CN105633958A - 一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置，该方法包括获取电网正序同步相角和电网负序相角；计算注入电流指令；计算该光伏发电系统的运行特性指标；该装置包括矢量变换模块、正负双序全数字锁相环、电流计算模块和动态特性分析模块。与现有技术相比，本发明提供的一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置，具有正/负序解耦闭锁功能，可以在严重故障下进行正/负序闭锁，反映惯量增大效应，也可以更全面的获取电网对称/不对称故障时光伏发电系统的动态特性。

Description

一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种光伏发电系统动态特性获取方法。

背景技术

随着光伏发电接入电网的规模不断增大，其对电网的影响得到了广泛关注和研究。近来，光伏发电技术发展的主要动向之一是对光伏发电系统整体运行特性的研究，其重点已经从正常电网条件下的运行特性研究转向了电网故障条件下的不脱网或穿越运行特性研究。目前，国内外基于光伏发电系统运行特性研究，提出了多个适用于电网仿真分析的动态模型。例如：国外，WECC可再生能源建模工作组研究建立了两种通用的光伏发电系统正序动态模型；GE公司发布了针对其系列光伏发电系统产品的稳定分析用模型；国内，国家标准“GB/T光伏发电系统建模导则”提出了光伏发电站计算模型。

上述这些光伏发电系统动态模型已被广泛研究并使用，但也存在一定的局限性。例如：这些模型仅考虑正序网络，即无论是稳态还是暂态故障均认为电网电压三相平衡，不考虑负序分量和零序分量。而实际电力系统中的不对称故障比对称故障更频繁，若光伏发电控制系统设计中未考虑电压不平衡的现实，很小的不平衡(负序)电压将造成电网电压波形的畸变，可能导致锁相环锁相失败，无法实现故障穿越，一旦光伏发电系统的功率相对于电网足够大时，这种缺乏不平衡电压控制能力的光伏发电系统将会导致电网的不稳定，最终光伏发电系统不得不从电网中解列。从电网安全运行角度，要求光伏发电系统能够承受诸如相间短路引起的一定程度的负序电流而不脱网，还要能承受稳态达2％，暂态达5％(甚至更高)的不平衡电压而不跳闸。由于上述这些模型不考虑负序网络，因此不能充分反映电网电压不平衡或不对称故障时光伏发电系统的动态特性。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种光伏发电系统动态特性分析方法及系统。

第一方面，本发明中一种光伏发电系统动态特性分析方法的技术方案是：

所述动态特性分析方法包括：

获取所述光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

分别对所述正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-；

依据所述电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及所述光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令；所述光伏发电系统依据该注入电流指令向电网馈送电能；

依据所述注入电流指令包含的正序注入电流和负序注入电流以及所述光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标；所述运行特性指标包括并网点负序电流含有率λ_I和并网点电压三相不平衡度λ_V。

第二方面，本发明中一种光伏发电系统动态特性分析装置的技术方案是：

所述动态特性分析装置包括矢量变换模块、正负双序全数字锁相环、电流计算模块和动态特性分析模块；

所述矢量变换模块，用于获取所述光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

所述正负双序全数字锁相环，分别对所述正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-；

所述电流计算模块，依据所述电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及所述光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令；

所述动态特性分析模块，依据所述注入电流指令包含的正序注入电流和负序注入电流以及所述光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置，采用正负双序全数字锁相环，能够在不同锁相误差、不同响应速度下锁定电网电压的正/负序相角，可以为包括光伏发电、风力发电在内的电力电子接口的新能源发电系统提供正/负序同步控制基准，基于该锁相环可以将现有技术中涉及的正序动态模型扩展到正/负序动态模型，采用机电暂态仿真的手段，能够更全面反映光伏发电系统的对称/不对称故障下的动态特性；

2、本发明提供的一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置，正负双序全数字锁相环包括前馈调节单元，能偶在序电压低幅值时进行反比例补偿，可以有效减缓环路增益的非线性突变，达到稳定锁相环的目的；

3、本发明提供的一种光伏发电系统动态特性分析方法及装置，具有正/负序解耦闭锁功能，可以在严重故障下进行正/负序闭锁，反映惯量增大效应。通过搭建光伏发电系统动态模型，采用机电暂态仿真的手段，可以更全面的获取电网对称/不对称故障时光伏发电系统的动态特性。

附图说明

图1：本发明实施例中一种光伏发电系统动态特性分析方法流程图；

图2：本发明实施例中一种光伏发电系统动态特性分析系统结构示意图；

图3：本发明实施例中电网电压矢量变换示意图；

图4：本发明实施例中正负双序全数字锁相环结构示意图；

图5：本发明实施例中第一前馈调节单元工作点示意图；

图6：本发明实施例中第二前馈调节单元工作点示意图。

其中，1：矢量变换模块；2：正负双序全数字锁相环；3：电流计算模块；4：动态特性分析模块；5：光伏逆变器；6：电力传输线；7：升压变压器；8：电力系统；9：电压测量装置；21：正序锁相环；22：负序锁相环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种光伏发电系统动态特性分析方法期系统进行说明。

图1为本发明实施例中一种光伏发电系统动态特性分析方法的流程图，如图所示，本实施例中光伏发电系统动态特性分析方法的具体步骤为：

步骤S01：获取光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

步骤S02：分别对正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-。

步骤S03：依据电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令，光伏发电系统依据该注入电流指令向电网馈送电能。

步骤S04：依据注入电流指令包含的正序注入电流和负序注入电流以及光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标；运行特性指标包括并网点负序电流含有率λ_I和并网点电压三相不平衡度λ_V。

下面对上述步骤进行具体说明：

1、步骤S01：

本实施例中光伏发电系统既适用于集中式光伏电站也适用于单台逆变器构成的单元级光伏发电系统。

本实施例中获取正序分量和负序分量的具体步骤为：

(1)采用对称分量法计算光伏发电系统交流出口侧端电压的正序电压分量和负序电压分量，如式(1)和(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a^{+}\\ {\stackrel{\→}{V}}_b^{+}\\ {\stackrel{\→}{V}}_c^{+}\end{array}\right]=T_{120}^{+}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a\\ {\stackrel{\→}{V}}_b\\ {\stackrel{\→}{V}}_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a^{-}\\ {\stackrel{\→}{V}}_b^{-}\\ {\stackrel{\→}{V}}_b^{-}\end{array}\right]=T_{120}^{-}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a\\ {\stackrel{\→}{V}}_b\\ {\stackrel{\→}{V}}_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中， $T_{20}^{+}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ a^2& 1& a\\ a& a^2& 1\end{array}\right],T_{120}^{-}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ a& 1& a^2\\ a^2& a& 1\end{array}\right],a=e^{j2\mathrm{\π}/3}.$ a＝e^j2π/3。

(2)分别对正序电压分量和负序电压分量进行T_3s/2s变换得到所述正序分量和负序分量如式(3)和(4)所示。

${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+}=T_{3s/2s}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a^{+}\\ {\stackrel{\→}{V}}_b^{+}\\ {\stackrel{\→}{V}}_c^{+}\end{array}\right]---\left(3\right)$

${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-}=T_{3s/2s}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_a^{-}\\ {\stackrel{\→}{V}}_b^{-}\\ {\stackrel{\→}{V}}_c^{-}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中， $T_{3s/2s}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right].$

本实施例中采用具有机电暂态三相不对称仿真功能的电力系统仿真软件，可以在仿真过程中得到仿真系统内任一母线三相电压矢量的实部和虚部，通过式(5)即可得到

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Re}}^{+}=\mathrm{Re}\left({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+}\right)\\ V_{\mathrm{Im}}^{+}=\mathrm{Im}\left({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+}\right)\\ V_{\mathrm{Re}}^{-}=\mathrm{Re}\left({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-}\right)\\ V_{\mathrm{Im}}^{-}=\mathrm{Im}\left({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

2、步骤S02

本实施例中对正序分量和负序分量进行锁相还包括两个处理过程，其中，

(1)比较电网的正序电压与正序闭锁门槛值frz⁺，若则电网发生故障，控制光伏发电系统维持故障前的相角；比较电网的负序电压与负序闭锁门槛值frz^-，若则电网发生故障，控制光伏发电系统维持故障前的相角。

(2)分别对电网的正序电压和负序电压进行前馈调节，该前馈调节包括正序前馈调节和负序前馈调节

正序前馈调节的表达式为：

$G_A^{+}=\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{V}}^{+}\right|}---\left(6\right)$

负序前馈调节的表达式为：

$G_A^{-}=\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{V}}^{-}\right|}---\left(7\right)$

其中，Dead⁺和Dead^-分别为正序死区门槛值和负序死区门槛值。

3、步骤S03

本实施例中注入电流指令包含正序注入电流和负序注入电流

正序注入电流的计算公式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{+}=(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+}-I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+})+j\·(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+}+I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+})---\left(8\right)$

负序注入电流的计算公式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{-}=(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-}-I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-})+j\·(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-}+I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-})---\left(9\right)$

其中，为d-q坐标系下的正序注入电流参考值，为d-q坐标系下的负序注入电流参考值。

4、步骤S04

本实施例中并网点负序电流含有率λ_I的计算公式为：

${\mathrm{\λ}}_I=\left|{\stackrel{\→}{I}}^{-}\right|/\left|{\stackrel{\→}{I}}^{+}\right|\×100\%---\left(10\right)$

并网点电压三相不平衡度λ_V的计算公式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\sqrt{6\×\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}{|}^2+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}{|}^2+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}{|}^2)/{\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\left|\right)}^2-2}---\left(11\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{V}}_{AB}={\stackrel{\→}{V}}_A-{\stackrel{\→}{V}}_B,{\stackrel{\→}{V}}_{BC}={\stackrel{\→}{V}}_B-{\stackrel{\→}{V}}_C$ 和 ${\stackrel{\→}{V}}_{CA}={\stackrel{\→}{V}}_C-{\stackrel{\→}{V}}_A$ 为光伏发电系统中并网点的线电压。

图2为本发明实施例中一种光伏发电系统动态特性分析装置的结构示意图，如图所示，光伏发电洗包括光伏逆变器5、电力传输线路6、升压变压器7等构成的能够将太阳能转换为电能的电源系统个，通过电力传输线路6与电力系统8连接，升压变压器7的高压侧母线为公共连接点PCC，通过电压测量装置9采集升压变压器7的低压侧A/B/C三相电压测量值作为电网同步电压。本实施例中动态特性分析装置包括矢量变换模块1、正负双序全数字锁相环2、电流计算模块3和动态特性分析模块4。其中，

矢量变换模块1，用于获取光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

正负双序全数字锁相环2，分别对正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-。

电流计算模块3，依据电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及所述光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令。

动态特性分析模块4，依据所述注入电流指令包含的正序注入电流和负序注入电流以及光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标。

下面对光伏发电系统动态特性分析装置的各个模块进行具体说明：

1、矢量变换模块

本实施例中矢量变换模块1包括数据采集单元、相序分析单元和数据变换单元。其中，

数据采集单元，用于采集光伏发电系统交流出口侧的端电压和

相序分析单元，采用对称分量法计算端电压和的正序电压分量和负序电压分量。

数据变换单元，分别对正序电压分量和负序电压分量进行T_3s/2s变换得到正序分量和负序分量

图3为本发明实施例中电网电压矢量变换示意图，如图所示，α-β为两相静止坐标系，d⁺-q⁺为正序旋转坐标系，d^--q^-为负序旋转坐标系，为基于α-β静止坐标系的电压矢量，为正交分解后的正序电压矢量；为正交分解后的负序电压矢量；分别为的实部和虚部；ω为基于α-β静止坐标系的电压矢量旋转角速度；ω′为旋转坐标系的旋转角速度；θ⁺为基于α-β静止坐标系的相角；θ^-为基于α-β静止坐标系的相角；θ′为正序旋转坐标系d⁺轴与静止坐标系α轴的夹角。

2、正负双序全数字锁相环

图4为本发明实施例中正负双序全数字锁相环2的结构示意图，如图所示，本实施例中正负双序全数字锁相环2包括正序锁相环21和负序锁相环22。其中，

(1)正序锁相环

本实施例中正序锁相环21基于图3所示的为正序旋转坐标系d⁺-q⁺，进行静止/旋转坐标系变换得到当 $V_q^{+}=0$ 时，θ′同步到θ，即 $\left[\begin{array}{c}{V}_d^{+}\\ V_q^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\\ -sin\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Re}}^{+}\\ V_{Im}^{+}\end{array}\right],$ 据此原理构造闭环负反馈从而实现锁相。

正序锁相环21包括顺次连接的第一鉴相器、第一滤波器、第一VCO、第一前馈单元、第一闭锁判断单元和系统角频率计算模块。第一鉴相器包括第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第一加法器。

第一鉴相器的输入端与矢量变换模块1连接，接收正序分量

第一VCO的输出端与电流计算模块3连接。

I：本实施例中第一鉴相器的结构为：

第一乘法器分别与第一加法器和第一VCO的输出端连接，并接收正序分量的实部数据；第二乘法器分别与第一加法器和第一VCO的输出端连接，并接收正序分量的虚部数据；第一加法器输出端通过第三乘法器与所述第一滤波器连接。

II：本实施例中第一前馈单元和第一闭锁判断单元的结构为：第一前馈单元连接于第一闭锁判断单元与所第三乘法器之间，第一闭锁判断单元还与第一VCO连接。其中，

A：第一前馈单元

第一前馈单元，用于在电网发生不对称故障时对正序电压进行反比例补偿。如图4和5所示，电网对称运行时，正序电压负序电压电网不对称运行时，正序电压骤减，负序电压骤增，由于序锁相环的环路增益与序电压幅值成正比例关系，序电压幅值过低会降低序锁相环的环路增益，进而导致序锁相环动态过程变慢，甚至振荡发散，锁相失败，通过设置前馈调节环节，在序电压低幅值时进行反比例补偿，就可以有效减缓环路增益的非线性突变，达到稳定锁相环的目的，为电网额定电压。

本实施例中第一前馈单元设置有死区门槛值Dead⁺和Dead^-。如图4和5所示，电网对称运行时，和工作点分别为于D点与F点；电网不对称故障时，的工作点在A至E之间移动，的工作点在F至I之间移动；序电压幅值过低时，前馈补偿量明显增大，容易导致闭锁动态过程超调过大，不利于锁相，设置合理的死区可以避免锁相振荡。

B：第一闭锁判断单元

严重对称/不对称故障可能会导致过低或负序电压过高，这时θ⁺与θ^-会产生较大的突变，根据实际电网运行经验，适当的惯性有助于电力系统的抗扰能力，电力电子接口的新能源发电系统通过闭锁相角，即保持故障前的相角，可以反映某些现有技术中涉及的致稳控制策略的惯量增大效应。可以通过设置锁相环闭锁功能使能标志位Enablefrzflg1、Enablefrzflg，启用或关闭该闭锁功能。

因此本实施例中第一闭锁判断单元通过比较正序电压与正序闭锁门槛值frz⁺，若则控制光伏发电系统维持故障前的相角。

III：第一滤波器

本实施例中第一滤波器由比例环节和积分环节并联构成，可供整定的参数包括比例调节参数积分调节参数积分上/下限基于经典反馈控制理论，利用拉普拉斯变换可以得到正/负序锁相环在非死区工作区间的S域传递函数，并进一步得到无阻尼自然振荡角频率阻尼比以及时间常数等性能指标，调节上述参数即可改变时间常数及阻尼比，进而改变锁相环的锁相误差及响应时间等特性。

IV：本实施例中系统角频率计算模块的结构为：

系统角频率计算模块与第一滤波器的输出端连接，其包括系统角频率计算模型ω，该系统角频率计算模型ω的表达式为：

$\mathrm{\ω}=k_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ω}}_{ref}+\frac{A}{1+T_{m}s})---\left(12\right)$

其中，ω_ref为系统角频率额定值，k_ω为比例系数，T_m为积分系数，A为第一滤波器输出信号。

本实施例中电压矢量正/负序相角的理想值和的计算公式分别如式(13)和式(14)所示：

${\mathrm{\θ}}_{*}^{+}=arc\cot \left(\frac{V_{\mathrm{Re}}^{+}}{V_{Im}^{+}}\right)---\left(13\right)$

${\mathrm{\θ}}_{*}^{-}=arc\cot \left(\frac{V_{\mathrm{Re}}^{-}}{V_{\mathrm{Im}}^{-}}\right)---\left(14\right)$

电压矢量正/负序相角的理想值和可以认为是零锁相误差、零锁相响应时间的精确相角，但是光伏发电系统仿真时，考虑锁相环动态过程更符合实际情况。因此本实施例中通过Idealflg1、Idealflg2切换标志位设置是否考虑锁相动态过程。

(2)负序锁相环

本实施例中负序锁相环21基于图3所示的为负序旋转坐标系d^--q^-，进行静止/旋转坐标系变换得到当 $V_q^{-}=0$ 时，θ′同步到θ，即 $\left[\begin{array}{c}{V}_d^{-}\\ V_q^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\\ -sin\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Re}}^{-}\\ V_{\mathrm{Im}}^{-}\end{array}\right],$ 据此原理构造闭环负反馈从而实现锁相。

负序锁相环22包括顺次连接的第二鉴相器、第二滤波器、第二VCO、第二前馈单元和第二闭锁判断单元。第二鉴相器包括第四乘法器、第五乘法器、第六乘法器和第二加法器。

第二鉴相器的输入端与矢量变换模块1连接，接收负序分量

第二VCO的输出端与电流计算模块3连接。

I：本实施中第二鉴相器的结构为：

第四乘法器分别与第二加法器和第二VCO的输出端连接，并接收负序分量的实部数据；第五乘法器分别与第二加法器和第一VCO的输出端连接，并接收负序分量的虚部数据；第二加法器输出端通过所述第六乘法器与所述第二滤波器连接。

II：本实施例中第二前馈单元和第二闭锁判断单元的结构为：第二前馈单元连接于第二闭锁判断单元与第六乘法器之间，第二闭锁判断单元还与第二VCO连接。其中，

A：第二前馈单元

第二前馈单元，用于在电网发生不对称故障时对负序电压进行反比例补偿。如图4和5所示，电网对称运行时，正序电压负序电压电网不对称运行时，正序电压骤减，负序电压骤增，由于序锁相环的环路增益与序电压幅值成正比例关系，序电压幅值过低会降低序锁相环的环路增益，进而导致序锁相环动态过程变慢，甚至振荡发散，锁相失败，通过设置前馈调节环节，在序电压低幅值时进行反比例补偿，就可以有效减缓环路增益的非线性突变，达到稳定锁相环的目的。

本实施例中第二前馈单元设置有死区门槛值Dead⁺和Dead^-。如图4和5所示，电网对称运行时，和工作点分别为于D点与F点；电网不对称故障时，的工作点在A至E之间移动，的工作点在F至I之间移动；序电压幅值过低时，前馈补偿量明显增大，容易导致闭锁动态过程超调过大，不利于锁相，设置合理的死区可以避免锁相振荡。

B：第二闭锁判断单元

严重对称/不对称故障可能会导致过低或负序电压过高，这时θ⁺与θ^-会产生较大的突变，根据实际电网运行经验，适当的惯性有助于电力系统的抗扰能力，电力电子接口的新能源发电系统通过闭锁相角，即保持故障前的相角，可以反映某些现有技术中涉及的致稳控制策略的惯量增大效应。可以通过设置锁相环闭锁功能使能标志位Enablefrzflg1、Enablefrzflg，启用或关闭该闭锁功能。

因此本实施例中第二闭锁判断单元，通过比较负序电压与负序闭锁门槛值frz^-，若则控制光伏发电系统维持故障前的相角。

III：第二滤波器

本实施例中第二滤波器由比例环节和积分环节并联构成，可供整定的参数包括比例调节参数积分调节参数积分上/下限基于经典反馈控制理论，利用拉普拉斯变换可以得到正/负序锁相环在非死区工作区间的S域传递函数，并进一步得到无阻尼自然振荡角频率阻尼比以及时间常数等性能指标，调节上述参数即可改变时间常数及阻尼比，进而改变锁相环的锁相误差及响应时间等特性。

3、电流计算模块

本实施例中电流计算模块3包括正序注入电流计算模型和负序注入电流计算模型

其中，

正序注入电流计算模型的表达式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{+}=(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+}-I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+})+j\·(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+}+I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+})---\left(15\right)$

负序注入电流计算模型的表达式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{-}=(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-}-I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-})+j\·(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-}+I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-})---\left(16\right)$

其中，为d⁺-q⁺坐标系下的正序注入电流参考值，为d^--q^-坐标系下的负序注入电流参考值。

本发明中基于不同的控制目标正序注入电流参考值和负序注入电流参考值的计算方法不同，具体为：

(1)以消除光伏逆变器输出有功功率的二倍频波动成分，进而消除直流侧电压波动成分为目标，正序注入电流参考值和负序注入电流参考值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{d\_ref}^{+}=\frac{2}{3}\frac{P_{ord}}{V_d^{+}(1-k_{dd}^2-k_{qd}^2)}\\ I_{q\_ref}^{+}=\frac{2}{3}\frac{Q_{ord}}{V_d^{+}(1+k_{dd}^2+k_{qd}^2)}\\ I_{d\_ref}^{-}=-(k_{dd}\·I_{d\_ref}^{+}+k_{qd}\·I_{q\_ref}^{+})\\ I_{q\_ref}^{-}=-(k_{qd}\·I_{d\_ref}^{+}-k_{dd}\·I_{q\_ref}^{+})\end{array}\right.---\left(17\right)$

(2)以消除光伏逆变器输出无功功率的二倍频波动成分为目标，正序注入电流参考值和负序注入电流参考值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{d\_ref}^{+}=\frac{2}{3}\frac{P_{ord}}{V_d^{+}(1+k_{dd}^2+k_{qd}^2)}\\ I_{q\_ref}^{+}=\frac{2}{3}\frac{Q_{ord}}{V_d^{+}(1-k_{dd}^2-k_{qd}^2)}\\ I_{d\_ref}^{-}=k_{dd}\·I_{d\_ref}^{+}+k_{qd}\·I_{q\_ref}^{+}\\ I_{q\_ref}^{-}=k_{qd}\·I_{d\_ref}^{+}-k_{dd}\·I_{q\_ref}^{+}\end{array}\right.---\left(18\right)$

(3)以消除光伏逆变器输出电流负序分量为目标，正序注入电流参考值和负序注入电流参考值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{d\_ref}^{+}=\frac{2}{3}\frac{P_{ord}}{V_d^{+}}\\ I_{q\_ref}^{+}=-\frac{2}{3}\frac{Q_{ord}}{V_d^{+}}\\ I_{d\_ref}^{-}=0\\ I_{q\_ref}^{-}=0\end{array}\right.---\left(19\right)$

式中， $k_{dd}=V_d^{-}/V_d^{+},k_{qd}=V_q^{-}/V_d^{+},$ 与为在旋转坐标系下正交分解，与为在d^--q^-旋转坐标系下正交分解，P_ord和Q_ord为有功功率、无功功率输出设定值。

4、动态特性分析模块

本实施例中动态特性分析模块4包括并网点负序电流含有率计算模型λ_I和并网点电压三相不平衡度计算模型λ_V。该动态特性分析模块4采用国家能源行业标准“光伏电站并网性能测试与评价方法”中规定的方法分析故障穿越期间正序有功功率恢复速率、正序无功电流输出相应时间等指标，还能够依据并网点负序电流含有率计算模型λ_I和并网点电压三相不平衡度计算模型λ_V分析光伏发电系统不对称运行时的动态特性。其中，

并网点负序电流含有率计算模型λ_I的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_I=\left|{\stackrel{\→}{I}}^{-}\right|/\left|{\stackrel{\→}{I}}^{+}\right|\×100\%---\left(20\right)$

并网点电压三相不平衡度计算模型λ_V的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\sqrt{6\×\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}{|}^2+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}{|}^2+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}{|}^2)/{\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\left|\right)}^2-2}---\left(21\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{V}}_{AB}={\stackrel{\→}{V}}_A-{\stackrel{\→}{V}}_B,{\stackrel{\→}{V}}_{BC}={\stackrel{\→}{V}}_B-{\stackrel{\→}{V}}_C$ 和 ${\stackrel{\→}{V}}_{CA}={\stackrel{\→}{V}}_C-{\stackrel{\→}{V}}_A$ 为光伏发电系统中并网点的线电压， $\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}^{+}\\ {\stackrel{\→}{I}}^{-}\\ {\stackrel{\→}{I}}^0\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}_A\\ {\stackrel{\→}{I}}_B\\ {\stackrel{\→}{I}}_C\end{array}\right].$

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

本发明实施例中采用正负双序全数字锁相环，能够在不同锁相误差、不同响应速度下锁定电网电压的正/负序相角，可以为包括光伏发电、风力发电在内的电力电子接口的新能源发电系统提供正/负序同步控制基准，基于该锁相环可以将现有技术中涉及的正序动态模型扩展到正/负序动态模型，采用机电暂态仿真的手段，能够更全面反映光伏发电系统的对称/不对称故障下的动态特性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述动态特性分析方法包括：

获取所述光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

分别对所述正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-；

依据所述电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及所述光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令；所述光伏发电系统依据该注入电流指令向电网馈送电能；

依据所述注入电流指令包含正序注入电流和负序注入电流以及所述光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标；所述运行特性指标包括并网点负序电流含有率λ_I和并网点电压三相不平衡度λ_V。

2.如权利要求1所述的一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述获取正序分量和负序分量包括：

采用对称分量法计算光伏发电系统交流出口侧端电压的正序电压分量和负序电压分量；

分别对所述正序电压分量和负序电压分量进行T_3s/2s变换得到所述正序分量和负序分量

3.如权利要求1所述的一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述对正序分量和负序分量进行锁相之前包括：

比较电网的正序电压与正序闭锁门槛值frz⁺，若则电网发生故障，控制光伏发电系统维持故障前的相角；

比较电网的负序电压与负序闭锁门槛值frz^-，若则电网发生故障，控制光伏发电系统维持故障前的相角。

4.如权利要求1所述的一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述对正序分量和负序分量进行锁相之前还包括：

分别对电网的正序电压和负序电压进行前馈调节，该前馈调节包括正序前馈调节和负序前馈调节

所述正序前馈调节的表达式为：

$G_A^{+}=\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{V}}^{+}\right|}---\left(1\right)$

所述负序前馈调节的表达式为：

$G_A^{-}=\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{V}}^{-}\right|}---\left(2\right)$

其中，Dead⁺和Dead^-分别为正序死区门槛值和负序死区门槛值。

5.如权利要求1所述的一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述注入电流指令包含正序注入电流和负序注入电流

所述正序注入电流的计算公式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{+}=(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+}-I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+})+j\·(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+}+I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+})---\left(3\right)$

所述负序注入电流的计算公式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{-}=(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-}-I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-})+j\·(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-}+I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-})---\left(4\right)$

其中，为d⁺-q⁺坐标系下的正序注入电流参考值，为d^--q^-坐标系下的负序注入电流参考值。

6.如权利要求1所述的一种光伏发电系统动态特性分析方法，其特征在于，所述并网点负序电流含有率λ_I的计算公式为：

${\mathrm{\λ}}_I=\left|{\stackrel{\→}{I}}^{-}\right|/\left|{\stackrel{\→}{I}}^{+}\right|\×100\%---\left(5\right)$

所述并网点电压三相不平衡度λ_V的计算公式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\sqrt{6\×({\left|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\right|}^2)/{\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\left|\right)}^2-2}---\left(6\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\→}{V}}_A-{\stackrel{\→}{V}}_B,{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\→}{V}}_B-{\stackrel{\→}{V}}_C$ 和 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{CA}}={\stackrel{\→}{V}}_C-{\stackrel{\→}{V}}_A$ 为光伏发电系统中并网点的线电压。

7.一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述动态特性分析装置包括矢量变换模块、正负双序全数字锁相环、电流计算模块和动态特性分析模块；

所述矢量变换模块，用于获取所述光伏发电系统交流出口侧的端电压在α-β静止坐标系下的正序分量和负序分量

所述正负双序全数字锁相环，分别对所述正序分量和负序分量进行锁相得到电网正序同步相角θ⁺和电网负序相角θ^-；

所述电流计算模块，依据所述电网正序同步相角θ⁺、电网负序相角θ^-，以及所述光伏发电系统的有功控制指令和无功控制指令计算注入电流指令；

所述动态特性分析模块，依据所述注入电流指令包含的正序注入电流和负序注入电流以及所述光伏发电系统中并网点的端电压和电流计算该光伏发电系统的运行特性指标。

8.如权利要求7所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述矢量变换模块包括数据采集单元、相序分析单元和数据变换单元；

所述数据采集单元，用于采集所述光伏发电系统交流出口侧的端电压和

所述相序分析单元，采用对称分量法计算所述端电压和的正序电压分量和负序电压分量；

所述数据变换单元，分别对所述正序电压分量和负序电压分量进行T_3s/2s变换得到正序分量和负序分量

9.如权利要求7所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述正负双序全数字锁相环包括正序锁相环和负序锁相环；

所述正序锁相环包括顺次连接的第一鉴相器、第一滤波器和第一VCO；所述第一鉴相器包括第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第一加法器；所述第一鉴相器的输入端与所述矢量变换模块连接，接收所述正序分量所述第一VCO的输出端与所述电流计算模块连接；

所述负序锁相环包括顺次连接的第二鉴相器、第二滤波器和第二VCO；所述第二鉴相器包括第四乘法器、第五乘法器、第六乘法器和第二加法器；所述第二鉴相器的输入端与所述矢量变换模块连接，接收所述负序分量第二VCO的输出端与所述电流计算模块连接。

10.如权利要求9所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述第一乘法器分别与第一加法器和所述第一VCO的输出端连接，并接收所述正序分量的实部数据；所述第二乘法器分别与第一加法器和所述第一VCO的输出端连接，并接收所述正序分量的虚部数据；所述第一加法器输出端通过所述第三乘法器与所述第一滤波器连接；

所述第四乘法器分别与第二加法器和所述第二VCO的输出端连接，并接收所述负序分量的实部数据；所述第五乘法器分别与第二加法器和所述第一VCO的输出端连接，并接收所述负序分量的虚部数据；所述第二加法器输出端通过所述第六乘法器与所述第二滤波器连接。

11.如权利要求9所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述第一鉴相器还包括第一前馈单元和第一闭锁判断单元；所述第一前馈单元连接于所述第一闭锁判断单元与所述第三乘法器之间，所述第一闭锁判断单元还与所述第一VCO连接；

所述第二鉴相器包括第二前馈单元和第二闭锁判断单元；所述第二前馈单元连接于所述第二闭锁判断单元与所述第六乘法器之间，所述第二闭锁判断单元还与所述第二VCO连接。

12.如权利要求11所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，

所述第一前馈单元，用于在电网发生不对称故障时对正序电压进行反比例补偿；

所述第二前馈单元，用于在电网发生不对称故障时对负序电压进行反比例补偿；

所述第一闭锁判断单元，通过比较所述正序电压与正序闭锁门槛值frz⁺，若则控制光伏发电系统维持故障前的相角；

所述第二闭锁判断单元，通过比较所述负序电压与负序闭锁门槛值frz^-，若则控制光伏发电系统维持故障前的相角。

13.如权利要求9所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述正序锁相环还包括系统角频率计算模块，其与所述第一滤波器的输出端连接；

所述系统角频率计算模块包括系统角频率计算模型ω，该系统角频率计算模型ω的表达式为：

$\mathrm{\ω}=k_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ω}}_{ref}+\frac{A}{1+T_{m}s})---\left(7\right)$

其中，ω_ref为系统角频率额定值，k_ω为比例系数，T_m为积分系数，A为所述第一滤波器输出信号。

14.如权利要求7所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述电流计算模块包括正序注入电流计算模型和负序注入电流计算模型

所述正序注入电流计算模型的表达式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{+}=(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+}-I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+})+j\·(I_{d\_ref}^{+}\·{\mathrm{sin\θ}}^{+}+I_{q\_ref}^{+}\·{\mathrm{cos\θ}}^{+})---\left(8\right)$

所述负序注入电流计算模型的表达式为：

${\stackrel{\→}{I}}^{-}=(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-}-I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-})+j\·(I_{d\_ref}^{-}\·{\mathrm{sin\θ}}^{-}+I_{q\_ref}^{-}\·{\mathrm{cos\θ}}^{-})---\left(9\right)$

其中，为d⁺-q⁺坐标系下的正序注入电流参考值，为d^--q^-坐标系下的负序注入电流参考值。

15.如权利要求7所述的一种光伏发电系统动态特性分析装置，其特征在于，所述动态特性分析模块包括并网点负序电流含有率计算模型λ_I和并网点电压三相不平衡度计算模型λ_V；

所述并网点负序电流含有率计算模型λ_I的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_I=\left|{\stackrel{\→}{I}}^{-}\right|/\left|{\stackrel{\→}{I}}^{+}\right|\×100\%---\left(10\right)$

所述并网点电压三相不平衡度计算模型λ_V的表达式为：

${\mathrm{\λ}}_V=\sqrt{6\×({\left|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\right|}^2)/{\left(\right|{\stackrel{\→}{V}}_{AB}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{BC}|+|{\stackrel{\→}{V}}_{CA}\left|\right)}^2-2}---\left(11\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\→}{V}}_A-{\stackrel{\→}{V}}_B,{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\→}{V}}_B-{\stackrel{\→}{V}}_C$ 和 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{CA}}={\stackrel{\→}{V}}_C-{\stackrel{\→}{V}}_A$ 为光伏发电系统中并网点的线电压。