光伏并网系统故障二次谐波产生机理及其对变压器保护的影响

光伏发电系统通过逆变器矢量控制并网,其短路暂态特性异于传统电源。电网发生故障时,光伏系统输出电流中可能含有二次谐波,接入弱电网时二次谐波的影响不可忽略。以光伏并网发电系统对称故障条件为例,首先分析基于锁相环的三相并网逆变器单频率输入双频率输出的现象产生机理。其次在综合考虑并网控制及系统低电压穿越策略切换的影响基础上,分析故障暂态过程中电流二次谐波产生机理并推导二次谐波解析表达式。指出在变压器区内故障时光伏并网系统产生的二次谐波可能威胁变压器差动保护的可靠性。最后基于PSCAD/EMTDC仿真验证理论分析的正确性,为后续光伏发电系统接入后的电网继电保护适应性分析提供参考。     

计及光伏发电低电压穿越不确定性的主动配电网短路电流概率评估

光伏发电注入电网的短路电流由故障时并网点电压跌落和机组低电压穿越共同决定,而电网故障时光伏低电压穿越能力具有不确定性。该文分析光伏发电并网运行时,在不同端电压跌落下呈现的故障特性;考虑光伏低电压穿越能力的不确定性,用正态分布概率密度函数表征光伏发电脱网的随机特性,建立光伏发电低电压脱网的随机评估模型;进一步结合系统故障信息,基于蒙特卡洛模拟提出计及低电压穿越不确定性的主动配电网短路电流概率评估方法,通过光伏发电短路电流特性、低电压脱网评估模型与故障条件来确定系统短路电流概率分布。最后,通过13节点和50节点配电网算例对该文方法进行验证,该方法综合考虑配电网故障发生和光伏发电低电压脱网的随机因素,所得短路电流结果能准确反映系统的实际短路电流水平。     

光伏并网对配电网继电保护的影响分析

光伏电源通过配电网并网发电,并网后的配电网会发生结构变化,造成电网中的潮流分布和短路电流发生改变,进而影响线路中继电保护设备的正常运行。本文研究了光伏电源接入后对线路中继电保护所产生的影响,通过仿真分析配电网中光伏电源不同容量和短路故障不同位置对电网短路电流所产生的影响,并进一步研究其对三段式电流保护的影响。     

并网光伏发电系统对配电网线路保护的影响

光伏发电系统的并网改变了配电网络的结构及配电网中短路电流分布,从而影响配电网继电保护。研究了光伏并网发电系统的暂态模型,利用PSASP(电力系统分析综合程序)对包含光伏发电系统的某市实际网络发生故障时进行了短路计算,分析了光伏系统不同接入位置、不同容量以及不同故障点位置对配电网短路电流和线路保护产生的影响,对此,需采取不同的策略,最后分析了光伏系统并网对自动重合闸的影响,并提出了相应的解决方案。     

计及负序控制策略的光伏逆变器故障特性分析

光伏接入系统发生不对称故障时，逆变器会同时控制正序电流和负序电流的输出，但目前针对计及负序控制策略的逆变器故障特性研究较少。为此，首先推导了逆变器稳态短路电流的求解方法。然后考虑不同的负序控制策略，研究了不对称故障下逆变器输出的短路电流特征和等效负序阻抗特征，揭示了光伏发电在不同控制策略和不同故障类型下故障特性的相似性和差异性。最后搭建仿真模型，对理论分析结果进行了验证。结果表明，在新能源接入电网的故障特性及保护原理研究中需充分考虑负序控制策略的影响。     

不对称故障下光伏发电系统的电压稳定控制策略

随着接入电网的光伏发电系统规模的逐渐增大,在电网故障下光伏发电系统的安全稳定运行尤为重要。建立了不对称电网电压条件下的光伏逆变器数学模型,分析了直流侧电压波动机理。结合陷波器的谐振特性,提出了直流电压带陷波器的正负序双电流环控制策略,并在直流侧加装直流过压保护电路。利用Matlab平台建立光伏并网发电系统仿真模型,对提出的控制策略进行仿真实验,验证了控制策略的正确性和有效性。     

计及发电单元故障特性差异的光伏电站短路电流计算模型

光伏电站占比持续增加使电网故障特性发生根本性改变,电网保护整定计算中电源仍采用电压源串联电抗的传统短路计算模型已不再适用,如何建立可刻画实际光伏电站故障特征的短路计算模型具有重要意义。为此,通过揭示场站内光伏发电单元故障行为特性差异规律,探明了主导发电单元短路电流贡献迥异的主导因素,提出了基于暂态运行控制模式差异性的发电单元分群方法,进一步推导给出了适用于对称与不对称故障的光伏电站统一短路电流计算模型。最终,结合实际光伏电站运行数据,对比分析短路电流模型理论计算结果与详细电磁暂态仿真试验结果,验证了所推导模型的正确性。研究结果能为含光伏电站电网保护整定计算提供模型支撑。     

光伏接入对电网的影响研究

为解决光伏系统接入导致电网的电压分布、网络损耗和短路电流发生改变等问题,需要对光伏系统的接入位置和接入容量进行合理规划。首先,基于WSCC3机9节点环形电网模型建立了仿真模型,并对仿真过程中部分参数进行了简化处理。其次,分别对单、多个光伏发电系统的接入位置、接入容量仿真分析,研究了光伏并网对电网电压的影响。随后,对光伏接入位置、接入容量对系统网损的影响进行了仿真分析。最后,研究了光伏接入对网络短路电流的影响。通过以上仿真分析研究,有助于指导光伏系统的接入位置及容量。     

含逆变型分布式电源的配电网自适应正序电流速断保护

在故障情况下,光伏发电系统等逆变型分布式电源(IBDG)的输出电流与IBDG的容量或出力、故障类型以及故障位置等均有关,这将导致传统配电网电流保护的定值较难整定。自适应电流保护可有效解决这一问题。根据含IBDG的配电网故障特性,分析了原有自适应电流保护存在的问题。此外,考虑到IBDG仅存在于正序网络中,通过分析不同位置处发生两相相间短路故障和三相短路故障时保护安装处的正序电压和流过保护的正序电流之间的关系,提出了适用于含IBDG配电网的自适应正序电流速断保护,改善了保护的性能。最后,通过对一个含IBDG的10kV配电网的仿真分析,验证了该保护的有效性。     

光伏并网发电对下游保护的影响研究

随着光伏发电技术的飞速发展,光伏容量占电网电源的比例逐渐增大,光伏接入配电网对继电保护的影响不容忽视。基于光伏发电系统的运行特性,理论分析了光伏接入配电网对下游电流三段式保护的影响。并以光伏电源通过联络线专线接入配电网为例,建立了光伏并网发电系统的暂态模型,详细分析了光伏电源接入对配电线路下游保护灵敏性、最小保护范围产生的影响。研究结果阐明,仿真算例验证了理论分析的合理性,对改善光伏发电系统保护的配置有一定的参考价值。     

含分布式光伏及储能变流器的微网故障特征与保护

在并网时,微网中所含的分布式电源可能包括恒功率控制的光伏变流器或电流下垂控制的储能变流器,其中传统电流下垂控制的储能变流器在电网电压跌落时所输出的较低的故障电流,以及可能会出现的功角失稳现象都为其故障保护带来了困难,而基于滞环控制的改进电流下垂控制可以使其在电网故障时保持功角稳定,同时具备低压穿越能力,给故障电流带来新的特征,有利于故障检测以及保护判据的配置。本文考虑变流器的低压穿越特性,分析了含分布式光伏及储能变流器的微网内部不同位置发生故障时的电流特征,利用正序电流故障分量与母线正序电压故障分量的相位差来判断故障方向,并提出基于EtherCAT工业以太网的集中式保护方案。最后,通过仿真与实验验证了所提方案的可行性。     

基于Matlab的光伏并网系统仿真研究

研究了一种单相光伏并网发电控制仿真系统。采用DC/DC和DC/AC两级拓扑结构对光伏并网系统进行了研究和设计;采用功率扰动法实现最大功率点闭环跟踪,并网控制通过采集电网电压参数和逆变输出电流参数在逆变电路中通过PI调节实现。采用基于Matlab的光伏电池仿真模型对所设计的光伏并网系统进行了仿真。仿真和实验结果表明,基于Matlab的光伏仿真模型能够有效地模拟实际光伏并网系统的行为特征性,证明此系统在实际中是可行的。     

基于模型识别光伏接入配电网线路纵联保护研究

光伏因受外界环境因素影响,输出功率存在间歇性和波动性。分布式光伏系统接入配电网会导致部分线路电流保护误动、拒动和灵敏度下降问题。在分析分布式光伏接入配电网故障特征的基础上,基于参数辨识理论对模型识别纵联保护原理进行改进与优化,提出光伏接入配电网线路保护判据。改进后的模型识别纵联保护方法将线路区外、区内故障均等效为不同的电感电路模型,根据线路故障时内、外部模型误差大小来区分区内、区外故障。通过PSACD/EMTDC仿真验证,该方法有效克服了光伏接入配电网分支电流的影响并且能够快速、准确地动作,从而验证了将模型识别纵联保护原理应用在光伏接入配电网线路保护的正确性和有效性。     

光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略

为提高光伏并网发电系统的低电压穿越能力,提出一种基于电压定向矢量控制的低电压穿越(Low Voltage Ride-Through,LVRT)控制策略。该策略对光伏逆变器进行电压定向矢量控制,实现有功和无功功率解耦,在电网电压跌落期间,采用直流卸荷电路稳定直流侧电压,根据电压的跌落深度补偿一定的无功功率以支撑电压恢复。通过PSCAD/EMTDC软件对采取LVRT控制策略前后的各电气量进行比较分析,结果表明,采用该策略光伏发电系统可以在电压跌落时保持并网运行,并补偿一定的无功功率以恢复并网点电压,实现低电压穿越。     

光伏并网系统送出线路不对称故障的差动保护灵敏度研究

针对光伏并网发电系统的故障特性,分析了在并网送出线路发生不对称跌落时,比率制动特性差动保护在光伏逆变器有无无功补偿条件下的灵敏度。结果表明,在无功补偿状态下,光伏并网发电系统送出线部分的传统比率制动特性差动保护灵敏度下降。通过比较传统比率制动特性曲线的整定方式,不过原点的特性曲线在灵敏度的方面具有更大优势。在此基础上,考虑到不对称故障中零序电流受故障电阻和负荷电流影响小及低电压穿越(LVRT)期间以电网电压正序分量定向的逆变器控制策略,零序电流作为保护判据的传统比率制动式差动保护,由于不受无功补偿电流的影响且保护动作整定值较小,具有更高的灵敏度,作为光伏送出线路的保护效果更佳。通过Simulink搭建光伏并网发电系统仿真模型验证了这一结论。     

一种新型光伏并网逆变器控制策略

分析了导抗变换器的特性，详细推导了整个系统各点电压、电流，提出一种新颖的三角波-三角波调制方法，该控制策略克服了采用传统正弦波-三角波调制方法带来的并网电流谐波含量高、功率因数低的弊端。将导抗变换器和光伏并网逆变系统有机结合在一起，利用导抗变换器的电压源-电流源变换特性，将光伏电池阵列的直流电压变换为正弦包络线的高频电流，经过高频变压器隔离和电流等级变换，得到的高频电流再经过高频整流桥及工频逆变器逆变后并入电网，实现了电流源并网。相对传统的电流源型并网发电系统，采用该方法不仅省去了串联电感，而且用高频变压器取代了工频变压器，有利于实现装置小型化和降低成本。另外，利用电网电压过零信号控制工频逆变器，保证了并网电流和电网电压同步，进一步提高系统功率因数，实现正弦电流并网。通过实验证明了该控制策略的可行性，该方法非常适合分散式家用光伏并网发电系统。     

光伏并网逆变器的电能质量分析

准确、实时地检测电网电压及并网电流对光伏并网逆变器的可靠运行具有重要的指导意义。着重分析了Z源光伏并网逆变器的电能质量分析系统的软件实现方法,通过对电网电压及并网电流的数据采样和处理,得到有效值、有功功率、无功功率等电力参数,并采用快速傅里叶变换(FFT)算法实现并网电流THD的计算。实验结果证明了理论分析和软件设计方案的正确性。     

一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法

孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能。针对三相光伏并网逆变器,分析了系统无功电流与公共点电压频率的关系,在此基础上提出一种改进的无功电流—频率正反馈孤岛检测方法,并且,分析了其参数选择与检测盲区问题。该方法通过扰动无功电流影响公共点电压频率,在电网正常时几乎不施加扰动,减小了对系统功率因数的影响;而在电网断开时,可以使频率持续向单一方向偏移,从而有效地检测出孤岛现象,相对于传统的正反馈方法具有更小的检测盲区。仿真与实验结果证明了该方法的有效性。     

Nonlinear Adaptive Backstepping Controller Design for Three-Phase Grid-Connected Solar Photovoltaic Systems

A cascaded control structure is proposed in this paper for injecting active and reactive power in a three-phase grid-connected solar photovoltaic (PV) system by considering external disturbances. In the proposed cascaded control structure, there are two control loops—the outer loop voltage controller is used to ensure a continuous balance in power flow between the PV arrays and electrical power grid whereas the inner loop current controller controls the output current of the inverter. Moreover, the DC-DC boost converter is controlled to achieve a constant voltage at the input of the inverter. In order to obtain the power balance and extract maximum power, an incremental conductance (IC) based maximum power point tracking (MPPT) method is used in this paper. The current controller is designed using a nonlinear adaptive backstepping technique to regulate the active and reactive components of the grid current. The regulation of these currents towards desired values which in turn control the active and reactive power delivered into the grid. The overall stability analysis of the system is performed based on the formulation of control Lyapunov functions (CLFs). Finally, the performance of the designed controller is tested on three-phase grid-connected PV systems with single as well as multiple PV units under different environmental conditions and compared with an existing sliding mode controller. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed adaptive backstepping control scheme and demonstrate the superior performance over the sliding mode controller.