基于低電壓過渡控制策略的光伏系統三相穩(wěn)態(tài)短路電流等值計算模型構建

原 帥，奧淇侖，石 靜，劉 宇，苗麗芳，蘇 珂

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)電力系統智能化電網仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，光伏電站不斷接入電力系統，逐漸改變了電網運行特性，對電網短路電流分析、電流保護定值計算以及設備設計、選型等產生了較大影響，給電網安全穩(wěn)定運行帶來了一定風險[1-7]。為解決上述光伏系統并網帶來的問題，亟待開展光伏系統短路電流特性研究。光伏經過逆變器接口并網，輸出具有很強的非線性，傳統的線性等值模型不再適用。有研究表明，由于光伏的發(fā)電單元和逆變器之間有大電容，故障時直流側電壓基本保持恒定，短路特性主要由逆變器的控制策略決定[8-15]。在此基礎上，國內外學者根據不同工況和假設條件，提出了不同光伏系統短路電流計算模型[16-20]。然而，大部分研究工作是從理論控制方式、控制策略角度出發(fā)開展短路特性研究，短路電流計算模型復雜，缺乏實驗結果驗證，工程中應用較少。本文以內蒙古電網某光伏系統為研究對象，計及光伏系統低電壓過渡控制策略，建立光伏系統短路電流計算實用等值模型，并對模型準確性進行驗證，為開展電網短路電流計算提供模型基礎。

1 光伏系統

本文研究的光伏系統（結構示意圖見圖1）由光伏電池板（組件）、直流母線、電容器組、逆變器、濾波器和升壓變壓器組成。最大功率跟蹤模塊（MPPT）根據當前直流母線電壓Udc和直流電流Idc，電壓-功率特性曲線，計算電池板達到最大輸出功率時的直流電壓Udc_ref，作為直流母線電壓的參考值。逆變器根據控制策略控制絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）的通斷狀態(tài)，將光伏電池板產生的直流電能轉換為工頻交流電能，并通過升壓變壓器輸出到電網。

圖1 光伏系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of photovoltaic system

1.1 光伏電池板

光伏系統電池板結構示意見圖2，由100個光伏電池串并聯組成，其中每個電池串由20個光伏電池模塊串聯組成，而每個光伏電池模塊由60個光伏電池單元串聯組成，其中，光伏電池模塊參數見表1。

表1 光伏電池模塊參數Tab.1 Parameters of photovoltaic cell module

圖2 光伏電池板結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic cell panels

每個光伏電池模塊容量為250W，一個光伏電池板共包含2000個電池模塊，總容量為0.5MW，光伏電池板在標準條件下的電壓-功率特性曲線見圖3。

圖3 光伏電池板標準條件下的電壓-功率特性曲線Fig.3 Voltage-power characteristic curve of photovoltaic system under standard conditions

1.2 光伏逆變器和濾波器

光伏逆變器采用經典三相橋結構，每個橋臂采用IGBT反并聯二極管；濾波器采用三相LC型濾波器，并聯在逆變器出口處，其具體參數見表2。

表2 光伏逆變器和濾波器參數Tab.2 Parameters of photovoltaic inverter and filter

1.3 低電壓過渡控制策略

根據GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統技術規(guī)定》，對于35 kV及以上電壓等級并網的光伏電站以及通過10 kV電壓等級與公共電網連接的新建、改建和擴建光伏電站，電網發(fā)生故障，并網點電壓跌落時，須不脫網持續(xù)運行，并提供一定動態(tài)無功支撐，以幫助電網電壓恢復，低電壓過渡能力要求見圖4[21]。

圖4 光伏電站低電壓過渡能力要求Fig.4 Requirements for low voltage ride through capability of photovoltaic power station

GB/T 32826—2016《光伏發(fā)電系統建模導則》對光伏系統在低電壓過渡期間的動態(tài)無功支撐能力做出了要求，當并網點電壓跌落0.2～0.9（p.u.）時，無功電流大小與電壓跌落深度成比例，即電壓跌落越大，無功電流越大[22]。目前典型的光伏系統低電壓過渡控制策略，是在優(yōu)先保證無功功率輸出的條件下，根據逆變器容量兼顧有功電流分量，即在逆變器輸出電流不過載（1.1倍額定電流）的情況下，盡可能輸出無功功率，以支撐電網電壓。無功和有功電流指令值見式（1）和式（2）。

式中：Iq_lvrt和Id_lvrt分別為低電壓過渡期間無功和有功電流指令值；KQLV為無功電流支撐系數；Ut為并網點電壓幅值標幺值；ULV為低電壓過渡閾值，取0.9（p.u.）；P0為故障前輸出的有功功率；Imax為電流限制值。

在低電壓故障發(fā)生的瞬間，由于并網點電壓Ut降低而有功電流Id還未來得及變化，導致此時輸出的有功功率下降。多余的有功功率對直流母線電容充電，致使直流母線電壓上升，此時閉鎖最大功率跟蹤算法，根據低電壓過渡期間無功和有功電流指令值控制逆變器，調節(jié)輸出功率，使功率達到平衡，進而直流側電壓達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即低電壓過渡穩(wěn)態(tài)。之后，故障消失，并網點電壓快速恢復，光伏系統退出低電壓過渡控制策略，按照正常狀態(tài)下有功和無功功率控制策略控制逆變器運行。

2 光伏系統三相短路電流等值計算模型

當電網發(fā)生短路故障，導致光伏系統并網點電壓降低至0.9（p.u.）以下時，光伏系統進入低電壓過渡階段，此時逆變器輸出的無功和有功電流按照式（1）和式（2）計算。與此同時，光伏系統采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙環(huán)控制結構，且內環(huán)控制的時間常數很小，而無功和有功電流指令直接作用于內環(huán)，因此可以認為穩(wěn)態(tài)期間短路電流無功和有功分量與其對應的控制指令值相同，故穩(wěn)態(tài)短路電流Isc可表示為：

將式（1）和式（2）代入式（3），可得：

由式（4）可知，三相短路故障期間，光伏系統可等效為一個三相電流源，其有效值與故障前的P0、Ut、KQLV和Imax有關，具體數值可基于實驗數據進行參數辨識和估計，以滿足計算精度要求。

3 模型驗證

對某光伏電站系統進行三相短路電流測試，以驗證短路電流等值計算模型的正確性和有效性。短路測試接線示意圖見圖5，在升壓變壓器高壓側和集電線路之間串接測試設備，測試設備由開關1、阻抗1、開關2和阻抗2構成，通過阻抗1與阻抗2的不同組合，實現不同深度的電壓跌落，利用電壓和電流傳感器將逆變器出口處和升壓變壓器高壓側的三相電壓和電流信號傳送到錄波儀。

圖5 光伏系統三相短路測試接線示意圖Fig.5 Schematic diagram of three-phase short circuit test of photovoltaic system

考慮功率大小和電壓跌落深度等情況，不同工況下短路電流測試結果見表3。以逆變器額定電流為基準電流，即Ib=916.4 A；以逆變器容量為基準容量，即Sb=0.5MW；工況為小功率0.22（p.u.），電壓跌落0時的典型短路電流波形見圖6?？芍?，故障時刻三相電流迅速增大，且畸變較嚴重；隨后逐漸進入穩(wěn)態(tài)短路期間，幅值約為1.45 kA。

表3 不同工況下光伏系統短路電流測試結果Tab.3 Test results of short circuit current of photovoltaic system under different working conditions

圖6 典型短路電流波形Fig.6 Typical short?circuit current waveform

根據表3，基于最小二乘法對式（4）中的參數KQLV進行辨識，設定誤差不超過5%，辨識結果為KQLV=1.42，三相短路電流計算值與實測值的最大相對誤差為3.7%，發(fā)生在小功率、電壓跌落為60%的工況。Imax通?？捎稍O備手冊查到，光伏系統中Imax=1.1（p.u.）。因此，根據式（4）計算，在不同有功功率和電壓跌落深度條件下，三相穩(wěn)態(tài)短路電流有效值見圖7。

圖7 三相穩(wěn)態(tài)短路電流有效值Fig.7 Effective value of three?phase steady?state short?circuit current

由圖7可知，光伏系統三相穩(wěn)態(tài)短路電流有效值與故障前有功功率和故障時的電壓跌落深度有關，有功功率越小，電壓跌落深度越小，則短路電流有效值也越小。當故障前有功功率為滿發(fā)時，電壓跌落深度在0～0.9（p.u.），短路電流有效值達到最大值恒為1.12（p.u.）。與此同時，光伏系統短路電流測試值與計算值誤差對比見表4，可知短路電流等值模型計算的三相短路電流結果與試驗結果一致，驗證了模型的準確性和有效性。

表4 光伏系統短路電流測試值與計算值誤差對比Tab.4 Error comparison between test value and calculated value of short?circuit current of photovoltaic system

4 結論

本文基于光伏系統低電壓過渡控制策略，研究了光伏系統三相穩(wěn)態(tài)短路電流特性，提出了光伏系統三相短路電流計算模型，并進行了試驗驗證，得出以下結論。

（1）光伏系統在三相短路故障期間可等效為一個三相電流源，其穩(wěn)態(tài)短路電流有效值與故障前的有功功率和故障時的電壓跌落深度有關，具體定量關系取決于光伏系統低電壓過渡控制策略。

（2）文中提出的光伏系統短路電流模型與實際穩(wěn)態(tài)系統短路特性一致，驗證了模型的正確性和有效性。模型具有實用、簡單的特點，可推廣應用于大電網短路電流計算。