一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法及装置与流程

1.本发明涉及光伏发电技术领域，具体是一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法及装置。


背景技术：

2.随着光伏发电系统等新能源电站密度及容量越来越大，以辐射型运行的传统配电网逐渐发展为多电源供电的主动配电网，运行方式和特性发生了极大的变化。有许多专家学者已经对光伏电站的输出特性进行了分析并建立其等效模型，特别是配电网故障后光伏电站的输出特性及等效模型的研究。
3.由于低电压电压穿越的要求，光伏设备在低电压穿越期间需要具有一定的无功输出能力。因此，现有的含逆变型电源接入电网的故障分析研究主要集中在具有无功输出能力的光伏电源。但实际中依然存在一定比例不具无功输出能力的光伏并网设备，其等效模型仍具研究价值。
4.不具无功支撑能力的光伏电源的工作特性：
5.该类型的光伏电源在故障发生后，不会在低电压穿越期间输出无功电流，仅通过调节光伏阵列的输出保持逆变器的输入、输出平衡或采用撬棒电路限制光伏阵列的输出，保护逆变器。逆变器在故障期间并无特殊的工作策略，主要受到其最大输出电流的限制，可以将约束条件描述如下：
[0006][0007]
其中，p
p
为故障发生时光伏阵列所发出的最大功率，i
pcc
、u
pcc
与p
pcc
分别为并网点的电压、电流及功率，im为逆变器所能输出的最大电流，ie为逆变器正常输出的额定电流，k为im与ie之间的关系系数。
[0008]
可以根据以上限定条件，以额定值为基准，绘制出没有无功支撑能力的光伏电源输出电流与功率的标幺值随并网点电压变化的情况，如图1所示。
[0009]
可以看出，在故障发生后，随着并网点的电压降低，在略低于额定电压一定范围内，逆变器输出功率受到光伏阵列所能产生的最大功率限制，从而使光伏电源的输出体现为一个恒功率源，此时电流与电压成反比关系，功率保持恒定。显然存在一个临界电压ur，而在低于ur后，随着电压的进一步降低，逆变器输出电流达到逆变器所能输出的上限，从而使光伏电源输出体现为一个恒电流源，此时电流保持恒定，而功率与电压成正比。
[0010]
可以计算出该临界电压ur为：
[0011][0012]
可以使用以下公式描述电流随电压变化的过程：
[0013][0014]
在光伏等效模型初期的研究中，通常将逆变型电源直接等效为恒定的电压源或恒定的电流源。有学者认为，当电力系统中接入的逆变型电源较少，渗透率较低时，逆变型电源对总的短路电流贡献不大，可近似将逆变型电源提供的短路电流设定为两倍于其额定电流；接着进一步考虑了逆变型电源输出短路电流与其机端电压所呈现的非线性特性，将其等值成与变化的等值阻抗串联恒压源模型，但等值阻抗的计算方法并未给出。以上研究都忽略了光伏电源输出电流受到低电压穿越的影响，并不能明确等效模型的实际模拟效果。
[0015]
因此，针对不具无功输出能力的光伏电源，研究具有普遍适用性等效故障分析模型建立方法，是光伏电源接入配网的故障研究的重要基础工作。
[0016]
现有等效方法或采用理想电压源、电流源直接进行等效，方法简单，模拟效果差，未考虑光伏电源的具体变化特性；或采取较为复杂的等效形式，所得模型能够实现较为精准模拟的效果，但建模或参数计算过程复杂。


技术实现要素：

[0017]
针对当前缺乏对不具无功支撑能力的光伏电源等效模拟的问题，本发明提出线性等效方法，根据需求确定使用整体等效或分段等效，并给出相应等效模型及参数计算方法，弥补目前对不具无功支撑能力的光伏电源研究不足的问题。
[0018]
一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法，包括如下步骤
[0019]
步骤1：利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；
[0020]
步骤2：利用过流系数k确定整体等效相对误差d1；
[0021]
步骤3：根据实际需求确定等效相对误差上限d2；
[0022]
步骤4：比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效；
[0023]
步骤5：根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算。
[0024]
进一步的，所述步骤1中的光伏电源过流系数k表达式为：
[0025][0026]
其中，im为逆变器最大输出电流，ie为逆变器额定电流，k为im与ie之间的比例系数，即过流系数。
[0027]
进一步的，步骤4比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效，具体为：若d1《d2，则采用整体等效，否则进行分段等效。
[0028]
进一步的，步骤5根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算，具体包括：
[0029]
若由步骤4中的判断结果为整体等效，计算中间参数a、b为：
[0030][0031]
其中，ue为光伏电源的额定电压；
[0032]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0033][0034]
确定光伏电源整体等效电路的数学模型为：
[0035][0036]
其中，u
pcc
、i
pcc
分别为光伏电源等效的输出电压、电流；
[0037]
若由步骤4中的判断结果为分段等效，计算临界电压ur：
[0038][0039]
计算中间参数c公式为：
[0040][0041]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0042][0043]
确定光伏电源分段等效电路的数学模型为：
[0044][0045]
一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效装置，包括：
[0046]
过流系数计算模块，用于利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；
[0047]
整体等效相对误差确定模块，用于利用过流系数k确定整体等效相对误差d1；
[0048]
整体等效相对误差确定模块，用于根据实际需求确定等效相对误差上限d2；
[0049]
等效方法确定模块，用于比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效；
[0050]
等效电路参数计算模块，用于根据等效方法确定模块的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算。
[0051]
进一步的，所述过流系数计算模块利用过流系数k确定整体等效相对误差d1，计算表达式为：
[0052][0053]
其中，im为逆变器最大输出电流，ie为逆变器额定电流，k为im与ie之间的比例系数，即过流系数。
[0054]
进一步的，所述等效方法确定模块比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效，具体为：若d1《d2，则采用整体等效，否则进行分段等效。
[0055]
进一步的，所述等效电路参数计算模块根据等效方法确定模块的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算，具体包括；
[0056]
若等效方法确定模块的判断结果为整体等效，计算中间参数a、b为：
[0057][0058]
其中，ue为光伏电源的额定电压；
[0059]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0060][0061]
确定光伏电源整体等效电路的数学模型为：
[0062][0063]
其中，u
pcc
、i
pcc
分别为光伏电源等效的输出电压、电流；
[0064]
若等效方法确定模块的判断结果为分段等效，计算临界电压ur：
[0065][0066]
计算中间参数c公式为：
[0067][0068]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0069][0070]
确定光伏电源分段等效电路的数学模型为：
[0071][0072]
本发明为建立不具无功支撑能力的光伏电源的等效模型，分析了不具低电压穿越
期间的无功支撑能力的光伏电源在不同故障期间的低电压穿越特性，结合等效电路的输出特性，给出了最佳等效参数的计算方法，并对等效相对误差进行了理论分析，本发明提出对不具无功支撑能力的光伏电源的整体和分段等效两种等效方法，采用最佳一致逼近方法获得最佳等效电压与等效电阻参数，模拟精度更高，无需复杂的最优化方法，保证模拟效果或可以预期的误差。
附图说明
[0073]
图1是光伏电源并网点功率-电流标幺值曲线；
[0074]
图2是本发明适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法的流程示意图；
[0075]
图3是等效模型的基本特性；
[0076]
图4是本发明实施例特殊点的相对误差随k的变化曲线；
[0077]
图5是本发明实施例误差极大值处相对误差随k变化的曲线；
[0078]
图6是本发明实施例400kw光伏发电系统接入10kv配网；
[0079]
图7是本发明实施例等效电源接入配网输出波形图。
具体实施方式
[0080]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
[0081]
请参阅图2，本发明实施例提供一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法。包括以下步骤：
[0082]
步骤1：利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；
[0083]
所述步骤1中的光伏电源过流系数k表达式为：
[0084][0085]
其中，im为逆变器最大输出电流，ie为逆变器额定电流，k为im与ie之间的比例系数，即过流系数。
[0086]
步骤2：利用过流系数k确定整体等效相对误差d1；
[0087]
步骤3：根据实际需求确定等效相对误差上限d2；
[0088]
步骤4：比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效，具体的，若d1《d2，则采用整体等效，否则进行分段等效。
[0089]
步骤5：根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算；
[0090]
具体的，若由步骤4中的判断结果为整体等效，计算中间参数a、b为：
[0091]
[0092]
其中，ue为光伏电源的额定电压；
[0093]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0094][0095]
确定光伏电源整体等效电路的数学模型为：
[0096][0097]
其中，u
pcc
、i
pcc
分别为光伏电源等效的输出电压、电流；
[0098]
若由步骤4中的判断结果为分段等效，计算临界电压ur：
[0099][0100]
计算中间参数c公式为：
[0101][0102]
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：
[0103][0104]
确定光伏电源分段等效电路的数学模型为：
[0105][0106]
本发明的关键技术主要涉及等效电路的输出特性、最佳等效参数的计算方法以及理论分析等效相对误差，下面分别进行详细说明。
[0107]
光伏阵列数学模型：
[0108]
为方便对配电网络故障进行分析，希望能够使用线性电路对分布式电源进行等效。
[0109]
等效电路的基本形式如图3所示，可以写出该电路中的输出电压、电流关系表达式为：
[0110][0111]
可以由表达式看出，输出电流i
pcc
与电压u
pcc
之间为负相关，其形式在伏安特性中为导数恒为负值的直线，与电流轴交点为(0,u
eq
/r
eq
)，与电压轴的交点为(u
eq
,0)。
[0112]
将该等效模型的基本特性与前述两类光伏的特性分别进行比较，确定差异，从而保证模拟效果或可以预期的误差。
[0113]
由公式(3)可以看出，不具无功支撑能力的光伏电源的导数整体能够始终大于或
等于0，整体趋势上与式(9)相似，因此，若误差允许，等效电路可以实现对该类光伏电源的等效模拟；若分段进行分析，则当并网点电压大于临界电压时，可以使用等效电路进行等效，而当并网点电压小于额定电压时，则可以使用恒流对其进行模拟等效。
[0114]
对不具无功支撑能力光伏电源仅有无功输出，因此可使用图3所示等效电路对光伏电源进行等效。
[0115]
a)整体等效
[0116]
在对该类光伏电源整体进行等效时，可以写出等效模型与不具无功支撑能力光伏电源差值的平方为：
[0117][0118]
并对上式进行积分，可以得到
[0119][0120]
为求其极小点则有
[0121][0122]
求解公式(12)方程，则可以得到
[0123][0124]
进而通过公式(5)得到最佳一致的等效电阻与等效电压。
[0125]
由以上结果可以看出，若保持额定参数不变，其最佳参数仅与过流系数k有关。
[0126]
显然等效电路与光伏电源的伏安特性误差最大将出现在u
pcc
取值为0、ur以及ue处，可以将各点相对误差公式列写如下：
[0127][0128][0129][0130]
光伏电源过流能力十分有限，过流系数k最大一般不超过2，可以画出各点的相对误差随k的变化情况，如图4所示：
[0131]
对于市场中常见的跟网型光伏逆变器，在满足相关标准规定前提下，同时为能够保证较低的成本，其k取值一般仅为1.1，如图4中所示，此时三条曲线中的最大相对误差绝
对值为u
ppc
＝ue处，相对误差最大值为8.2％，但是当k超过1.13后，最大相对误差也将超过10％。三条曲线的最大相对误差绝对值始终低于20％，而且当k超过1.85后最大相对误差绝对值在u
ppc
＝ur处。
[0132]
由以上结果可以看出，若所分析问题所需精度较低，即相对误差绝对值要求大于20％时，一般条件下可不考虑过流系数k的取值；对于常见光伏电源所采用的k取值，即k＝1.1，甚至过流能力更低的电源，一般可采用使用整体等效的方式。
[0133]
对于过流系数较大，且对精度有所要求的情况，则需要分段对伏安特性曲线进行等效。
[0134]
b)分段等效
[0135]
对于低于临界电压的区段，可以使用恒电流源进行等效，因此仅需要对额定电压至临界电压区段进行分析。进一步，考虑在临界电压处，两端等效曲线需要保持连续，则需要等效电路的伏安曲线经过(ur,kie)，则可将等效模型的表达式写为：
[0136]ipcc
＝c(u
pcc-ur)+ki
e ur＜u
pcc
＜ue(9)
[0137]
可以写出该区间内，等效模型与不具无功支撑能力光伏电源差值的平方为：
[0138][0139]
并对上式进行积分，并将其结果表示为下式：
[0140][0141]
进一步，通过求解下式得误差最小时的参数c：
[0142][0143]
可以得到
[0144][0145]
并且可以得到，在u
pcc
为以下取值时，相对误差将取得极大点：
[0146][0147]
利用公式(21)及(22)，可以画出误差极大值处相对误差随k变化的曲线如图5所示。
[0148]
由图5可以看出，在一般条件下，分段等效所带来的误差不会大于8％，且对于一般过流系数较低(k小于1.3)的光伏电源，其误差将小于1％。
[0149]
下面以一个具体实例进行详细说明：
[0150]
以400kw光伏发电系统接入10kv不接地系统为例，如图6所示：
[0151]
电网主要包括系统电源电压us，系统电压阻抗zs，zm、z1、z2、z
n1
、z
n2
、z
n3
、z
n4
等各段线路的阻抗等。系统共设置5条电缆与架空线混合线路，分别为l1-l5，线路长度分别为13km，4km，4.5km，4km，5km，每条线路的负荷容量为2mva，其中线路l1为故障线路。架空线路参数采用标准参数：正/负序参数：r1＝0.12ω/km，l1＝1.02mh/km，c1＝0.12μf/km；零序参数：r0＝0.35ω/km，l0＝4.78mh/km，c0＝0.004μf/km。电缆线路参数：正/负序参数：r1＝
0.08ω/km，l1＝0.27mh/km，c1＝0.47μf/km；零序参数：r0＝0.8ω/km，l0＝0.96mh/km，c0＝0.47μf/km。设置线路l1在0.4-0.6s时间段距母线6km故障点f处发生三相短路故障，接地点过渡电阻为10kω。400kw光伏电源接入10kv不接地系统，光伏电源的额定电压ue＝10.5kv，额定输出电流ie＝21.99a，最大输出电流im＝24.19a。以此为例，利用上述系统验证本发明所述方法的有效性，具体实施步骤如下：
[0152]
步骤1：利用逆变器最大输出电流im＝24.19a与额定输出电流ie＝21.99a做比，确定过流系数k＝1.1；
[0153]
步骤2：根据过流系数k确定等效电源的相对误差，由图4可得相对误差最大值为d1＝8.2％；
[0154]
步骤3：确定等效电源相对误差上限，假设误差上限为d2＝15％；
[0155]
步骤4：由步骤2和步骤3，d1＜d2，等效电源相对误差低于相对误差上限，满足要求，对光伏电源采用整体等效方法；
[0156]
步骤5：对光伏电源进行等效，利用公式(5)得中间参数a、b为
[0157][0158]
代入公式(6)等效电源最佳等效参数u
eq
＝440.8kv、r
eq
＝10437.76ω。
[0159]
对不具无功支撑能力的光伏电源与等效电源接入10kv配网建模仿真，分析记录并网点电压与输出电流。对比分析不具无功支撑能力的光伏电源与等效电源接入配网发生故障时输出波形，如图7所示。
[0160]
由图7可以看出：
[0161]
对于并网点电压，故障发生后光伏电源并网点电压有效值为u
pcc
＝270.89v，等效电源并网点电压为u
pcc
＝271.21v。因此并网点电压误差为δu
pcc
＝0.12％。对于输出电流，光伏电源输出电流有效值为i
pcc
＝25.81a,等效电源输出电流有效值为i
pcc
＝24.52a，因此光伏电源输出电流误差为δi
pcc
＝4.99％。两者误差均在误差要求之内，满足光伏电源的等效。
[0162]
本发明具有以下优点：
[0163]
(1)线性等效：本发明对光伏电源的等效采用线性分析，利用伏安特性曲线可以清晰直观地观测光伏电源并网点功率与电流的关系，将复杂关系进行简单化分析。
[0164]
(2)计算简单：中间参数a、b、c的引入，使得等效电阻req与等效电压ueq参数更简单高效；并给出光伏电源临界电压ur两侧的分段等效电路的数学模型，适用性强。
[0165]
(3)考虑不同精度要求：若所分析问题所需精度较低，一般可采用使用整体等效的方式；对精度有所要求甚至较高的情况，则需要对光伏电源进行分段等效。因此，对该光伏电源的等效方法适用精度范围分析更全面。
[0166]
(4)可靠性高：不仅给出该光伏电源整体等效模型和分段等效模型的等效公式，还画出各特殊点的相对误差随过流系数k的变化曲线；对等效模型的分段分析以及临界点的分析与计算也使模型的可靠性更高。
[0167]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1：利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；步骤2：利用过流系数k确定整体等效相对误差d1；步骤3：根据实际需求确定等效相对误差上限d2；步骤4：比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效；步骤5：根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算。2.如权利要求1所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法，其特征在于：所述步骤1中的光伏电源过流系数k表达式为：其中，i
m
为逆变器最大输出电流，i
e
为逆变器额定电流，k为i
m
与i
e
之间的比例系数，即过流系数。3.如权利要求1所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法，其特征在于：步骤4比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效，具体为：若d1<d2，则采用整体等效，否则进行分段等效。4.如权利要求2所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法，其特征在于：步骤5根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算，具体包括：若由步骤4中的判断结果为整体等效，计算中间参数a、b为：其中，u
e
为光伏电源的额定电压；计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：确定光伏电源整体等效电路的数学模型为：其中，u
pcc
、i
pcc
分别为光伏电源等效的输出电压、电流；若由步骤4中的判断结果为分段等效，计算临界电压u
r
：计算中间参数c公式为：
计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：确定光伏电源分段等效电路的数学模型为：5.一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效装置，其特征在于，包括：过流系数计算模块，用于利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；整体等效相对误差确定模块，用于利用过流系数k确定整体等效相对误差d1；整体等效相对误差确定模块，用于根据实际需求确定等效相对误差上限d2；等效方法确定模块，用于比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效；等效电路参数计算模块，用于根据等效方法确定模块的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算。6.如权利要求5所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效装置，其特征在于：所述过流系数计算模块利用过流系数k确定整体等效相对误差d1，计算表达式为：其中，i
m
为逆变器最大输出电流，i
e
为逆变器额定电流，k为i
m
与i
e
之间的比例系数，即过流系数。7.如权利要求5所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效装置，其特征在于：所述等效方法确定模块比较整体等效相对误差d1与等效相对误差上限d2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效，具体为：若d1<d2，则采用整体等效，否则进行分段等效。8.如权利要求6所述的适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效装置，其特征在于：所述等效电路参数计算模块根据等效方法确定模块的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算，具体包括；若等效方法确定模块的判断结果为整体等效，计算中间参数a、b为：
其中，u
e
为光伏电源的额定电压；计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：确定光伏电源整体等效电路的数学模型为：其中，u
pcc
、i
pcc
分别为光伏电源等效的输出电压、电流；若等效方法确定模块的判断结果为分段等效，计算临界电压u
r
：计算中间参数c公式为：计算等效电阻r
eq
与等效电压u
eq
参数为：确定光伏电源分段等效电路的数学模型为：

技术总结
本发明提供一种适用于中压配网故障分析的不具无功支撑能力光伏电源等效方法及装置，该方法包括：步骤1：利用逆变器最大输出电流与额定输出电流做比确定过流系数k；步骤2：利用过流系数k确定整体等效相对误差D1；步骤3：根据实际需求确定等效相对误差上限D2；步骤4：比较整体等效相对误差D1与等效相对误差上限D2的大小关系，判断等效方法采用整体等效或分段等效；步骤5：根据步骤4的判断结果对光伏电源的等效电路参数进行计算。本发明提出对不具无功支撑能力的光伏电源的整体和分段等效两种等效方法，采用最佳一致逼近方法获得最佳等效电压与等效电阻参数，模拟精度更高，无需复杂的最优化方法，保证模拟效果或可以预期的误差。差。差。


技术研发人员：陈鹤冲 沈煜 杨帆 杨志淳 胡伟 雷杨 李广 胡成奕
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/20