面向不同应用场景的光伏系统短路电流计算模型研究_陈媛莉.pdf

第第 39 卷卷 第第 4 期期 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 Vol.39,No.4 2023 年年 4 月月 Electric Power Science and Engineering Apr.2023 基金项目：广东电网有限责任公司科技项目（GDKJXM20173266）。doi:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.04.006 面向不同应用场景的光伏系统短路 电流计算模型研究 陈媛莉1，黄华颖2，饶苏敏2（1.广州翌骏电力科技有限公司，广东 广州 510080；2.广东电网有限责任公司 云浮供电局，广东 云浮 527399）摘 要：针对在进行光伏系统短路电流分析时，不同场景对于仿真分析精度、计算速度等方面差异化的需求，提出了适用于精确仿真分析、小规模配网系统仿真分析、大规模配网系统工程计算的 3 种光伏系统短路电流计算模型。首先，基于器件级主电路和完整的控制算法，提出了器件级光伏系统短路瞬态模型；在保留低频瞬态特性的基础上，对主电路和控制算法进行了简化，提出了光伏系统短路低频瞬态等效模型；在此基础上去除锁相环，推导出等效模型的数学模型，并将数学模型进一步简化为计算短路电流稳态有效值和次暂态峰值的计算模型。在 MATLAB 环境下编写了潮流计算软件，对 3 种模型进行了仿真对比，验证了模型的有效性。关键词：配网；光伏系统；短路电流；低电压穿越 中图分类号：TM615；TM712 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2023)04-0050-09 Research on Short-circuit Current Calculation Model of Photovoltaic System for Different Application Scenarios CHEN Yuanli1,HUANG Huaying2,RAO Sumin2(1.Guangzhou Yijun Power Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510080,China;2.Yunfu Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Yunfu 527399,China)Abstract:Aiming at the different requirements of photovoltaic system short-circuit current analysis in terms of simulation analysis accuracy,calculation speed and other aspects under different scenarios,three photovoltaic system short-circuit current calculation models suitable for accurate simulation,small-scale distribution system simulation,and large-scale distribution system engineering calculation are proposed.Firstly,device level short-circuit transient model of photovoltaic system is proposed,in which the device level main circuit and complete control algorithm are adopted.On this basis,short-circuit low-frequency transient equivalent model of photovoltaic system is proposed and the main circuit and control algorithm are simplified with retaining the low-frequency transient characteristics.Based on the equivalent model,phase-locked loop is removed and its mathematical model is deduced,which is further simplified to 第 4 期 陈媛莉，等：面向不同应用场景的光伏系统短路电流计算模型研究 51 calculate only the steady-state effective value and sub transient peak value of short-circuit current.Finally,the power flow calculation software written under MATLAB are done.The simulation results are compared to verify the effectiveness of the three types proposed models of photovoltaic system.Key words:distribution network;photovoltaic system;short circuit current;low voltage ride through 0 引言 目前，分布式光伏系统已经开始大规模接入配网。与此同时，光伏系统复杂的故障特性也给传统的配网短路电流计算和继电保护带来了新问题1。当分布式光伏系统接入后，配网由原来的单电源网络变成了多电源网络；这一变化将会影响到配电网的正常运行状态和非正常运行状态。搭建准确的短路模型，是含分布式新能源的新型配电网短路电流计算的关键。目前，对于相关模型的研究主要包括 3 类：器件级模型、简化等效模型、等值数学模型。文献2认为，在研究器件级光伏系统模型时，需计及锁相环动态响应特性对故障电流的影响，并依此观点建立了考虑锁相环动态响应特性的故障电流模型。该模型存在的问题是，未考虑不对称故障下的锁相环动态特性对故障电流的影响。文献3提出以受控电流源代替光伏逆变器的模型设计方法，并在设计中保留了最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）；分析评估了在分布式光伏与故障相对位置关系不同时，配电网继电保护受影响的程度。该研究存在的缺陷是，仅讨论了单个分布式光伏接入对配电网的影响。文献4提出以正序网络中的压控电流源代替分布式电源的模型设计思路，分析了多个分布式电源接入对配电网的影响。该方法的缺点是，在不对称短路故障发生时，模型精度存在不足。文献5的思路是以功率源代替分布式电源，并考虑了绝缘栅双极型晶体管器件对光伏系统短路电流的限制，分析了大规模分布式电源接入对配电网的影响。该方法只考虑了正序网络下光伏系统建模，在不对称短路故障时同样有模型精度不足的问题。文献6提出了考虑低电压穿越策略的光伏电源故障等效数学模型，并给出了改进的含分布式光伏电源配电网短路电流计算方法。该方法存在的问题是，只考虑了短路电流的稳态值，未讨论短路电流次暂态峰值计算方法。文献7,8基于潮流计算，获得了分布式电源的状态变量值，建立了分布式电源的短路等效数学模型、计及不脱网运行特性的分布式电源短路计算序分量数学模型；基于对称分量法给出了含分布式电源配电网的短路电流迭代计算方法。文献中所提方法存在的问题是，未考虑光伏逆变器输出滤波电路及控制电路动态特性对短路电流次暂态峰值的影响，且次暂态峰值的计算精度存在不足。鉴于此，本文针对分布式光伏大量接入配电网的情况、不同层面对含分布式光伏电源系统仿真的不同要求，开展了面向不同应用场景的光伏系统短路分类模型的研究，提出了适用于精确仿真分析、小规模配网系统仿真分析、大规模配网系统工程计算的3种光伏系统短路电流计算模型。1 电压跌落下光伏系统低电压穿越 在配网电压正常时，光伏逆变器通常采用MPPT 算法实现最大功率输出9,10。当配网发生对称故障或非对称故障时，光伏逆变器在防孤岛保护动作前，其并网特性主要表现为低电压穿越（Low voltage ride through，LVRT）特性。目前，对 LVRT 的相关研究，主要集中在短路故障下光伏逆变器的无功/有功电流协调控制11、零电压穿越控制12、多模式低电压穿越控制13和低电压穿越下直流侧电压控制14等方面。LVRT 是光伏系统短路模型建模时要考虑的关键要素。在国家标准 光伏并网逆变器技术规范（NB/T32004-2018）中，对于 LVRT 有如下规定：当并网点电压低于0.9 倍额定电压时，光伏逆变器须满足 LVRT 曲线并具备如式（1）所示的动态无功能力：52 电电 力力 科科 学学 与与 工工 程程 2023 年 TTNTNTN(0.9)1.05()0.4()IKUIIIII=-|对称故障非对称故障 （1）式中：IT为逆变器输出的无功电流；K 为逆变器输出无功电流与电压变化比例值，取值范围为1.52.5；UT为光伏并网点电压的标幺值；IN为逆变器额定输出电流有效值。2 光伏系统短路电流计算模型 2.1 适用于精确仿真分析的器件级短路瞬态模型 在进行光伏逆变器控制策略研究及短路性能评估时，需开展光伏系统短路电流的器件级仿真分析。此时，光伏系统短路模型也应为器件级，且要求模型能完整、精确地展现短路过程光伏系统的瞬态特性。该类模型本文定义为光伏系统“器件级短路瞬态模型”。本文在 MATLAB/Simulink 下建立的光伏系统的器件级短路瞬态模型，如图 1 所示。图 1 光伏系统器件级短路瞬态模型 Fig.1 Device level short-circuit transient model of PV system 图 1 所示模型包括：光伏阵列、器件级光伏逆变器（含控制电路）。其中，控制电路包括锁相环及检测量矢量变换、MPPT 控制、LVRT 控制、电流环和 SPWM（Sinusoidal PWM）调制。控制算法：在传统 MPPT 基础上，加入了LVRT 控制。LVRT 控制用于实现光伏逆变器在短路故障时的低电压穿越功能，其流程图如图 2所示。图 2 LVRT 控制流程图 Fig.2 Control flow chart of LVRT 2.2 适用于小规模配网系统仿真分析的等效模型 在进行小规模配电网短路电流分析时，需开展光伏系统的小规模配电网短路数字仿真。此时，光伏系统短路模型不需完整展现瞬态特性，所以可将主电路拓扑简化为等效的可控电流源或功率源，控制电路也可进行一定的简化。简化后的模型只展现光伏系统短路时的低频瞬态特性，适用于小规模配电网短路数字仿真，定义其为光伏系统“短路低频瞬态等效模型”。由光伏系统器件级短路瞬态模型可知，并网光伏系统正常工作和短路时均为电流源型系统。考虑到光伏逆变器为高频开关变流器，具有 100 s级响应速度，比短路电流 10 ms 级的响应速度更快；所以，忽略开关器件开关过程、电流环的响应时间，进而得到如图 3 所示的光伏系统短路低频瞬态模型。第 4 期 陈媛莉，等：面向不同应用场景的光伏系统短路电流计算模型研究 53 图 3 光伏系统短路低频瞬态等效模型 Fig.3 Short-circuit low-frequency transient equivalent model of PV system 图 3 所示的模型，包括光伏逆变器及其控制电路。光伏逆变器由 3 个电压控制电流源和输出电容器组成。考虑当光伏逆变器短路时，输出电容也短路，而输出电容的短路电流无法通过逆变器控制；所以，为了提高短路时光伏系统的次暂态电流计算精度，保留输出电容。由如图 3 所示的光伏系统短路低频瞬态等效模型的控制电路，与器件级光伏系统控制电路相比，电路省略了 M