分布式光伏暂态特性测试方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种分布式光伏暂态特性测试方法。

背景技术：

近年来，随着国家倡导清洁能源的开发利用，光伏电源作为一种新兴的可再生清洁能源，在电网中所占的比重越来越高，根据国家能源局的统计，截止到2017年底，我国太阳能发电并网量达到130.25GW，同比增长了68.7％。尤其在配电网中，光伏电源以分布形式大量接入电网，由此所引起的对电力系统继电保护的影响受到广泛关注。

电网继电保护的定值计算是基于故障发生时系统流过保护的短路电流。光伏电源接入配电网的并网点通常都靠近负荷的区域，即线路末端，这改变了原来系统配电网的输电形式及拓扑结构，使电网由原来的单端电源供电，变为多端电源供电。因此，光伏电源的接入给原来基于电网单端电源的继电保护整定原则及方法带来了适应性的问题。

同时，与传统的同步发电机电源不同，光伏发电作为一种逆变型电源通过逆变器实现电源功率的并网输出。当电网发生故障时，由于逆变器的惯性系数很小，其暂态特性与其控制器的控制模式及参数有关，其向电网提供短路电流的能力也受限于电力电子开关管自身的通流能力。因此，电网故障时，由光伏电源提供的短路电流计算无法按照适用于同步电源的常规算法求解。这就需要寻找更加有效的方法对光伏电源的短路电流进行计算，同时需要通过测试平台对不同光伏电源的暂态特性进行测试。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种分布式光伏暂态特性测试方法，该方法基于RTDS混合仿真，相对传统的单纯靠数字仿真的方法，能够更加精确地得到光伏电源的暂态故障特性，可有效应用于含有分布式光伏电源配电网的继电保护整定计算中。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种分布式光伏暂态特性测试方法，包括以下步骤：S1：基于电力系统仿真系统构建光伏电源的数字仿真模型；S2：将所述数字仿真模型与光伏控制器进行连接，构成数字物理混合仿真模型，并根据所述数字物理混合仿真模型对所述光伏电源进行故障仿真；S3：将故障仿真结果输入光伏暂态电流方程组，得到所述光伏电源对应的光伏暂态全电流表达式，以表征所述光伏电源的光伏暂态特性。

另外，根据本发明上述实施例的分布式光伏暂态特性测试方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述S1，进一步包括：所述S1，进一步包括：S11：在所述电力系统仿真系统的人机界面中新建一个工程；S12：在所述工程中加入层次结构组件和电力电子设备专用子模型；S13：在所述层次结构组件中搭建光伏阵列；S14：在所述电力电子设备专用子模型中搭建变流器模型；S15：构建界面变压器，其中，所述界面变压器与变流器模型通过第一断路器连接，所述界面变压器通过第二断路器与电网连接，以建立分布式光伏并网发电模型；S16：构建所述分布式光伏并网发电模型的输入输出量。

在一些示例中，所述变流器模型包括：卸荷电路、预充电回路、直流母线、6脉动换相桥和滤波器。

在一些示例中，所述分布式光伏并网发电模型的输出量包括模拟输出量和开关输出量；各模拟输出量通过自身GTIO板均输出至功率放大单元，经功率放大单元输出的各模拟输出量作为被测试光伏并网控制器的模拟量输入，各开关输出量通过自身的GTIO板输出，作为单极式光伏并网控制器的数字量输入；所述模拟输出量包括：变流器出口三相电压、变流器出口三相电流、直流母线电流、直流母线电压；所述开关输出量包括第二断路器的状态信号、第一断路器的状态信号；所述分布式光伏并网发电模型的输入量包括数字输入量，所述数字输入量包括变流器网侧6个桥臂的触发脉冲、卸荷电路的触发脉冲、第二断路器的控制命令、第一断路器的控制命令、预充电回路的触发脉冲。

在一些示例中，所述S2，进一步包括：S21：将所述分布式光伏并网发电模型与被测试光伏并网控制器连接；S22：所述被测试光伏并网控制器获得所述分布式光伏并网发电模型的故障采样电流，形成矩阵

在一些示例中，所述S21，进一步包括：所述变流器出口三相电压、变流器出口三相电流与被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块连接；所述直流母线电流与被测试光伏并网控制器的变换器控制功能模块连接，所述直流母线电压与被测试光伏并网控制器的MPPT模块连接；第二断路器的状态信号和第一断路器的状态信号分别与被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块连接；被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块发射第二断路器的控制命令给所述第二断路器；被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块发射第一断路器的控制命令给所述第一断路器；被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块发射预充电回路的触发脉冲给所述预充电回路；被测试光伏并网控制器的变流器保护模块发射卸荷电路的触发脉冲给所述卸荷电路；被测试光伏并网控制器的变流器控制功能模块发射变流器网侧6个桥臂的触发脉冲给所述变流器网侧6个桥臂。

在一些示例中，所述S3，进一步包括：S31：构造所述光伏暂态电流方程组；S32：对所述光伏暂态电流方程组进行转换，得到待求变量，并计算所述待求变量的值；S33：将计算得到的所述待求变量的值代入所述光伏暂态电流方程组，得到光伏暂态全电流表达式。

在一些示例中，所述光伏暂态电流方程组为：

ifg＝ig+Δig (1)；

其中，ig为故障前的正常运行电流，为电流的初相角，Rg为光伏并网回路的等效电阻，Lg为光伏并网回路的等效电感；

ΔIfgmax为电网故障电压在光伏接入回路里产生的故障电流最大值，其计算公式为：

其中，为回路阻抗的标幺值。

在一些示例中，在所述S32中，对所述光伏暂态电流方程组进行转换的转换公式为：

[ΔIg]＝[A][X] (4)；

其中，矩阵[X]包含两个待求变量，分别为x1＝ΔIfgmax与[A]为对应的系数矩阵；

所述计算所述待求变量的值的计算公式为：

[X]＝[A]⁺[ΔIg] (5)；

[A]⁺＝{[A]^T·[A]}^-1·[A]^T (6)。

在一些示例中，所述光伏暂态全电流表达式为：

其中，ifg为所述光伏暂态全电流表达式。

根据本发明实施例的分布式光伏暂态特性测试方法，通过在电力系统仿真系统上搭建光伏电源的数字仿真模型，然后通过外部硬件接口与被测试的光伏控制器相连接，形成闭环测试回路，从而对不同类型的光伏电源进行暂态特性测试及分析。该方法主要以光伏电源的电路参数为基础，以光伏电源的数学模型为依据构建与实际光伏电源系统物理特性相一致的混合仿真测试系统，从而分析不同光伏电源的暂态特性，为光伏电源的短路计算及含光伏配电网的继电保护整定提供数据支撑。相对传统的单纯靠数字仿真的方法，该方法能够更加精确地得到光伏电源的暂态故障特性，可有效应用于含有分布式光伏电源配电网的继电保护整定计算中。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的分布式光伏暂态特性测试方法的流程图；

图2是根据本发明一个具体实施例的光伏阵列的仿真模型示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的逆变器的仿真模型示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的分布式光伏并网发电模型示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的分布式光伏并网发电模型与被测试光伏并网控制器的逻辑连接示意图；

图6是根据本发明一个具体实施例的分布式光伏并网发电模型与被测试光伏并网控制器的电气量连接示意图；

图7是根据本发明一个具体实施例的光伏电源的主要电气量暂态示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的分布式光伏暂态特性测试方法。

图1是根据本发明一个实施例的分布式光伏暂态特性测试方法的流程图。如图1所示，该分布式光伏暂态特性测试方法，包括以下步骤：

步骤S1：基于电力系统仿真系统(Real Time Digital Simulator，RTDS)构建光伏电源的数字仿真模型。具体的说，即利用电力系统仿真系统RTDS，构建光伏电源一次系统的软件模型，并设置好光伏电源的控制硬件接口。

在本发明的一个实施例中，步骤S1进一步包括：

步骤S11：在电力系统仿真系统(RTDS)的人机界面(Draft)中新建一个工程(circuit)。

步骤S12：在工程(circuit)中加入层次结构组件(HIERARCHY COMPONENT)和电力电子设备专用子模型(vsc_BRIDGE_BOX)。

步骤S13：在层次结构组件(HIERARCHY COMPONENT)中搭建光伏阵列。

光伏阵列的具体结构如图2所示，其包括PVv2.def元件和BUSCONN1元件；PVv2.def元件具有两个外部输入和两个输出。两个外部输入为确定值，分别为INSOLATION和TEMPERATURE，分别用两个Slider元件直接给定其输入值，其中INSOLATION的初始值设置为1000，最大值设置为2000，最小值设置为0，单位设置为W/M2；TEMPERATURE的初始值设置为25，最大值设置为80，最小值设置为-40，单位设置为Degree。

两个输出分别经WIRE连线与母线标识元件(BUSCONN1)连接；分别为P和N，将这两个信号用“WIRE”连接线接入BUSCONN1元件中，其参数“Name”、“numc”、“grafc”分别设置为“CBUS1”、“2”、“NONE”。

步骤S14：在电力电子设备专用子模型vsc_BRIDGE_BOX中搭建变流器模型；

其中，变流器模型通过vsc_IFCTLI1元件与光伏阵列模型数据连接，其元件内部参数“Name”、“prc12”、“Lnm1”、“numc”、“dtyp”、“Lgrd”、“Rgrd”、“Laer”、“Raer”分别设置为“PVC1”、“1”、“CBUS1”、“2”、“Local”、“0.0011”、“0.0”、“0.001”、“0.0”。

具体地，结合图3所示，变流器模型包括：卸荷电路、预充电回路、直流母线、6脉动换相桥和滤波器。

其中，卸荷电路包括串联连接的vsc_VALVE1元件和vsc_RES1元件，vsc_VALVE1元件的参数“vtype”，“vswit”，“iswit”,“dswit”,“bfreq”,“prllr”分别设置为“2”，“0.5”，“0.7”，“50.0”，“1.0”。sc_RES1的参数“R”设置为“0.4”。

预充电回路包括嵌入式电压源元件(vsc_BRC3)和继电器元件(vsc_VALVE1)，且预充电回路与卸荷电路并联设置。嵌入式电压源元件(vsc_BRC3)的参数“bty”，“nmbr”，“R”，“L”分别设置为“RL”，“1”，“0.1”，“0.001”。继电器元件(vsc_VALVE1)的参数“vtype”，“vswit”，“iswit”,“dswit”,“bfreq”,“prllr”,“holdi”，分别设置为“BREAKER”，“2”，“0.5”，“0.7”，“50.0”，“1.0”，“100”。

直流母线包括嵌入式分支元件(vsc_BRC3)，与卸荷电路并联。嵌入式分支元件(vsc_BRC3)的参数“bty”，“nmbr”，“CMF”分别设置为“C”，“1”，“25000”，其中CMF为母线电容器的电容量值，预设为25000MicroF，其值可以根据实际的不同工程进行修改。

6脉动换相桥包括三相六脉动换相桥元件(vsc_PH3LEV2)，该元件由6个绝缘栅双极晶体管元件组成。vsc_PH3LEV2的参数“nmlg1”，“valvn”，“sepr”，“vswit”，“iswit”,“dswit”,“bfreq”,“prllr”,分别设置为“3”，“VSC”，“3”，“2”，“4”，“0.7”,“50”,“1.0”。

滤波器包括嵌入式支路元件(vsc_BRC3)，在6脉动换相桥的每相输出端都与一个vsc_BRC3元件串联连接，当前vsc_BRC3元件的参数“bty”，“vsrc”，“nmbr”，“R”，“L”分别设置为“RL”，“No”，“3”，“0.001”，“280e-6”；串联连接后一方面经另一个vsc_BRC3元件接地，该vsc_BRC3元件的参数“bty”，“vsrc”，“nmbr”，“R”，“C”分别设置为“RC”，“No”，“3”，“0.01”，“200”。

步骤S15：构建界面变压器，其中，界面变压器与变流器模型通过第一断路器BRK2连接，界面变压器通过第二断路器BRK1与电网连接，以建立分布式光伏并网发电模型。例如图4所示，界面变压器包括3个单相变压器界面元件(vsc_IFCTRF1)，参数“vtpri”，“vtsec”，“TMVA”，“freqb”，“trpos”，“txpos”分别设置为“35”，“0.2194”，“0.83333”，“50.0”，“0.02743”，“0.06”。

步骤S16：构建分布式光伏并网发电模型的输入输出量。

其中，分布式光伏并网发电模型的输出量包括模拟输出量和开关输出量。

各模拟输出量通过自身GTIO板均输出至功率放大单元，经功率放大单元输出的各模拟输出量作为被测试光伏并网控制器的模拟量输入，各开关输出量通过自身的GTIO板输出，作为单极式光伏并网控制器的数字量输入。

模拟输出量包括：变流器出口三相电压VSA/B/C(RTDS输出变比为0.69kV/5V)、变流器出口三相电流CRTA/B/C(RTDS输出变比为2.5kA/5V)、直流母线电流IPV(RTDS输出变比为2kV/5V)、直流母线电压PVCAP(RTDS输出变比为3kV/5V)。

开关输出量包括第二断路器BRK1的状态信号B1ST、第一断路器BRK2的状态信号B2ST。各开关输出量通过自身的GTIO板输出，作为单极式光伏并网控制器的数字量输入。

分布式光伏并网发电模型的输入量包括数字输入量。该数字输入量包括变流器网侧6个桥臂的触发脉冲W1-6、卸荷电路VLV3的触发脉冲CHOPCNTL、第二断路器BRK1的控制命令B1CNTL、第一断路器BRK2的控制命令B2CNTL和预充电回路VLV5的触发脉冲V5CNTL。

步骤S2：将数字仿真模型与光伏控制器进行连接，构成数字物理混合仿真模型，并根据数字物理混合仿真模型对光伏电源进行故障仿真。具体的，可通过预设的硬件接口将数字仿真模型与光伏控制器进行物理连接，并进行故障仿真。

在本发明的一个实施例中，步骤S2进一步包括：

步骤S21：将分布式光伏并网发电模型与被测试光伏并网控制器连接。

具体的，结合图5和图6所示，变流器出口三相电压VSA/B/C、变流器出口三相电流CRTA/B/C与被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块连接。

直流母线电流IPV与被测试光伏并网控制器的变换器控制功能模块连接，直流母线电压PVCAP与被测试光伏并网控制器的MPPT模块连接。

第二断路器BRK1的状态信号B1ST和第一断路器BRK2的状态信号B2ST分别与被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块连接。

被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块发射第二断路器BRK1的控制命令B1CNTL给第二断路器BRK1；被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块发射第一断路器BRK2的控制命令B2CNTL给第一断路器BRK2。

被测试光伏并网控制器的并网控制功能模块预充电回路VLV5的触发脉冲V5CNTL给分布式光伏并网仿真模型的预充电回路VLV5。

被测试光伏并网控制器的变流器保护模块发射卸荷电路VLV3的触发脉冲CHOPCNTL给分布式光伏并网仿真模型的卸荷电路VLV3。

被测试光伏并网控制器的变流器控制功能模块发射变流器网侧6个桥臂的触发脉冲W1-6给分布式光伏并网仿真模型的变流器网侧6个桥臂。

将分布式光伏并网发电模型(即数字仿真模型)中的电气及开关量通过RTDS硬件回路引出，其参数名称及通道变比设置分别如下：将模型中的模拟量逆变器出口三相电压VSA/B/C(RTDS输出变比为0.69kV/5V)、逆变器出口三相电流CRTA/B/C(RTDS输出变比为2.5kA/5V)、光伏直流母线电流IPV(RTDS输出变比为2kV/5V)以及光伏直流母线电压PVCAP(RTDS输出变比为3kV/5V)，首先通过自身GTIO板输出至功率放大单元(型号为PAV-120B，其中电压通道放大倍数为1V/20V，电流通道放大倍数为1V/4A)，经由功率放大单元输出的各模拟量用于被测试光伏控制器的模拟量输入；RTDS输出开关量为断路器BRK1、BRK2的状态信号B1ST、B2ST，直接由RTDS通过自身GTIO电路板输出，作为单极式光伏控制器的数字输入，电平范围为±5V；RTDS光伏模型预留数字量输入量分别为，变流器网侧6个桥臂的触发脉冲W1-6、卸荷电路VLV3的触发脉冲CHOPCNTL、断路器BRK1控制命令B1CNTL、断路器BRK2控制命令B2CNTL、预充电回路VLV5触发脉冲V5CNTL，以上各量电平范围均为±5V。

步骤S22：被测试光伏并网控制器获得分布式光伏并网发电模型的故障采样电流，形成矩阵进一步地，能同时获得分布式光伏并网仿真模型(即分布式光伏并网发电模型)的主要电气量，例如图7所示。图7展示了图3所示的系统，当输电线路LINE1中点发生三相短路故障时，光伏电源的主要电气量暂态波形图。

步骤S3：将故障仿真结果输入光伏暂态电流方程组，得到光伏电源对应的光伏暂态全电流表达式，以表征光伏电源的光伏暂态特性。具体的说，即将步骤S2中的仿真结果代入光伏暂态电流方程组，通过矩阵求解出方程组中的系数，从而得到该光伏电源的暂态全电流表达式，通过暂态全电流表达式表征光伏电源的光伏暂态特性。

在本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括：

步骤S31：构造光伏暂态电流方程组。

具体的，光伏暂态电流方程组为：

ifg＝ig+Δig (1)；

其中，ig为故障前的正常运行电流，为电流的初相角，Rg为光伏并网回路的等效电阻，Lg为光伏并网回路的等效电感；

ΔIfgmax为电网故障电压在光伏接入回路里产生的故障电流最大值，其计算公式为：

其中，为回路阻抗的标幺值。

由于Rg、Lg是在实际工程中无法准确获取，通过暂态电流的幅值采样，解方程求得，所以为了进行求解，进行步骤S32。

步骤S32：对步骤S31中的光伏暂态电流方程组进行转换，得到待求变量，并计算待求变量的值。具体的，对步骤S31中的公式2进行转换，获得待求变量。

在步骤S32中，对光伏暂态电流方程组中的公式2进行转换的转换公式为：

[ΔIg]＝[A][X] (4)；

其中，矩阵[X]包含两个待求变量，分别为x1＝ΔIfgmax与[A]为对应的系数矩阵；

进一步地，计算待求变量的值的计算公式为：

[X]＝[A]⁺[ΔIg] (5)；

[A]⁺＝{[A]^T·[A]}^-1·[A]^T (6)。

S33：将计算得到的待求变量的值代入光伏暂态电流方程组，得到光伏暂态全电流表达式。具体的，将计算得到的待求变量代入光伏暂态电流方程组中的公式1，从而得到光伏暂态电流的估算解析表达式，也即得到光伏暂态全电流表达式，以表征光伏电源的光伏暂态特性。

具体的，光伏暂态全电流表达式为：

其中，ifg为光伏暂态全电流表达式。

综上，本发明的分布式光伏暂态特性测试方法，基于电力系统仿真系统RTDS，通过对实际的光伏电源搭建数字模型，并预设硬件接口，与实际的光伏控制器构建数字物理混合仿真系统，以测试不同光伏电源的暂态特征；通过仿真实验结果及光伏暂态电流通用表达式，最终求解光伏暂态电流的解析方程，可有效应用于含有分布式光伏配电网的继电保护整定计算。

根据本发明实施例的分布式光伏暂态特性测试方法，通过在电力系统仿真系统上搭建光伏电源的数字仿真模型，然后通过外部硬件接口与被测试的光伏控制器相连接，形成闭环测试回路，从而对不同类型的光伏电源进行暂态特性测试及分析。该方法主要以光伏电源的电路参数为基础，以光伏电源的数学模型为依据构建与实际光伏电源系统物理特性相一致的混合仿真测试系统，从而分析不同光伏电源的暂态特性，为光伏电源的短路计算及含光伏配电网的继电保护整定提供数据支撑。相对传统的单纯靠数字仿真的方法，该方法能够更加精确地得到光伏电源的暂态故障特性，可有效应用于含有分布式光伏电源配电网的继电保护整定计算中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。