一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法

摘要

本发明公开了一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法：步骤1、输入系统相关参数并进行下述计算：A、输入光伏电站站内拓扑结构及其设备参数，并计算光伏电站的等值电抗；B、输入送出线路型号及参数，并计算送出线路电抗；C、输入电网拓扑结构及参数，并计算系统阻抗；D、输入单个逆变器的负序三相电压不平衡度

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法。

背景技术

电力系统三相不平衡是指三相电压或三相电流在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之。三相不平衡将导致旋转电机附加发热和振动、变压器漏磁增加和局部过热、电网线损增大以及多种保护和自动装置误动等。三相不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡的程度，一般采用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。电力系统正常运行时三相不平衡度需控制在一定范围内，避免对电力系统运行造成危害。因此，电力系统三相不平衡是新能源或用户工程规划阶段电能质量评估的重要内容之一。

电力系统三相不平衡是由于三相负载不对称或电网元件三相参数不对称所致。一般而言，电网元件三相参数是对称的，电网的三相不平衡问题是由电力用户三相负载不平衡引起。然而，在规划设计阶段光伏电站的三相不平衡评估中具有以下特点：

1、光伏电站通过逆变器并网，光伏电池所发直流电(DC)通过逆变器逆变成三相交流电(AC)送入电网。逆变器交流侧三相负载是对称的，但逆变器的开关元件参数存在差异，使其产生的三相电压并非理想三相正弦波，由此产生三相不平衡问题，其三相不平衡的产生机理与三相负载不对称引起的三相不平衡不同。因此，以往因三相负载不对称引起的三相不平衡计算方法不适用于光伏电站引起的三相不平衡计算。

2、规划设计阶段，光伏电站尚未投运，不可能通过测量来获取并网点或公共连接点的三相电量(电压、电流)幅值和相位，进而不能通过对称分量法来获取其负序分量，因此，国家标准《电能质量三相电压不平衡》(GB/T 15523-2008)中所述三相不平衡测量与计算方法不适用于光伏电站引起的电力系统三相不平衡计算。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法，提出一种适用于规划设计阶段光伏电站引起电网三相不平衡问题的工程实用评估方法，可在项目实施前给出可信的结论，若存在三相不平衡问题可提前提出治理措施。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法，包括如下步骤：

步骤1、输入系统相关参数并进行下述计算：

A、输入光伏电站站内拓扑结构及其设备参数，并计算光伏电站的等值电抗；

B、输入送出线路型号及参数，并计算送出线路电抗；

C、输入电网拓扑结构及参数，并计算系统阻抗；

D、输入单个逆变器的负序三相电压不平衡度

步骤2、根据光伏电站的等值电抗、送出线路电抗和系统阻抗计算光伏电站及电网的正序等值电路；

步骤3、计算光伏电站及电网的负序等值电路；

步骤4、根据光伏电站及电网的负序等值电路和单个逆变器的负序三相电压不平衡度计算公共连接点处负序电压不平衡度。

优选，光伏电站的等值电抗X_PV为变压器等值电抗、集电线路等值电抗和升压主变电抗之和。

优选，设光伏电站由N台相同的单元变压器构成，每个单元变压器电抗为x_d，则变压器的等值电抗为：

优选，设一条馈线上有n个发电单元，则单条馈线的等值电抗x_s为：

式中，X_j为第j个与第j+1个光伏发电单元之间连接线路的电抗，S_i为第i个光伏发电单元装机容量，

设光伏电站有m条馈线，每条馈线的等值电抗为x_s1、x_s2…x_sm，则光伏电站集电线路的等值电抗为：

优选，设光伏电站由a台升压主变构成，设升压主变的电抗分别为x_k1、x_k2…x_ka，则升压主变的等值电抗为：

优选，设送出线路长度为L，每公里电抗标幺值为x_l，则送出线路电抗X_L为：

X_L＝x_l·L。

优选，设公共连接点处的三相接地短路电流标幺值为I_PCC，则系统阻抗X_P为：

优选，设光伏并网逆变器交流侧正序电压标幺值为U₁，则光伏并网逆变器交流侧负序电压标幺值U₂为：

优选，公共连接点处负序电压不平衡度ε_U2为：

式中，U_PCC为公共连接点处正序电压标幺值，X_P2为电网的负序电抗，X_L2为送出线路的负序电抗，X_PV2为光伏电站负序等值电抗，且：

优选，公共连接点处负序电压不平衡度ε_U2为：

本发明的有益效果是：

(1)本发明数据输入为光伏电站站内拓扑结构及其设备参数、送出线路导线型号及参数、电网拓扑结构及参数、光伏并网逆变器的性能指标。在上述数据中，均无需三相负载数据，因此，本发明适用于非三相负载不对称引起的三相不平衡评估计算。

(2)本发明所述方法可利用规划设计阶段光伏电站设备选型结论，评估光伏电站并网后在公共连接点(Point of Common Coupling,以下简称“PCC点”)引起的三相不平衡程度。因此，本发明所述方法可在项目实施前给出可信的结论，若存在三相不平衡问题可提前提出治理措施。

附图说明

图1是本发明一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法的流程图；

图2是本发明光伏电站的等效模型示意图；

图3是本发明光伏发电单元之间的连接方式示意图；

图4是本发明光伏电站及电网的正序等值电路示意图；

图5是本发明光伏电站及电网的负序等值电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

我国的中高压输电网络为三相三线制网络，在电网正常运行方式下线电压、线电流中不存在零序分量，因而光伏电站的不平衡度计算可仅考虑电压、电流的负序不平衡度。国家标准《电能质量三相电压不平衡》(GB/T 15523-2008)是针对电力系统正常运行工况而制定的，标准规定了三相电压不平衡度的允许值及其测量方法。然而，光伏电站引起的三相不平衡并非由三相负载不对称引起，同时在规划设计阶段工程尚未投运，不能经测量三相电量后通过对称分量法获取其负序电量，因此现有三相不平衡计算方法不适用于光伏电站并网后引起的三相不平衡计算。

一种光伏电站接入系统设计阶段三相不平衡度的计算方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、输入系统相关参数并进行下述计算：

A、输入光伏电站站内拓扑结构及其设备参数(包括光伏电站单元变压器数量和每个单元变压器电抗、升压主变的数量和单个升压主变的电抗、集电线路导线型号及参数等)，并计算光伏电站的等值电抗。

光伏电站集电系统中包含数十甚至数百台逆变器及单元变压器、集电线路、升压主变，其等效模型如图2所示。图2中，光伏电站高压侧为并网点(point ofinterconnection，以下简称“POI点”)。光伏电站的等值电抗X_PV为变压器等值电抗、集电线路等值电抗和升压主变电抗之和。

(1)单元变压器的等值电抗

设光伏电站由N台单元变压器构成，则单元变压器的等值电抗近似认为N台单元变压器并联后等值电抗。光伏电站一般采用型号参数相同的单元变压器，令每个单元变压器电抗为x_d，则单元变压器的等值电抗为：

(2)集电线路的等值电抗

在同一条馈线上，光伏发电单元之间的连接方式如图3所示，集电线路等值电抗一般采用等值前后无功损耗不变的方法，设一条馈线上有n个发电单元，则单条馈线的等值电抗x_s为：

式中，X_j为第j个与第j+1个光伏发电单元之间连接线路的电抗，S_i为第i个光伏发电单元装机容量，

若光伏电站有m条馈线，利用上式分别计算每条馈线的等值电抗x_s1、x_s2…x_sm，则光伏电站集电线路的等值电抗为：

(3)升压主变电抗

设光伏电站由a台升压主变构成，令升压主变的电抗分别为x_k1、x_k2…x_ka，则单元变压器的等值电抗为：

(4)光伏电站的等值电抗

光伏电站的等值电抗X_PV为等值变压器电抗、集电线路等值电抗和升压主变电抗之和：

X_PV＝X_d+X_s+X_k

B、输入送出线路型号及参数(送出线路长度、每公里电抗标幺值)，并计算送出线路电抗。

令送出线路长度为L，每公里电抗标幺值为x_l，则送出线路电抗X_L为：

X_L＝x_l·L

C、输入电网拓扑结构及电网元件参数(电网中所有发电机、变压器、线路参数)，并计算系统阻抗。

在高压网络系统阻抗计算中，电阻值远小于电抗值，工程计算可将电阻忽略。通过戴维南等值定理可知，从PCC点向电网观测，忽略电阻，可以将电网等值为系统阻抗X_P和电源E的串联电路。通过电网结构和元件参数，利用电力系统分析软件(PSASP、BPA等)计算PCC点处的三相接地短路电流I_PCC标幺值，则系统阻抗为：

D、输入单个逆变器的负序三相电压不平衡度

根据《光伏发电并网逆变器技术规范》(NB/T 32004-2013)，光伏并网逆变器出厂后需对其性能指标进行检测。光伏并网逆变器性能指标包括转换效率、谐波分量、不平衡度、直流分量等内容。其中不平衡度试验是逆变器出厂后所需检测的重要性能指标。查阅光伏电站所采用逆变器的出厂检测报告，可获取单个逆变器负序三相电压不平衡度

另外，可根据光伏电站的可行性研究报告、一次接入系统设计方案、电网规划报告分别获取光伏电站站内拓扑结构及设备参数、送出线路型号及参数、电网拓扑结构及参数。

步骤2、根据光伏电站的等值电抗、送出线路电抗和系统阻抗计算光伏电站及电网的正序等值电路。

由序网络理论，三相网络内任一组不对称量(电流、电压等)都可分解为正序、负序、零序三组对称分量，其对应的网络成为序网络。根据前述光伏系统的等值电抗、送出线路电抗及电网阻抗的等值与计算，得到光伏电站及电网的正序等值电路，如图4所示。

步骤3、计算光伏电站及电网的负序等值电路。

图4所示等值电路为正序等值电路，电抗均采用标幺值。变压器、线路等静止元件的负序电抗与正序电抗相同，发电机负序阻抗近似认为与正序阻抗相等，则光伏电站负序等值电抗X_PV2、送出线路的负序电抗X_L2、电网的负序电抗X_P2分别为：

负序网络的结构和正序网络相同，只是负序网络中发电机电动势等于零，则光伏电站及电网的负序等值电路如图5所示。光伏电站引起的三相不平衡源头在于逆变器交流侧，在进行三相不平衡分析时，可将逆变器交流侧认为是一个负序电压源。图5中U₂为光伏并网逆变器交流侧负序电压标幺值，令光伏并网逆变器交流侧正序电压标幺值U₁，则U₂为：

步骤4、根据光伏电站及电网的负序等值电路和单个逆变器的负序三相电压不平衡度计算PCC点处负序电压不平衡度。

《电能质量三相电压不平衡》(GB/T 15523-2008)规定：“接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3％，短时不超过2.6％”。标准规定了光伏电站在PCC点引起的负序电压不平衡度的允许值。根据序网络理论及欧姆定律，光伏电站引起PCC点处的负序电压U_PCC2为：

令PCC点正序电压标幺值为U_PCC，则光伏电站在PCC点处引起的负序电压不平衡度ε_U2为：

即：

在电网正常运行方式下，U₁≈1、U_PCC≈1，则ε_U2可简化为：

本发明的有益效果是：

(1)本发明数据输入为光伏电站站内拓扑结构及其设备参数、送出线路导线型号及参数、电网拓扑结构及参数、光伏并网逆变器的性能指标。在上述数据中，均无需三相负载数据，因此，本发明适用于非三相负载不对称引起的三相不平衡评估计算。

(2)本发明所述方法可利用规划设计阶段光伏电站设备选型结论，评估光伏电站并网后在PCC点引起的三相不平衡程度。因此，本发明所述方法可在项目实施前给出可信的结论，若存在三相不平衡问题可提前提出治理措施。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。