典型并網(wǎng)光伏電站的等值建模研究及應(yīng)用

李春來，王晶，楊立濱

(1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，西寧市 810008； 2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林市 132000)

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典型并網(wǎng)光伏電站的等值建模研究及應(yīng)用

李春來1，王晶2，楊立濱1

(1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，西寧市 810008； 2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林市 132000)

在不同擾動(dòng)情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)控制策略不同，即使對于同一故障擾動(dòng)，由于光伏電站存在多種類型逆變器，其控制參數(shù)也不盡相同。為明確大規(guī)模光伏電站暫態(tài)特性，同時(shí)避免對每種逆變器都建立詳細(xì)模型，需要建立擾動(dòng)情況下的光伏電站等值模型。采用倍乘方法建立了光伏方陣群的等值模型以及光伏逆變器群的等值模型，通過采用青海省海西地區(qū)的并網(wǎng)光伏發(fā)電站的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真驗(yàn)證及誤差分析，由仿真結(jié)果可知，所提出的光伏逆變器群的等值建模方法和數(shù)學(xué)模型是有效的。

并網(wǎng)光伏電站；逆變器；等值建模；仿真

0 引 言

隨著全球石化資源儲量的日漸匱乏以及低碳、環(huán)保概念的逐步深化，太陽能等可再生能源的開發(fā)與利用日益受到國際社會(huì)的重視。2007年初歐盟曾提出，2020年其可再生能源消費(fèi)將占到全部能源消費(fèi)的20%，可再生能源發(fā)電量將占到全部發(fā)電量的30%[1]。近年來，光伏發(fā)電的大型化和規(guī)?；殉蔀閲鴥?nèi)可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，同時(shí)也是引導(dǎo)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路[2]。如我國青海省的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，以青海為代表的西部地區(qū)太陽能資源非常豐富，并擁有廣闊平坦的荒漠和戈壁，具備良好的規(guī)?；柲馨l(fā)電資源、環(huán)境條件、電價(jià)政策及政府支持?！肚嗪Ｊ〔襁_(dá)木盆地千萬千瓦級光伏發(fā)電基地規(guī)劃報(bào)告(2010—2030年)》[3]提出：2010年底柴達(dá)木盆地并網(wǎng)光伏電站裝機(jī)容量達(dá)到200 MW；2011—2015年新增并網(wǎng)光伏電站裝機(jī)容量3 GW，總裝機(jī)容量達(dá)3.2 GW；2020年總裝機(jī)達(dá)7.5 GW；2030年總裝機(jī)達(dá)20 GW。

但由于光伏發(fā)電其自身不同于熱電廠等常規(guī)電源的發(fā)電特性，大容量光伏電站并網(wǎng)將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4-6]。因此，大型并網(wǎng)光伏電站及其接入系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究成為目前光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和電力領(lǐng)域共同關(guān)心的重要課題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對光伏電站模型的研究已經(jīng)很多，可歸納為獨(dú)立核心部件建模以及整體建模兩種[2]。核心部件建模主要是以逆變器為核心，將光伏陣列、集電線路等按逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行化簡，如文獻(xiàn)[7-8]；整體建模即按照光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部件的連接順序，對各個(gè)部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行等值化簡。從而得到的光伏電站的等值模型，如文獻(xiàn)[9-10]。核心部件建模缺乏整體協(xié)調(diào)性，整體建模雖然思路清晰，但往往難度較大，且不利于對大規(guī)模、含多種類型光伏組件和逆變器的光伏電站特性的研究。

因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，以逆變器核心，從光伏電站整體建模的思路出發(fā)，建立完善的光伏電站逆變器群的整體等值數(shù)學(xué)模型，并利用DIgSILENT/PowerFactory軟件，根據(jù)青海省海西地區(qū)黃河水電格爾木光伏發(fā)電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。

1 光伏方陣等值模型

光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，輸出至光伏逆變器。為提高光伏方陣的輸出功率，同時(shí)匹配逆變器額定功率，通常將多個(gè)光伏組件進(jìn)行串、并聯(lián)組成一個(gè)方陣。根據(jù)文獻(xiàn)[11-15]得知任意光照度和任意電池溫度下的光伏方陣的等值模型為

(1)

2 光伏逆變器的等值建模

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行性能。光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽電池所輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電再輸入電網(wǎng)的設(shè)備[11]。濾波器可以消除開關(guān)動(dòng)作引起的高頻諧波含量，有L型、LC型、LCL型多種結(jié)構(gòu)，實(shí)際中多采用LC型或LCL型濾波器以降低濾波器的體積和損耗。從電網(wǎng)分析的角度看，濾波器類型對分析結(jié)果的影響較小，本文采用L型濾波器以簡化分析。

2.1 光伏逆變器的電磁暫態(tài)模型

光伏逆變器的電磁暫態(tài)模型主要分為控制器模型和逆變器本體模型?？刂破髂Ｐ椭饕ㄓ泄β士刂撇呗浴o功功率控制策略、電流限幅策略、故障穿越控制策略、電流控制器和退出運(yùn)行策略[16-21]。逆變器本體模型是指逆變器的電路模型。

為了建立適用于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的光伏逆變器機(jī)電暫態(tài)模型(root mean square，RMS)，需要在電磁暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的簡化。

只考慮電網(wǎng)基波正序分量；交流側(cè)濾波電感L是線性的，且不考慮飽和，R為交流側(cè)等效電阻；忽略導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，簡化電源管理單元(pressure measuring unit，PMU)過程；逆變器本體模型簡化為圖1所示。

圖1 逆變器本體簡化模型

通過對逆變器本體模型和電流控制器的簡化，就得到了逆變器的RMS暫態(tài)模型逆變器模型，如圖2所示。

2.2 光伏逆變器群等值建模

為研究大規(guī)模光伏電站暫態(tài)特性，同時(shí)避免對每種逆變器都建立詳細(xì)模型，需要建立擾動(dòng)情況下的光伏電站等值模型。以包含8種光伏逆變器的光伏電站為例，各逆變器的參數(shù)如表1所示。

圖2 逆變器的機(jī)電暫態(tài)模型

擾動(dòng)設(shè)置在電站送出線路發(fā)生三相短路故障，根據(jù)故障后母線電壓跌落深度不同，分為小擾動(dòng)和大擾動(dòng)2種情況，分別建立光伏電站的等值模型。

2.2.1 小擾動(dòng)工況下等值建模

電站送出線路發(fā)生三相短路故障，各光伏逆變器交流側(cè)電壓跌至0.92 pu附近，等值建模思路是通過計(jì)算逆變器參數(shù)的靈敏度，獲得各逆變器之間的特征距離，根據(jù)每臺逆變器與其他逆變器的特征距離之和，以特征距離之和最小為電站的等值機(jī)。

電網(wǎng)電壓小擾動(dòng)情況下，光伏逆變器采用PI控制策略，分別計(jì)算PI控制器的4個(gè)參數(shù)Kpp、Kip、Kpq、Kiq對有功輸出和無功輸出的靈敏度。

表1 逆變器參數(shù)表

Table 1 Parameters of inverter

注：Kip、Kpp、Kiq、Kpq分表表逆變器PI控制的有功電流控制參數(shù)、有功功率控制參數(shù)、無功電流控制參數(shù)、無功功率控制參數(shù)；Kqz、Kpz、Kql、K分表表示逆變器低電壓穿越控制的零電壓無功電流控制參數(shù)、零電壓有功電流控制參數(shù)、低電壓無功電流控制參數(shù)、有功電流上身斜率控制參數(shù)。

根據(jù)參數(shù)有功靈敏度和無功靈敏度，得到各逆變器與其他逆變器的特征距離之和如表2所示。

表2 各逆變器之間的特征距離之和

Table 2 Sum of characteristic distance between inverters

從表2可看出，基于參數(shù)有功靈敏度的特征距離之和中，逆變器5和逆變器8與其他逆變器的特征距離之和最??；基于參數(shù)無功靈敏度的特征距離之和匯總，逆變器5、6、8與其他逆變器的特征距離之和最小。因此可以選擇逆變器5或逆變器8的控制器參數(shù)作為光伏電站等值機(jī)的參數(shù)。

2.2.2 大擾動(dòng)工況下等值建模

大擾動(dòng)情況指的是電站送出線路發(fā)生三相短路故障時(shí)，各光伏逆變器交流側(cè)電壓跌至0.9 pu以下，此時(shí)光伏逆變器采用低電壓控制策略。其中，電壓為0.2～0.9 pu時(shí)，光伏逆變器以提供無功支撐為主，控制參數(shù)為Kql；電壓為0.0～0.2 pu時(shí)，采用零電壓穿越控制策略，控制參數(shù)為Kqz、Kpz。

在這種情況下，選擇一種暫態(tài)電壓跌落瞬間與動(dòng)態(tài)軌跡相結(jié)合的聚類目標(biāo)，將故障期間動(dòng)態(tài)行為相似的光伏逆變器進(jìn)行聚類等值。

定義電壓跌落瞬間，各逆變器電壓跌落幅度之間的差異為

(2)

(3)

式中：Δvk(t0)為光伏逆變器k在系統(tǒng)故障時(shí)刻t0電壓跌落值；vk0為故障前并網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓值；D1ij為切比雪夫距離，表示不同光伏逆變器在t0時(shí)刻暫態(tài)電壓跌落的不同程度。

定義故障期間，各逆變器電壓動(dòng)態(tài)特性的相似性

(4)

式中：Δvi(t)為光伏逆變器i在故障持續(xù)時(shí)間段t內(nèi)的電壓跌落值；D2ij為歐式距離，表示故障期間各逆變器的動(dòng)態(tài)軌跡整體相似度。

綜合考慮D1ij和D2ij，得到一種綜合距離指標(biāo)

Dij=α(D1ij/∑D1ij)+(1-α)(D2ij/∑D2ij)

(5)

式中α為權(quán)重系數(shù)，可取0.5。

電站送出線路發(fā)生三相短路故障，各光伏逆變器交流側(cè)電壓跌至0.4pu附近，計(jì)算各逆變器之間的綜合距離指標(biāo)Dij，如表3所示。

表3 各逆變器之間的綜合距離

Table 3 Comprehensive distance between inverters

根據(jù)各逆變器的綜合距離指標(biāo)，采用聚類方法，分為3個(gè)群，群1包括逆變器1、7；群2包括逆變器2、3、4、5、6；群3包括逆變器8。其中，群1以逆變器1參數(shù)為等值機(jī)參數(shù)、群2以逆變器3參數(shù)為等值機(jī)參數(shù)、群3即為逆變器8。最后，3臺等值機(jī)大擾動(dòng)情況下控制參數(shù)以容量為權(quán)值進(jìn)行加權(quán)，得到光伏電站大擾動(dòng)情況下控制參數(shù)：Kql=1.2，Kqz=1.075，Kpz=1.2，K=2.8。

3 集電升壓系統(tǒng)等值建模

根據(jù)光伏發(fā)電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電站的等值模型如圖3所示，集電升壓系統(tǒng)等值為單臺變壓器或兩級串聯(lián)變壓器。

圖3 光伏發(fā)電站升壓系統(tǒng)靜態(tài)模型

根據(jù)光伏發(fā)電站內(nèi)各逆變器的交流側(cè)額定電壓確定發(fā)電單元升壓變壓器的低壓側(cè)母線電壓等級，一般為270～400 V。根據(jù)光伏發(fā)電站接入系統(tǒng)電壓等級的不同，確定光伏發(fā)電站單機(jī)等值模型的變壓器臺數(shù)：接入10 kV或35 kV電壓等級的光伏發(fā)電站使用一級升壓變壓器壓器，接入66 kV及以上電壓等級的光伏發(fā)電站使用兩級或多級升壓變壓器壓器。下面對電站模型的各個(gè)子模塊分別進(jìn)行研究。

3.1 單元升壓變壓器等值建模

當(dāng)采用2級升壓變壓器并網(wǎng)模式時(shí)，逆變器出口側(cè)接發(fā)電單元變壓器升壓后傳輸至集電線路。在實(shí)際電站中，光伏發(fā)電單元包含2組相同類型、容量的光伏方陣、逆變器和三繞組變壓器。

將光伏逆變器的并網(wǎng)接口視為受控電流源，電網(wǎng)等值為電壓源。由于光伏發(fā)電單元內(nèi)的2組光伏方陣和逆變器類型和容量相同，且光伏發(fā)電單元箱變的2個(gè)低壓側(cè)參數(shù)相同，因此忽略光伏發(fā)電單元箱變兩個(gè)低壓側(cè)母線電壓幅值和相位的差異，建立光伏發(fā)電單元等值模型如圖4所示。

等值模型參數(shù)計(jì)算如下：

(1)Ipv_∑=Ipv_A+Ipv_B；Ipv_A和Ipv_B分別表示2臺逆變器等效的電流源。

(2)高壓側(cè)電壓UH，低壓側(cè)電壓UL，容量Sn。

(3)接線方式不變。

(4)高壓側(cè)勵(lì)磁阻抗Gm+jBm不變，低壓側(cè)勵(lì)磁

圖4 光伏發(fā)電單元等值模型

阻抗忽略。

(5)短路電壓Uk%：首先，根據(jù)三繞組變壓器相間短路電壓計(jì)算各單相短路電壓，再計(jì)算各繞組的等值漏抗X1、X2、X3，X∑=X1+(X2//X3)，最后根據(jù)計(jì)算等值后Uk%。

(6)銅損P∑=∑P(x)(其中，x=1，2，3)。

3.2 電站集電升壓等值建模

在上述分析的基礎(chǔ)上，將多個(gè)光伏發(fā)電單元等值為單機(jī)模型。其中，站內(nèi)各箱變的勵(lì)磁繞組等值為單臺升壓變壓器的勵(lì)磁繞組，站內(nèi)箱變的繞組損耗及線路損耗等值單臺升壓變壓器的繞組損耗。

變壓器繞組參數(shù)計(jì)算包括短路損耗和短路電壓。等值升壓變壓器繞組參數(shù)計(jì)算過程中需分別考慮單元箱變繞組和饋電線路傳輸電能對等值參數(shù)的影響。

等值升壓變壓器的短路損耗為各單元等值升壓變壓器短路損耗與站內(nèi)饋線輸送電能的有功損耗之和。

變壓器繞組等值電抗X∑為線路總無功損耗折算的等值電抗X∑1與各單元箱變繞組并聯(lián)電抗X∑2之和，根據(jù)X∑求得變壓器短路電壓Uk%。

等值升壓變壓器勵(lì)磁參數(shù)。分別計(jì)算升壓變壓器空載損耗和空載電流。等值升壓變壓器的空載損耗為各單元等值箱變空載損耗之和。

等值升壓變壓器的空載電流I0%根據(jù)各單元等值升壓變壓器勵(lì)磁電納Bm(i)并聯(lián)電納Bm∑求得。

3.3 廠站級控制器建模

當(dāng)光伏發(fā)電站參與系統(tǒng)調(diào)壓和調(diào)頻時(shí)，需要搭建站級控制模型，主要包括廠站級有功功率控制和無功電壓控制。有功功率控制根據(jù)光伏發(fā)電站最大輸出功率水平以及并網(wǎng)點(diǎn)頻率確定有功功率輸出指令；無功電壓控制根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平確定無功指令。

光伏發(fā)電站單機(jī)等值系統(tǒng)的控制總框圖如圖5所示，包括站級控制模型、單機(jī)等值模型、光伏發(fā)電單機(jī)并網(wǎng)接口模型。

圖5 光伏發(fā)電站場站級控制總框圖

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，光伏發(fā)電站有功控制跟蹤上級調(diào)度指令，同時(shí)監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)頻率。當(dāng)系統(tǒng)頻率低于上限值時(shí)，光伏發(fā)電站采用最大功率追蹤策略，增加輸出功率。當(dāng)系統(tǒng)頻率超過頻率上限值時(shí)，按照-0.4 pu/Hz的斜率限制電站輸出功率，主動(dòng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，減輕系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。

光伏發(fā)電站無功控制監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電壓，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)整光伏發(fā)電站無功輸出功率。并網(wǎng)點(diǎn)電壓US與參考值USref的偏差值輸入至PI控制器，計(jì)算得到站級無功指令Qord。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于參考值時(shí)，增加無功功率輸出維持電網(wǎng)電壓。

4 光伏電站仿真分析

在Matlab軟件中分別搭建了光伏發(fā)電站的方陣等值模型、逆變器等值模型、集電升壓系統(tǒng)等值模型，并以我國光伏裝機(jī)最大的區(qū)域電網(wǎng)——青海海西地區(qū)為例進(jìn)行仿真研究。黃河格爾木光伏發(fā)電站裝機(jī)容量達(dá)到200 MW，是海西地區(qū)裝機(jī)容量最大的光伏發(fā)電站，電站接入電網(wǎng)電壓等級330 kV，對系統(tǒng)的影響較大。

4.1 輻照度擾動(dòng)

初始狀態(tài)，光伏發(fā)電站滿功率運(yùn)行，2 s時(shí)其中50 MW的光伏方陣由于云層遮擋其輻照度按照一定的斜率降低，5 s時(shí)以較緩慢的速率恢復(fù)，如圖6(a)所示。光伏發(fā)電站輸出功率特性如圖6(b)所示。

輻照度下降引起光伏發(fā)電站有功輸出功率隨之下降；有功輸出功率的波動(dòng)引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)，進(jìn)而引起光伏發(fā)電站無功輸出功率波動(dòng)；電站內(nèi)50 MW光伏逆變器群的輸出功率波動(dòng)引起的格爾木燃?xì)怆娬据敵龉β什▌?dòng)較小。

4.2 光伏發(fā)電站近端短路故障

以格爾木330 kV變電站為例進(jìn)行研究。在格爾木330 kV母線上2 s時(shí)發(fā)生三相瞬時(shí)故障，2.1 s故障切除，短路阻抗0.1 Ω，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)母線電壓跌落情況如圖7(a)所示，光伏發(fā)電站輸出功率特性如圖7(b)所示。

圖6 黃河水電格爾木光伏發(fā)電站輻照度擾動(dòng)仿真

圖7 黃河水電格爾木光伏發(fā)電站近端短路仿真

圖8 黃河水電格爾木光伏發(fā)電站遠(yuǎn)端短路仿真

故障發(fā)生瞬間光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0，故障期間光伏發(fā)電站優(yōu)先輸出無功電流支撐電網(wǎng)電壓，但由于并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0，光伏發(fā)電站無功輸出功率基本為0。

4.3 光伏發(fā)電站遠(yuǎn)端短路故障

以烏蘭330 kV變電站為例進(jìn)行研究。在烏蘭330 kV母線上2 s時(shí)發(fā)生三相瞬時(shí)故障，2.1 s故障切除，短路阻抗0.1 Ω，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)母線電壓跌落情況如圖8(a)所示，光伏發(fā)電站輸出功率特性如圖8(b)所示。

短路點(diǎn)距離光伏發(fā)電站并網(wǎng)的電氣距離較遠(yuǎn)，同樣的短路故障，引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.7 pu。由光伏發(fā)電站控制策略可知，光伏發(fā)電站切換至低電壓穿越控制模式，根據(jù)電壓跌落程度優(yōu)先輸出無功電流，在未達(dá)到電流限值情況下輸出部分有功電流。與近端故障狀態(tài)不同，光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓未跌落至零，輸出無功功率支撐接近額定功率狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文基于不同擾動(dòng)方式，建立了光伏電站的等值模型。采用分塊建模的方法對光伏方陣、逆變器、控制器以及集電升壓線路分別進(jìn)行了建模。本模型考慮到每種逆變器在不同故障時(shí)的控制參數(shù)逆變器不同，采用聚類等值的方法建立了逆變器的等值模型，避免了對每種逆變器建立模型。并根據(jù)青海海西地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行了擾動(dòng)方式下的仿真實(shí)驗(yàn)，通過對仿真曲線的分析，建立的模型能較準(zhǔn)確的模擬電站的實(shí)際運(yùn)行情況。本文的研究工作，可作為分析光伏電站暫態(tài)運(yùn)行的有效手段，為光伏電站接入電網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響分析等問題的研究提供參考。

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(編輯：蔣毅恒)

Equivalent Modeling Research and Application of Typical Grid Connected Photovoltaic Power Station

LI Chunlai1，WANG Jing2，YANG Libin1

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company, Xining 810008, China; 2.College of Automation Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132000, China)

Due to different disturbance conditions, the transient control strategy of photovoltaic power generation system is different, even for the same fault disturbance, because there are many types of inverters in photovoltaic power station and there control parameters are also different.In order to study the transient characteristics of large-scale photovoltaic power station, and avoid constructing detailed model for every kind of inverter, the equivalent model of photovoltaic power station needed to be established under disturbance.The equivalent models of photovoltaic phalanx group and photovoltaic inverter group were set up by using multiplier method.Through using the test data of photovoltaic power station simulation in Qinghai Haixi, the simulation validation and error analysis show that the proposed equivalent modeling method and mathematical model for photovoltaic inverter group are valid.

grid connected photovoltaic power station; inverter; equivalent modeling; simulation

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAA02B01)。

TM 615

A

1000-7229(2015)08-0114-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.019

2015-06-03

2015-07-13

李春來(1980)，男，碩士，副高級工程師，從事風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作；

王晶(1990)，女，碩士研究生，從事太陽能發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作；

楊立濱(1985)，男，碩士，工程師，從事風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。

Project Supported by the National Science & Technology Pillar Program (2013BAA02B01).