[发明专利]并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略

摘要

本发明涉及继电保护技术领域，是一种建立并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，其特点是，包括的步骤有根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型。通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求。该建模方法能清晰地反映出光伏发电系统的组成结构，且动态等值阻抗模型适应光伏发电的波动性和间歇性，满足各种环境和运行方式变化，在优化控制和继电保护方面具有很好的实用参考价值。

主权项

一种并网光伏电站动态等值阻抗及仿真分析策略，其特征是，它包括的步骤有：1)根据并网光伏电站的拓扑结构定义动态等值阻抗模型；搭建光伏并网的拓扑结构，包括光伏电源，升压斩波电路，逆变器，滤波器，变压器,其中:Upv为光伏电源输出的电压,Ipv为光伏电源输出的电流；a)定义光伏电源到斩波电路出口侧的等值阻抗搭建光伏电源到斩波电路出口侧的等值电路图，其中，Udc为等值的电压源、Zdc动态等值阻抗,工程用太阳电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数,如Isc、Uoc、Im、Um、Pm,就能在一定的精度下复现阵列的特性,并能便于计算机分析；太阳能电池的I‑U方程可简化为Ipv=Isc(1-C1(eUpvC2Uoc-1))---(1)]]>在最大功率点时,U＝Um,I＝Im,可得Im=Isc(1-C1(eUmC2Uoc-1))---(2)]]>由于在常温条件下远大于1可忽略式中的‑1项,解出C1C1=(1-ImIsc)e(UmC2Uoc)---(3)]]>注意到开路状态下,当I＝0时,U＝Uoc,并把式(3)代入式(2)得解出C2C2=(UmUoc-1)(ln(1-ImIsc))-1---(4)]]>把式(3)和式(4)代入到式(1)，即可得到光伏电池在标准条件下的输出特性表达式；当外界条件发生变化时，为了得到不同光照强度及温度下光伏电池的输出特性，则需要对其在标准条件下的输出特性表达式进行修正，根据条件的变化对光伏电池输出电压和电流的变化量进行修正，考虑光强和温度影响的工程等值模型,采用式(5)计算，其中，S为任意光照强度，Sref为标准光照强度；T为环境温度，Tref为标准环境温度；Uoc、Isc、Um和Im为厂商提供的技术参数，其中，Uoc光伏电源的开路电压，Isc光伏电源的短路电流，Um最大功率点电压，Im最大功率点电流；α为在参考日照下的电流变化温度系数，0.015Amps/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，取0.7V/℃；Rs为光伏列阵的串联电阻，与光伏组件内部单体光伏电池的串联并联方式有关；Upv为光伏电源出口侧的电压，Ipv为光伏电源出口侧的电流，C1、C2为简化光伏电池模型后求解的常系数，ΔI=αSSref(T-Tref)+(SSref-1)IscΔU=-β(T-Tref)-RsΔIIpv=Isc(1-C1(eUpv-ΔUC2Uoc-1))+ΔI---(5)]]>当Ipv＝0时，Upv＝Uoc，此时的U’oc为任意光照和温度条件下光伏组件的开路电压U′oc=ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1)---(6)]]>当Upv＝0时，Ipv＝ISC，此时的I’sc为任意光照和温度条件下光伏组件的短路电流I′sc=Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI---(7)]]>其次搭建Boost斩波电路，在较长的一段时间内，斩波电路的电容充电，其电压值逐渐上升到恒定值，即光伏阵列的开路电压Uocboost＝UPVoc；Iscclose=I′sc×RVQ3RVQ+RVD---(8)]]>式中，Iscclose为开关闭合时的负载电流；RVQ为三极管通态时电阻，取值0.2Ω；RVD为斩波电路二极管漏电阻，取值0.2Ω；Isc为光伏组件的短路电流Iscopen＝I'sc  (9)式中Iscopen为开关开路时的负载电流。因此光伏电站短路电流的平均值为Ipvsc=(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))I′sc---(10)]]>式中D—Boost斩波电路的占空比，取值0.7，式(11)为光伏电站的等值阻抗的数学模型，式(12)为光伏电站的等值电压源的数学模型，其中Ns为光伏组件的串联数，Np为光伏组件的并联数，Zdc=NsUpvocNpIpvsc=NsU′ocNpI′sc(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))=Ns(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))Np(Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI)×(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))---(11)]]>Udc=(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))Ns---(12)]]>b)定义光伏电源到逆变器出口侧等值阻抗搭建光伏电源到逆变器出口侧等值电路图，其中Ueq、Zeq分别为等值的电压源和动态等值阻抗，把逆变器等值成一个受控电压源和电阻串联，由于在逆变电路中的IGBT内阻很小，所以Zac可以忽略,利用戴维南定理可求得：Zeq＝βZdc Ueq＝βUdc  (13)其中，M为调制度；L2为滤波器电抗值；Ls为网侧阻抗；Us为并网电压；η为逆变器效率；Ppv.m为光伏电源最大点功率；Upv.m为光伏电源最大功率点电压，M=8(ηNpNsPpv.m3Us(ωL2+ωLs))2+Us2(NsUpv.m)2---(14)]]>C)定义光伏电源到变压器出口侧等值阻抗搭建光伏电源到变压器出口侧等值电路图，其中，Ups为等值的电压源、Zps为动态等值阻抗，ZL1、ZL2、ZC、为滤波器等值阻抗，ZT为变压器等值阻抗，利用戴维南定理可求得：Zps=(Zeq+ZL1)ZcZeq+ZL1+Zc+ZL2+ZT---(15)]]>Ups=UeqZcZeq+ZL1+Zc---(16)]]>其中：Zeq=22Ns(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))(ηNpNsPpv.m3Us(ωL2+ωLs))2+Us2Np(Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI)×(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))(NsUpv.m)2---(17)]]>2)通过PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB数据处理，将仿真结果和实际光伏电站实验测量结果进行比较，验证模型及动态等值阻抗的准确性，其误差在工程允许的6％以下，能够满足工程应用精度要求，搭建66kV配电网典型拓扑图，利用PSCAD建模仿真及MATLAB数据处理比较仿真结果和光伏电站实验测量结果，搭建光伏电源并入66kV配电网PSCAD仿真模型，光伏电站模块内部包括光伏电源模块，升压斩波电路，逆变器模块，滤波器模块和变压器模块，MPPT模块，控制模块等。线路参数：AB长度为26.38km，线路BC长度为21.99km，线路CD的长度为47.7km；Z1＝0.0178+j0.314Ω/km，Z0＝0.295+j1.04Ω/km；光伏电源部分参数：设置当前光照强度为400W/m2，温度为25℃；参考光照强度1000W/m2,参考环境温度25℃；在参考日照下的电流变化温度系数α取0.015Amps/℃；在参考日照下的电压变化温度系数β取0.7V/℃；参考厂商提供的技术参数为最大功率点功率260W，最大功率点工作电流8.52A，最大功率点工作电压30.51V，短路电流9.09A，开路电压37.65V；光伏组件的串联数Ns为400，光伏组件的并联数Np为400；光伏逆变器效率97.5％；其他参数：滤波器电抗值L2＝0.037Ω，阻抗Ls＝0.47+j8.28Ω。利用PSCAD采集的实时数据与各组件出厂参数计算光伏电站等值阻抗Zps和等值电压源Ups，将测量的光伏电站出口处电压电流波形分别与仿真计算的等效输出电压和等效输出电流比较，由于数学模型中存在并网处不断更新的反馈量，仿真计算波形逐渐增大并趋于稳定，最后接近实验测量波形，为了更直观的验证该动态等值阻抗模型的准确性，定义其相对误差为：δi=(I-Ips)/I×100%δu=(U-Ups)/U×100%---(18)]]>其中，δi为电流相对误差，δu为电压相对误差，I为实验测量电流，Ips为仿真电流，U为实验测量电压，Ups为仿真电压。