本发明涉及新能源电力系统分析技术领域，尤其涉及一种锁相环动态的重合闸过程的分布式光伏输出电流分析方法。
背景技术：
随着分布式光伏发电技术的发展，其装机容量不断增加，应格外重视其对电网的影响。光伏的大量并网改变了原有配网的供电模式，原有配电网的保护与控制装置将受到一定的影响。在这些影响中，目前的技术研究主要集中在故障后光伏输出特性及对线路保护的影响，鲜有涉及故障切除和线路重合闸动作后光伏输出特性与重合闸的配合问题。由于传统自动装置的正确动作基于电压与相角的检测，因此研究如何处理分布式光伏电源自身特性与现有基于电压与相角检测的自动装置动作的相互配合问题成为了亟需解决的问题之一。
光伏并网逆变器的有效控制基于电网电压定向控制策略，将三相abc静止坐标转换为两相dq旋转坐标，需要输入电网电压的相位信号。而相位信号的获得，依赖的正是锁相环(pll,phaselockedloop)技术。因此，pll获取电网电压相位角的正确计算是逆变器控制的关键技术。根据经典参数，pll动态相比于电流内环为慢动态。在重合过程中，由于电压相位等发生突变，pll会存在暂时的非正确锁相，从而失去对输出电流的有效控制。在这种情况下，光伏电源的输出电流特性将发生变化，从而影响重合闸等设备的正确动作与否。因此，有必要深入研究基于锁相环特性的重合闸动作后分布式光伏电流输出特性，以及探讨这种情况将会对重合闸与保护配合的适应性带来怎样的影响。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种锁相环动态的重合闸过程的分布式光伏输出电流分析方法，考虑了在分布式光伏电源在重合过程中，其输出电流特性受到锁相环动作特性的影响，整个分析方法操作简单，实用性强。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种锁相环动态的重合闸过程的分布式光伏输出电流分析方法，包括：
基于锁相环的工作原理，结合现有含分布式光伏电源接入配电网故障切除后对于系统电压及频率的支持能力，分析并获得不同场景下锁相环的在重合闸动作后的动态过程及锁相能力；
结合上一步骤的结果，分析在不同程度暂时非正确锁相条件下，锁相环输出同步信号与并网点实际相位误差δθ对分布式光伏电源输出功率ppv的影响，并计算相应的分布式光伏电源输出功率ppv；
根据直流侧分布式光伏电源的输出特性，并结合分布式光伏电源输出功率ppv求取分布式光伏电源的输出电压为功率的函数edc及其变化情况；并结合光伏逆变器的限流要求，计算光伏系统双环控制策略中的电压外环输出值，进而计算内环电流输出值；
根据内环电流输出值，并结合实际相位误差δθ计算重合闸动作后分布式光伏电源的有功电流。
所述分析并获得不同场景下锁相环的在重合闸动作后的动态过程及锁相能力包括：
对于含分布式光伏电源接入并网联络线放生三相接地故障，锁相环需要动态响应时间，其输出的同步信号θ′与实际相位θ之间存在误差δθ；根据相位矢量图，分析并获得不同场景下锁相环的在重合闸动作后的动态过程及锁相能力：
当分布式光伏电源容量与本地负荷匹配条件下，故障切除后暂时脱网条件下的光伏输出频率和电压幅值保持不变；当重合时δθ<90°，通过q轴分量ugq的正负判断当前电压矢量相位与控制信号d轴的相位关系，并送入调节器计算改变旋转坐标系的转速，使得与d轴夹角减小，直至ugq＝0完成锁相；当重合时δθ>90°，该条件下δθ增大时ugq反而减小，此时不利于重合后锁相环的正确锁相；
当分布式光伏电源容量的有功与本地负荷不完全匹配，电压发生偏移；当重合前电压跌落程度高于一定数值，重合瞬间ugq幅值会小于一定数值，从而导致调节量小于设定值，不利于正确锁相；
当分布式光伏电源容量的无功与本地负荷不完全匹配，频率f发生偏移；当重合前f<50hz且ugq>0时，即便调节器控制旋转坐标系加快，其转速仍低于并网电压相位，δθ仍进一步扩大；当重合前f>50hz且ugq>0时，由于调节器控制f进一步加速，锁相环需在d轴超过并网点电压的相位后再进行减速调节，不利于正确锁相。
所述分析在不同程度暂时非正确锁相条件下，锁相环输出同步信号与并网点实际相位误差δθ对分布式光伏电源输出功率ppv的影响，并计算相应的分布式光伏电源输出功率ppv包括：
由于相位突变，输出电流同步信号i′gd等于相应的参考值i*gd，但并不等同于有功电流igd；当存在δθ时，得到分布式光伏电源输出的有功、无功电流分别为：
根据上式，计算出在重合过程中δθ不同时的实际有功电流输出值；δθ∈(0°～90°)时，实际输出的有功电流小于额定值；当δθ∈(90°～180°)时输出有功电流为负值；并在此基础上，计算出重合时分布式光伏电源实际输出有功功率为：
且δθ越大，偏离最大功率点程度越深，输出功率越小；无法稳定在最大功率ppv.max点附近，从而使得电流内环参考值发生波动。
根据直流侧分布式光伏电源的输出特性，并结合分布式光伏电源输出功率ppv求取光伏偏离最大功率点输出时直流母线电压edc的变化情况；并结合光伏逆变器的限流要求，计算光伏系统双环控制策略中的电压外环输出值，进而计算内环电流输出值包括：
根据直流侧分布式光伏电源的输出特性，计算相应的分布式光伏电源输出功率ppv’，交流测分布式光伏电源输出功率即为ppv；
将ppv’＝ppv，则得分布式光伏电源的输出电压为功率的函数；由于相位突变使得ppv下降，从而导致ipv下降，则电压外环电压控制输入电压发生偏移，即edc上升；
当edc上升，结合光伏逆变器的限流要求，在此基础上得到电压外环输出值：
其中，hcl(s)为电流内环闭环传递函数；
从而计算内环d轴电流输出值：
其中，
所述根据内环电流输出值，并结合实际相位误差δθ计算重合闸动作后分布式光伏电源的有功电流的计算公式为：
igd'＝i′gd'cosδθ；
其中，ig′d'为内环d轴电流输出值。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案适用于含分布式光伏配网新场景下的重合闸适应性新析；仅通过合闸时的相角差就可以得到该暂态条件下的光伏电源输出电流特性，不受其他运行条件和线路特征数据的限制，方法操作简单，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种锁相环动态的重合闸过程的分布式光伏输出电流分析方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的pll原理图；
图3为本发明实施例提供的pll简化模型原理图；
图4为本发明实施例提供的相位突变δθ∈(-90°～90°)条件下pll动态过程电压相位矢量图；
图5为本发明实施例提供的相位突变δθ∈(90°～270°)条件下pll动态过程电压相位矢量图；
图6为本发明实施例提供的δθ∈(0°～90°)时，分布式光伏电源输出电流相位矢量图；
图7为本发明实施例提供的δθ∈(90°～180°)时，分布式光伏电源输出电流相位矢量图；
图8为本发明实施例提供的三相光伏并网主电路拓扑等效图；
图9为本发明实施例提供的光伏系统直流侧等效示意图；
图10为本发明实施例提供的简化的电流内环控制等效示意图；
图11为本发明实施例提供的含分布式光伏电源接入配电网结构示意图；
图12为本发明实施例提供的pll输出输出信号相位θ′与并网点电压实际相位θ比较仿真图；
图13为本发明实施例提供的pll锁相误差仿真图；
图14为本发明实施例提供的分布式光伏电源输出有功功率波形仿真图；
图15为本发明实施例提供的分布式光伏电源直流侧电容电压波形仿真图；
图16为本发明实施例提供的电流内环d轴参考值与输出跟踪信号；
图17为本发明实施例提供的分布式光伏电源输出电流波形仿真图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种锁相环动态的重合闸过程的分布式光伏输出电流分析方法。如图1所示，其主要包括如下步骤：
步骤1、基于锁相环的工作原理，结合现有含分布式光伏电源接入配电网故障切除后对于系统电压及频率的支持能力，分析并获得不同场景下锁相环的在重合闸动作后的动态过程及锁相能力。
本步骤主要实现过程如下：对于含分布式光伏电源接入并网联络线放生三相接地故障，锁相环需要动态响应时间，其输出的同步信号θ′与实际相位θ之间存在误差δθ；根据相位矢量图，分析并获得不同场景下锁相环的在重合闸动作后的动态过程及锁相能力：
当分布式光伏电源容量与本地负荷匹配条件下，故障切除后暂时脱网条件下的光伏输出频率和电压幅值保持不变；当重合时δθ<90°，通过q轴分量ugq的正负判断当前电压矢量相位与控制信号d轴的相位关系，并送入调节器计算改变旋转坐标系的转速，使得与d轴夹角减小，直至ugq＝0完成锁相；当重合时δθ>90°，该条件下δθ增大时ugq反而减小，此时不利于重合后锁相环的正确锁相；
当分布式光伏电源容量的有功与本地负荷不完全匹配，电压发生偏移；当重合前电压跌落程度高于一定数值，重合瞬间ugq幅值会小于一定数值，从而导致调节量小于设定值，不利于正确锁相；
当分布式光伏电源容量的无功与本地负荷不完全匹配，频率f发生偏移；当重合前f<50hz且ugq>0时，即便调节器控制旋转坐标系加快，其转速仍低于并网电压相位，δθ仍进一步扩大；当重合前f>50hz且ugq>0时，由于调节器控制f进一步加速，锁相环需在d轴超过并网点电压的相位后再进行减速调节，不利于正确锁相。
步骤2、结合上一步骤的结果，分析在不同程度暂时非正确锁相条件下，锁相环输出同步信号与并网点实际相位误差δθ对分布式光伏电源输出功率ppv的影响，并计算相应的分布式光伏电源输出功率ppv。
本步骤主要实现过程如下：由于相位突变，输出电流同步信号i′gd等于相应的参考值i*gd，但并不等同于有功电流igd；当存在δθ时，得到分布式光伏电源输出的有功、无功电流分别为：
根据上式，计算出在重合过程中δθ不同时的实际有功电流输出值；δθ∈(0°～90°)时，实际输出的有功电流小于额定值；当δθ∈(90°～180°)时输出有功电流为负值；并在此基础上，计算出重合时分布式光伏电源实际输出有功功率为：
且δθ越大，偏离最大功率点程度越深，输出功率越小；无法稳定在最大功率ppv.max点附近，从而使得电流内环参考值发生波动。
步骤3、根据直流侧分布式光伏电源的输出特性，并结合分布式光伏电源输出功率ppv求取分布式光伏电源的输出电压为功率的函数edc及其变化情况；并结合光伏逆变器的限流要求，计算光伏系统双环控制策略中的电压外环输出值，进而计算内环电流输出值。
本步骤主要实现过程如下：根据直流侧分布式光伏电源的输出特性，计算相应的分布式光伏电源输出功率ppv’，交流测分布式光伏电源输出功率即为ppv；
将ppv’＝ppv，则得分布式光伏电源的输出电压为功率的函数；由于相位突变使得ppv下降，从而导致分布式光伏电源输出直流电流ipv下降，则电压外环电压控制输入电压发生偏移，即edc上升；
当edc上升，结合光伏逆变器的限流要求，在此基础上得到电压外环输出值：
其中，hcl(s)为电流内环闭环传递函数；
从而计算内环d轴电流输出值：
其中，
步骤4、根据内环电流输出值，并结合实际相位误差δθ计算重合闸动作后分布式光伏电源的有功电流。
计算公式如下：
igd'＝i′gd'cosδθ；
其中，ig′d'为内环d轴电流输出值。
为了便于理解，下面结合附图对本发明上述方案做详细说明。
本发明实施例上述方案的分析对象为采用pq控制策略的光伏系统，在联络线保护三相跳开切除故障后重合时的输出电流特性；并且分布式光伏电源基于电网电压定向控制，要求输入的电网电压相位信号由pll计算获得。实用的pll方法主要包括有：基于单同步坐标系的锁相环(ssrf-spll)和在此基础上提出的基于二阶广域广义定义积分的锁相环(sogi-spll)，在不对称故障时将正负序分离。由于本发明实施例上述方案讨论对象为线路保护三相切除故障后重合的情况，采用经典的ssrf-spll。
如图2所示，为ssrf-spll的原理图。分布式光伏电源接入点端电压通过dq变换，将静止坐标系下三相电压转换为两相同步速旋转矢量。通过pll建立的dq轴同步旋转坐标系，其旋转速度近似于工况条件下电网频率所对应的额定转速，因此投影到该旋转坐标系下的电压分量转变为低频率矢量，由此获得相位信息。
工况条件下，分布式光伏电源接入点三相端电压可表示为：
其中，θ为a相电压实际相位，ug为并网点电压有效值。
经过派克变换之后，可以获得静止坐标系下端电压的d轴、q轴分量。经计算，d轴分量为：
其中，θ′为pll计算转换的d轴相位，即输出的同步信号。
同理可以计算q轴电压。经整理，dq轴电压分别表示为：
由此，可以将pll模型简化为如图3所示。小信号扰动条件下可以做线性化处理，当δθ接近零时，sinδθ≈δθ。由此，同样可以得到锁相环的开环传递函数：
由上式可知，pll的性能取决于pi参数和电压幅值。当pi参数设计的大，响应快；设计的小则可相应增加滤波效果。同时，端电压在这里起到增益的作用，截止频率随着增益下降而下降，动态响应速度相应下降。
当系统达到稳定时，θ′＝θ。锁相环输出同步信号完全等同于电网电压相位，则：
但是，当电网发生故障或其他大幅变化时，并网点电压、相位同时发生突变，“小信号模型”动态特性需再考虑。
下面通过电压矢量图讨论pll的动态过程。如图4所示：ugq的正负来可以用来反映电压相位的关系。当电压幅值保持不变时，ug以工频50hz、角速度ω旋转，d轴以ω′＝ω同步旋转。当某一时刻ug的相位从θ发生突变为θ′，而d轴来不及变化，仍保持为θ。此时，ug超前于ugd相位δθ。则有ugq大于零，应将旋转坐标系ω′调快加速，直到ugq＝0时完成锁相。在重合过程中，由于δθ较明显，同时考虑到δf、δu的影响不能将pll的控制过程线性化处理。
在故障过程中，分布式光伏电源和本地负荷形成暂时独立运行系统，分布式光伏电源的电压和电流的相角由此时的电网结构及光伏自身决定，实际电压相位信号随pll获得相位信号同时发生突变，不会造成锁相失败。但在重合过程中，并网点的电压相位立即与系统电压相位同步，而pll获取信号难以迅速跟随变化。因此，在重合过程中pll控制会出现暂时相角差，存在一个暂态过程。根据电网在重合的瞬间电网电压相位的突变程度，对pll的动态过程及影响进行讨论：
1、当光伏电源容量与本地负荷匹配条件下，故障切除后暂时脱网条件下的光伏输出频率和电压保持不变幅值。
(1)如图4所示，当相位突变量δθ∈(-90°～90°)，且电网电压幅值不变。
当重合时0°<δθ<90°，q轴分量ugq，得以判断当前电压矢量的相位超前于与控制信号d轴的相位，此时调节器计算使得旋转坐标系的转速加快，即dω′/dt>0使得ω′上升。d轴与并网点电压相位的夹角δθ减小，直至ugq＝0完成锁相。当重合时δθ>90°，该条件下δθ增大时ugq反而减小。此时相位误差很大，pi调节量却很小，不利于重合后pll的正确锁相。同理，当-90°<δθ<0°时，ugq<0。此时调节器计算使得旋转坐标系减速，直至ugq＝0完成锁相。
(2)如图5所示，当δθ∈(90°～120°)，且电网电压幅值不变。
ugq反而随着δθ的增大而减小，此时虽然跟踪相位误差很大，但通过pi调节器的调节量非常小，不利于重合后pll的正确锁相。最极端的情况是δθ突变为180°时，pi调节器的量ugq＝0。这样，系统达到稳定所需时间会更长，锁相速度会很慢。
除了相角差δθ本身的影响。由于光伏暂时脱网时的pq匹配情况，会使得电压幅值和频率发生偏移。
2、当光伏电源容量的有功ppv与本地负荷u2/rload不完全匹配，电压发生偏移。
当重合前电压跌落程度很深(即高于一定数值)，重合瞬间ugq幅值很小(即小于一定数值)，从而导致调节量很小(即小于设定值)，不利于正确锁相。当故障发生在系统和光伏之间，线路具有一定的等效阻抗。重合时并网点电压会存在一定波动，更不利于pll正确锁相。
3、当光伏无功与本地负荷不完全匹配，频率发生偏移。
当重合前f<50hz且ugq>0，即便调节器控制旋转坐标系加快，其转速仍低于并网电压相位，相位差δθ仍进一步扩大；当重合前f>50hz且ugq>0时，由于调节器控制f进一步加速，pll需在d轴迅速超过并网点电压的相位后再进行减速调节，不利于正确锁相。
由于锁相环自身动态性能的缺陷，网侧变换器在电网恢复的暂态过程中是不可控的。锁相环测得准确的同步信号需要一定的调节时间，且受输入电压、相位、频率突变的影响。当并网点电压暂态突变时，锁相环坐标系与实际坐标系存在的同步误差。
当pll没有立即检测出并网点电压的突变相位，此时pll输出的同步信号θ′与并网点实际相位θ存在暂态同步误差δθ。根据pll经典控制参数，开环截止频率为十几到二十赫兹。而电流内环控制的带宽为200到300赫兹，比pll调节要快的多，有功、无功电流的同步信号i′gd、i′gq可以快速跟踪上参考值i*gd、i*gq。但是，只有δθ＝0时，电流环才能实现对输出电流的有效控制。由于重合过程中δθ的存在，i′gd、i′gq并不能代替实际的有功、无功电流igd和igq。下面将详细讨论存在δθ时，光伏电源实际输出电流及功率情况。
1、当δθ∈(0°～90°)时
如图6所示，由于相位突变，输出电流同步信号i′gd＝i*gd，但并不等同于有功电流。如图6所示，由于存在δθ，实际的d轴输出电流为：
igd＝i′gdcosδθ
可以看出，实际输出的有功电流小于同步信号，即igd<i′gd。同时，虽然输出电流q轴同步信号为零，实际上也存在无功输出，其实际q轴电流为：
igq＝i′gdsinδθ
此时有功输出为：
而正常工况条件下，光伏电源处于最大功率点附近，其最大稳定输出功率为：
由于暂时的非正确锁相，光伏无法保持在最大功率点附近输出，即ppv<ppv。max。且δθ越大，偏离最大功率点程度越深，输出功率越小。
2、当δθ∈(90°～180°)
如图7所示，实际输出的有功电流表现为负值，即：
igd＝i′gdcosδθ<0
实际输出的无功电流为：
igq＝i′gdsinδθ
此时光伏有功输出为：
此时，输入电网的有功功率为负值，电流方向表现为从电网回流向光伏电源。而由于光伏板本身无法吸收能量，这些有功将累积到直流侧母线电容上。随着的增大，光伏电源倒送功率的情况越严重，非常不利于光伏电源的正常运行。当δθ＝180°时，igd＝i′gd，达到极端情况。因此，由于重合过程中pll没有立即检测出并网点电压的突变相位，输出同步信号与并网点实际相位存在偏差。由于相位突变，锁相环动态时间很长，甚至无法正确锁相，实际输出电流不同于反馈信号输出电流。甚至可能出现功率倒送。无法稳定在最大功率点附近，从而使得电流内环参考值发生波动。
光伏逆变器的拓扑结构如下图8所示。其中，将直流侧部分放大为如图9所示。当重合后pll暂时无法正确锁相，分析光伏输出功率特性。
从光伏逆变器出口处交流电流电压看，光伏电源输出功率为：
从直流侧输出电流电压看，光伏电源输出功率为：
稳态时直流电容相当于开路，光伏阵列输出功率近似等于光伏电源输出功率；而当暂态过程中电容吸收或发出能量。
在标准测试下(标准温度、光照条件)光伏阵列的输出特性的工程分析方法为：
其中：
且im、um、isc、uoc分别为厂家提供参数最大功率点电压、最大功率点电流、短路电流和开路电压。一次光伏阵列输出电流为光伏板两端电压的函数。
根据ppv'以及ipv的表达式可得分布式光伏电源输出直流电压为输出功率的函数，即edc＝f(ppv’)：
考虑到实际分布式光伏电源交流输出功率与相角差的关系，根据ppv表达式使得分布式光伏电源直流侧输出功率等于交流侧输出功率，得到可得光伏阵列的输出电压为功率的函数edc＝f(δθ)，即：
因此，由于相位突变使得光伏实际输出有功ppv下降，因此会导致直流侧电压upv上升、电流ipv下降，则电压外环电压控制输入电压发生偏移，即edc明显上升。
电流内环控制结构可简化为图10所示。则电流内环闭环传递函数为：
则得电压外环输出值为：
当外环输入值明显增大，存在一个明显的暂态过程。考虑到逆变器电力电子器件的限幅要求，对于电流内环的参考值
i′gd'＝1.2igd.n
其中，igd.n为工况电流。
从而得到内环d轴电流输出值：
其中，
最终可以计算分布式光伏电源的有功电流：
igd'＝i′gd'cosδθ
下面给出本发明在电磁暂态仿真软件(pscad/emtdc)上的仿真验证结果结果，仿真对象系统如图11所示。分布式光伏电源容量1mw，接入10kv配电网。分布式光伏电源逆变器并网控制采用对称控制策略，输出功率因数为1。0.2s分布式光伏电源并网联络线发生三相接地故障，0.1s后系统侧线路保护1检测到故障电流并正确动作，0.5s故障消失，0.6s重合闸动作。
根据图12-13可以看出，在重合闸动作过程中，锁相角和并网点电压相角存在较大的锁相误差，经过约为12ms的启动时间，锁相环锁定电网电压相位角。以上说明：分布式光伏电源逆变器在重合闸动作过程中的暂态过程中是不可控的；锁相环锁相角与实际并网点电压相位在的同步误差，锁相环测得准确的同步信号需要一定的调节时间；锁相误差受输入电压相位突变程度的影响。
根据图14可以看出重合闸动作过程中分布式光伏电源输出功率无法稳定在最大功率点，随着锁相误差变化而动态变化。图15说明重合后直流侧电压存在暂态过程，分布式光伏电源输出有功功率大幅下降导致edc，即电压外环电压控制的输入电压发生偏移。根据图16可以看出，对于电流内环的参考值(电压外环输出值)有限幅要求，当电压外环输入偏离程度较深，外环pi调节器饱和。电流内环可以快速跟踪，内环输出d轴跟踪电流始终和参考值保持一致动态变化。图17说明在重合闸动作后，分布式光伏电源输出电流幅值、相位均发生波动；分布式光伏电源输出暂态电流最大不超过逆变器幅值限制上限；由于逆变器自身的限流作用不会对重合闸的正确动作产生影响，可以将分布式光伏电源看作负荷进行整定。以上仿真验证与前文理论分析一致。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。