CN107704696A - 并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略 - Google Patents

并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略 Download PDF

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华亮亮
金恩淑
张家毓
王艳辉
郑捷
曹志刚
黄松涛
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Tongliao Electric Co Of State Grid Eastern Inner Mongolia Electric Power Co Ltd
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Tongliao Electric Co Of State Grid Eastern Inner Mongolia Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及继电保护技术领域，是一种建立并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，其特点是，包括的步骤有：根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型。通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求。该建模方法能清晰地反映出光伏发电系统的组成结构，且动态等值阻抗模型适应光伏发电的波动性和间歇性，满足各种环境和运行方式变化，在优化控制和继电保护方面具有很好的实用参考价值。

Description

并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略
技术领域
本发明涉及继电保护技术领域，是一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略。
背景技术
光伏并网发电是太阳能利用的发展趋势，在对光伏并网系统进行仿真研究时，精确的光伏电站数学模型有利于对整个光伏发电系统进行优化设计，提高系统总体效率，而数学模型中光伏电站动态等值阻抗则对光伏控制系统的优化以及继电保护可靠性的提高起到决定性作用。本建模方法能清晰地反映出光伏发电系统的组成结构,在优化控制和继电保护方面具有很好的实用参考价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，判别准确，自愈性强，可靠性高的并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略。
解决其技术问题采用的技术方案是，一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，其特征是，它包括的步骤有：
1)根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型；
搭建光伏并网的拓扑结构，包括光伏电源，升压斩波电路，逆变器，滤波器，变压器,其中:Upv为光伏电源输出的电压,Ipv为光伏电源输出的电流；
a)定义光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
搭建光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，其中，Udc为等值的电压源、Zdc动态等值阻抗,工程用太阳电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数,如Isc、Uoc、Im、Um、Pm,就能在一定的精度下复现阵列的特性,并能便于计算机分析；
太阳能电池的I-U方程可简化为
在最大功率点时,U＝Um,I＝Im,可得
由于在常温条件下远大于1可忽略式中的-1项,解出C1
注意到开路状态下,当I＝0时,U＝Uoc,并把式(3)代入式(2)得解出C2
把式(3)和式(4)代入到式(1)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式；
当外界条件发生变化时，为了得到不同光照强度及温度下光伏电池的输出特性，则需要对其在标准条件下的输出特性表达式进行修正，根据条件的变化对光伏电池输出电压和电流的变化量进行修正，考虑光强和温度影响的工程等值模型,采用式(5)计算，其中，S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc、Isc、Um和Im为厂商提供的技术参数，其中，Uoc光伏电源的开路电压，Isc光伏电源的短路电流，Um最大功率点电压，Im最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv为光伏电源出口侧的电压，Ipv为光伏电源出口侧的电流，C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数，
当Ipv＝0时，Upv＝Uoc，此时的U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压
当Upv＝0时，Ipv＝ISC，此时的I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流
其次搭建Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost＝UPVoc；
式中，Iscclose为开关闭合时的负载电流；RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流
Iscopen＝I'sc (9)
式中Iscopen为开关开路时的负载电流。因此光伏电站短路电流的平均值为
式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7，
式(11)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(12)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数，
b)定义光伏电源到逆变器出口侧等值阻抗
搭建光伏电源到逆变器出口侧等值电路图，其中Ueq、Zeq分别为等值的电压源和动态等值阻抗，把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得：
Zeq＝βZdc Ueq＝βUdc (13)
其中，M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压，
C)定义光伏电源到变压器出口侧等值阻抗
搭建光伏电源到变压器出口侧等值电路图，其中，Ups为等值的电压源、Zps为动态等值阻抗，ZL1、ZL2、ZC、为滤波器等值阻抗，ZT为变压器等值阻抗，利用戴维南定理可求得：
2)通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求，
搭建66kV配电网典型拓扑图，利用PSCAD建模仿真及MATLAB数据处理比较仿真结果和光伏电站实验测量结果，
搭建光伏电源并入66kV配电网PSCAD仿真模型，光伏电站模块内部包括光伏电源模块，升压斩波电路，逆变器模块，滤波器模块和变压器模块，MPPT模块，控制模块等。线路参数：AB长度为26.38km，线路BC长度为21.99km，线路CD的长度为47.7km；Z1＝0.0178+j0.314Ω/km，Z0＝0.295+j1.04Ω/km；光伏电源部分参数：设置当前光照强度为400W/m2，温度为25℃；参考光照强度1000W/m2,参考环境温度25℃；在参考日照下的电流变化温度系数α取0.015Amps/℃；在参考日照下的电压变化温度系数β取0.7V/℃；参考厂商提供的技术参数为最大功率点功率260W，最大功率点工作电流8.52A，最大功率点工作电压30.51V，短路电流9.09A，开路电压37.65V；光伏组件的串联数Ns为400，光伏组件的并联数Np为400；光伏逆变器效率97.5％；其他参数：滤波器电抗值L2＝0.037Ω，阻抗Ls＝0.47+j8.28Ω。
利用PSCAD采集的实时数据与各组件出厂参数计算光伏电站等值阻抗Zps和等值电压源Ups，将测量的光伏电站出口处电压电流波形分别与仿真计算的等效输出电压和等效输出电流比较，由于数学模型中存在并网处不断更新的反馈量，仿真计算波形逐渐增大并趋于稳定，最后接近实验测量波形，为了更直观的验证该动态等值阻抗模型的准确性，定义其相对误差为：
其中，δi为电流相对误差，δu为电压相对误差，I为实验测量电流，Ips为仿真电流，U为实验测量电压，Ups为仿真电压。
本发明的一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，按照光伏发电系统的各个组成部分的连接顺序,利用各部分的通用等值模型和戴维南定理进行综合建模，根据光照强度和温度、光伏组件的出厂参数、逆变器参数、滤波器参数、以及并网电压等定义动态等值阻抗模型，能清晰地反映出光伏发电系统的组成结构，且动态等值阻抗模型适应光伏发电的波动性和间歇性，满足各种环境和运行方式变化，在优化控制和继电保护方面具有很好的实用参考价值。
附图说明
图1为一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略流程图；
图2为光伏并网的拓扑结构图；
图3为光伏电源到斩波电路出口侧等值电路图；
图4为Boost斩波电路图；
图5为光伏电源到逆变器出口侧等值电路图；
图6为光伏电源到变压器出口侧等值电路图；
图7为66kV配电网典型拓扑图；
图8为光伏电源并入66kV配电网PSCAD仿真模型图；
图9为仿真波形与实验测量波形对比图；
图10为电流电压相对误差折线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1和图7，本发明的一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，以A相电压电流波形为例，包括如下步骤：
S1：根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型；
步骤根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型，如图2所示，具体包括：
S11：定义光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
搭建光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，如图3所示，其中Udc、Zdc分别为等值的电压源和动态等值阻抗。工程用太阳电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数,如Isc、Uoc、Im、Um、Pm,就能在一定的精度下复现阵列的特性,并能便于计算机分析；
太阳能电池的I-U方程可简化为
在最大功率点时,U＝Um,I＝Im,可得
由于在常温条件下远大于1可忽略式中的-1项,解出C1
注意到开路状态下,当I＝0时,U＝Uoc,并把式(3)代入式(2)得解出C2
把式(3)和式(4)代入到式(1)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式。
当外界条件发生变化时，为了得到不同光照强度及温度下光伏电池的输出特性，则需要对其在标准条件下的输出特性表达式进行修正。有两种较常见的修正方法，一种是根据条件发生变化时，根据一般情况下的开路电压U’oc、短路电流I’sc、最大功率点的电压U’m、最大功率点的电流I’m计算新的C’1和C’2，然后带入公式(1)求出修正后的输出特性表达式。虽然这种修正方法可以得到不同条件下的光伏电池的4个基本性能参数，但计算复杂且计算量大，需要不断重复计算以更新C1和C2的值。本发明采用的修正方法是根据条件的变化对光伏电池输出电压和电流的变化量进行修正，采用考虑光强和温度影响的工程等值模型,如式(5)所示。其中S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc，Isc，Um，Im为厂商提供的技术参数，分别为光伏电源的开路电压，短路电流，最大功率点电压和最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv，Ipv分别为光伏电源出口侧的电压电流。C1，C2为简化光伏电池模型后求解的常系数。
当Ipv＝0时，Upv＝Uoc，此时的U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压
当Upv＝0时，Ipv＝ISC，此时的I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流
其次搭建Boost斩波电路，如图4所示，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost＝UPVoc；
式中Iscclose为开关闭合时的负载电流；RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流。
Iscopen＝I'sc (9)
式中Iscopen为开关开路时的负载电流。因此光伏电站短路电流的平均值为
式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7。
式(11)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(12)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数。
S12：定义光伏电源到逆变器出口侧等值阻抗
搭建光伏电源到逆变器出口侧等值电路图，如图5所示，其中Ueq、Zeq分别为等值的电压源和动态等值阻抗。把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得：
Zeq＝βZdc Ueq＝βUdc (13)
其中M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压。
S13：定义光伏电源到变压器出口侧等值阻抗；
搭建光伏电源到变压器出口侧等值电路图，如图6所示，
其中Ups、Zps分别为等值的电压源和动态等值阻抗。ZL1、ZL2、ZC、为滤波器等值阻抗，ZT为变压器等值阻抗，利用戴维南定理可求得：
其中：
(1)S2：通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求；
步骤S2包括通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求，具体包括：
参照图7，搭建66kV配电网典型拓扑图，
利用PSCAD建模仿真及MATLAB数据处理比较仿真结果和光伏电站实验测量结果。
如图8所示，搭建光伏电源并入66kV配电网PSCAD仿真模型，光伏电站模块内部包括光伏电源模块，升压斩波电路，逆变器模块，滤波器模块和变压器模块，MPPT模块，控制模块等。线路参数：AB长度为26.38km，线路BC长度为21.99km，线路CD的长度为47.7km；Z1＝0.0178+j0.314Ω/km，Z0＝0.295+j1.04Ω/km；光伏电源部分参数：设置当前光照强度为400W/m2，温度为25℃；参考光照强度1000W/m2,参考环境温度25℃；在参考日照下的电流变化温度系数α取0.015Amps/℃；在参考日照下的电压变化温度系数β取0.7V/℃；参考厂商提供的技术参数为最大功率点功率260W，最大功率点工作电流8.52A，最大功率点工作电压30.51V，短路电流9.09A，开路电压37.65V；光伏组件的串联数Ns为400，光伏组件的并联数Np为400；光伏逆变器效率97.5％；其他参数：滤波器电抗值L2＝0.037Ω，阻抗Ls＝0.47+j8.28Ω。
利用PSCAD采集的实时数据与各组件出厂参数计算光伏电站等值阻抗Zps和等值电压源Ups，将测量的光伏电站出口处电压电流波形分别与仿真计算的等效输出电压和等效输出电流比较。由于数学模型中存在并网处不断更新的反馈量，仿真计算波形逐渐增大并趋于稳定，最后接近实验测量波形，为了更直观的验证该动态等值阻抗模型的准确性，定义其相对误差为：
其中δi为电流相对误差，δu为电压相对误差，I和Ips分别为实验测量电流和仿真电流，U和Ups分别为实验测量电压和仿真电压。
根据上述步骤，如图9所示，以A相电压电流波形为例，仿真计算波形逐渐增大并趋于稳定，最后接近实验测量波形。如图10电流电压误差折线图所示，经计算δi和δu误差在0.1秒前大幅度下降，0.3秒后误差逐渐趋于稳定，最后稳定在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度的要求。
本发明的并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略的仿真软件程序的编制，依据自动控制技术和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，其特征是，它包括的步骤有：
1)根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型；
搭建光伏并网的拓扑结构，包括光伏电源，升压斩波电路，逆变器，滤波器，变压器,其中:Upv为光伏电源输出的电压,Ipv为光伏电源输出的电流；
a)定义光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗
搭建光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，其中，Udc为等值的电压源、Zdc动态等值阻抗,工程用太阳电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数,如Isc、Uoc、Im、Um、Pm,就能在一定的精度下复现阵列的特性,并能便于计算机分析；
太阳能电池的I-U方程可简化为
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在最大功率点时,U＝Um,I＝Im,可得
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由于在常温条件下远大于1可忽略式中的-1项,解出C1
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注意到开路状态下,当I＝0时,U＝Uoc,并把式(3)代入式(2)得解出C2
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把式(3)和式(4)代入到式(1)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式；
当外界条件发生变化时，为了得到不同光照强度及温度下光伏电池的输出特性，则需要对其在标准条件下的输出特性表达式进行修正，根据条件的变化对光伏电池输出电压和电流的变化量进行修正，考虑光强和温度影响的工程等值模型,采用式(5)计算，其中，S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc、Isc、Um和Im为厂商提供的技术参数，其中，Uoc光伏电源的开路电压，Isc光伏电源的短路电流，Um最大功率点电压，Im最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv为光伏电源出口侧的电压，Ipv为光伏电源出口侧的电流，C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数，
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当Ipv＝0时，Upv＝Uoc，此时的U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压
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当Upv＝0时，Ipv＝ISC，此时的I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流
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其次搭建Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost＝UPVoc；
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式中，Iscclose为开关闭合时的负载电流；RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流
Iscopen＝I'sc (9)
式中Iscopen为开关开路时的负载电流。因此光伏电站短路电流的平均值为
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式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7，
式(11)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(12)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数，
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b)定义光伏电源到逆变器出口侧等值阻抗
搭建光伏电源到逆变器出口侧等值电路图，其中Ueq、Zeq分别为等值的电压源和动态等值阻抗，把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得：
Zeq＝βZdc Ueq＝βUdc (13)
其中，M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压，
<mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>8</mn> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;eta;N</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>v</mi> <mo>.</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <msub> <mi>U</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;L</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>v</mi> <mo>.</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
C)定义光伏电源到变压器出口侧等值阻抗
搭建光伏电源到变压器出口侧等值电路图，其中，Ups为等值的电压源、Zps为动态等值阻抗，ZL1、ZL2、ZC、为滤波器等值阻抗，ZT为变压器等值阻抗，利用戴维南定理可求得：
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其中：
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2)通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求，
搭建66kV配电网典型拓扑图，利用PSCAD建模仿真及MATLAB数据处理比较仿真结果和光伏电站实验测量结果，
搭建光伏电源并入66kV配电网PSCAD仿真模型，光伏电站模块内部包括光伏电源模块，升压斩波电路，逆变器模块，滤波器模块和变压器模块，MPPT模块，控制模块等。线路参数：AB长度为26.38km，线路BC长度为21.99km，线路CD的长度为47.7km；Z1＝0.0178+j0.314Ω/km，Z0＝0.295+j1.04Ω/km；光伏电源部分参数：设置当前光照强度为400W/m2，温度为25℃；参考光照强度1000W/m2,参考环境温度25℃；在参考日照下的电流变化温度系数α取0.015Amps/℃；在参考日照下的电压变化温度系数β取0.7V/℃；参考厂商提供的技术参数为最大功率点功率260W，最大功率点工作电流8.52A，最大功率点工作电压30.51V，短路电流9.09A，开路电压37.65V；光伏组件的串联数Ns为400，光伏组件的并联数Np为400；光伏逆变器效率97.5％；其他参数：滤波器电抗值L2＝0.037Ω，阻抗Ls＝0.47+j8.28Ω。
利用PSCAD采集的实时数据与各组件出厂参数计算光伏电站等值阻抗Zps和等值电压源Ups，将测量的光伏电站出口处电压电流波形分别与仿真计算的等效输出电压和等效输出电流比较，由于数学模型中存在并网处不断更新的反馈量，仿真计算波形逐渐增大并趋于稳定，最后接近实验测量波形，为了更直观的验证该动态等值阻抗模型的准确性，定义其相对误差为：
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其中，δi为电流相对误差，δu为电压相对误差，I为实验测量电流，Ips为仿真电流，U为实验测量电压，Ups为仿真电压。
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