原 帥，奧淇侖，石 靜，劉 宇，苗麗芳，蘇 珂

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，光伏電站不斷接入電力系統(tǒng)，逐漸改變了電網(wǎng)運(yùn)行特性，對(duì)電網(wǎng)短路電流分析、電流保護(hù)定值計(jì)算以及設(shè)備設(shè)計(jì)、選型等產(chǎn)生了較大影響，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)[1-7]。為解決上述光伏系統(tǒng)并網(wǎng)帶來的問題，亟待開展光伏系統(tǒng)短路電流特性研究。光伏經(jīng)過逆變器接口并網(wǎng)，輸出具有很強(qiáng)的非線性，傳統(tǒng)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(shí)直流側(cè)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(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同工況和假設(shè)條件，提出了不同光伏系統(tǒng)短路電流計(jì)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(jì)算模型復(fù)雜，缺乏實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，工程中應(yīng)用較少。本文以內(nèi)蒙古電網(wǎng)某光伏系統(tǒng)為研究對(duì)象，計(jì)及光伏系統(tǒng)低電壓過渡控制策略，建立光伏系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用等值模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為開展電網(wǎng)短路電流計(jì)算提供模型基礎(chǔ)。

1 光伏系統(tǒng)

本文研究的光伏系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)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(jù)當(dāng)前直流母線電壓Udc和直流電流Idc，電壓-功率特性曲線，計(jì)算電池板達(dá)到最大輸出功率時(shí)的直流電壓Udc_ref，作為直流母線電壓的參考值。逆變器根據(jù)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(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為工頻交流電能，并通過升壓變壓器輸出到電網(wǎng)。

圖1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of photovoltaic system

1.1 光伏電池板

光伏系統(tǒng)電池板結(jié)構(gòu)示意見圖2，由100個(gè)光伏電池串并聯(lián)組成，其中每個(gè)電池串由20個(gè)光伏電池模塊串聯(lián)組成，而每個(gè)光伏電池模塊由60個(gè)光伏電池單元串聯(lián)組成，其中，光伏電池模塊參數(shù)見表1。

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

圖2 光伏電池板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic cell panels

每個(gè)光伏電池模塊容量為250W，一個(gè)光伏電池板共包含2000個(gè)電池模塊，總?cè)萘繛?.5MW，光伏電池板在標(biāo)準(zhǔn)條件下的電壓-功率特性曲線見圖3。

圖3 光伏電池板標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)典三相橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂采用IGBT反并聯(lián)二極管；濾波器采用三相LC型濾波器，并聯(lián)在逆變器出口處，其具體參數(shù)見表2。

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

1.3 低電壓過渡控制策略

根據(jù)GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，對(duì)于35 kV及以上電壓等級(jí)并網(wǎng)的光伏電站以及通過10 kV電壓等級(jí)與公共電網(wǎng)連接的新建、改建和擴(kuò)建光伏電站，電網(wǎng)發(fā)生故障，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，須不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行，并提供一定動(dòng)態(tài)無功支撐，以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，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(tǒng)建模導(dǎo)則》對(duì)光伏系統(tǒng)在低電壓過渡期間的動(dòng)態(tài)無功支撐能力做出了要求，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落0.2～0.9（p.u.）時(shí)，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(tǒng)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(jù)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(wǎng)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(shù)；Ut為并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值標(biāo)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(wǎng)點(diǎn)電壓Ut降低而有功電流Id還未來得及變化，導(dǎo)致此時(shí)輸出的有功功率下降。多余的有功功率對(duì)直流母線電容充電，致使直流母線電壓上升，此時(shí)閉鎖最大功率跟蹤算法，根據(jù)低電壓過渡期間無功和有功電流指令值控制逆變器，調(diào)節(jié)輸出功率，使功率達(dá)到平衡，進(jìn)而直流側(cè)電壓達(dá)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(wǎng)點(diǎn)電壓快速恢復(fù)，光伏系統(tǒng)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(yùn)行。

2 光伏系統(tǒng)三相短路電流等值計(jì)算模型

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低至0.9（p.u.）以下時(shí)，光伏系統(tǒng)進(jìn)入低電壓過渡階段，此時(shí)逆變器輸出的無功和有功電流按照式（1）和式（2）計(jì)算。與此同時(shí)，光伏系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，且內(nèi)環(huán)控制的時(shí)間常數(shù)很小，而無功和有功電流指令直接作用于內(nèi)環(huán)，因此可以認(rèn)為穩(wěn)態(tài)期間短路電流無功和有功分量與其對(duì)應(yīng)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(tǒng)可等效為一個(gè)三相電流源，其有效值與故障前的P0、Ut、KQLV和Imax有關(guān)，具體數(shù)值可基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和估計(jì)，以滿足計(jì)算精度要求。

3 模型驗(yàn)證

對(duì)某光伏電站系統(tǒng)進(jìn)行三相短路電流測(cè)試，以驗(yàn)證短路電流等值計(jì)算模型的正確性和有效性。短路測(cè)試接線示意圖見圖5，在升壓變壓器高壓側(cè)和集電線路之間串接測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備由開關(guān)1、阻抗1、開關(guān)2和阻抗2構(gòu)成，通過阻抗1與阻抗2的不同組合，實(shí)現(xiàn)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(cè)的三相電壓和電流信號(hào)傳送到錄波儀。

圖5 光伏系統(tǒng)三相短路測(cè)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(cè)試結(jié)果見表3。以逆變器額定電流為基準(zhǔn)電流，即Ib=916.4 A；以逆變器容量為基準(zhǔn)容量，即Sb=0.5MW；工況為小功率0.22（p.u.），電壓跌落0時(shí)的典型短路電流波形見圖6?？芍收蠒r(shí)刻三相電流迅速增大，且畸變較嚴(yán)重；隨后逐漸進(jìn)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(tǒng)短路電流測(cè)試結(jié)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(jù)表3，基于最小二乘法對(duì)式（4）中的參數(shù)KQLV進(jìn)行辨識(shí)，設(shè)定誤差不超過5%，辨識(shí)結(jié)果為KQLV=1.42，三相短路電流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)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(shè)備手冊(cè)查到，光伏系統(tǒng)中Imax=1.1（p.u.）。因此，根據(jù)式（4）計(jì)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(tǒng)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(shí)的電壓跌落深度有關(guān)，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(dāng)故障前有功功率為滿發(fā)時(shí)，電壓跌落深度在0～0.9（p.u.），短路電流有效值達(dá)到最大值恒為1.12（p.u.）。與此同時(shí)，光伏系統(tǒng)短路電流測(cè)試值與計(jì)算值誤差對(duì)比見表4，可知短路電流等值模型計(jì)算的三相短路電流結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性。

表4 光伏系統(tǒng)短路電流測(cè)試值與計(jì)算值誤差對(duì)比Tab.4 Error comparison between test value and calculated value of short?circuit current of photovoltaic system

4 結(jié)論

本文基于光伏系統(tǒng)低電壓過渡控制策略，研究了光伏系統(tǒng)三相穩(wěn)態(tài)短路電流特性，提出了光伏系統(tǒng)三相短路電流計(jì)算模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

（1）光伏系統(tǒng)在三相短路故障期間可等效為一個(gè)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(shí)的電壓跌落深度有關(guān)，具體定量關(guān)系取決于光伏系統(tǒng)低電壓過渡控制策略。

（2）文中提出的光伏系統(tǒng)短路電流模型與實(shí)際穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)短路特性一致，驗(yàn)證了模型的正確性和有效性。模型具有實(shí)用、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于大電網(wǎng)短路電流計(jì)算。