CN109599901B - 用于提高并网光伏发电系统不对称工况穿越能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法，包括基于超导限流器定阻方法确定所述超导限流器的最优阻值，在并网光伏发电系统中设置最优阻值的超导限流器，以限定暂降期间并网光伏发电系统在线电流限制方法的有功功率下调水平，基于限定后的并网光伏发电系统的在线电流限制方法改善并网光伏发电系统的网侧电压状况，实现对并网光伏发电系统暂态电流的限制。在现有并网光伏发电系统采用的在线电流限制方法设置配合在线电流限制策略的超导限流器定阻方法，确保了超导限流器阻值的最优选择，节省了计算量，并通过合理安装所述超导限流器，最大化协调运行方法的经济性，从而提高并网光伏发电平缓的不对称工况穿越能力。

Description

用于提高并网光伏发电系统不对称工况穿越能力的方法

技术领域

本发明涉及并网光伏发电系统设备技术领域，特别涉及一种用于提高并网光伏发电系统不对称工况穿越能力的方法。

背景技术

光伏发电是一种重要的可再生能源技术，根据安装地点常被区分为分布式并网光伏发电系统与集中式并网光伏发电系统。其中，集中式光伏光伏发电系统常常分布于太阳能富集的中西部偏远地区，并通过长距离输电线路馈入电网。双极式并网光伏系统一般有光伏阵列、逆变器以及计量系统组成。一般地，集中式并网光伏发电系统利用宽阔场地布置成片光伏阵列，通过发电场内线路集中升压，最终接入输电网络经过线路传输送入负荷中心。作为一种电力系统限流器，超导限流器能够在与并网光伏系统串联连接时于故障瞬间快速限制短路电流，并在故障稳态提供稳定的电压支撑作用，尤其能在严重电压暂降事件中辅助现有不对称控制策略实现平缓的不对称工况穿越，弥补现有方法深电压暂降穿越能力弱的不足。

但是在不对称暂降发生后，一方面，由于正序电压跌落使得网侧变流器输出功率能力受限，直流母线电容两侧原有功率平衡被打破，机侧升压斩波电路需要顺势下调机侧有功功率发射水平，实现母线电容电压的稳定。另一方面，以纹波电压消除为目标，网侧变流器并网电流中含有负序分量，三相电流不平衡度提升使得超导限流器的安装情况复杂化。因此，需要确立一种用于协调软硬件限流方法的电阻安装定容方法，则必先确立一套面向多暂降情景的超导限流器组织选择方法，在最优化不对称工况穿越能力的同时完成定阻方法经济效益的最大化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于提高并网光伏发电系统不对称工况穿越能力的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法，包括：

基于超导限流器定阻方法确定所述超导限流器的最优阻值，在并网光伏发电系统网侧变流器测量点与公共连接点之间设置最优阻值的超导限流器，以通过所述超导限流器的定阻安装限定暂降期间并网光伏发电系统在线电流限制方法的有功功率下调水平，基于限定了有功功率下调水平的并网光伏发电系统的在线电流限制方法改善并网光伏发电系统的网侧电压状况，实现对并网光伏发电系统暂态电流的限制，从而实现并网光伏发电平缓的不对称工况穿越。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述基于超导限流器定阻方法确定所述超导限流器的最优阻值具体包括：

设置定阻初始条件；构建暂降情景并确定正负序相角差范围；计算并网光伏发电系统未安装超导限流器时的原始容许最大有功功率；基于所述正负序相角差范围与所述原始容许最大有功功率构建超导限流器阻值集；从所述超导限流器阻值集中选取最大阻值作为最优阻值。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述定阻初始条件为并网光伏发电系统的最大设防暂降深度与并网光伏发电系统的稳态容许最大有功输出目标。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述基于所述正负序相角差范围与所述原始容许最大有功功率构建超导限流器阻值集具体包括：

将并网光伏发电系统的原始容许最大有功功率与设定的稳态容许最大有功输出目标作比较，当所述原始容许最大有功功率小于所述稳态容许最大有功输出目标时，引入对称分量法公式，联立求解得到所述超导限流器阻值集。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述正负序相角差范围为0-360度。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述超导限流器用于实现并网光伏发电系统网侧变流器测量点与公共连接点之间的电气隔离，并以此提高并网光伏发电系统测量点的电压水平、改善测量点的电压水平。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述在线电流限制方法具体包括：

利用限制公式实时计算并网光伏发电系统暂降期间正序有功电流限制值i_d ^+*mod；并基于所述正序有功电流限制值i_d ^+*mod对并网光伏发电系统容许最大有功功率P_max进行调制。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述正序有功电流限制值计算式为：

其中，i_q ⁺为暂降期间并网光伏发电系统的无功注入需求，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为并网光伏发电系统设定的电流限制值。

优选的，一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法中，所述容许最大有功功率P_max计算式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在并网光伏发电系统现有功率限制策略(在线电流限制方法)的基础上，结合超导限流器不对称运行特点，设计一套多场景通用的超导限流器定阻方法，确定超导限流器的最优阻值，并根据所述最优阻值完成超导限流器的安装，进一步优化并网光伏发电系统的功率限制策略，通过方法配合系统硬件的有序协调，提升并网光伏系统不对称工况穿越能力，并在利用超导限流器技术优势的同时，最大化所提方法的经济性，提升方法实用性。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的超导限流器硬件安装的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例的网侧变流器在线电流限制方法示意图；

图3为本发明示例性实施例的光伏侧升压斩波电路的发送功率的限制方法；

图4为本发明示例性实施例的配合在线电流限制策略的超导限流器定阻方法的流程图；

图5为本发明示例性实施例的限流器运行状态与最小阻值按相角差的分布图。

附图标记：11-直流侧电容、12-网侧变流器、13-网侧变流器端口滤波器、14-超导限流器、21-网侧变流器测量点、22-网侧变流器公共连接点。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1示出了本发明示例性实施例的超导限流器硬件安装的结构示意图。本发明实施例提供了一种利用超导限流器的硬件安装方法，如图1所示，所述超导限流器串联在网侧逆变器端口，置于网侧变流器测量点21与公共连接点22之间，用于两点间的电气隔离，最终地、改善网侧测量点的电压水平。所述硬件安装方法使得网侧变流器12A相、网侧变流器端口滤波器13的A相与所安装超导限流器14的A相串联连接，网侧变流器12的B相、网侧变流器端口滤波器13的B相与所安装超导限流器14的B相串联连接，网侧变流器12的C相、网侧变流器端口滤波器13的C相与所安装超导限流器14的C相串联连接。并网光伏系统发送功率通过直流侧电容11的储存中转，根据网侧变流器测量点21采集的测量信号，顺利地通过网侧变流器12的调制，经过网侧变流器端口滤波器13与超导限流器14，传送到公共连接点22。安装的超导限流器不仅可以在故障稳态完成测量点电压状况的改善，也能够利用超导限流器的高暂态电阻完成暂态电流的有效限制。

所述集中式并网光伏发电系统采用的在线电流限制方法主要包括：网侧变流器在线电流限制方法、光伏测升压斩波电路发送功率的限制方法；即所述在线电流限制方法包括：利用限制公式实时计算并网光伏发电系统暂降期间正序有功电流限制值i_d ^+*mod；并基于所述正序有功电流限制值i_d ^+*mod对并网光伏发电系统容许最大有功功率P_max进行调制。

请参阅图2，本发明实时例提供了一种故障期间网侧变流器在线电流限制方法，包括：正序参考电流调制单元、在线电流限制单元、双电流环控制单元、PWM调制单元。

所述正序参考电流调制单元包括正序有功参考电流调制与正序无功参考电流调制单元，其中正序有功参考电流调制单元由直流母线侧采样电压U_dc与直流母线参考电压U_dc ^*作差，输入PI控制器，以得到正序有功电流参考值i_d ^+*；该控制器同时承担调节直流母线电压的作用，在并网光伏系统不脱网运行的情形下，直流母线电压维持在直流母线电压参考值U_dc ^*附近稳定运行。正序无功参考电流调制单元根据并网导则中无功电流需求曲线进行整定。

所述在线电流限制单元通过实时采集网侧变流器采样点正序电压幅值U⁺、负序电压幅值U-以及正负序相角差δ等暂降特征参数，实时计算网侧变流器电流裕度。通过针对有功/无功电流设置一定的优先级，有序解决网侧逆变器有功/无功功率传输能力受限的问题，对正序有功/无功电流进行修改。为保证无功电流满足电网导则需求，在故障期间针对正序有功电流进行限制，实时计算正序有功电流限制值

其中I_lim对应网侧变流器设定最大电流限制，cosmin对应最大电流相对应余弦值，具体地，应由以下公式确定：

cosmin＝min{cos(δ),cos(δ-4π/3),cos(δ-8π/3)} (2)

得到最大电流相对应限制公式。利用采样点实时采集的暂降特征分量，通过正序参考电流调制单元所得的正序无功电流i_q ^+*，对正序有功电流进行实时限制；当实时计算正序有功电流限制值低于正序有功电流调制值i_d ^+*时，以限制值代替调制值i_d ⁺馈入下一控制单元，正序有功参考电流调制被屏蔽；反之，正序参考电流正常运行。

所述在线电流限制单元同时承担负序电流调制的任务，以消除直流母线电容电压纹波为准则，负序直交轴参考电流分量通过公式

其中

表征测量点不平衡度，公式(3)(4)中负序电流分量的大小与测量点电压不平衡度呈现正相关关系。

所得正负序参考电流馈入双电流环控制单元，双电流环控制单元中置入分离而合适的正负序电流控制器，完成三相电压的调制，将调制电压馈入PWM调制单元，完成网侧变流器开关信号的转换，控制电压源型逆变器的开关动作，实现故障期间的持续并网。

所述在线电流限制单元同时承担完成馈送机侧容许最大有功功率P_max的调制，具体地，利用正序有功电流限制值实现该信号的实时计算：

容许最大有功功率作为光伏侧与网侧控制直接唯一的交换信号，承担了直流母线电容两侧功率平衡的实时维持的作用，通过网侧的电网电压信号，实时判定网侧功率的传送能力，馈送至光伏侧完成功率的上/下调。

请参阅图3，本发明实施例提供了一种故障期间光伏侧升压斩波电路的发送功率的限制方法，包括：原MPPT控制单元、降功率功率单元。

所述原MPPT控制单元在故障发生前后保持在线，根据外部环境条件(温度、光照)实时跟踪最大功率点，在标准工况下获得最大功率点电压U_mppt ^*，与最大发送功率P_mppt；直流母线参考电压为U^* _dc。

所述降功率控制单元利用网侧逆变器实时计算所得容许传送最大有功功率

故障期间，由于网侧变流器输出功率水平受限，进而需要顺势下调光伏侧发送功率，得到机侧光伏阵列端电压的修改值U^* _{pv_mod}，与采集所得端电压信号U_pv进行作差输入PI控制器，得到光伏侧升压斩波电路占空比，动态调整机侧端电压水平。该控制方法提供了光伏自身通过限功率实现故障穿越的途径。

请参阅图4，本发明实施例提供了一种配合在线电流限制策略的超导限流器定阻方法的流程图，包括：设置定阻初始条件；构建暂降情景并确定正负序相角差范围；计算并网光伏发电系统未安装超导限流器时的原始容许最大有功功率；基于所述正负序相角差范围与所述原始容许最大有功功率构建超导限流器阻值集；从所述超导限流器阻值集中选取最大阻值作为最优阻值。所述定阻方法选取特定的设防准则完成超导限流器阻值的确定，着重考虑了不同正负序相角差背景下不同阻值需求，从全局出发优化超导限流器阻值选择。具体地，所述定阻方法包括：

S100：设定定阻初始条件，指定稳态容许最大有功输出目标，指定配备超导限流器并网光伏发电系统最大设防暂降深度。

具体地，在不安装超导限流器的情况下，由于在深暂降事件期间容许有功功率往往下降至较低水平甚至跌落至零，网侧变流器串联的电阻型超导限流器往往能够保证并网光伏系统穿越期间保持较高的有功水平，减轻机侧控制器下调有功负担，提升暂态性能。而暂降深度越大，并网光伏系统的故障穿越能力越弱，越需要的外界硬件辅助；特别地，引入电压暂降的特征电压概念，表征相与地故障期间的最小相电压，明确故障期间最大设防深度，电阻型超导限流器的安装需要保证在该暂降深度下平稳穿越。通过设定容许有功功率穿越水平，并配合确立的暂降设防深度，能够明确并网光伏系统在最严重暂降期间所需的超导限流器阻值水平。

S200：考虑不同相角差情景，设置正负序相角差。

具体地，由于网络中故障点往往与光伏电厂保留有一定的电气距离，电网中变压器、线路以及负荷的存在往往会带来相角跳变，使得测量点正负序相角差往往与故障点正负序相角差不一致，因此，需要从全局出发考量全部相角差情景，从而保证超导限流器的阻值选择满足全部相角差情景，其中正负序相角差范围考量0°～360°，完成全部定阻情景覆盖。

S300：计算暂降特征下未安装限流器容许最大有功功率。

具体地，在安装电阻型超导限流器前，需要对并网光伏系统原有在线电流限制方法进行分析，计算稳态容许最大有功功率，考量原始有功穿越水平，以判定超导限流器电阻安装的情况。通过联立公式(1)(5)带入原始暂降特征，可获得原有有功穿越水平。

S400：计算暂降特征下安装电阻型超导限流器的最小阻值。

具体地，通过S300步骤中确定的原始有功穿越水平与S100中设定的容许最大有功输出目标的比较，确定阻值的确定方法，若原始有功穿越水平大于设定有功输出目标，则在该暂降特征情境下不需要超导限流器的安装即可实现；反之，则需引入公式：

其中公式(7)表示了接入电阻后网侧电压电流的对应关系，每一相超导限流器上的电压降R_ai_a，R_bi_b，R_ci_c，对应测量点电压与网侧电压之间的向量差。公式(8)表示了所述电阻型超导限流器不对称运行期间被打破的正负序解耦关系重构引入的对称分量法。

本发明实施例中，需要通过方程(1)(5)(7)(8)的联立求解完成阻值的计算。通过S300与S400不仅能对照说明故障限流器安装的有功功率提升效果，也能够规避零阻值需求情境下不必要的计算量。

其中，需要进行联立求解的情境下，需要细化电阻型超导限流器与原有在线电流限制方法协调运行情况下超导限流器的运行状况。由于网侧变流器在线电流限制方法中负序电流的定制，网侧变流器输出电流中存在负序电流，且负序电流随着暂降加深占比增高，而网侧变流器端口安装的电阻型超导限流器维持三相对称同阻值安装，在实际运行情况下，可能出现两相限流器失超与单相限流器失超的情景，在两种运行状态下，电阻的取值有着明显的差别，在联立方程求解阻值之前需要通过稳态电流水平，预先判定超导限流器的具体运行状态。

请参阅图5，图5为限流器的运行状态与相角差的对应关系。其中图5(a)中显示了在不安装超导限流器的情况下三相电流的稳态峰值，其中选取最大电流限制I_lim为1.5p.u.(per unit，标幺值)，其中X-1,Y-1.Z-1分别代表B/A/C相对应最大电流相的区间，三区间平分0°～360°的相角差考量范围，其中0°、120°、240°对应最大电流相的换相点，于该换相点上最大电流相完成了C相至B相、B相至A相、A相至C相的转换，同时换相点表征了该未安装超导限流器的条件下，两相电流同时对应为最大电流相的情景。一般地，由于超导限流器的失超通过过限电流峰值进行触发，则X-1，Y-1，Z-1应对应为B/A/C相电阻型超导限流器失超的运行状态，对应理想状况下单相超导限流器失超运行的情况。

在超导限流器安装后的实际运行状态对应图5(b)，其中X-1，Y-1，Z-1仍对应超导限流器单相失超的情景；然而三相电阻的不对称运行使得两种不同的超导限流器运行状态得以衍生，其中X-2，Y-2，Z-2对应两相超导限流器失超而最大电流相未变化的运行状态，X-3，Y-3，Z-3对应两相超导限流器失超而最大电流相变化的运行状态。两种情况与X-1，Y-1，Z-1的界线对应安装超导限流器后次大电流相电流幅值追平最大电流相的情景，然而两侧转换点由于超导限流器的安装而不能重叠，两侧转换点其间区间对应了超导限流器实际运行中两相超导限流器失超的情景。两个新区间之间分界对应了变化后的新转换点。

在实际的联立求解中由于不能预先确定超导限流器的运行状态，应将三运行状态分别联立求解，通过方程组的首先判断实际的运行区间，在该过程中，可以确定安装电阻型超导限流器的最小阻值，具体地，请参阅图5(c)所求得电阻阻值，其中设定容许最大有功输出目标为0.5p.u.。其中X-2，X-3对应BC相超导限流器失超的情景，Y-2，Y-3对应AB相超导限流器失超的情景，Z-2，Z-3对应AC相超导限流器失超的情景。如图所示两相失超的情景的电阻需求均小于X-1，Y-1，Z-1对应的单相限流器失超情景的电阻需求，在实际的定阻过程中，可以简化只求取单相超导限流器失超的求取。

完成该暂降特征所需电阻求取后，应跳转回到S200，更改相角差情景，重复S300、S400，直至覆盖0°～360°全部相角差情景，则跳转入S500

S500：最优阻值的选取。

具体地，由于以上各步求得的电阻阻值对应暂降特征下的最小电阻需求，只考虑了单点的情景，能够使得并网光伏发电系统在该情景下按照该阻值安装超导限流器刚好满足并网光伏系统有功穿越水平。考虑所有相角差情景，则应该选取所有情景下最大阻值，使得超导限流器定阻满足全局考量。如图5(c)中，该定阻情景下，最优阻值最后被确定为0.0362Ω(0.2482p.u.)。

从上述实施例可以看出，本发明提供的软硬件协调运行限流方法包括:确立超导限流器的硬件安装位置，安装于测量点与公共连接点之间的超导限流器使得测量点电压水平得到有效提升；引入在线电流限制方法，在光伏侧升压斩波器与网侧变流器通过引入限功率控制实现故障稳态电流的实时限制；搭配协调运行的定阻方法，指定限流器安装有功提升目标，设置设防暂降深度，引入对称分量法实现正负序解耦，通过方程联立求解，完成最优阻值的选取，确保了定阻方法的准确性，同时通过容许最大有功功率与运行状态的判定，规避了大量不必要的定阻情景，节省了计算量；相较于最大功率控制模式缩减了限流器阻值需求，精准的定阻方法也避免了过度的电阻选取，最大化协调运行方法的经济性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于提高并网光伏发电不对称工况穿越能力的方法，包括：

基于超导限流器定阻方法确定所述超导限流器的最优阻值，在并网光伏发电系统网侧变流器测量点与公共连接点之间设置最优阻值的超导限流器，以通过所述超导限流器的定阻安装限定暂降期间并网光伏发电系统在线电流限制方法的有功功率下调水平，基于限定了有功功率下调水平的并网光伏发电系统的在线电流限制方法改善并网光伏发电系统的网侧电压状况，实现对并网光伏发电系统暂态电流的限制，从而实现并网光伏发电平缓的不对称工况穿越。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于超导限流器定阻方法确定所述超导限流器的最优阻值具体包括：

设置定阻初始条件；构建暂降情景并确定正负序相角差范围；计算并网光伏发电系统未安装超导限流器时的原始容许最大有功功率；基于所述正负序相角差范围与所述原始容许最大有功功率构建超导限流器阻值集；从所述超导限流器阻值集中选取最大阻值作为最优阻值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定阻初始条件为并网光伏发电系统的最大设防暂降深度与并网光伏发电系统的稳态容许最大有功输出目标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述正负序相角差范围与所述原始容许最大有功功率构建超导限流器阻值集具体包括：

将并网光伏发电系统的原始容许最大有功功率与设定的稳态容许最大有功输出目标作比较，当所述原始容许最大有功功率小于所述稳态容许最大有功输出目标时，引入对称分量法公式，联立求解得到所述超导限流器阻值集。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正负序相角差范围为0-360度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超导限流器用于实现并网光伏发电系统网侧变流器测量点与公共连接点之间的电气隔离，并以此提高并网光伏发电系统测量点的电压水平、改善测量点的电压水平。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在线电流限制方法具体包括：

利用限制公式实时计算并网光伏发电系统暂降期间正序有功电流限制值i_d ^+* _mod；并基于所述正序有功电流限制值i_d ^+* _mod对并网光伏发电系统容许最大有功功率P_max进行调制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述正序有功电流限制值计算式为：

其中，i_q ⁺为暂降期间并网光伏发电系统的无功注入需求，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为并网光伏发电系统设定的电流限制值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述容许最大有功功率P_max计算式为：