CN110460104B - 一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法 - Google Patents

一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法，包括如下步骤：1）计算故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值；2）根据故障穿越控制策略计算故障后光伏逆变器正、负序电流的指令值；3）基于光伏逆变器故障前后的电压、电流推导光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗求解公式；4）将步骤1、步骤2的计算结果代入步骤3得到光伏逆变器等效正、负序故障阻抗的表达式。本发明推导的等效故障序阻抗克服了光伏逆变器目前没有等值电路的难题，为光伏接入电网后继电保护动作行为的分析研究提供了有效手段。

Description

一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法。
背景技术
大力发展清洁能源是国家解决能源问题和环境问题的重要举措，近年来，我国以光伏、风电为代表的新能源得到了迅猛发展，新能源占比逐年增加。新能源发电是完全不同于传统同步发电机的一种发电形式，新能源的大规模接入给继电保护带来的影响越来越严峻。由于大量使用电力电子设备，新能源并网系统具有很强的非线性特征，找不到类似于同步发电机“恒定电势+阻抗”的等值电路，传统电网故障分析方法不再适用，给继电保护的分析带来了巨大的困难。
目前光伏发电暂态特性的研究主要集中在短路电流特性上，但基于短路电流来研究光伏接入对继电保护影响具有较大的局限性，当涉及到一些动作特性较复杂的继电保护时，只能通过仿真建模的方法来观察光伏发电系统的故障暂态特征及保护的动作性能，但仿真建模难以覆盖所有的故障情况，而且缺乏理论支撑的仿真分析也不具有说服力。正、负序故障分量网络是继电保护原理分析常用的手段，但一直以来受限于光伏逆变器给不出等效正、负序故障阻抗的表达式，光伏并网系统中继电保护的动作特性并不明朗，因此有必要提出一种光伏逆变器等效故障序阻抗的推导方法。
发明内容
本发明的目的是：针对光伏逆变器找不到等值电路继电保护动作特性分析难以开展的问题，提出一种光伏逆变器等效故障序阻抗推导方法。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法，其特征在于包括如下步骤：
基于光伏逆变器故障前后的电压、电流推导光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗求解公式；
将故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值、根据光伏逆变器故障穿越控制策略计算到的故障后光伏逆变器正、负序电流的指令值，代入求解公式得到光伏逆变器等效故障序阻抗的表达式。
进一步的，所述故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值表达式为：
Figure BDA0002208716190000021
其中，
Figure BDA0002208716190000022
为故障前光伏逆变器输出电压标幺值；
Figure BDA0002208716190000023
为故障前光伏逆变器输出电流标幺值；P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率标幺值。
进一步的，所述光伏逆变器故障控制策略包括无功功率输出控制和负序电流输出控制，无功功率输出表达式如下：
Figure BDA0002208716190000024
其中，K为光伏逆变器输出的无功功率；Ug为光伏逆变器并网点电压。
故障后负序电流输出表达式如下：
Figure BDA0002208716190000025
其中，i+*、i-*分别为故障后逆变器正、负序电流指令值；u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；
Figure BDA0002208716190000026
为i+*的共轭；ρ为逆变器负序控制目标，可取0、1、-1，0代表抑制负序电流，1代表抑制无功功率二倍频振荡，-1代表抑制有功功率二倍频振荡。
进一步的，所述故障后光伏逆变器正、负序电流指令值的表达式如下：
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000027
时：
Figure BDA0002208716190000028
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000029
时：
Figure BDA0002208716190000031
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000032
时：
Figure BDA0002208716190000033
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000034
时：
Figure BDA0002208716190000035
其中，Ilimit为光伏逆变器PI控制器电流限幅值，j为虚数单位，P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率。
进一步的，所述光伏逆变器等效正、负序故障阻抗求解公式为：
Figure BDA0002208716190000036
Figure BDA0002208716190000037
其中，
Figure BDA0002208716190000038
分别为光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗，u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；i+、i-分别为故障后逆变器出口正、负序电流，
Figure BDA0002208716190000039
为故障前光伏逆变器输出电压；
Figure BDA00022087161900000310
为故障前光伏逆变器输出电流。
进一步的，所述光伏逆变器等效正、负序故障阻抗的解析表达式为：
当Ug＞0.9，
Figure BDA00022087161900000311
时：
Figure BDA0002208716190000041
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000042
时：
Figure BDA0002208716190000043
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000044
时：
Figure BDA0002208716190000045
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000046
时：
Figure BDA0002208716190000047
本发明的有益效果是：从故障时光伏逆变器的输出电压、电流特性出发，反推得到光逆变器的等效正、负序故障阻抗，克服了光伏逆变器找不到等值电路的难题，利用所推导的等效正、负序故障阻抗，可以构建光伏并网系统的正、负序故障分量等值电路，利用该等值电路可以对继电保护的动作特性进行分析研究，为光伏接入电网后继电保护的适应性及保护新方案的研究提供了分析手段。
附图说明
图1是本发明一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法的流程图。
图2是本发明一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法的应用场景。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法，包括如下步骤：
步骤1、计算故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值；
步骤2、根据故障穿越控制策略计算故障后光伏逆变器正、负序电流的指令值；
步骤3、基于光伏逆变器故障前后的电压、电流推导光伏逆变器的等效故障序阻抗求解公式；
步骤4、将步骤1、步骤2的计算结果代入步骤3得到光伏逆变器等效故障序阻抗的表达式。
步骤1中，故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值表达式为：
Figure BDA0002208716190000053
其中，
Figure BDA0002208716190000054
为故障前光伏逆变器输出电压标幺值；
Figure BDA0002208716190000055
为故障前光伏逆变器输出电流标幺值；P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率标幺值。本发明中涉及的所有参数都是标幺值。
步骤2中，光伏逆变器故障控制策略包括无功功率输出控制和负序电流输出控制，无功功率输出表达式如下：
Figure BDA0002208716190000051
其中，K为光伏逆变器输出的无功功率；Ug为光伏逆变器并网点电压。
故障后负序电流输出表达式如下：
Figure BDA0002208716190000052
其中，i+*、i-*分别为故障后逆变器正、负序电流指令值；u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；
Figure BDA0002208716190000061
为i+*的共轭；ρ为逆变器负序控制目标，可取0、1、-1，0代表抑制负序电流，1代表抑制无功功率二倍频振荡，-1代表抑制有功功率二倍频振荡。
步骤2中，故障后光伏逆变器正、负序电流指令值的计算计及了PI控制器的限幅特性，故障后光伏逆变器正、负序电流指令值的表达式如下：
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000062
Figure BDA0002208716190000063
Figure BDA0002208716190000064
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000065
时：
Figure BDA0002208716190000066
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000067
时：
Figure BDA0002208716190000068
当Ug≤0.9，
Figure BDA0002208716190000069
时：
Figure BDA00022087161900000610
其中，Ilimit为光伏逆变器PI控制器电流限幅值，j为虚数单位，P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率。
步骤3中，光伏逆变器等效正、负序故障阻抗求解公式为：
Figure BDA0002208716190000071
Figure BDA0002208716190000072
其中，
Figure BDA0002208716190000073
分别为光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗，u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；i+、i-分别为故障后逆变器出口正、负序电流，
Figure BDA0002208716190000074
为故障前光伏逆变器输出电压；
Figure BDA0002208716190000075
为故障前光伏逆变器输出电流。
步骤4中，光伏逆变器等效正、负序故障阻抗的解析表达式为：
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000076
时：
Figure BDA0002208716190000077
当Ug＞0.9，
Figure BDA0002208716190000078
时：
Figure BDA0002208716190000079
当Ug≤0.9，
Figure BDA00022087161900000710
时：
Figure BDA00022087161900000711
当Ug≤0.9，
Figure BDA00022087161900000712
时：
Figure BDA0002208716190000081
图2为本发明一种光伏逆变器等效故障序阻抗推导方法的应用场景，图2(a)为典型的光伏发电并网系统图，在推导出光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗
Figure BDA0002208716190000082
后，图2(a)对应的正、负序故障分量网络可以分别用图2(b)、图2(c)来表示。
图中Zs为系统阻抗；ZL1为保护M到故障点的线路阻抗；ZL2为保护N到故障点的线路阻抗；ZT为升压变的阻抗；
Figure BDA0002208716190000083
分别为故障点提供的正、负序故障电压。
利用图2(b)、图2(c)中的正、负序故障分量网络可以分析不同工况下光伏并网系统继电保护的动作性能。
本发明利用光伏逆变器故障前后输出电压、电流的表达式反推光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗，给出了光伏逆变器等效正、负序故障阻抗的表达式，为利用正、负序故障分量网络分析继电保护的动作性能提供了条件，克服了光伏逆变器找不到等值电路的难题，从技术方案可知，该方法不局限于光伏并网系统，也可以用于风电等其他新能源并网系统。
本发明不受上述实施例子的限制，上述实施例中的描述只用于帮忙理解本发明的核心思想，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，都应该属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法，其特征在于包括如下步骤：
基于光伏逆变器故障前后的电压、电流推导光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗求解公式；
将故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值、根据光伏逆变器故障穿越控制策略计算到的故障后光伏逆变器正、负序电流的指令值，代入求解公式得到光伏逆变器等效故障序阻抗的表达式；
所述故障前光伏逆变器输出的稳态电压、电流值表达式为：
Figure FDA0002671432170000011
其中，
Figure FDA0002671432170000012
为故障前光伏逆变器输出电压标幺值；
Figure FDA0002671432170000013
为故障前光伏逆变器输出电流标幺值；P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率标幺值；
所述光伏逆变器故障控制策略包括无功功率输出控制和负序电流输出控制，无功功率输出表达式如下：
Figure FDA0002671432170000014
其中，K为光伏逆变器输出的无功功率；Ug为光伏逆变器并网点电压；
故障后负序电流输出表达式如下：
Figure FDA0002671432170000015
其中，
Figure FDA0002671432170000016
分别为故障后逆变器正、负序电流指令值；u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；
Figure FDA0002671432170000017
为
Figure FDA0002671432170000018
的共轭；ρ为逆变器负序控制目标；
所述故障后光伏逆变器正、负序电流指令值的表达式如下：
当Ug＞0.9，
Figure FDA0002671432170000019
时：
Figure FDA00026714321700000110
当Ug＞0.9，
Figure FDA0002671432170000021
时：
Figure FDA0002671432170000022
当Ug≤0.9，
Figure FDA0002671432170000023
时：
Figure FDA0002671432170000024
当Ug≤0.9，
Figure FDA0002671432170000025
时：
Figure FDA0002671432170000026
其中，Ilimit为光伏逆变器PI控制器电流限幅值，j为虚数单位，P|0|为故障前光伏逆变器输出有功功率；
所述光伏逆变器等效正、负序故障阻抗求解公式为：
Figure FDA0002671432170000027
Figure FDA0002671432170000028
其中，
Figure FDA0002671432170000029
分别为光伏逆变器的等效正、负序故障阻抗，u+、u-分别为故障后逆变器出口正、负序电压；i+、i-分别为故障后逆变器出口正、负序电流，
Figure FDA00026714321700000210
为故障前光伏逆变器输出电压；
Figure FDA00026714321700000211
为故障前光伏逆变器输出电流。
2.如权利要求1所述的一种光伏逆变器等效正、负序故障阻抗推导方法，其特征在于：所述光伏逆变器等效正、负序故障阻抗的解析表达式为：
当Ug＞0.9，
Figure FDA0002671432170000031
时：
Figure FDA0002671432170000032
当Ug＞0.9，
Figure FDA0002671432170000033
时：
Figure FDA0002671432170000034
当Ug≤0.9，
Figure FDA0002671432170000035
时：
Figure FDA0002671432170000036
当Ug≤0.9，
Figure FDA0002671432170000037
时：
Figure FDA0002671432170000038
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