CN112865184A - 计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法。该方法包括：构建含低电压穿越与锁相环的光伏并网系统模型；考虑并网阻抗、低电压穿越与锁相环比例积分系数等因素建立锁相环扩展模型；对比同步发电机转子运动方程，确定光伏电源运动方程；基于光伏并网系统模型，利用改进等面积准则对系统故障前后的动态过程进行暂态稳定性分析；通过该暂态稳定分析方法对比系统中不同参数对光伏并网系统稳定性的影响；搭建含光伏并网电源的四机两区系统，通过仿真验证了以上理论分析方法的正确性。本发明考虑低电压穿越与锁相环动态特性，能够全面且准确地对光伏并网系统进行暂态稳定分析并提高系统暂态稳定性。

Description

计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法。

背景技术

随着光伏发电系统的日益发展，并网变流器于电力系统中也扮演着越来越重要的角色。变流器作为光伏并网系统的重要元件之一，通常具有与常规同步发电机元件不同的性能，例如其有着出色的变换速度和可控性，但相应的故障穿越能力则相对有限。因此为了防止故障后光伏发电系统大规模脱网给电网的安全稳定运行带来严重危害，在光伏并网的相关规定中，明确要求大中型光伏电站需要具备低电压穿越能力。而由于光伏并网系统在加入锁相环后，其与系统之间的动态相互作用可能会导致电网在发生故障后无法再同步，而系统一旦失步，规程中要求的低电压穿越条件就无法满足。因此研究含有低电压穿越能力与锁相环控制的光伏并网系统动态特性，以及对此系统进行暂态稳定分析具有重要意义。

目前针对光伏并网动态特性与暂态稳定分析方法国内外学者进行了一定研究，有学者通过分析平衡点来判断故障后系统暂态稳定性，而后发现除故障后平衡点的存在外，锁相环的初始状态与动态特性同样会影响并网系统的同步性；而为了分析锁相环的动态特性，有学者借鉴了同步机的暂态稳定特性，推导了适用于机理分析的并网系统非线性降阶模型，对电网短路故障下的稳定性问题进行研究；还有学者使用李雅普诺夫直接法与相图分析法评估并网系统暂态稳定性。基于上述研究可以发现，尽管已总结了并网系统的动态同步过程，但是考虑光伏低电压穿越与并网阻抗对锁相环动态过程的作用，以及针对此光伏并网系统分析暂态同步稳定性影响因素的研究较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法，通过该方法可以更全面且准确地分析光伏并网系统在故障前后的动态特性，并对比不同影响因素对系统暂态稳定性的影响，以提高新能源并网系统的暂态稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统暂态稳定性分析方法，包括：

构建计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统模型；

考虑并网阻抗、低电压穿越与锁相环比例积分系数等建立锁相环扩展模型；

类比同步发电机转子运动方程，构造光伏发电机运动方程；

基于光伏并网系统模型，利用改进等面积准则对系统故障前后的动态过程进行暂态稳定分析；

通过该暂态稳定分析方法对比系统中不同参数对光伏并网系统稳定性的影响；

搭建含光伏并网电源的四机两区系统，通过仿真验证以上理论分析方法的正确性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法，全面考虑包括并网阻抗、低电压穿越有功无功电流参考值、锁相环比例积分系数在内的多种影响因素，通过扩展等面积准则方法准确地分析系统故障前后的动态特性，能够全面地对光伏并网系统进行暂态稳定分析并提高系统暂态稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统暂态稳定性分析方法流程图；

图2为本发明实施例中计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统故障后的动态同步分析过程示意图；

图3为本发明实施例中影响光伏并网系统暂态稳定因素的分析过程示意图；

图4为本发明实施例中含光伏电源的四机两区测试系统示意图；

图5为本发明实施例中不同电压降落深度下光伏并网系统并网电压u_q与锁相环系统频率差Δω仿真曲线示意图；

图6为本发明实施例中不同并网阻抗下光伏并网系统并网电压u_q与锁相环系统频率差Δω仿真曲线示意图；

图7为本发明实施例中不同锁相环参数下光伏并网系统并网电压u_q与锁相环系统频率差Δω仿真曲线示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统暂态稳定性分析方法流程图。如图1所示，包括以下步骤：

步骤100：构建计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统模型。光伏并网系统主要包括光伏电池阵列、最大功率点跟踪技术、光伏并网逆变器及其控制系统、锁相环及低电压穿越控制方法等，光伏阵列及直流升压环节可等效为输出恒定的直流电压源，光伏并网逆变器采用三相桥式电压型逆变拓扑结构。电网正常运行时，逆变器使用空间矢量脉冲宽度调制方式和电压电流双闭环控制策略能够使其输出的电流和电压同频同相，满足并网要求。

步骤200：考虑并网阻抗、低电压穿越与锁相环比例积分系数等建立锁相环扩展模型。具体过程如下：

在锁相环原有模型的基础上加入并网阻抗后，其模型为：

u_q＝R_gi_q+ω_pllL_gi_d-Esinδ＝a-Esinδ (1)

其中L_g与R_g共同组成并网阻抗，i_dq为并网点电流dq坐标系下的d轴分量与q轴分量，ω_pll表示锁相环频率，E为电网电压幅值，δ表示dq旋转坐标系与xy同步坐标系之间的夹角。

由于含变流器光伏电源可被看作受控电流源，因此可以认为输出电流可由电流参考值直接指定，根据低电压穿越要求，含并网阻抗与锁相环比例积分系数的锁相环模型可进一步推导为：

其中i_dq ^*为根据低电压穿越要求而得到的有功和无功电流参考值。

步骤300：类比同步发电机转子运动方程，构造光伏发电机运动方程。类比于同步发电机的转子运动方程，光伏发电系统同样可以将运动方程写为：

J_eqdω_pll/dω_g＝u_q-D_eq(ω_pll-ω_g) (3)

其中等效惯量J_eq＝1/k_i，阻尼系数D_eq＝k_pEcosδ/k_i。

步骤400：基于光伏并网系统模型，利用改进等面积准则对系统故障前后的动态过程进行暂态稳定分析。

步骤500：通过该暂态稳定分析方法对比系统中不同参数对光伏并网系统稳定性的影响。利用改进等面积准则分析包括电压降落深度、并网电阻与电抗幅值以及锁相环比例、积分系数在内的多种影响暂态稳定因素。

步骤600：搭建含光伏并网电源的四机两区系统，通过仿真验证以上理论分析方法的正确性。

图2为本发明实施例中计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统故障后的动态同步分析过程示意图。具体分析过程如下：

在发生故障前，光伏并网系统处于稳定状态，其u_q-δ关系如图2中曲线A所示。在发生短路故障后，并网电压E骤降，即从图中稳定状态的曲线A变为故障后的曲线B，相应的运行点也会从曲线A中的稳定平衡点A₁过渡到曲线B中的不稳定运行点B₁。由于锁相环自身具有的闭环反馈特性，故障后其频率会逐渐恢复至电网频率，此过程即为锁相环与电网的再同步过程。在再同步的暂态过程中，锁相环的频率如果可恢复至电网频率，即可视作暂态稳定，若发生严重偏离，即为失步，而判断的标准则依据等面积准则与阻尼系数符号。

根据以上分析可知，电网与光伏电源之间的频率差会在再同步过程中缩小，运行点也因此由B₁逐渐运行至B₂，此过程形成的面积A₁B₁B₂即为减速面积S_-。运行点到达B₂点后，会继续运行，使得频率差再次增加，直到Δω在变化中恢复至0。由于δ不允许超过临界状态δ_D1使阻尼系数变为负，因此最大的加速面积为图中B₂B₃D₁构成的S_+max。根据上述分析可知，保证稳定的一个充分条件为S_-≤S_+max。同理在故障切除后，由图中B₂A₂A₁构成的加速面积S₊同样要求不大于A₁A₃D₂构成的最大减速面积S_-max，即故障切除后保证同步性的一个充分条件为S₊≤S_-max。

图3为本发明实施例中影响光伏并网系统暂态稳定因素的分析过程示意图。具体分析过程如下：

根据分析可知，当光伏并网系统发生三相故障时，如果电压降落过大，会使得并网点电压E的数值很小。一方面可能会导致|a|>E，造成平衡点不再存在，使得系统一定会发生失步，而另一方面若满足|a|≤E，平衡点虽存在，但仍由分析可知较小的电压E会减小加速面积，增加减速面积，最终增加失步的可能性。

如图3所示，曲线A表示正常状态，曲线B与曲线C均为故障后的状态，其中曲线B电压降落小于曲线C。在发生故障时，B曲线的减速面积S_2-小于C曲线的减速面积S_3-，同时B曲线的最大加速面积S_2+max大于C曲线的最大加速面积S_3+max，因此根据分析可得电压降落小的B曲线更容易满足稳定性充分条件S_-≤S_+max。在故障清除后，B曲线的加速面积S₂₊小于C曲线的加速面积S₃₊，同时B曲线与C曲线的最大减速面积均为S_-max，因此同样由分析可知电压降落小的B曲线更容易满足稳定性充分条件S₊≤S_-max。综上所述可知电压降落越小，故障后的光伏并网系统更稳定。

同理根据公式(1)可知，当光伏并网系统发生三相故障时，电网阻抗的大小会影响常数项a的大小，而a的变化会导致加速面积与减速面积的变化，分析方法同上述的电压降落。

本实例使用的四机两区系统如图4所示，图4中1-12均表示节点，G1-G4表示四台同步发电机，PV表示光伏发电机。四台同步发电机分别接入节点1～4，光伏发电机接入节点12。

0.5s时，在系统8节点处发生三相接地短路故障，图5、图6和图7分别表示不同电压跌落深度、不同并网阻抗以及不同锁相环参数对光伏并网系统暂态稳定性的影响。图5(a)为在电压跌落深度分别为30％、70％以及95％时并网电压u_q仿真曲线，图5(b)为在电压跌落深度分别为30％、70％以及95％时锁相环与电网频率差仿真曲线；图6(a)为在并网阻抗分别Z_g＝0.2+j0.9、Z_g＝0.5+j0.9以及Z_g＝0.2+j2时并网电压u_q仿真曲线，图6(b)为在并网阻抗分别为Z_g＝0.2+j0.9、Z_g＝0.5+j0.9以及Z_g＝0.2+j2时锁相环与电网频率差仿真曲线；图7(a)为在锁相环参数分别k_p＝200,k_i＝1000、k_p＝100,k_i＝1000以及k_p＝200,k_i＝4000时并网电压u_q仿真曲线，图7(b)为在锁相环参数分别为k_p＝200,k_i＝1000、k_p＝100,k_i＝1000以及k_p＝200,k_i＝4000时锁相环与电网频率差仿真曲线。

根据仿真分析可知，在光伏并网系统中，并网点电压降落程度会影响系统再同步能力，即电压降落程度越大，系统越容易失步；在保持其他参数不变的情况下，并网电阻与电抗的大小会影响系统故障后同步的能力，即在一定范围内减小电阻或电抗，可提升光伏并网系统暂态稳定性；锁相环比例、积分系数会影响阻尼系数，进而影响系统暂态稳定性，因此增大比例系数或减小积分系数均可提高暂态稳定性，减小失步可能性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法，其特征在于，针对考虑低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统，构造锁相环扩展模型，使用改进等面积准则的方法在系统故障前后进行暂态稳定分析，包括：

构建计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统模型；

考虑并网阻抗、低电压穿越与锁相环比例积分系数等建立锁相环扩展模型；

类比同步发电机转子运动方程，构造光伏发电机运动方程；

基于光伏并网系统模型，利用改进等面积准则对系统故障前后的动态过程进行暂态稳定分析；

通过该暂态稳定分析方法对比系统中不同参数对光伏并网系统稳定性的影响；

搭建含光伏并网电源的四机两区系统，通过仿真验证以上理论分析方法的正确性。

2.根据权利要求1所述的计及低电压穿越的光伏并网系统暂态稳定分析方法，其特征在于，具体包括步骤：

步骤100：构建计及低电压穿越与锁相环动态特性的光伏并网系统模型。光伏并网系统主要包括光伏电池阵列、最大功率点跟踪技术、光伏并网逆变器及其控制系统、锁相环及低电压穿越控制方法等，光伏阵列及直流升压环节可等效为输出恒定的直流电压源，光伏并网逆变器采用三相桥式电压型逆变拓扑结构。电网正常运行时，逆变器使用空间矢量脉冲宽度调制方式和电压电流双闭环控制策略能够使其输出的电流和电压同频同相，满足并网要求。

步骤200：考虑并网阻抗、低电压穿越与锁相环比例积分系数等建立锁相环扩展模型。具体过程如下：

在锁相环原有模型的基础上加入并网阻抗后，其模型为：

u_q＝R_gi_q+ω_pllL_gi_d-Esinδ＝a-Esinδ (1)

其中L_g与R_g共同组成并网阻抗，i_dq为并网点电流dq坐标系下的d轴分量与q轴分量，ω_pll表示锁相环频率，E为电网电压幅值，δ表示dq旋转坐标系与xy同步坐标系之间的夹角。

由于含变流器光伏电源可被看作受控电流源，因此可以认为输出电流可由电流参考值直接指定，根据低电压穿越要求，含并网阻抗与锁相环比例积分系数的锁相环模型可进一步推导为：

其中i_dq ^*为根据低电压穿越要求而得到的有功和无功电流参考值。

步骤300：类比同步发电机转子运动方程，构造光伏发电机运动方程。类比于同步发电机的转子运动方程，光伏发电系统同样可以将运动方程写为：

J_eqdω_pll/dω_g＝u_q-D_eq(ω_pll-ω_g) (3)

其中等效惯量J_eq＝1/k_i，阻尼系数D_eq＝k_pEcosδ/k_i。

步骤400：基于光伏并网系统模型，利用改进等面积准则对系统故障前后的动态过程进行暂态稳定分析。

步骤500：通过该暂态稳定分析方法对比系统中不同参数对光伏并网系统稳定性的影响。利用改进等面积准则分析包括电压降落深度、并网电阻与电抗幅值以及锁相环比例、积分系数在内的多种影响暂态稳定因素。

步骤600：搭建含光伏并网电源的四机两区系统，通过仿真验证以上理论分析方法的正确性。

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