZT_MV(1)+ZF(1))；
其中：Vgc(1)为第一台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(1)为第一台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(1)为测量得到的第一台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(1)为第一台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(1)为第一台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(1)为零，ZF_L(1)为第一台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗；
22)依次启动和并联其余电网模拟单元。
所述的步骤212)中的光伏电站并网点位置在实际系统中可分为两种情况：
(1)对于有升压站的光伏电站，光伏电站并网点是升压站变压器高压侧母线或节点，此时光伏电站网络等效阻抗ZG_eq＝ZT_HV，其中ZT_HV是升压站变压器的短路阻抗；
(2)对于无升压站的光伏电站，并网点是光伏电站的输出汇总点，此时的光伏电站网络等效阻抗ZG_eq＝0，为防止等效阻抗过小引起电网模拟单元间出现环流振荡，应增加正电阻阻尼使ZG_eq＝Rdamp，Rdamp为正电阻阻尼。
所述的步骤22)具体包括以下步骤：
221)启动第n台电网模拟单元光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
222)测量光伏电站输出汇总点电压相位作为待投入的第n台电网模拟单元输出电压指令Vg_ref(n)的初始相位θ0(n)，第n台电网模拟单元输出电压指令Vg_ref(n)的计算式为：
Vgc(n)＝Vg_ref(n)+Igc_meas(n)×ZV(n)
ZV(n)＝ZG_eq-(ZT_MV(n)+ZF(n))；
其中：Vgc(n)为第n台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(n)为第n台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(n)为第n台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(n)为第n台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(n)为零，ZF(n)为第n台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗；
223)投入第n台电网模拟单元并联接入光伏电站输出汇总点；
224)通过锁相跟踪器闭环调节网侧变流器的电压指令相位，进一步减小并消除各并联电网模拟单元之间的环流；
225)当环流减小到一定限值时锁相跟踪同步阶段结束，将此时的相位信息确定为该电网模拟单元的电压初始相位并在后续运行过程中保持不变；
226)重复步骤221)至步骤225)，将其余未并联的电网模拟单元并联入网。
所述的步骤41)中的电网模拟单元的故障电压产生方式分为两种：
(1)在有升压站的情况下，电网模拟单元采用阻抗补偿的方法产生故障电压；
(2)在无升压站的情况下，电网模拟单元由正常运行时的阻抗补偿法切换到滞环比较法产生故障电压，滞环比较法的并网点电压Vpcc_est的计算式为：
Vpcc_est＝Vg_meas(n)+Ig_est(n)×ZT_MV(n)
Ig_est(n)＝Vg_meas(n)/ZF_C(n)+Igc_meas(n)；
其中：Ig_est(n)为从并网点流入第n台电网模拟单元的电流空间矢量估算值，Igc_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，Vg_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元升压变压器低压侧电压的空间矢量，ZF_C(n)为第n台电网模拟单元的LC滤波器的电容容抗，Vpcc_est为计算得到的并网点电压的空间矢量，ZT_MV(n)为第n台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(n)为零。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、实现简单、测试成本低：本发明利用测试现场现成的光伏发电系统构成测试系统，无需或仅需少量硬件修改并通过适当控制完成测试，大大减少了测试设备及其运输成本。
二、测试条件灵活可设：本发明通过变流器控制模拟电网故障，能方便地按测试要求任意设定测试条件，包括故障前被测光伏发电装置的有功(最大功率点跟踪)与无功运行工作点、光伏电站网络阻抗、电网故障类型及严重程度。
三、测试过程不影响电网安全运行：本发明利用光伏发电系统自身发电构成孤立电网完成测试实验，测试系统无需与电网相连接，保障了电网安全。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
其中，1、光伏阵列，2、直流母线电容，3、外置crowbar电路，4、网侧变流器，5、LC滤波器，6、升压变压器，7、光伏发电系统并网开关，8、光伏电站输出汇总点，9、电站输出汇总点开关，10、升压站变压器，11、被测光伏发电装置，12、电网模拟单元，13、模拟电网，14、电压测量点，15、电流测量点，16、升压站，17、光伏并网逆变器。
图2是本发明的方法流程图。
图3是光伏电站单相对地故障零电压穿越测试过程的仿真结果图，其中，(3a)为光伏电站并网点相电压Vpcc的波形图，(3b)为测量得到的第1台电网模拟单元升压变压器低压侧相电压Vg_meas(1)的波形图，(3c)为测量得到的第1台电网模拟单元网侧变流器输入相电流Igc_meas(1)的波形图，(3d)为第1台电网模拟单元直流母线电压Vdc的波形图，(3e)为第1台电网模拟单元网侧变流器输出有功和无功功率PQgc的波形图，(3f)为第1台电网模拟单元crowbar电流icrowbar的波形图，(3g)为测量得到的被测光伏发电装置升压变压器低压侧相电压Vg_test的波形图，(3h)为测量得到的被测光伏发电装置变流器输入相电流Igc_test的波形图，(3i)为被测光伏发电装置直流母线电压Vdc的波形图，(3j)为被测光伏发电装置网侧变流器输出有功和无功功率PQgc的波形图。
图4是单相对地故障条件下零电压穿越测试仿真结果的放大图，其中，(4a)为故障前光伏电站并网点电压Vpcc的波形图，(4b)为故障后光伏电站并网点电压Vpcc的波形图，(4c)为故障前测量得到的第1台电网模拟单元升压变压器低压侧相电压Vg_meas(1)的波形图，(4d)为故障后测量得到的第1台电网模拟单元升压变压器低压侧相电压Vg_meas(1)的波形图，(4e)为故障前测量得到的第1台电网模拟单元网侧变流器输入相电流Igc_meas(1)的波形图，(4f)为故障后测量得到的第1台电网模拟单元网侧变流器输入相电流Igc_meas(1)的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，现场测试系统由模拟电网13和被测光伏发电装置11两部分组成，模拟电网13包括2台并联的电网模拟单元12，电网模拟单元12和被测光伏发电装置11均包括依次连接的光伏阵列1、网侧变流器4、LC滤波器5、升压变压器6和光伏发电系统并网开关7，电网模拟单元12的光伏阵列1和网侧变流器4之间的直流母线上并联设有直流母线电容2和外置crowbar电路3，外置crowbar电路3包括投切开关和crowbar电阻。被测光伏发电装置11的光伏阵列1和网侧变流器4之间的直流母线上并联设有直流母线电容2，在升压变压器6的低压侧设有电压测量点14，在网侧变流器4的电网侧设有电流测量点15，在光伏电站输出汇总点8的电网侧设有电站输出汇总点开关9和升压站16，升压站16内设有升压站变压器10。
本实施例中被测光伏发电装置和2台电网模拟单元均为同一光伏电站中相同规格的光伏发电系统，它们的基本数据和具体参数如表1所示。本实施例中光伏电站中无升压站，低电压穿越测试条件为单相对地故障，并网点故障相电压为0pu。
表1光伏发电系统的基本数据与参数
如图2所示，一种光伏发电系统低电压穿越测试系统的测试方法，包括以下步骤：
1)测试准备，具体包括以下步骤：
11)根据被测光伏发电装置容量及光伏电站实际条件，确定电网模拟单元并联组数。本实施例中被测光伏发电装置为500kW，为保证测试安全采用两台500kW光伏发电系统作为电网模拟单元，并联组数Ng＝2。
12)配置电网模拟单元的外置crowbar电路，电网模拟单元的外置crowbar电路额定容量配置方法如下：
电网模拟单元通过装设外置crowbar电路满足泄能要求，第n台外置crowbar电路额定容量Ecrowbar(n)应满足：
Ecrowbar(n)≥k(n)×ETest_max+Egrid(n)
k(n)＝Pgrid(n)/∑Pgrid(n)(n＝1,…Ng)
Egrid(n)＝Pgrid(n)×Ttest
ETest_max＝PTest_max×Ttest；
其中，Ecrowbar(n)为第n台电网模拟单元外置crowbar电路的额定容量，ETest_max为被测光伏发电装置最大输出能量，Egrid(n)为第n台电网模拟单元的输出能量，Pgrid(n)为第n台电网模拟单元的额定功率，PTest_max为被测光伏发电装置最大输出功率，Ttest为测试过程总时间，Ng为电网模拟单元并联组数，k(n)为第n台电网模拟单元额定容量占模拟电网总容量的比例系数。本实施例中2台电网模拟单元额定功率均为500kW，故k(1)＝k(2)＝0.5，测试时间Ttest＝1.5s，则Ecrowbar(n)≥0.5×500kW×1.5s+500kW×1.5s＝1125kJ，考虑一定的裕量，取2台电网模拟单元的外置crowbar额定容量均为1200kJ；
由于光伏阵列无法消耗从被测光伏发电装置11馈入的能量，因此光伏发电低电压穿越测试时必需外接crowbar电路。全功率变流器风电机组可通过控制将电能转换为机械能消耗掉，因此低电压穿越测试时无需外接crowbar电路。此外，由于需要同时消耗被测光伏发电装置与自身光伏阵列产生的能量，光伏系统外接crowbar容量的标幺值要比采用Boost变流器的风电机组的crowbar大一些。
13)确定被测光伏发电装置测试运行工作点，包括直流母线电压、有功功率和无功功率。本实施例中直流母线额定电压为820V，正常运行时有功功率按最大功率跟踪特性控制(本例中给定为1pu)，无功功率给定为0pu，故障运行时有功电流给定为0pu，无功电流根据故障电压跌落深度给定为1.05pu；
2)启动电网模拟单元，具体包括以下步骤：
21)启动第1台电网模拟单元，其网侧变流器按电网正常运行条件模拟产生电网电压，具体包括以下步骤：
211)启动第1台电网模拟单元光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
212)确定光伏电站并网点位置及网络等效阻抗，本实施例中光伏电站无升压站，并网点就是光伏电站的输出汇总点。为防止光伏电站网络等效阻抗ZG_eq过小引起电网模拟单元间环流振荡，人为增加正电阻阻尼使ZG_eq＝Rdamp＝0.05pu；
213)根据并网点位置和光伏电站网络等效阻抗确定补偿阻抗，并按以下公式控制第1台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量Vgc(1)：
Vgc(1)＝Vg_ref(1)+Igc_meas(1)×ZV(1)
ZV(1)＝ZG_eq-(ZT_MV(1)+ZF(1))；
其中：Vgc(1)为第1台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(1)为第1台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(1)为测量得到的第1台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(1)为第1台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(1)为第1台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，ZF_L(1)为第1台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗。本实施例中Ng＝2，ZG_eq＝0.05pu，ZT_MV(1)＝0.002+j0.06pu，ZF(1)＝j0.3663pu。正常运行时电压指令Vg_ref(1)等于光伏电站并网点额定电压，而在故障过程中电压指令Vg_ref(1)应根据模拟故障的类型与程度进行设定。
22)依次启动和并联其它电网模拟单元，具体包括以下步骤：
221)启动待投入的第2台电网模拟单元光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
222)测量光伏电站输出汇总点电压相位作为待投入的第2台电网模拟单元输出电压指令Vg_ref(2)的初始相位θ0(2)，待投入的第2台电网模拟单元网侧变流器输出电压指令Vg_ref(2)可由以下公式确定：
Vgc(2)＝Vg_ref(2)+Igc_meas(2)×ZV(2)
ZV(2)＝ZG_eq-(ZT_MV(2)+ZF(2))；
其中：Vgc(2)为第2台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(2)为第2台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(2)为测量得到的第2台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(2)为第2台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(2)为第2台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，ZF_L(2)为第2台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗。本实施例中Ng＝2，ZG_eq＝0.05pu，ZT_MV(2)＝0.002+j0.06pu，ZF(2)＝j0.3663pu。正常运行时电压指令Vg_ref(2)等于光伏电站并网点额定电压，而在故障过程中电压指令Vg_ref(2)应根据模拟故障的类型与程度进行设定。
223)投入第2台电网模拟单元并联接入光伏电站输出汇总点；
224)通过锁相跟踪器闭环调节网侧变流器的电压指令相位，进一步减小并消除各并联变流器之间的环流；
225)当环流减小到一定限值(本实施例取0.02pu)时锁相跟踪同步阶段结束，将此时的相位信息确定为该电网模拟单元的电压初始相位并在后续运行过程中保持不变；
光伏阵列的启动方法与风电机组的启动方法有所不同，光伏系统启动时光伏阵列在阳光照射下产生直流电压为直流母线电容预充电，而风电机组启动时，风机首先通过变桨控制旋转起来，然后通过控制网侧变流器为直流母线电容建压。
3)启动被测光伏发电装置，具体包括以下步骤：
31)启动被测光伏发电装置的光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
32)通过被测光伏发电装置网侧变流器控制直流母线电压，实现最大功率点跟踪运行；
33)投入各电网模拟单元的外置crowbar电路消耗被测光伏发电装置输出的有功功率，将电网模拟单元的直流母线电压控制在一定限值(本实施例取850V)。
4)进行低电压穿越测试，具体包括以下步骤：
41)电网模拟单元模拟电网故障运行产生故障电压，由于国标对故障电压的要求不同，光伏发电系统要求有零电压，而风电只要求最低为0.2pu，本实施例中电网故障为单相对地故障，对应无升压站的情况。低电压穿越测试时电网模拟单元由正常运行时的阻抗补偿法切换到滞环比较法产生故障电压。滞环比较法利用滞环特性，在适当环宽(本实施例取±0.08pu)条件下将故障电压指令与并网点电压进行比较产生PWM脉冲控制电网模拟单元的网侧变流器。故障电压指令由模拟故障的类型与程度确定，而用于滞环比较的并网点电压可由以下公式计算得到：
Ig_est(n)＝Vg_meas(n)/ZF_C(n)+Igc_meas(n)
Vpcc_est＝Vg_meas(n)+Ig_est(n)×ZT_MV(n)；
其中：Ig_est(n)为从并网点流入第n台电网模拟单元的电流空间矢量估算值，Igc_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，Vg_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元升压变压器低压侧电压的空间矢量，ZF_C(n)为第n台电网模拟单元的LC滤波器的电容容抗，Vpcc_est为计算得到的并网点电压的空间矢量，ZT_MV(n)为第n台电网模拟单元升压变压器短路阻抗。本实施例中ZF_C(n)＝-j36.39pu，ZT_MV(n)＝0.002+j0.06pu，n＝1，2。
42)被测光伏发电装置进入低电压穿越运行状态；
43)电网模拟单元恢复电网电压正常运行；
44)被测光伏发电装置恢复正常运行；
45)低电压穿越测试结束。
5)测试结束后依次关闭被测光伏发电装置和各电网模拟单元实现安全停机，光伏系统停机时将依次关闭被测光伏发电装置与电网模拟单元，关闭过程中，应先闭锁网侧逆变器，然后断开并网开关。与此不同，风电机组停机过程包含电气停机与机械停机两个部分，电气停机时首先闭锁风电变流器，然后断开并网开关。接下来，通过空气动力刹车与机械刹车完成机械停机。
500kW光伏发电系统单相对地故障零电压穿越测试过程仿真结果如图3与图4所示，测试时序在表2中列出。测试过程中，首先电网模拟单元依次启动，然后并联构成模拟电网为被测光伏发电装置提供电网电压；接下来，被测光伏发电装置启动并接入模拟电网发电；电网故障从t＝2.5s开始并持续625ms，故障过程中被测光伏发电装置输出感性无功电流(此例为1.05pu)为电网故障电压提供支持；t＝3.125s故障切除，被测光伏发电装置快速恢复到故障前功率状态正常运行；测试过程于t＝3.5s结束，此后被测光伏发电装置和各台电网模拟单元立刻进入安全停机流程。
从图(3a)可以看出，测试过程中通过控制电网模拟单元，光伏电站并网点电压迅速下降到零，实现电网零电压故障模拟。从图(3b)可以看出，由于升压变压器连接组别为Dy11，电压测量点电压和并网点电压之间存在一定的幅值与相角差异。从图(3c)可以看出，测试过程中两台电网模拟单元能够实现均流运行。从图(3d)可以看出，crowbar电路可以很好地稳定直流母线电压，防止电压过冲。从图(3e)可以看出，电网模拟单元在故障前馈入有功功率而在故障时输入感性无功。从图(3f)可以看出，crowbar电路应在被测光伏发电装置发电时投入工作。从图(3g)可以看出，由于升压变压器连接组别为Dy11，电压测量点电压和并网点电压之间存在一定的幅值与相角差异。从图(3h)可以看出，根据国家标准的要求，被测光伏发电装置在电网单相对地故障期间发出1.05pu的感性无功电流，以支持电网故障运行。从图(3i)可以看出，测试过程中，被测光伏发电装置的直流母线电压被有效控制在额定值附近。从图(3j)可以看出，被测光伏发电装置在正常运行时输出有功功率，而在故障时输出无功功率，帮助电网电压恢复。从图(4a)(4b)可以看出，在电网模拟单元的作用下，并网点电压A相电压迅速下降到零(下降时间小于2ms)，实现单相接地故障模拟。从图(4c)(4d)可以看出，电压测量点电压与并网点电压存在一定的幅值与相角差异。从图(4e)(4f)可以看出，两台电网模拟单元在故障时实现均流，各自分配0.525pu的无功电流。
仿真结果表明本发明提出的系统和方法能够在光伏电站现场迅速、安全地完成低电压穿越测试。表2为低电压穿越测试过程时序表：
表2低电压穿越测试过程时序表
Claims (7)
1.一种应用光伏发电的低电压穿越测试系统的测试方法，该系统包括依次连接的电网、升压站(16)、电站输出汇总点开关(9)和光伏电站输出汇总点(8)，以及分别与光伏电站输出汇总点(8)连接的模拟电网(13)和被测光伏发电装置(11)，所述的升压站(16)内设有升压站变压器(10)，所述的模拟电网(13)包括一个或多个并联的电网模拟单元(12)，所述的电网模拟单元(12)和被测光伏发电装置(11)均包括光伏阵列(1)和光伏并网逆变器(17)，所述的光伏电站输出汇总点(8)、光伏并网逆变器(17)和光伏阵列(1)依次连接，其特征在于，包括以下步骤：
1)测试准备，具体包括以下步骤：
11)根据被测光伏发电装置的容量和光伏电站的实际条件，确定电网模拟单元并联组数，所述的电网模拟单元并联组数符合以下条件：
∑Pgrid(n)≥PTest_max(n＝1,2,…Ng)
其中Ng为电网模拟单元并联组数，PTest_max为被测光伏发电装置最大输出功率，Pgrid(n)为第n台电网模拟单元的额定功率；
12)配置电网模拟单元外置crowbar电路的额定容量：
电网模拟单元通过装设外置crowbar电路以满足测试过程中能量泄放的要求，第n台外置crowbar电路的额定容量Ecrowbar(n)满足以下条件：
Ecrowbar(n)≥k(n)×ETest_max+Egrid(n)
k(n)＝Pgrid(n)/∑Pgrid(n)(n＝1,2,…Ng)
Egrid(n)＝Pgrid(n)×Ttest
ETest_max＝PTest_max×Ttest；
其中，Ecrowbar(n)为第n台电网模拟单元外置crowbar电路的额定容量，ETest_max为被测光伏发电装置最大输出能量，Egrid(n)为第n台电网模拟单元的输出能量，Pgrid(n)为第n台电网模拟单元的额定功率，PTest_max为被测光伏发电装置最大输出功率，Ttest为测试过程总时间，k(n)为第n台电网模拟单元额定容量占模拟电网总容量的比例系数；
13)确定被测光伏发电系统测试运行工作点，包括直流母线电压、有功功率和无功功率；
2)启动电网模拟单元；
3)启动被测光伏发电装置，包括以下步骤：
31)启动被测光伏发电装置的光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
32)通过被测光伏发电装置网侧变流器控制直流母线电压，实现最大功率点跟踪运行；
33)投入各电网模拟单元的外置crowbar电路消耗被测光伏发电装置输出的有功功率，将电网模拟单元的直流母线电压控制在一定限值；
4)进行低电压穿越测试，包括以下步骤：
41)电网模拟单元模拟电网故障运行产生故障电压，电网故障包括三相对地故障、单相对地故障和相间故障；
42)被测光伏发电装置进入低电压穿越运行状态；
43)电网模拟单元恢复电网电压正常运行；
44)被测光伏发电装置恢复正常运行；
45)低电压穿越测试结束；
5)完成测试并安全停机。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的光伏并网逆变器(17)为隔离型光伏并网逆变器或非隔离型光伏并网逆变器，当光伏并网逆变器(17)为隔离型光伏并网逆变器时，所述的光伏并网逆变器(17)包括依次连接的网侧变流器(4)、LC滤波器(5)、升压变压器(6)和并网开关(7)，当光伏并网逆变器(17)为非隔离型光伏并网逆变器时，所述的光伏并网逆变器(17)包括依次连接的网侧变流器(4)、LC滤波器(5)和并网开关(7)，所述的并网开关(7)与光伏电站输出汇总点(8)连接，所述的网侧变流器(4)与光伏阵列(1)连接。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述的电网模拟单元(12)的光伏阵列(1)和网侧变流器(4)之间的直流母线上并联设有直流母线电容(2)和外置crowbar电路(3)，所述的被测光伏发电装置(11)的光伏阵列(1)和网侧变流器(4)之间的直流母线上并联设有直流母线电容(2)，所述的外置crowbar电路包括相互连接的投切开关和crowbar电阻，所述的投切开关和crowbar电阻分别与直流母线连接。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)启动首台电网模拟单元，其网侧变流器按电网正常运行条件模拟产生电网电压，包括以下步骤：
211)启动第一台电网模拟单元的光伏阵列并将直流母线电容预充电；
212)确定光伏电站并网点位置及网络等效阻抗；
213)根据光伏电站并网点位置和网络等效阻抗确定补偿阻抗，并控制第一台电网模拟单元网侧变流器使电网电压达到给定值，第一台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量Vgc(1)为：
Vgc(1)＝Vg_ref(1)+Igc_meas(1)×ZV(1)
ZV(1)＝ZG_eq-(ZT_MV(1)+ZF(1))；
其中：Vgc(1)为第一台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(1)为第一台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(1)为测量得到的第一台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(1)为第一台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(1)为第一台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(1)为零，ZF_L(1)为第一台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗；
22)依次启动和并联其余电网模拟单元。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤212)中的光伏电站并网点位置在实际系统中可分为两种情况：
(1)对于有升压站的光伏电站，光伏电站并网点是升压站变压器高压侧母线或节点，此时光伏电站网络等效阻抗ZG_eq＝ZT_HV，其中ZT_HV是升压站变压器的短路阻抗；
(2)对于无升压站的光伏电站，并网点是光伏电站的输出汇总点，此时的光伏电站网络等效阻抗ZG_eq＝0，为防止等效阻抗过小引起电网模拟单元间出现环流振荡，应增加正电阻阻尼使ZG_eq＝Rdamp，Rdamp为正电阻阻尼。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤22)具体包括以下步骤：
221)启动第n台电网模拟单元光伏阵列并完成直流母线电容预充电；
222)测量光伏电站输出汇总点电压相位作为待投入的第n台电网模拟单元输出电压指令Vg_ref(n)的初始相位θ0(n)，第n台电网模拟单元输出电压指令Vg_ref(n)的计算式为：
Vgc(n)＝Vg_ref(n)+Igc_meas(n)×ZV(n)
ZV(n)＝ZG_eq-(ZT_MV(n)+ZF(n))；
其中：Vgc(n)为第n台电网模拟单元网侧变流器输出电压的空间矢量，Vg_ref(n)为第n台电网模拟单元输出电压指令的空间矢量，Igc_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，ZV(n)为第n台电网模拟单元的补偿阻抗，ZG_eq为光伏电站网络等效阻抗，ZT_MV(n)为第n台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(n)为零，ZF(n)为第n台电网模拟单元LC滤波器中电感L的阻抗；
223)投入第n台电网模拟单元并联接入光伏电站输出汇总点；
224)通过锁相跟踪器闭环调节网侧变流器的电压指令相位，进一步减小并消除各并联电网模拟单元之间的环流；
225)当环流减小到一定限值时锁相跟踪同步阶段结束，将此时的相位信息确定为该电网模拟单元的电压初始相位并在后续运行过程中保持不变；
226)重复步骤221)至步骤225)，将其余未并联的电网模拟单元并联入网。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤41)中的电网模拟单元的故障电压产生方式分为两种：
(1)在有升压站的情况下，电网模拟单元采用阻抗补偿的方法产生故障电压；
(2)在无升压站的情况下，电网模拟单元由正常运行时的阻抗补偿法切换到滞环比较法产生故障电压，滞环比较法的并网点电压Vpcc_est的计算式为：
Vpcc_est＝Vg_meas(n)+Ig_est(n)×ZT_MV(n)
Ig_est(n)＝Vg_meas(n)/ZF_C(n)+Igc_meas(n)；
其中：Ig_est(n)为从并网点流入第n台电网模拟单元的电流空间矢量估算值，Igc_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元网侧变流器输入电流的空间矢量，Vg_meas(n)为测量得到的第n台电网模拟单元升压变压器低压侧电压的空间矢量，ZF_C(n)为第n台电网模拟单元的LC滤波器的电容容抗，Vpcc_est为计算得到的并网点电压的空间矢量，ZT_MV(n)为第n台电网模拟单元升压变压器短路阻抗，对于非隔离型光伏并网逆变器ZT_MV(n)为零。
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