大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法

摘要

本发明是一种大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法，其特点是，包括以光伏系统额定容量和与电网连结点电压为基准值，计算光伏所接入电网的阻抗标幺值作为衡量电网强弱的定量指标；根据给定的控制器稳定裕量约束，推导出以电网阻抗标幺值表示的运行可行域边界；以光伏接入电网的潮流方程为基础，建立潮流方程解与电网阻抗之间的关系，根据给定的接入点电压调节约束，推导出以电网阻抗标幺值表示的满足相应约束的运行可行域边界，以此确定光伏逆变系统接入该电网运行状态。具有评价体系清晰，科学合理，流程简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏联网发电领域，特别涉及一种大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法。 

背景技术

太阳能资源丰富，可用多种方式开发利用，其中光伏发电是目前可再生能源主要发电方式之一。联网光伏发电是实现太阳能大规模开发利用的重要途径。由于大容量的联网光伏发电系统往往位于电网结构薄弱地区，要通过较长的输电线路、多级升压接入电网，此时电网阻抗不能忽略。该电网阻抗的存在会影响联网光伏发电系统的正常运行。随着联网光伏容量的增大，这种影响愈加显著，降低了电能质量，严重时会导致联网光伏发电系统脱网。为了避免发生此类问题，建本立方法体系来分析评估联网光伏发电系统与待接入电网之间的相互影响，并为相关提高联网光伏发电系统运行安全措施的有效性提供评判依据，具有重要现实作用与意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种评价体系清晰，科学合理，流程简单，易实现的大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法。 

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法，其特征是，它包括如下步骤： 

(1)以光伏系统额定容量和与电网连结点电压为基准值，计算光伏所接入电网的阻抗标幺值将阻抗标幺值作为衡量电网强弱的定量指标； 

(2)以光伏逆变系统注入电网电流参考值为输入量、实际注入电网电流为输出量建立光伏逆变控制系统的开环传递函数，根据给定的控制器稳定裕量约束，推导出以电网阻抗标幺值表示的运行可行域边界

(3)以光伏接入电网的潮流方程为基础，建立潮流方程解与电网阻抗之间的关系，根据给定的接入点电压调节约束，推导出以电网阻抗标幺值表示的满足相应约束的运行可行域边界

(4)对于一个具体的光伏接入电网的现实场景，只要电网阻抗标幺值满足 即可判定以上2个约束条件均被满足，即表示待接入电网的 阻抗位于光伏逆变系统接入电网运行可行域内，光伏逆变系统接入该电网运行将具有良好的运行性能；若则可判断待接入电网的阻抗超出了光伏逆变系统的运行可行域，将存在运行控制及安全问题。当则可判断光伏逆变系统将面临控制性能恶化，电流谐波含量大无法满足并网标准要求；当且 则可判断光伏逆变系统接入运行时将面临电压水平不达标，甚至存在系统电压失稳风险；当时，以上两种问题同时存在。 

步骤(1)中所述的弱电网阻抗标幺值表示为 

$Z_g^{*}=\left|Z_g\right|\times \frac{S_{\mathrm{PV}}}{U_N^2}---\left(1\right)$

标幺系统基准容量S_B选定为待接入联网光伏逆变系统的额定容量，基准电压UB为额定运行电压，即有S_B＝S_PV,U_B＝U_N，判断既定电网在不同光伏接入容量下的相对强弱。 

步骤(2)中光伏逆变控制系统的开环传递函数可表示为 依据具体的光伏逆变系统控制结构，可建立并网电流I_g(s)与参考电流I_gref(s)之间的开环传递函数形如公式(2) 

$\left(\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{kg}\_w}(R_g,L_g,s)=\frac{I_g\left(s\right)}{I_{\mathrm{gref}}\left(s\right)-I_g\left(s\right)}\\ =\frac{K_{\mathrm{PWM}}{K}_P[R_d{C}_f{s}^2+(R_d{C}_f/T_i+1)s+1/T_i]}{a_5{s}^5+a_4{s}^4+a_3{s}^3+a_2{s}^2+a_{1}s+a_0}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{a}_5={1.5T}_s{L}_1(L_2+L_g)C_f\\ a_4={1.5T}_s(L_1+L_2+L_g)R_d{C}_f+L_1{C}_f(L_2+L_g)+{1.5T}_s{L}_1{C}_f{R}_g\\ a_3={1.5T}_s(L_1+L_2+L_g)+(L_1+L_2+L_g)R_d{C}_f+L_1{C}_f{R}_g\\ +{1.5T}_s{R}_d{C}_f{R}_g-R_d{C}_f{K}_{\mathrm{PWM}}{K}_V{L}_g\\ a_2=L_1+L_2+L_g+{1.5T}_s{R}_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{L}_g+R_d{C}_f{R}_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{R}_d{C}_f{R}_g\\ a_1=R_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{R}_g\\ a_0=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

对于一个给定的电网阻抗Z_g，会确定出一个具体的开环传递函数 根据开环传递函数的幅频特性，由公式(3)和公式(4)确定出控制系统的相位裕量γ和增益裕量K_g， 

20lgK_g＝-20lg|G(jω_g)H(jω_g)|             (3) 

公式(3)中，ω_g为相位交界频率；公式(4)是则对应开环频率特性在剪切频率ω_c处的相角；由此建立电网阻抗Z_g和控制系统稳定裕量的一一对应的关系，依据边界条件γ_min＝30⁰，K_g min＝6dB和Z_g＝G^-1_{kg_w}(γ,K_g)来获取由控制器稳定裕量约束决定的运行可行域边界

步骤(3)中光伏接入电网的潮流方程为： 

${\left(U_{\mathrm{pcc}}^2\right)}^2-U_{\mathrm{pcc}}^2(U_s^2+{2R}_g{P}_s+{2X}_g{Q}_s)+(P_s^2+Q_s^2)(R_g^2+X_g^2)=0$

式中,U_pcc表示光伏逆变系统接入点电压，U_S为电网电压，通过接入点注入电网的视在功率电网阻抗参数Z_g＝R_g+jX_g，将该潮流方程看作变量的一元二次方程，根据方程的有解条件，并考虑传输功率S＝S_PV时，U_pcc必须满足电网关于接入点电压调节范围约束，从而确定运行可行域边界

本发明的一种大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法，为大容量光伏逆变系统接入电网运行安全评估提供了一个科学的方法体系和评判标准，能够通过规格化的待接入光伏电网阻抗标幺值与光伏逆变系统接入电网运行可行域边界比较来评估光伏逆变系统接入电网运行安全及性能状况，具有评价体系清晰，流程简单易实现等优点。 

附图说明

图1为光伏逆变系统接入电网结构示意图。图1中Z_g表示接入电网阻抗，S_PV为光伏系统容量，U_pcc为光伏逆变系统接入点电压，U_S表示接入电网电压。 

图2为本发明提供大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法的流程图。 

图3为光伏逆变系统主电路的动态结构图。C为直流环节滤波电容。L₁，L₂及C_f分别表示滤波器两等效电感及滤波电容，R_d为滤波电容支路串联阻尼电阻。 

图4计及电网输入阻抗影响的电流闭环控制动态结构图。图中I_gref(s)为输入指令电流信号，K_f为电流反馈系数，K_v为电压反馈系数。K_PWM为SPWM电压增益系数，T_S为SPWM载波周期。 

图5逆变器接入弱电网潮流分析模型。 

具体实施方式

本发明的一种大容量光伏逆变系统接入电网运行可行域评价方法，即是通过规格化的待接入光伏电网阻抗标幺值与光伏逆变系统接入电网运行可行域边界比较来评估光伏逆变系统接入电网运行安全及性能状况，具有评价体系清晰，流程简单易实现的特点。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

(1)首先选择光伏系统容量和系统额定运行电压为标幺值体系的基准，计算待接入光伏电网的抗标幺值

电网阻抗标幺值表示为 

$Z_g^{*}=\left|Z_g\right|\times \frac{S_B}{U_B^2}---\left(1\right)$

标幺系统基准容量S_B为待接入联网光伏逆变系统的额定容量，基准电压U_B为额定运行电压，即有S_B＝S_PV,U_B＝U_N。选定电网阻抗标幺值来判断既定电网在不同光伏接入容量下的相对强弱，当则可将光伏逆变系统接入的电网视为弱电网。 

(2)由控制器稳定裕量约束确定光伏逆变系统接入电网运行可行域边界

由于弱电网电网阻抗使控制系统稳定裕量变小，系统控制性能变差，主要体现在并网电流发生畸变，电能质量恶化。因此将控制器稳定裕量约束作为确定光伏逆变系统接入弱电网运行可行域边界的一个重要约束。增益裕量和相位裕量是反映控制系统相对稳定性的重要指标。工程中为获得良好的动态性能，通常要求控制系统的相位裕量γ∈[30⁰,60⁰]，增益裕量K_g∈[6dB,∞]。根据稳定裕量约束条件，由计及电网等效阻抗的控制系统开环传递函数来确定光伏逆变系统接入电网运行可行域边界

依据光伏逆变系统控制结构(如图3和图4)可建立并网电流I_g(s)与参考电流I_gref(s)之间的开环传递函数形如公式(2) 

$\left(\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{kg}\_w}(R_g,L_g,s)=\frac{I_g\left(s\right)}{I_{\mathrm{gref}}\left(s\right)-I_g\left(s\right)}\\ =\frac{K_{\mathrm{PWM}}{K}_P[R_d{C}_f{s}^2+(R_d{C}_f/T_i+1)s+1/T_i]}{a_5{s}^5+a_4{s}^4+a_3{s}^3+a_2{s}^2+a_{1}s+a_0}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{a}_5={1.5T}_s{L}_1(L_2+L_g)C_f\\ a_4={1.5T}_s(L_1+L_2+L_g)R_d{C}_f+L_1{C}_f(L_2+L_g)+{1.5T}_s{L}_1{C}_f{R}_g\\ a_3={1.5T}_s(L_1+L_2+L_g)+(L_1+L_2+L_g)R_d{C}_f+L_1{C}_f{R}_g\\ +{1.5T}_s{R}_d{C}_f{R}_g-R_d{C}_f{K}_{\mathrm{PWM}}{K}_V{L}_g\\ a_2=L_1+L_2+L_g+{1.5T}_s{R}_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{L}_g+R_d{C}_f{R}_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{R}_d{C}_f{R}_g\\ a_1=R_g-K_{\mathrm{PWM}}{K}_V{R}_g\\ a_0=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

对于一个给定的电网阻抗Z_g(即R_g和L_g唯一给定)，就会得到一个具体的传递函数 根据传递函数的幅频特性，由公式(3)和公式(4)确定出控制系统的相位裕量γ和增益裕量K_g， 

20lgK_g＝-20lg|G(jω_g)H(jω_g)|              (3) 

公式(3)中，ω_g为相位交界频率；公式(4)是则对应开环频率特性在剪切频率ω_c处的相角；由此建立电网阻抗Z_g和控制系统稳定裕量的一一对应的关系，依据边界条件γ_min＝30⁰，K_g min＝6dB和Z_g＝G^-1_{kg_w}(γ,K_g)来获取由控制器稳定裕量约束决定的运行可行域边界

(3)以光伏接入电网的潮流方程为基础，建立潮流方程解与电网阻抗之间的关系，根据给定的接入点电压调节约束，推导出以电网阻抗标幺值表示的满足相应约束的运行可行域边界 

光伏逆变系统接入弱电网运行，光伏功率注入变化会对电网接入点电压水平产生明显影响，由图5通过潮流分析，可建立接入点电压、电网阻抗参数以及传输功率直接的关系方程如下 

${\left(U_{\mathrm{pcc}}^2\right)}^2-U_{\mathrm{pcc}}^2(U_s^2+{2R}_g{P}_s+{2X}_g{Q}_s)+(P_s^2+Q_s^2)(R_g^2+X_g^2)=0$

式中，U_pcc表示光伏逆变系统接入点电压，U_S为电网电压，通过接入点注入电网的视 在功率电网阻抗参数Z_g＝R_g+jX_g,将(式-2)看作变量的一元二次方程，根据方程的有解条件，并考虑传输功率S＝S_PV时，U_pcc必须满足电网关于接入点电压调节范围约束^[3]，从而确定运行可行域边界

(4)评估大容量光伏逆变系统接入电网的运行性能和安全状况。 

根据和确定光伏逆变系统接入电网运行可行域边界 比较待接入电网阻抗和运行可行域边界的大小关系来评估大容量光伏逆变系统接入电网的运行性能和安全状况。 

若表明待接入电网的阻抗位于光伏逆变系统接入电网运行可行域内，光伏逆变系统接入该电网运行将具有良好的运行性能。 

若表明接入电网的阻抗超出运行可行域，光伏逆变系统接入运行将面临运行控制及安全问题。当则可判断光伏逆变系统将面临控制性能恶化，电流谐波含量大无法满足并网标准要求；当则可判断光伏逆变系统接入运行时将面临电压水平不达标，甚至存在系统电压失稳风险；当且 时，以上两种问题同时存在。