CN114172212B - 一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于新能源技术领域的一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法，通过改进光伏逆变器控制策略以及提高逆变器最大输出电流限定值来实现。包括：保证光伏逆变器向电网提供符合国家标准规定的动态无功支撑能力前提下，设计故障期间光伏机组采用正交分解法计算有功电流参考值、恢复期间光伏机组采用立刻恢复方式调节有功电流参考值；选择1.1倍额定电流为光伏逆变器最大输出电流限定值；并根据故障期间光伏机组最大限度发出的有功功率、功率改善梯度以及故障清除后功率激增量三个功率指标来量化验证本方法能有效提高光伏机组暂态有功功率输出能力，且保证光伏机组暂态有功功率输出费效比，实现改善系统暂态有功缺额效果最优。

Description

一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及光伏高渗透率接入后电力系统的暂态稳定性问题，是一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法。
背景技术
随着当前环境的恶化和传统化石能源的枯竭，作为清洁高效的可再生能源，特别是太阳能得到规模化利用。光伏发电已呈现规模化并网趋势，装机容量不断提高，系统中光伏渗透率不断提高。光伏电池需要经过电力电子逆变器将直流电变换成交流电才能接入电网，但逆变器等功率变换器件过流能力有限。系统遭受故障时，可能会出现并网侧瞬间过流、直流母线过压等问题。瞬间尖峰值会超过逆变器最大限定值，导致保护装置动作而光伏机组脱网。因此为了降低电网故障时光伏机组脱网的风险，提升系统的暂态性能，中国国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964-2012)要求光伏机组具有低电压穿越能力，即当电力系统事故或扰动引起光伏发电站并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。光伏电池满功率运行时，当并网点电压上升或下降时，输出有功功率会下降。该输出特性有利于机组实现低电压穿越。现有的低电压穿越控制方法繁多，有的研究通过增设硬件设备，如加装直流侧DC-Chopper保护电路。有的研究直接通过改进逆变器控制策略。效果也不尽相同，但重点均在于实现光伏系统在电网故障时能不脱网连续运行，从提高光伏机组暂态有功功率输出、减少电力系统有功功率缺额的角度对低电压穿越控制策略的研究较少。
国标中规定了机组对电网提供动态无功支撑能力的要求，但并未对光伏机组的有功输出作出具体规定。由于故障穿越期间，光伏并网点电压下降，在逆变器过流能力限制下有功电流输出变小，使得光伏机组输出有功功率减少，电网存在有功功率缺额影响系统暂态稳定性，该问题在高渗透光伏并网系统中尤为突出。在2016年9月28日南澳大利亚大停电事故中，极端天气袭击新能源占比高达48.36％的澳大利亚电网后，部分新能源机组由于预设的低电压穿越次数不及故障次数而脱网，引起系统持续有功功率缺额。与此同时，部分新能源机组虽然成功穿越了故障，但它们没有立即恢复到干扰前的输出功率水平，需要几百毫秒才能恢复，这导致新能源机组出现+暂态有功功率缺额。这两部分有功功率缺额使得线路潮流瞬间增大，导致联络线过载而跳开，系统成为孤网运行，随即崩溃。因此研究高渗透率系统中光伏机组低电压穿越期间以及恢复过程中暂态有功功率变化具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法，其特征在于，优先保证输出根据电压跌落深度算出无功电流前提下，控制逆变器在总电流限制范围内最大限度地输出有功电流；通过建立具有低电压穿越能力的光伏机组暂态仿真模型；构建含高渗透率光伏机组的算例系统，分析暂态有功功率变化机理与影响因素，得出可从改进光伏逆变器控制策略和提升逆变器过流能力两个角度提高低电压穿越期间光伏机组暂态有功电流输出，进而提高光伏机组暂态有功功率输出，减少电力系统暂态有功缺额，所述方法包括步骤：
A.分别确定光伏机组故障期间以及恢复期间所采用的无功电流参考值计算方式；
B.在优先保证光伏机组向电网提供动态无功支撑能力前提下，分别确定光伏机组故障期间以及恢复期间所采用的有功电流参考值计算方式；
C.确定光伏逆变器最大输出电流限定值。
该方法中将光伏机组的低电压穿越过程分为三个工作阶段，即稳态阶段、故障阶段以及恢复阶段。所述步骤A中光伏机组低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流应实时跟踪并网点电压的变化，满足国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定》中无功电流的约束条件：故障期间电压跌落至0.2p.u.～0.9p.u.时，无功电流参考值应不小于1.5倍的光伏发电站额定电流与电压跌落深度乘积；电压跌落至0.2p.u.以下时，无功电流参考值应不小于 1.05倍的光伏发电站额定电流；正常期间或恢复期间，逆变器无功电流参考值设为0，以保证光伏机组逆变器工作在单位功率因数下，将光伏阵列产生的最大有功功率全部输送到电网，以求发电效益最大化。
所述步骤B中故障期间光伏机组有功电流参考值采用正交分解法结合由步骤B所得到的无功电流参考值和逆变器最大输出电流限定值计算求得；恢复期间的有功电流参考值按立即恢复方式调节，以此减少恢复过程所引起的有功功率缺额；从而提高光伏机组低电压穿越期间有功电流输出能力，减少电力系统有功功率缺额；当故障清除有功功率恢复至正常运行水平时，逆变器退出低电压穿越控制模式，进入正常控制模式，有功电流参考值由电压外环跟踪直流侧电压所求得，以此保证光伏机组按最大功率输出。
所述步骤C中将最大输出电流限定值Imax设为1.1倍的逆变器额定电流。以此保证光伏机组暂态有功功率输出费效比最优。
本发明的有益效果是在优先保证输出根据电压跌落深度算出的无功电流前提下，控制逆变器在总电流限制范围内最大限度地输出有功电流。并且光伏机组向电力系统提供的无功电流符合国标标准规定。该技术方案具有如下技术和方法上的创新：
1.不需要额外增设硬件设备，只需要通过改进低电压穿越期间光伏逆变器的有功电流调节方式来提高光伏逆变器低电压穿越期间有功电流输出能力，提高故障期间电力系统暂态稳定性。
2.考虑到逆变器的过流能力是限制光伏机组低电压穿越期间有功电流输出的关键因素，参考同步发电机组所的强励磁能力，提出通过提高光伏逆变器最大输出电流限定值来提高光伏机组低电压穿越期间有功功率输出能力的方法。
3.提出故障期间光伏机组最大限度发出的有功功率、功率改善梯度及故障清除后功率激增量三个功率指标来量化分析本文提出的提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出能力方法的有效性。
附图说明
图1为中国电网规范中光伏发电站的低电压穿越能力要求。
图2为具有低电压穿越功能的光伏机组暂态有功电流响应。
图3为本发明实施例中三机九节点系统图。
图4为考虑不同有功电流调节方式的光伏机组低电压穿越控制策略。
图5为按式(5)计算不同Imax工况下光伏机组的有功电流和有功功率输出。
图6为按式(4)计算不同Imax工况下光伏机组的有功电流和有功功率输出。
具体实施方式
本发明提出一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出能力的方法，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
为了介绍本发明的技术方案，首先对本发明的原理进行说明。
本发明中用到的参数含义为：
UT为光伏发电站并网点电压标幺值，
IN为
p为光伏逆变器有功功率输出，
Iq为光伏逆变器无功电流输出，
Id为光伏逆变器有功电流输出，
P0为光伏逆变器故障前有功功率输出，即光伏最大有功功率输出，
Imax为逆变器最大输出电流限定值；
Pfrtman为光伏机组故障穿越期间有功功率最大值
Δp为故障穿越期间功率改善梯度，即某一时刻Imax提高0.1IN所对应的光伏有功功率输出增量。
Prsmax为恢复期间功率激增量三个功率指标
现有的低电压穿越控制策略繁多，均实现了光伏机组在电网故障时不脱网连续运行。考虑到光伏机组低电压穿越期间不仅需要向电力系统提供足够的动态无功支撑能力，还应该最大限度地提供有功支撑，以减少电力系统暂态有功缺额，提高电力系统暂态稳定性。本发明根据故障期间光伏机组最大限度发出的有功功率、功率改善梯度及故障清除后功率激增量三个功率指标量化评估低电压穿越期间光伏机组不同的有功电流调节方式对提高光伏机组有功电流输出能力的作用效果。同时，考虑到逆变器的过流能力是限制光伏机组低电压穿越期间有功电流输出的关键因素，参考同步发电机组的强励磁能力，提出通过提高光伏逆变器最大输出电流限定值来提高光伏机组低电压穿越期间有功功率输出能力。
附图1为中国电网规范中光伏发电站的低电压穿越能力要求。当电网发生故障，光伏并网点电压跌落至曲线1之上时，光伏发电站应能保证不脱网连续运行；当光伏发电站并网点电压跌落至曲线1以下时，光伏发电站可以从电网切出。同时，“规定”中还对经由高电压等级接入电网的光伏电站在电网故障期间的无功电流(Iq)出力作出了具体要求，以协助故障影响范围内的电压恢复。为了实现光伏机组既能提供合乎国标要求的无功电流，又能最大限度地提供有功电流。本发明中光伏机组低电压穿越期间的无功电流调节方式如下式(1)～式(3) 所示。
Iq＝1.5×(0.9-UT)IN (0.2≤UT≤0.9) (1)
Iq＝1.05×IN (UT＜0.2) (2)
Iq＝0 (UT＞0.9) (3)
国标“规定”中对光伏机组在电网故障期间的无功出力作出了具体要求，但并未对光伏机组的有功出力作出明确要求。光伏机组的低电压穿越过程可分为三个工作阶段，即稳态阶段、故障阶段以及恢复阶段。附图2为具有低电压穿越功能的光伏机组暂态有功电流响应。在本发明中，为了使光伏机组最大限度的输出有功电流，故障阶段光伏机组采用正交分解法计算有功电流，如式(4)所示；当光伏并网点电压恢复而逆变器输出功率仍未恢复故障水平，即逆变器处于恢复阶段时，光伏机组选用立刻恢复方法调节有功电流。
实施例
附图3为本发明利用DIgSILENT\PowerFactory仿真软件在三机九节点系统中构造的高光伏渗透率(50％)系统，附图4为考虑不同有功电流调节方式的光伏机组低电压穿越控制策略。通过在三种不同跌落深度的低电压故障下，对比不同有功电流调节方式下的有功电流输出响应曲线以及功率指标来仿真验证本文所提方法的正确性和有效性，仿真工况如下表 1所示。故障点分别为bus7、bus8、线路5时，对应的光伏并网点电压为正常值1％、30％、 50％。
表1不同故障点下不同仿真工况所对应的有功电流调节方式
线路5发生三相短路故障，电压跌落深度为50％。附图5、6为8种不同有功电流计算方式下的光伏机组有功输出响应曲线，表2为线路5三相短路时不同有功电流控制策略下有功功率指标
表2线路5三相短路时不同有功电流控制策略下有功功率指标
从附图5以及附图6可以看出，不管采用何种故障期间有功电流计算公式，提高Imax均能提高故障期间有功电流值，且对并网电压跌落程度影响很小，进而达到改善故障期间有功功率缺额的作用。然而在故障清除瞬间、功率恢复阶段，随着Imax的提高有功电流、有功功率会存在激增现象，并伴随着小幅度振荡现象。图6中当Imax提升至1.2IN以及以上时，故障期间有功电流能恢复至故障前的输出水平，但由于电压还未恢复，因此故障期间仍存在有功功率缺额的现象。
由表2的故障期间功率最大值可知，采用式(4)进行有功电流计算时(对应工况5～8)，故障期间光伏有功功率输出均大于采用式(5)的计算结果(对应工况1～4)，即采用公式(4)控制故障期间有功电流输出可以更大限度地利用功率变换器件的电流能力，改善故障期间有功功率缺额。由表2的故障清除瞬间功率激增量可知，在相同的Imax设置下，采用式(4)能更好的减少故障清除后的有功功率激增量，减少对电网的冲击。观察表2中故障期间功率改善梯度可以看出，Imax从1IN提升至1.1IN时，故障期间有功功率改善效果最显著。随后继续抬升Imax，有功功率改善梯度变小，即对故障有功功率的改善作用在变小。考虑到逆变器最大输出电流限定值越高，需要投入的成本越大，因此Imax取为1.1IN。仿真结果验证了该方法的正确性与有效性。
需要说明的是，上述实施例对本发明提出的方法进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所表述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法，其特征在于，通过建立具有低电压穿越能力的光伏机组暂态仿真模型；构建含高渗透率光伏机组的算例系统，分析暂态有功功率变化机理与影响因素，得出能够从改进光伏逆变器控制策略和提升逆变器过流能力两个角度提高低电压穿越期间光伏机组暂态有功电流输出，并根据三个指标来量化分析低电压穿越期间有功电流参考值计算方式和逆变器最大输出电流限定值(Imax)对光伏机组有功功率的影响，从而确定低电压穿越期间最优的有功电流参考值调节方式，进而提高光伏机组暂态有功功率输出，减少电力系统暂态有功缺额，所述方法包括步骤：
A.将光伏机组的低电压穿越过程分为三个工作阶段，即稳态阶段、故障阶段以及恢复阶段；分别确定光伏机组故障期间以及恢复期间所采用的无功电流参考值计算方式；
B.在优先保证光伏机组向电网提供的动态无功支撑能力前提下，光伏机组故障期间有功电流参考值由无功电流参考值和逆变器最大输出电流限定值按正交分解法计算求得；
恢复期间有功电流参考值按立即恢复方式调节；当故障清除有功功率恢复至正常运行水平时，逆变器退出低电压穿越控制模式，进入正常控制模式，有功电流参考值由电压外环跟踪直流侧电压所求得；
C.确定光伏逆变器最大输出电流限定值设为1.1倍的逆变器额定电流；
所述三个指标是指故障期间光伏机组最大限度发出的有功功率、功率改善梯度及故障清除后功率激增量。
2.根据权利要求1所述提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法，其特征在于，所述步骤A中光伏机组低电压穿越过程中注入电力系统的动态无功电流应实时跟踪并网点电压变化，并满足国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定》中无功电流的约束条件：故障期间电压跌落至0.2p.u.～0.9p.u.时，无功电流参考值为1.5倍的光伏发电站额定电流与电压跌落深度乘积；电压跌落至0.2p.u.以下时，无功电流参考值为1.05倍的光伏发电站额定电流；正常期间或恢复期间，逆变器无功电流参考值设为0，以保证光伏机组逆变器工作在单位功率因数下，将光伏阵列产生的最大有功功率全部输送到电网，以求发电效益最大化。
3.根据权利要求1所述提升低电压穿越期间光伏机组暂态有功功率输出的方法，其特征在于，考虑到逆变器的过流能力是限制光伏机组低电压穿越期间有功电流输出的关键因素，且由同步发电机组所具有的强励磁能力得到启发，通过提高光伏逆变器最大输出电流限定值来提高光伏机组低电压穿越期间有功功率输出能力。
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