CN110649647B - 基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制。根据光伏逆变器实际安装情况，输入计算配网对称故障下无功电流边界条件所需的配网母线额定电压、短路阻抗、光伏接入点到配网母线的线缆阻抗相关参数；计算配网对称故障下无功电流边界条件；根据所得的无功电流边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值；计算光伏逆变器低电压穿越电流指令。本发明可有效避免配网发生短路故障时某些工况下(如：配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线)，因光伏逆变器输出无功电流大小超出边界条件，导致光伏逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的问题。

Description

基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压 穿越控制

技术领域

本发明涉及电力电子变流器技术领域，特别是涉及一种基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制。

背景技术

光伏逆变器是将光伏组件输出的直流电转换为交流电的电力电子变流器，是光伏发电***的关键设备。与集中式光伏电站相比，分布式光伏***具有选址灵活、方便消纳和投资小的优势，是近年来国家鼓励发展的新能源发电主要方式之一，主要应用在中压配电网场合。分布式光伏***中的光伏逆变器在并电压正常时采用最大功率跟踪(MaximumPower Point Tracking，MPPT)算法输出最大功率，在并网电压欠压时须符合国家标准《光伏并网逆变器技术规范》(NB/T32004-2018)中低电压穿越相关规定，即：当并网点电压低于0.9倍的额定电压时，须满足低电压穿越曲线和如式(2)所示的动态无功能力：

式中，I_T为逆变器输出的无功电流，感性无功电流为正，容性无功电流为负；K为逆变器输出无功电流与电压变化比例值，取值范围为1.5～2.5；U_T为光伏并网点电压的标幺值；I_N为逆变器额定输出电流有效值。

在配网发生短路故障时因光伏逆变器输出感性无功电流可有效支撑并网点电压，在实际应用中往往会选择输出更大的感性无功电流，但是在某些工况下(如：配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线)存在光伏逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的现象。

目前对光伏逆变器的低电压穿越相关研究主要集中在短路故障下光伏逆变器的锁相方法和输出动态无功电流的相关标准研究，对配网发生短路故障时某些工况下(如：配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线)存在光伏逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的现象还未得到重视，对与之相关的无功电流边界条件及光伏逆变器低电压穿越控制研究尚未进行。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制，包括以下步骤：

S1：输入光伏逆变器实际安装与配网对称故障下无功电流边界条件计算相关的参数；

S2：计算配网对称故障下无功电流边界条件；

S3：根据边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值；

S4：计算光伏逆变器低电压穿越电流指令。

优选地，所述步骤S1中，相关的参数由干线图和配网情况收集可得，输入的相关参数包括配网额定相电压U_N、***短路电阻R_S、***短路电抗X_S、光伏接入点到配网母线的线缆电阻R₁和三相间短路电阻R。

优选地，利用以下公式计算配网对称故障下无功电流边界条件：

其中I_PV为光伏逆变器输出感性无功电流有效值。

优选地，在所述步骤S3中，当边界条件为0≤I_PV≤I_qbc，其中I_qbc为光伏逆变器输出的无功电流边界上限值,

所述步骤S3具体包括以下步骤；

s31：比较I_qbc是否小于1.05倍光伏逆变器额定电流I_N：若是，则进入步骤s32，否则进入步骤s33；

s32：配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝0.9I_qbc；

s33：配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝1.05I_N。

优选地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

s41：读取原有功电流指令I_ref，根据所述步骤S3得到对称故障下光伏逆变器最大无功电流有效值Max_sy；

s42：检测光伏并网点电压

提取所述

的正、负序分量U_p、U_n；

s43：判断U_p是否小于0.9U_N，若是，则进入步骤s45，否则进入步骤s44；

s44：光伏逆变器无功电流指令I_q＝0，光伏逆变器有功电流指令I_d＝I_ref；

s45：判断U_n是否大于0.1U_N，若是，则进入步骤s46，否则进入步骤s47；

s46：光伏逆变器输出电流最大值Max＝0.4I_N，进入步骤书s48；

s47：光伏逆变器输出电流最大值Max＝Max_sy，进入步骤s48；

s48：计算光伏逆变器无功电流指令I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N；

s49：判断I_q是否大于Max，若是，则进入步骤书s410，否则进入步骤s411；

s410：I_q＝-Max，I_d＝0；

s411：I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N，I_d＝(Max²-I_q ²)^0.5。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明引入了与光伏逆变器实际接入情况相符的配网对称故障下无功电流边界条件，用于修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值，可有效避免配网发生短路故障时某些工况下(如：配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线)，因光伏逆变器输出无功电流大小超出边界条件，导致光伏逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的现象。

附图说明

图1为配网母线发生对称短路故障下的配网等效电路图；

图2为基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制示意图；

图3为根据边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值流程示意图；

图4为光伏逆变器低电压穿越电流指令计算流程示意图；

图5为光伏逆变器低电压穿越控制效果仿真波形对比。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例

图1为一示例的配网母线发生对称短路故障下的配网等效电路图，图中含：一个***电源、一个***阻抗、一个光伏电源、一个线缆阻抗和一个短路电阻。***电源与***阻抗一端口串联连接，且***阻抗另一端口连接到短路故障点；光伏电源与线缆阻抗串联连接，且线缆阻抗另一端口连接到短路故障点；短路电阻连接在短路故障点和参考地之间。

图1体现了光伏逆变器实际接入的情况，包含了配网对称故障下无功电流边界条件所需的相关参数。

图2为一示例的基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制示意图，包括四个步骤：

S1：输入光伏逆变器实际安装与配网对称故障下无功电流边界条件计算相关的参数；

S2：计算配网对称故障下无功电流边界条件；

S3：根据边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值；

S4：计算光伏逆变器低电压穿越电流指令。

在步骤S1中，所需的的参数可由干线图和配网情况收资可得，在本实施例中，可由图1收集到：输入的相关参数包括：配网额定相电压U_N、***短路电阻R_S、***短路电抗X_S、光伏接入点到配网母线的线缆电阻R₁和三相间短路电阻R。

在步骤S2中，可采用公式(1)计算配网对称故障下无功电流边界条件；

式中，I_PV为光伏逆变器输出感性无功电流有效值。

基于图1，配网对称故障下无功电流边界条件获取过程如下：

基于基尔霍夫定律，由图1所示有效电路可得光伏逆变器输出电流

与***电源电压

间关系式：

因短路故障点位于配网母线，光伏并网点电压很低，不输出有功电流，只输出感性无功电流，可得：

式中j为单位虚数；

为逆变器额定输出电流；I_PV为

的模；

为光伏输出电压；U_PV为

的模。

将式(5)代入式(4)可得：

设：

初始相位为零、相电压幅值为额定电压U_N，且Z_S＝R_S+jX_S、Z₁＝R₁+jX₁(R_S、X_S、分别为的Z_S的电阻和电抗；R₁、X₁、分别为的Z₁的电阻和电抗；)，则有：

式(7)中

为单位相量。

因式(7)中

为单位向量，

的模应等于1，由(7)可得：

||U_N·R/(R_s+R+j·X_s)||＝||I_PV·(-(R₁+R)+j·(U_PV/I_PV-X₁))|| (8)

即：

因U_PV为光伏逆变器输出电压有效值，在实际中变化范围大，可为(0～1.3U_N)，故式(6)中含的U_PV的项值变化范围较大，可认为是逆变器可自动调节的部分，不作为约束条件。由式(6)可得：

即：当配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线时，光伏逆变器可发出感性无功电流有效值I_PV需满足：

如I_PV不满足式(11)，光伏逆变器发出的感性无功电流将不能达到稳态，出现逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的现象。

在步骤S3中，当边界条件为0≤I_PV≤I_qbc，其中I_qbc为光伏逆变器输出的无功电流边界上限值,

一示例的根据边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值流程示意图如图3所示，包含3个步骤：

s31：比较I_qbc是否小于1.05倍光伏逆变器额定电流I_N：若是，则进入步骤s32，否则进入步骤s33；

s32：考虑10％的裕度，配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝0.9I_qbc；

s33：配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝1.05I_N。

在步骤S4中，一示例的光伏逆变器低电压穿越电流指令计算流程示意图如图4所示，包含11个步骤：

s41：读取原有功电流指令I_ref，根据所述步骤S3得到对称故障下光伏逆变器最大无功电流有效值Max_sy；

s42：检测光伏并网点电压

提取所述

的正、负序分量U_p、U_n；

s43：判断U_p是否小于0.9U_N，若是，则进入步骤s45，否则进入步骤s44；

s44：光伏逆变器无功电流指令I_q＝0，光伏逆变器有功电流指令I_d＝I_ref；

s45：判断U_n是否大于0.1U_N，若是，则进入步骤s46，否则进入步骤s47；

s46：光伏逆变器输出电流最大值Max＝0.4I_N，进入步骤书s48；

s47：光伏逆变器输出电流最大值Max＝Max_sy，进入步骤s48；

s48：计算光伏逆变器无功电流指令I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N；

s49：判断I_q是否大于Max，若是，则进入步骤书s410，否则进入步骤s411；

s410：I_q＝-Max，I_d＝0；

s411：I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N，I_d＝(Max²-I_q ²)^0.5。

***结构及试验方式如下：

采用如图1结构等效电路进行配网母线对称短路故障仿真，其中仿真参数为：***电源额定相电压U_N＝10/1.732＝5.77kV，短路电阻R_S＝0.019Ω，短路电抗X_S＝0.19Ω，线缆电阻R₁＝0.12Ω，三相间短路电阻R_S＝0.001Ω，光伏逆变器额定电流I_N＝288.7A；其中，光伏电源分别采用传统的电压穿越控制和本发明提出的基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制。

本发明提出的基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制采用如下步骤：

根据步骤S1，输入由仿真参数获取的光伏逆变器实际安装与配网对称故障下无功电流边界条件计算相关的参数：U_N＝5.77kV，R_S＝0.019Ω，X_S＝0.19Ω，R₁＝0.12Ω，R_S＝0.001Ω；

根据步骤S2，采用式(1)计算配网对称短路故障下光伏逆变器输出的感性无功电流边界条件0≤I_PV≤I_qbc，通过计算可得I_qbc＝250.43A；

根据步骤S3，修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值，由于I_qbc<1.05I_N＝303.1A，配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝I_qbc＝250.43A，考虑10％的裕度，取Max_sy＝0.9I_qbc＝225A；

根据步骤S4计算光伏逆变器低电压穿越电流指令，发生配网母线对称短路故障时，由于光伏并网点电压的正序分量U_p＝36V<0.9U_N＝5.193kV、负序分量U_n＝0V<0.1U_N＝0.577kV，Max＝Maxsy＝225A；计算光伏逆变器无功电流指令I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N＝-519.66A；由于I_q绝对值大于Max，最终光伏逆变器的无功电流指令I_q＝-Max＝-225A，有功电流指令I_d＝0。

图5为本发明在一示例中光伏逆变器低电压穿越控制效果仿真波形对比。

10kV配网母线对称短路故障发生在0.5s～1s，由图5可见，采用基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制(本发明所提的低电压穿越控制)，光伏逆变器在对称故障发生时经端正次暂态过程后输出稳定三相电流；采用传统低电压穿越控制，光伏逆变器在对称故障发生时经端正次暂态过程后输出的三相电路不稳定，输出电流相位不规律。

本发明上述一种基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制。根据光伏逆变器实际安装情况，输入计算配网对称故障下无功电流边界条件所需的配网母线额定电压、短路阻抗、光伏接入点到配网母线的线缆阻抗相关参数，计算配网对称故障下无功电流边界条件，修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值，计算光伏逆变器低电压穿越电流指令。本发明提出的基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制，可有效避免配网发生短路故障时某些工况下(如：配网发生对称短路故障、且该故障点位于配网母线)，因光伏逆变器输出无功电流大小超出边界条件，导致光伏逆变器工作不稳定、输出电流相位不规律的现象。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制,其特征在于，包括以下步骤：

S1：输入光伏逆变器实际安装与配网对称故障下无功电流边界条件计算相关的参数；

S2：计算配网对称故障下无功电流边界条件；

S3：根据边界条件修正光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值；

S4：计算光伏逆变器低电压穿越电流指令；

所述步骤S1中，相关的参数由干线图和配网情况收集可得，输入的相关参数包括配网额定相电压U_N、***短路电阻R_S、***短路电抗X_S、光伏接入点到配网母线的线缆电阻R₁和三相间短路电阻R；

利用以下公式计算配网对称故障下无功电流边界条件：

其中I_PV为光伏逆变器输出感性无功电流有效值；

在所述步骤S3中，当边界条件为0≤I_PV≤I_qbc，其中I_qbc为光伏逆变器输出的无功电流边界上限值,

所述步骤S3具体包括以下步骤：

s31：比较I_qbc是否小于1.05倍光伏逆变器额定电流I_N：若是，则进入步骤s32，否则进入步骤s33；

s32：配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝0.9I_qbc；

s33：配网对称故障时光伏逆变器低电压穿越最大无功电流有效值Max_sy＝1.05I_N。

2.根据权利要求1所述的基于配网对称故障下无功电流边界条件的光伏逆变器低电压穿越控制，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

s41：读取原有功电流指令I_ref，根据所述步骤S3得到对称故障下光伏逆变器最大无功电流有效值Max_sy；

s42：检测光伏并网点电压

提取所述

的正、负序分量U_p、U_n；

s43：判断U_p是否小于0.9U_N，若是，则进入步骤s45，否则进入步骤s44；

s44：光伏逆变器无功电流指令I_q＝0，光伏逆变器有功电流指令I_d＝I_ref；

s45：判断U_n是否大于0.1U_N，若是，则进入步骤s46，否则进入步骤s47；

s46：光伏逆变器输出电流最大值Max＝0.4I_N，进入步骤书s48；

s47：光伏逆变器输出电流最大值Max＝Max_sy，进入步骤s48；

s48：计算光伏逆变器无功电流指令I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N；

s49：判断I_q是否大于Max，若是，则进入步骤书s410，否则进入步骤s411；

s410：I_q＝-Max，I_d＝0；

s411：I_q＝-2*(0.9-U_p/U_N)*I_N，I_d＝(Max²-I_q ²)^0.5。

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