CN115102168A - 一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统 - Google Patents

一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请属于电能质量评估技术领域，具体涉及一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统，包括：获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。

Description

一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统
技术领域
本申请属于电能质量评估技术领域，具体涉及一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
光伏发电具有绿色清洁、无枯竭危险、分布不受限制等优势，分布式光伏并网容量不断提高。然而，分布式光伏并网发电受外部环境影响以及自身工作机理会引起谐波畸变问题，从而降低供电质量，给用户造成损失；与此同时，由于实际供电电压具有时变特征，也将导致分布式光伏输出谐波电流呈现时变特征。
据发明人了解，现有的关于光伏谐波源建模的谐波电流评估的研究较少，无法体现光伏逆变器交直流侧的谐波耦合现象；此外，现有谐波电流评估方法主要对单一状态进行评估，没有考虑光伏输出的波动性和随机性，针对具有时变特性的电网电压，光伏谐波电流评估方法不具备通用性，较难对三相分布式光伏系统的时变谐波电流进行准确评估。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法及系统，建立三相光伏并网逆变器的谐波耦合矩阵模型，充分考虑谐波电压与谐波电流之间的耦合关系，解决了分布式光伏输出波动性导致的时变谐波电流难以求解的问题，提升了分布式光伏谐波电流评估的运算效率。
根据一些实施例，本申请的第一方案提供了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，采用如下技术方案：
一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，包括：
获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；
根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。
作为进一步的技术限定，所述构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型的过程为：
设置分布式光伏系统的状态变量和输入变量，得到分布式光伏系统的运行微分方程；
求解所述运行微分方程，得到扩展微分方程；
求解所述扩展运行微分方程，确定各次谐波电压与各次谐波电流之间的相互作用关系，建立独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型。
进一步的，所述分布式光伏系统的运行微分方程为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，Sa(t)，Sb(t)，Sc(t)分别为光伏系统的三相开关函数，L为交流滤波电感值，R为交流滤波电阻值，Cdc为直流电容值，Rdc为直流电阻值，ia，ib，ic分别为分布式光伏系统的时变交流电流，vdc为分布式光伏系统的直流电压。
进一步的，所述分布式光伏系统的运行微分方程可化简为：
Figure 707913DEST_PATH_IMAGE002
其中，x为状态变量组成的矩阵，z为输出变量组成的矩阵，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为系统状态变量x与状态变量导数dx/dt的关系矩阵，N为状态变量导数dx/dt与输出变量z的关系矩阵，
Figure 455420DEST_PATH_IMAGE004
为输出变量z与输出变量导数dz/dt的关系矩阵。
进一步的，求解所述运行微分方程，所得到的扩展微分方程为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
其中，Ia，Ib，Ic分别为三相各次谐波电流组成的矩阵，y为交流电流矩阵与直流电压矩阵组成的扩展矩阵，M为扩展矩阵y与扩展矩阵导数dy/dt的关系矩阵，
Figure 776680DEST_PATH_IMAGE006
分别表示A、B、C三相电流的n次谐波分量。
进一步的，求解扩展后的光伏系统运行微分方程，即有：对于给定的时间周期T，T时刻的运行状态可描述为不同时间段的累乘，已知稳态下
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，假设
Figure 734272DEST_PATH_IMAGE008
，则T时刻的运行状态方程为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
其中，Q为扩展矩阵y与输出变量z的关系矩阵；
根据T时刻的运行状态方程，建立光伏谐波耦合模型为：
Figure 546983DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
分别表示A、B、C三相电压的n次谐波分量。
作为进一步的技术限定，根据三相分布式光伏系统交流时变供电电压情况所划分的N个周期，计算三相分布式光伏各次时变谐波电流评估值ITV，即：
Figure 398264DEST_PATH_IMAGE012
其中，VTi表示第i个周期的三相交流供电电压，即：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 906737DEST_PATH_IMAGE014
分别表示第i个周期中A、B、C三相电压的n次谐波分量。
根据一些实施例，本申请的第二方案提供了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统，采用如下技术方案：
一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统，包括：
获取模块，其被配置为获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
计算模块，其被配置为测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；
评估模块，其被配置为根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。
根据一些实施例，本申请的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
根据一些实施例，本申请的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供的考虑分布式光伏谐波耦合的时变建模方法，建立了考虑电网电压时变特征的光伏谐波耦合模型，解决了分布式光伏输出波动性导致的时变谐波电流难以求解的问题，提升了分布式光伏谐波电流评估的运算效率；通过建立分布式光伏系统的谐波耦合矩阵模型，能够反映分布式光伏系统的谐波特性，对光伏时变谐波电流进行准确有效评估，并以此为依据提出相应治理措施，能够有效提升电网稳定性和改善系统电能质量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本申请实施例一中的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法的流程图；
图2是本申请实施例一中的三相分布式光伏系统的结构示意图；
图3是本申请实施例二中的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本申请作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本申请实施例一介绍了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法。
如图1所示的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，包括以下步骤：
步骤S01：确定三相分布式光伏系统结构及参数；
步骤S02：基于光伏系统电路元件参数值，建立独立于三相供电电压的三相分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
步骤S03：测量三相分布式光伏系统交流侧时变电网电压，计算各周期三相分布式光伏的谐波耦合导纳矩阵，确定基波/各次谐波电压与基波/各次谐波电流之间的相互作用关系；
步骤S04：根据三相分布式光伏系统交流时变供电电压情况，并依据各周期谐波耦合模型元素时变情况，计算三相分布式光伏各次时变谐波电流评估值。
作为一种或多种实施方式，在步骤S01中，确定三相分布式光伏系统结构及参数，三相分布式光伏系统结构示意图如图2所示，得到光伏系统等值电路元器件参数值。
三相分布式光伏系统的结构参数包括三相分布式光伏并网主电路拓扑、交流侧滤波器参数、逆变器调制方式以及开关器件开关函数。
光伏系统等值电路元器件参数值具体指滤波电感值L、滤波电阻值R、直流侧电容值Cdc以及直流侧电阻值Rdc。
作为一种或多种实施方式，在步骤S02中，基于光伏系统电路元件参数值，建立独立于三相供电电压的三相分布式光伏谐波耦合矩阵模型，模型建立过程为：
1）设置光伏系统的状态变量和输入变量，选择时变交流电流(ia，ib，ic)和直流电压(vdc)作为系统状态变量，时变交流供电电压(vSa，vSb，vSc)和直流电流(Idc)作为输出变量，进而获得分布式光伏系统的运行方程，具体表达式如下：
Figure 882783DEST_PATH_IMAGE001
式中，Sa(t)，Sb(t)，Sc(t)分别为光伏系统的三相开关函数，L为交流滤波电感值，R为交流滤波电阻值，Cdc为直流电容值，Rdc为直流电阻值。
其中，描述三相光伏系统上桥臂的理想微分方程可化简为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中，x为状态变量组成的矩阵，z为输出变量组成的矩阵，
Figure 485803DEST_PATH_IMAGE016
为系统状态变量x与状态变量导数dx/dt的关系矩阵，N为状态变量导数dx/dt与输出变量z的关系矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为输出变量z与输出变量导数dz/dt的关系矩阵。
2）根据光伏系统运行微分方程，将微分方程扩展为：
Figure 598115DEST_PATH_IMAGE018
式中，Ia，Ib，Ic分别为三相各次谐波电流组成的矩阵，y为交流电流矩阵与直流电压矩阵组成的扩展矩阵，M为扩展矩阵y与扩展矩阵导数dy/dt的关系矩阵。
Figure DEST_PATH_IMAGE019
别表示A、B、C三相电流的n次谐波分量。
3）求解扩展后的光伏系统运行微分方程：对于给定的时间周期T，T时刻的运行状态可以描述为不同时间段的累乘，已知稳态下
Figure 11910DEST_PATH_IMAGE020
，同时假设
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，则T时刻的运行状态表达式为：
Figure 68728DEST_PATH_IMAGE022
式中，Q为扩展矩阵y与输出变量z的关系矩阵。
4）利用光伏系统运行状态方程，可建立光伏谐波耦合模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
式中，
Figure 350805DEST_PATH_IMAGE024
分别表示A、B、C三相电压的n次谐波分量。
作为一种或多种实施方式，在步骤S03中，测量三相分布式光伏系统交流侧时变电网电压，依据电压变化将测量时间划分为N个周期，计算各周期三相分布式光伏的谐波耦合导纳矩阵。对于测量时间中包含的N个周期，建立考虑时变特征的谐波耦合导纳矩阵模型FTV如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
式中，FTi表示第i个周期的谐波耦合导纳矩阵模型。基于此，可以确定测量时间内各周期的基波/各次谐波电压与基波/各次谐波电流之间的相互作用关系。
作为一种或多种实施方式，在步骤S04中，根据三相分布式光伏系统交流时变供电电压情况所划分的N个周期，计算三相分布式光伏各次时变谐波电流评估值ITV如下：
Figure 927411DEST_PATH_IMAGE026
式中，VTi表示第i个周期的三相交流供电电压，其具体形式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 292533DEST_PATH_IMAGE028
分别表示第i个周期中A、B、C三相电压的n次谐波分量。
利用本实施例所提的方法，搭建仿真模型，设置三相基波电压有效值为220V，运行工况一情况下交流侧5次电压谐波畸变值为4.5%，7次电压谐波畸变值为0.5%，运行工况二情况下交流侧5次电压谐波畸变值为2.5%，7次电压谐波畸变值为7.0%，计算两种不同运行条件下三相分布式光伏的谐波电流与模型计算谐波电流，如表1所示。由表可知，所提模型与仿真结果吻合程度较高，验证了所提模型的准确性。
表1：计算及实验结果相对误差
Figure DEST_PATH_IMAGE029
本实施例提供了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变建模方法，建立了考虑电网电压时变特征的光伏谐波耦合模型，解决了分布式光伏输出波动性导致的时变谐波电流难以求解的问题，提升了分布式光伏谐波电流评估的运算效率；通过建立分布式光伏系统的谐波耦合矩阵模型，能够反映分布式光伏系统的谐波特性，对光伏时变谐波电流进行准确有效评估，并以此为依据提出相应治理措施，能够有效提升电网稳定性和改善系统电能质量。
实施例二
本申请实施例二介绍了一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统。
如图3所示的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统，包括：
获取模块，其被配置为获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
计算模块，其被配置为测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；
评估模块，其被配置为根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。
详细步骤与实施例一提供的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本申请实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本申请实施例一所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本申请实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请实施例一所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，包括：
获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；
根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。
2.如权利要求1中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，所述构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型的过程为：
设置分布式光伏系统的状态变量和输入变量，得到分布式光伏系统的运行微分方程；
求解所述运行微分方程，得到扩展微分方程；
求解所述扩展运行微分方程，确定各次谐波电压与各次谐波电流之间的相互作用关系，建立独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型。
3.如权利要求2中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，所述分布式光伏系统的运行微分方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Sa(t)，Sb(t)，Sc(t)分别为光伏系统的三相开关函数，L为交流滤波电感值，R为交流滤波电阻值，Cdc为直流电容值，Rdc为直流电阻值，ia，ib，ic分别为分布式光伏系统的时变交流电流，vdc为分布式光伏系统的直流电压。
4.如权利要求3中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，所述分布式光伏系统的运行微分方程可化简为：
Figure 749020DEST_PATH_IMAGE002
其中，x为状态变量组成的矩阵，z为输出变量组成的矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为系统状态变量x与状态变量导数dx/dt的关系矩阵，N为状态变量导数dx/dt与输出变量z的关系矩阵，
Figure 744789DEST_PATH_IMAGE004
为输出变量z与输出变量导数dz/dt的关系矩阵。
5.如权利要求4中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，求解所述运行微分方程，所得到的扩展微分方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，Ia，Ib，Ic分别为三相各次谐波电流组成的矩阵，y为交流电流矩阵与直流电压矩阵组成的扩展矩阵，M为扩展矩阵y与扩展矩阵导数dy/dt的关系矩阵，
Figure 55684DEST_PATH_IMAGE006
分别表示A、B、C三相电流的n次谐波分量。
6.如权利要求5中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，求解扩展后的光伏系统运行微分方程，即有：对于给定的时间周期T，T时刻的运行状态可描述为不同时间段的累乘，已知稳态下
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，假设
Figure 529522DEST_PATH_IMAGE008
，则T时刻的运行状态方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，Q为扩展矩阵y与输出变量z的关系矩阵；
根据T时刻的运行状态方程，建立光伏谐波耦合模型为：
Figure 671791DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
分别表示A、B、C三相电压的n次谐波分量。
7.如权利要求1中所述的一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法，其特征在于，根据三相分布式光伏系统交流时变供电电压情况所划分的N个周期，计算三相分布式光伏各次时变谐波电流评估值ITV，即：
Figure 593389DEST_PATH_IMAGE012
其中，VTi表示第i个周期的三相交流供电电压，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 329264DEST_PATH_IMAGE014
分别表示第i个周期中A、B、C三相电压的n次谐波分量。
8.一种考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估系统，其特征在于，包括：
获取模块，其被配置为获取分布式光伏系统的电路元件参数，构建独立于三相供电电压的分布式光伏谐波耦合矩阵模型；
计算模块，其被配置为测量分布式光伏系统的时变交流侧电网电压，计算时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵；
评估模块，其被配置为根据三相分布式光伏系统的交流时变电压、所述分布式光伏谐波耦合矩阵模型和所述时变周期内分布式光伏谐波耦合导纳矩阵，计算分布式光伏各次时变谐波电流评估值，实现考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的考虑分布式光伏谐波耦合的时变电流评估方法中的步骤。
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