CN108448635B - 光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法 - Google Patents

Abstract

光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，涉及电力系统仿真建模技术领域。本发明是为了解决现有缺少能够对光伏发电系统不对称电压跌落情况下的故障穿越全过程进行建模的问题。对多个实际在运行的光伏发电系统进行不对称电压跌落情况下的低穿能力测试，得到实际在运行的光伏发电系统的有功功率和无功功率响应；根据响应得到有功功率和无功功率的通用响应曲线；根据该曲线解析有功功率和无功功率的动态行为，并对该行为进行公式化描述；根据该公式解析正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值；建立故障穿越全过程仿真模型。用于对故障穿越全过程建模。

Description

光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统的建模方法，属于电力系统仿真建模技术领域。

背景技术

随着光伏发电渗透率的提高，其对电力系统稳定性的影响日益显著，建立能够精确表征实际光伏发电系统低穿暂态响应特性的仿真模型变得愈加重要。其中，对称电压跌落情况下，光伏发电系统模型已得到了较多应用，而不对称电压跌落情况下，实际光伏发电系统的响应特性多种多样，故障持续期间电流的畸变程度、有功功率和无功功率的波动情况也大不相同，建立能够适应实际光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，涵盖故障穿越全过程的高精度仿真模型仍然是一个亟待解决的问题。

目前为止，有关光伏发电单元在不对称电压跌落情况下的建模工作，主要集中于研究不同的控制方案，如抑制不对称电压跌落下的有功功率波动方法、抑制不对称电压跌落下无功功率波动方法、抑制不对称电压跌落下的电流谐波方法，以及对有功功率波动、无功功率波动及电流谐波任意两者之间控制目标相互折衷的控制方法，使光伏发电系统具有较好的低电压穿越性能。这些方法无一例外，均未能对故障穿越全过程(包括故障发生前的稳定阶段，故障发生至故障清除期间的故障持续阶段，故障清除至有功功率和无功功率均恢复至稳态值的恢复阶段以及恢复阶段完成后的稳定阶段)进行彻底的建模，尤其是未关注故障持续期间电流的畸变程度、有功功率和无功功率的波动情况以及故障清除后恢复阶段动态行为的建模，且在模型验证时，未验证或仅采用实验室条件下的小功率光伏发电系统进行验证，缺乏与实际在运光伏发电系统暂态响应特性的比较，模型的有效性和可靠性验证不足，工程使用具有较大的局限性。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少能够对光伏发电系统不对称电压跌落情况下的故障穿越全过程进行建模的问题。现提供光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法。

光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对多个实际在运行的光伏发电系统进行不对称电压跌落情况下的低穿能力测试，得到在不对称电压跌落情况下，多个实际在运行的光伏发电系统的有功功率和无功功率响应；

步骤二、根据步骤一得到的有功功率和无功功率响应，得到光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的有功功率和无功功率的通用响应曲线；

步骤三、根据步骤二得到的有功功率和无功功率的通用响应曲线，解析有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为，并对有功和无功功率在故障穿越全过程的动态行为进行公式化描述；

步骤四、根据有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为公式解析出正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值；

步骤五、建立故障穿越全过程仿真模型：将步骤四得到的参考值输入到光伏发电系统的电流控制器中，利用该控制器的跟踪作用，根据实际光伏发电系统的工作状态，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，实现光伏发电系统在电压不对称跌落情况下实际故障穿越全过程的建模，进而确保光伏发电系统的仿真模型和实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下，故障穿越全过程暂态响应的一致。

优选地，步骤二中，得到光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的有功功率和无功功率的通用响应曲线为有功功率和无功功率的瞬时响应曲线。

优选地，步骤三中，故障穿越全过程包括故障发生前的稳定阶段，故障发生至故障清除期间的故障持续阶段，故障清除至有功功率和无功功率均恢复至稳态值的恢复阶段以及恢复阶段完成后的稳定阶段，因此，有功功率在故障穿越全过程的动态行为表示为：

式中，u，i，P分别代表电压、电流和有功功率；下标normal代表正常工作状态，所对应的时间范围为[～,t₀]和[t₃,～]，下标fault代表故障持续期间，所对应的时间范围为[t₀,t₁]，下标re代表故障恢复过程，所对应的时间范围分别为[t₁,t₃]，t代表当前仿真运行时间；P_MPPT为光伏阵列最大功率控制输出的有功功率，I_max代表最大电流，I_n代表额定电流，P_n为额定有功功率，k₁和k₂为故障清除后，有功功率的恢复速率；ξ为小于1的正常数，i_{P_normal}为正常工作状态下电流的有功功率分量，i_{P_fault}为故障持续期间电流的有功功率分量，i_{Q_fault}为故障持续期间电流的无功功率分量，i_{P_re}为故障恢复期间电流的有功功率分量；

无功功率在故障穿越全过程的动态行为表示为：

式中，Q_normal表示正常工作状态下的无功功率，C为常数，C在本发明中设为0，Q_fault表示故障持续期间的无功功率，

表示正序电网电压；u_{g_set1}和u_{g_set2}代表设定的电压阈值，为常数，根据中国的并网标准，分别为0.2p.u.和0.9p.u.；k_q1、k_q2和k_q3分别为无功功率常数，根据中国的并网标准，分别为1.05，1.5和0。

优选地，步骤四中，正序电流有功分量的参考值表示为：

正序电流无功分量的参考值为：

负序电流有功分量的参考值为：

负序电流无功分量的参考值为：

其中，上标+和-分别代表正负序分量，上标*代表参考值，下标d和q分别代表d、q轴分量，

为正常工作状态下正序电流有功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流有功功率分量的参考值，

为故障恢复过程中正序电流有功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流的无功功率分量，

为故障持续期间负序电流的有功功率分量，

为故障持续期间负序电流的无功功率分量，i_{P_fault}为故障持续期间电流的有功功率分量，

为正常工作状态下正序电流无功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流无功功率分量的参考值，

为故障恢复过程中正序电流无功功率分量的参考值，

为正常工作状态下负序电流有功功率分量的参考值，

故障恢复过程中负序电流有功功率分量的参考值，

为负序电网电压的d轴分量，

为负序电压的q轴分量，

为正序电压的d轴分量，

为正序电压的q轴分量，

为正序电流的d轴分量，

为正序电流的q轴分量，k为电能质量调节因子，k∈[-1,1]，用来调节不同厂家光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，故障持续期间的电能质量，即用来调节不同厂家光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，故障持续期间电流的畸变程度、有功功率的波动程度和无功功率的波动程度。

优选地，步骤五中，将步骤四得到的参考值输入到光伏发电系统的电流控制器中，利用该控制器的跟踪作用，根据实际光伏发电系统的工作状态，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，实现光伏发电系统在电压不对称跌落情况下实际故障穿越全过程的建模的具体过程为：

当光伏发电系统采用电网电压定向的矢量控制且同步旋转参考坐标系的d轴定向于电网电压矢量时，正序电流有功分量的参考值对应正序电流控制器d轴分量的参考值

正序电流无功分量的参考值对应正序电流控制器q轴分量的参考值

负序电流有功分量的参考值对应负序电流控制器d轴分量的参考值

负序电流无功分量的参考值对应负序电流控制器q轴分量的参考值

那么，根据公式7至10，能够完成根据实际光伏发电系统的工作状态，自动对光伏发电系统正序电流控制器和负序电流控制器的dq轴电流参考值赋值，建立完整的光伏发电系统的仿真模型；该仿真模型能够利用电流控制器，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，进而达到表征实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的故障穿越全过程暂态响应的目的，

本发明的有益效果为：

本发明针对多个实际光伏发电系统，对其进行了不对称电压跌落情况下的低穿能力测试，依据测试结果提出了有功功率和无功功率的通用响应曲线；接着，解析了有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为及控制原则，分别对有功和无功功率在故障穿越全过程的动态行为进行公式化描述，提出了光伏发电系统故障穿越全过程的电流参考值计算方法，该方法不仅能够刻画不对称故障在故障清除前后的动态行为，而且能够应用于故障持续期间电流、有功功率、无功功率三者动态行为的联调，灵活的表征不同实际光伏发电系统的动态行为；进一步，设计了相应的电流控制器，能够按照实际光伏发电系统的工作状态，自动更新电流控制器的参考值，从而使光伏发电系统的仿真模型的动态行为和实际光伏发电系统的实际响应一致。本申请通过选取某一实际光伏发电系统，在相同参数、相同电压跌落情况下，对光伏发电系统的仿真模型和实际光伏发电系统的电压、电流、有功功率和无功功率的相应特性的一致性进行了验证，发现光伏发电系统的仿真模型具有较高的精度。本申请能够模拟实际运行的光伏发电系统故障穿越全过程(包括故障发生前的稳定阶段，故障发生至故障清除期间的故障持续阶段，故障清除至有功功率和无功功率均恢复至稳态值的恢复阶段以及恢复阶段完成后的稳定阶段)的暂态响应。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于故障穿越全过程解析的光伏发电系统不对称电压跌落情况下的建模方法的流程图；

图2为实际测试系统接线原理示意图；

图3是四组实际光伏发电系统在不对称电压跌落情况下的暂态响应特性曲线图；

图4是光伏发电系统在电压不对称跌落情况下，有功功率和无功功率的通用响应曲线图；

图5是本发明设计的光伏发电系统的电流控制器的控制原理图；

图6是本发明建立的光伏发电系统的仿真模型；

图7是对于第一组测试数据，仿真结果和实测数据的对比图；

图8是对于第四组测试数据，仿真结果和实测数据的对比图；

图9是并网标准定义的时间阶段示意图；

图10是电压、电流、有功功率和无功功率在第一组测试数据中的实际误差和最大允许误差的对比图；

图11是电压、电流、有功功率和无功功率在第四组测试数据中的实际误差和最大允许误差的对比图。

具体实施方式

实施例：

步骤一、采用移动式电压跌落发生器，依据中国的并网标准(《光伏电站接入电力系统的规定》和《光伏发电系统建模导则》)，对多个实际在运的光伏发电系统进行不对称电压跌落情况下的低穿能力测试，测试系统的原理结构图如图2所示，得到了多组实际光伏发电系统的电压、电流、有功功率和无功功率暂态响应曲线，本申请随机选取了四组测试结果，对电压的正、负序分量，电流的正、负序分量，瞬时有功功率和瞬时无功功率进行展示，如图3所示。

步骤二、根据如图3所示多个实际在运行的光伏发电系统的瞬时有功功率和瞬时无功功率响应，可以看出，当光伏发电系统发生不对称电压跌落故障时，有功功率跌落、无功功率上升。故障清除后，有功功率按照一定的速率恢复至故障前的稳定状态，无功功率则直接恢复到了故障前的稳定状态。值得注意的是，故障期间瞬时有功功率和无功功率均存在一定程度的2倍电网基波频率的波动。且负序分量仅存在于故障持续期间。因此，光伏发电系统在电压不对称跌落情况下，瞬时有功功率和瞬时无功功率的通用响应曲线，如图4所示；

步骤三、根据如图4所示的瞬时有功功率和瞬时无功功率的通用响应曲线，解析有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为。有功功率和无功功率在故障穿越全过程(包括故障发生前的稳定阶段，故障发生至故障清除期间的故障持续阶段，故障清除至有功功率和无功功率均恢复至稳态值的恢复阶段以及恢复阶段完成后的稳定阶段)的控制原则如表1所示。

表1电压不对称跌落情况下，光伏发电系统有功功率和无功功率在故障穿越全过程的控制原则

由表1可知，光伏系统在不对称电压跌落情况下，有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为可以分别由公式(1)和公式(2)表示：

其中，u，i，P分别代表电压、电流和有功功率；；t代表当前仿真运行时间；下标P和Q分别代表有功功率分量和无功功率分量；I_max代表最大电流；I_n代表额定电流；k₁和k₂为故障清除后，有功功率的恢复速率；ξ为小于1的正常数；下标normal代表正常工作状态，对应的时间范围为[～,t₀]和[t₃,～]；下标fault代表故障持续期间，对应的时间范围为[t₀,t₁]；下标re代表故障恢复期间，对应的时间范围为[t₁,t₃]。

其中，Q代表无功功率；C为常数，在本算例中假设为0；上标“+”代表正序；u_g代表电网电压；u_{g_set1}和u_{g_set2}代表电压设定阈值，为常数，根据中国的并网标准，分别为0.2p.u.和0.9p.u.；k_q1、k_q2和k_q3分别为无功功率常数，根据中国的并网标准，分别为1.05，1.5和0。

步骤四、根据有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为公式解析出在故障穿越全过程中正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值，具体细节如下：

根据光伏发电系统的运行原理，得知有功功率和无功功率响应特性的调节分别通过逆变器电流控制环的正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的调节来实现。因此，对光伏发电系统在不对称电压跌落情况下故障穿越全过程的建模，关键在于根据有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为公式，解析出光伏发电系统逆变器电流控制环中正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值。

因此，本发明在此步骤中提出了光伏发电系统不对称低电压穿越全过程，正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值计算方法，该方法不仅能够刻画不对称故障在故障清除前后的动态行为，还能够应用于故障持续期间电流、有功功率、无功功率三者动态行为的联调，灵活的表征不同实际光伏发电系统在不对称故障持续期间的动态行为。

正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的获得具体为：

1)正序电流有功分量的参考值和正序电流无功分量的参考值的计算：

由表1可知，电压跌落故障发生前和故障清除后的稳态期间([～,t₀]和[t₃,～])，有功功率处于稳定状态。光伏发电系统的有功功率采用最大功率跟踪控制，为在电流总量最小的情况下获得最大的有功功率输出，无功功率一般控制为0。此时，电流有功分量和无功分量的参考值由公式(3)计算，稳定状态下的电流有功分量和无功分量的参考值在稳态电流参考值发生器中进行：

其中，上标“+”代表正序；上标“*”代表参考值，下标“opt”代表最优功率，即最大功率跟踪控制的输出。

当t₀时刻电压发生跌落时，无功功率按照《光伏电站接入电力系统的规定》对电网电压进行支撑，为使光伏发电系统获得较好的低电压穿越性能，采用无功功率优先控制策略，优先进行无功功率支撑，剩余电流进行有功功率控制。此时，电流有功分量和无功分量的参考值由公式(4)计算，故障器件电流有功分量和无功分量的参考值在正序电流参考值发生器中进行：

其中，上标“-”代表负序。

当t₁时刻故障清除后，光伏发电系统进行故障恢复过程：有功功率按照一定的速率恢复到故障前的稳态值，无功功率直接恢复至故障前的稳态值。为确保通用性，本发明针对故障恢复期间的有功功率，设计了两段恢复策略，当有功功率小于某一预设值ξ·P_n时，有功功率按照速率k₁恢复，当有功功率大于此预设值时，有功功率首先按照速率k₁恢复至此预设值，然后按照速率k₂恢复到故障前的稳态值。此时，电流有功分量和无功分量的参考值在正序电流参考值发生器中进行，电流有功分量和无功分量的参考值由公式(5)计算：

当恢复过程结束，光伏发电系统再次进入稳定状态，对应的时间范围为[t₃,～]，电流有功分量和无功分量的参考值可再次由公式(3)计算。

2)负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的计算：

综合图4和表1可知，负序分量仅在电压不对称跌落情况下的故障期间存在，对应的时间范围为[t₀,t₁]。且不同的厂家采取的用以控制故障持续期间电流的畸变程度、有功功率和无功功率的波动的控制策略不同，致使实际光伏发电系统在并不对称电压跌落情况下的故障持续期间的响应特性大不相同。为灵活的表征不同实际光伏发电系统在不对称故障持续期间的动态行为，本步骤提出的负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的计算方法能够方便的用于故障持续期间电流、有功功率、无功功率三者动态行为的联调。获得负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的具体细节如下：

假设故障期间电压和电流在旋转dq参考坐标系下的正、负序分量分别为

和

光伏发电系统的复功率可以表示为公式(6)：

其中，p(t)和q(t)可以写为：

其中，

代表

的共轭，p₀和q₀分别为平均有功功率和平均无功功率，p_c2,p_s2,q_c2和q_s2分别为有功功率和无功功率2次正弦谐波的峰值。

从公式(8)可以看出，故障期间共有6个控制目标p₀,p_c2,p_s2,q₀,q_s2和q_c2，四个控制变量

和

通过设置合适的

和

有功功率和无功功率的2倍频波动可以分别被消除。

假设将同步旋转参考坐标系的d轴定向于并网电压矢量，即e_q＝0，那么i_d和i_q分别视为用来控制有功功率和无功功率的有功电流分量和无功电流分量。

当消除有功功率的2倍频波动时，p_s2＝p_c2＝0，故障期间有功电流和无功电流

和

由公式(8)推导为：

同样地，当消除无功功率的2倍频波动时，相应的控制变量变为了p₀,q₀,q_s2和q_c2.q_s2＝q_c2＝0，故障期间有功电流和无功电流

和

由公式(8)推导为：

另外，不对称电压跌落故障期间电流的负序分量会引起电流畸变，增加逆变器的功率损耗，增加变换器开关的电气应力，甚至影响光伏发电系统安全稳定运行。此时，公式(8)中电流负序的参考值被强制为0：

综合公式(9)至公式(11)，光伏发电系统在故障期间的负序电流参考值如表2所示。

表2不对称电压跌落情况下，光伏发电系统在故障期间的负序电流参考值

通过对大量实测数据的分析发现，对于一些光伏发电系统，采用上述三种控制方案无法使得所建立的光伏发电系统的仿真模型的暂态响应和实际的光伏发电系统响应曲线一致。为解决这一问题，本发明引入了调节因子k来表征实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的可能的暂态响应特性：

将公式(12)带入公式(8),p₀,q₀,p_s2,p_c2,q_s2和q_c2可以由公式(13)计算：

由公式(13)可以看出，光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，故障期间的功率响应可以通过k调节，k∈[-1,1]，当-1≤k<0时，电流畸变和有功功率的2倍频波动可以被同时部分抑制，忽略对无功功率的2倍频波动；当0≤k≤1时，电流畸变和无功功率的2倍频波动可以被同时部分抑制，忽略对有功功率的2倍频波动。

因此，步骤四提出的负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值的计算方法可以灵活的表征不同实际光伏发电系统在不对称故障持续期间的动态行为。

步骤五，建立故障穿越全过程仿真模型：将步骤四得到的参考值输入到光伏发电系统的电流控制器中，利用该控制器的跟踪作用，根据实际光伏发电系统的工作状态，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，实现光伏发电系统在电压不对称跌落情况下实际故障穿越全过程的建模，进而确保光伏发电系统的仿真模型和实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下，故障穿越全过程暂态响应的一致。

步骤五中，电流控制器的设计过程如下：

根据图1，光伏发电系统在故障穿越全过程中的电压方程可以表示为公式(14)：

其中，R_s是电阻,L_s是电感,ω_s是同步频率,

和

是光伏逆变器交流侧电压在旋转参考坐标系下d轴和q轴的正、负序电压。

当光伏发电系统工作在稳定状态时，对应的时间范围为[～,t₀]和[t₃,～]，公式(14)的电网电压方程可以简写为：

根据公式(8)，因为旋转参考坐标系的d轴定向于电网电压矢量，光伏发电系统逆变器交流测的有功功率和无功功率可以为：

当忽略逆变器的功率损耗时，流入直流电容的电流可以推导为：

那么，

可以被表示为：

因此，可以引入PI控制器，消除直流母线电压V_dc的跟踪误差：

对于单极式光伏发电系统，直流母线电压参考值恰好为最大功率跟踪控制器的输出。

同时，[～,t₀]和[t₃,～]的稳态期间，q轴电流的参考值为0：

类似于直流母线电压控制环的PI控制器，根据公式(15)，同样可以引入PI控制器和前馈补偿消除电流的跟踪误差：

基于公式(19)、公式(20)和公式(21)，光伏发电系统在稳定工作状态下的控制器如图5所示。当光伏发电系统工作在故障期间时，对应的时间范围为[t₀，t₁]，由于负序电压的存在，需要对负序电流进行控制，来模拟实际光伏发电系统故障期间电流的畸变以及有功功率和无功功率的波动。由公式(4)和公式(12)，故障期间d、q轴的正、负序电流可以由公式(22)计算，

由公式(22)和附图5可以看出，在电压不对称跌落情况下，电流控制器包括两个部分：正序电流控制器和负序电流控制器，正序电流参考值和正序电流控制器级联，负序电流参考值和负序电流控制器级联。同样地，可以为负序电流控制器引入PI控制，消除负序电流的跟踪误差：

故障清除后，电压和电流的负序分量消失，负序电流参考值将自动强制赋值为0，电流的正序分量将根据并网标准按照一定的速率恢复至稳态值，对应的时间阶段为[t₁，t₃]。故障恢复期间，电流d、q轴的正、负序电流可以由公式(24)计算：

综上所述，光伏发电系统在故障穿越全过程([～,t₀]、[t₀，t₁]、[t₁，t₃]和[t₃,～])的控制器如图5所示，控制器将按照实际光伏发电系统当前的工作状态，自动更新控制器的参考值，从而达到对光伏发电系统的仿真模型动态行为自动调节，由光伏发电系统的仿真模型正确表征实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的故障穿越全过程的暂态响应的目的。

最后，验证光伏发电系统的仿真模型的准确性：

建立的光伏发电系统的仿真模型如图6所示。以两个实际在运行的光伏发电系统得到的两组测试数据为例，模型的验证过程如下：

首先，输入和实际光伏发电系统同样的模型参数，以一组测试数据对应的光伏发电系统为例，主要的仿真参数如表3所示。

然后，设置相同的电压跌落，得到光伏发电系统的仿真模型在不对称电压跌落情况下，电压、电流、有功功率和无功功率的响应曲线，对比实际测试结果和光伏发电系统的仿真模型的电压正、负序分量、电流正、负序分量，有功功率的正序分量、瞬时值和无功功率的正序分量和瞬时值，分别如图7和图8所示。其中，两组的调节系数k分别为0.3和1.0。由图7和图8可以看出，所建立的光伏发电系统的仿真模型和实际光伏发电系统的暂态响应一致。

表3光伏发电系统主要的仿真参数(0.5MW)

最后，依据中国的并网标准《光伏发电系统模型及参数测试规程》，以有功功率为例，将如图9所示的故障穿越全过程分为五个阶段：

(1)稳定期间：A,B2,和C2.

(2)暂态期间：B1和C1.

图9中，T是电网频率的倒数.。模型的精度可由平均绝对误差乘以相应的权重得到：

其中，X代表电压(V),电流(I),有功功率(P),或无功功率(Q)；K_{S_start},K_{S_end},K_{M_start}和K_{M_end}分别为仿真结果和测试结果的第一个测试数据和最后一个测试数据对应的标号；F₁和F₂分别是稳态期间和故障期间的平均绝对误差；F_G为全局加权误差。

根据中国的并网标准，如果每个参数(V,I,P,Q)在相应阶段的平均误差和全局加权误差低于表4所规定的最大允许误差，那么模型是有效的。

表4

不对称电压跌落情况下，光伏发电系统的电压、电流、有功功率和无功功率在相应阶段的平均误差和全局加权误差的最大允许值(％)

参数	F<sub>1</sub>	F<sub>2</sub>	F<sub>3</sub>	F<sub>G</sub>
					V	3	7.5	7.5	7.5
I	15	30	22.5	22.5
					P	15	30	22.5	22.5
Q	15	30	22.5	22.5

根据中国的并网标准《光伏发电系统模型及参数测试规程》将计算出来V,I,P,Q在相应阶段的平均误差、全局加权误差和表4所示的最大允许误差进行对比，对比如图10和图11所示。由图10和11可知，所计算出来V,I,P,Q在相应阶段的平均误差和全局加权误差均远小于表4所示的最大允许误差。仿真结果表明，采用本发明方法得到的光伏发电系统的仿真模型，能够较好地表征不同实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的故障穿越全过程的动态行为，且精度较高。

Claims (5)

1.光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对多个实际在运行的光伏发电系统进行不对称电压跌落情况下的低穿能力测试，得到在不对称电压跌落情况下，多个实际在运行的光伏发电系统的有功功率和无功功率响应；

步骤二、根据步骤一得到的有功功率和无功功率响应，得到光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的有功功率和无功功率的通用响应曲线；

步骤三、根据步骤二得到的有功功率和无功功率的通用响应曲线，解析有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为，并对有功和无功功率在故障穿越全过程的动态行为进行公式化描述；

步骤四、根据有功功率和无功功率在故障穿越全过程的动态行为公式解析出正序电流有功分量的参考值、正序电流无功分量的参考值、负序电流有功分量的参考值和负序电流无功分量的参考值；

步骤五、建立故障穿越全过程仿真模型：将步骤四得到的参考值输入到光伏发电系统的电流控制器中，利用该控制器的跟踪作用，根据实际光伏发电系统的工作状态，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，实现光伏发电系统在电压不对称跌落情况下实际故障穿越全过程的建模，进而确保光伏发电系统的仿真模型和实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下，故障穿越全过程暂态响应的一致。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，步骤二中，得到光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的有功功率和无功功率的通用响应曲线为有功功率和无功功率的瞬时响应曲线。

3.根据权利要求1所述的光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，步骤三中，故障穿越全过程包括故障发生前的稳定阶段，故障发生至故障清除期间的故障持续阶段，故障清除至有功功率和无功功率均恢复至稳态值的恢复阶段以及恢复阶段完成后的稳定阶段，因此，有功功率在故障穿越全过程的动态行为表示为：

式中，u，i，P分别代表电压、电流和有功功率；下标normal代表正常工作状态，所对应的时间范围为[～,t₀]和[t₃,～]，下标fault代表故障持续期间，所对应的时间范围为[t₀,t₁]，下标re代表故障恢复过程，所对应的时间范围分别为[t₁,t₃]，t代表当前仿真运行时间；P_MPPT为光伏阵列最大功率控制输出的有功功率，I_max代表最大电流，I_n代表额定电流，P_n为额定有功功率，k₁和k₂为故障清除后，有功功率的恢复速率；ξ为小于1的正常数，i_{P_normal}为正常工作状态下电流的有功功率分量，i_{P_fault}为故障持续期间电流的有功功率分量，i_{Q_fault}为故障持续期间电流的无功功率分量，i_{P_re}为故障恢复期间电流的有功功率分量；

无功功率在故障穿越全过程的动态行为表示为：

式中，Q_normal表示正常工作状态下的无功功率，C为常数，C设为0，Q_fault表示故障持续期间的无功功率，

表示正序电网电压；u_{g_set1}和u_{g_set2}代表设定的电压阈值，为常数，根据中国的并网标准，分别为0.2p.u.和0.9p.u.；k_q1、k_q2和k_q3分别为无功功率常数，根据中国的并网标准，分别为1.05，1.5和0。

4.根据权利要求1所述的光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，步骤四中，正序电流有功分量的参考值表示为：

正序电流无功分量的参考值为：

负序电流有功分量的参考值为：

负序电流无功分量的参考值为：

其中，上标+和-分别代表正负序分量，上标*代表参考值，下标d和q分别代表d、q轴分量，

为正常工作状态下正序电流有功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流有功功率分量的参考值，

为故障恢复过程中正序电流有功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流的无功功率分量，

为故障持续期间负序电流的有功功率分量，

为故障持续期间负序电流的无功功率分量，i_{P_fault}为故障持续期间电流的有功功率分量，

为正常工作状态下正序电流无功功率分量的参考值，

为故障持续期间正序电流无功功率分量的参考值，

为故障恢复过程中正序电流无功功率分量的参考值，

为正常工作状态下负序电流有功功率分量的参考值，

故障恢复过程中负序电流有功功率分量的参考值，

为负序电压的d轴分量，

为负序电压的q轴分量，

为正序电压的d轴分量，

为正序电压的q轴分量，

为正序电流的d轴分量，

为正序电流的q轴分量，k为电能质量调节因子，k∈[-1,1]，用来调节不同厂家光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，故障持续期间的电能质量，即用来调节不同厂家光伏发电系统在不对称电压跌落情况下，故障持续期间电流的畸变程度、有功功率的波动程度和无功功率的波动程度。

5.根据权利要求4所述的光伏发电系统不对称电压跌落下故障穿越全过程建模方法，其特征在于，步骤五中，将步骤四得到的参考值输入到光伏发电系统的电流控制器中，利用该控制器的跟踪作用，根据实际光伏发电系统的工作状态，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，实现光伏发电系统在电压不对称跌落情况下实际故障穿越全过程的建模的具体过程为：

当光伏发电系统采用电网电压定向的矢量控制且同步旋转参考坐标系的d轴定向于电网电压矢量时，正序电流有功分量的参考值对应正序电流控制器d轴分量的参考值

正序电流无功分量的参考值对应正序电流控制器q轴分量的参考值

负序电流有功分量的参考值对应负序电流控制器d轴分量的参考值

负序电流无功分量的参考值对应负序电流控制器q轴分量的参考值

那么，根据公式7至10，能够完成根据实际光伏发电系统的工作状态，自动对光伏发电系统正序电流控制器和负序电流控制器的dq轴电流参考值赋值，建立完整的光伏发电系统的仿真模型；该仿真模型能够利用电流控制器，自动调节光伏发电系统的仿真模型的动态行为，进而达到表征实际光伏发电系统在电压不对称跌落情况下的故障穿越全过程暂态响应的目的，

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