基于PSASP的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性研究

侯 磊，趙 鳴，楊志強(qiáng)，樊銳軼，李少博

（1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，河北 石家莊 050021）

基于PSASP的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性研究

侯 磊1，趙 鳴1，楊志強(qiáng)2，樊銳軼2，李少博2

（1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，河北 石家莊 050021）

在PSASP仿真環(huán)境下，開發(fā)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池、MPPT控制器、蓄電池組、逆變器及DC－DC升壓器的機(jī)電暫態(tài)模型，研究了光伏并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)中的過／欠電壓保護(hù)、過／欠頻保護(hù)、過電流及短路電流保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)模型，應(yīng)用這些模型建立了可用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的光伏電站仿真模型。最后，以接入光伏電站的某西部孤立電網(wǎng)為例，研究了光伏電源不同容量、不同功率因數(shù)接入方式對電網(wǎng)潮流的影響，以及故障擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定影響，驗證了模型的正確性。

光伏發(fā)電；機(jī)電暫態(tài)模型；光伏并網(wǎng)保護(hù)；暫態(tài)穩(wěn)定

隨著傳統(tǒng)的化石能源逐漸走向枯竭，太陽能等新能源的開發(fā)利用越來越顯現(xiàn)出其重要性［1］。到2007年年底，中國光伏系統(tǒng)的累計裝機(jī)容量就達(dá)到了100 MW。在我國西部一些高原、山區(qū)的電網(wǎng)，其規(guī)模比較小，負(fù)荷變化比較大，系統(tǒng)相對孤立，但卻有著豐富的太陽能資源，對于發(fā)展光伏發(fā)電優(yōu)勢非常明顯。

由于光伏發(fā)電出力本身有間歇性和隨機(jī)性，在這種孤立電網(wǎng)中，光照的變化和短路故障的出現(xiàn)很容易造成電壓和頻率的不穩(wěn)定，從而影響供電的電能質(zhì)量［2］。本文建立了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)模型，對光伏電站接入孤立電網(wǎng)的潮流和暫態(tài)穩(wěn)定影響進(jìn)行了仿真研究。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型

在本次設(shè)計中，重點(diǎn)研究光伏電池、MPPT控制器、逆變器及交流連接裝置的模型，直流負(fù)荷及交流負(fù)荷不在考慮范圍之內(nèi)。

1.1 光伏電池模型

光伏電池輸入輸出特性滿足公式：

光伏廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下4個技術(shù)參數(shù)VOC、ISC、Vm、Im分別是開路電壓、短路電流和在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下最大功率點(diǎn)的電流和電壓。

由上述公式即可得到光伏電池輸出電流與輸入電壓、日照強(qiáng)度、電池溫度之間的關(guān)系：

光伏模型陣列示意圖如圖2所示。

圖2 光伏模型陣列示意圖

1.2 逆變器模型

逆變器采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制［3－4］，控制原理如圖3所示。

圖3 逆變器控制原理

逆變器本身的模型可用慣性環(huán)節(jié)模擬，傳遞函數(shù)為

式中：Kpwm為逆變器的增益；τ為調(diào)制波的周期。

1.3 MPPT控制模型

MPPT控制方法采用電壓跟蹤法［5］，其原理如圖4所示。Viref根據(jù)給定的日照強(qiáng)度S和電池溫度T計算得到。

圖4 MPPT控制原理

1.4 蓄電池機(jī)電暫態(tài)模型

蓄電池的機(jī)電暫態(tài)模型如圖5所示。Rs為蓄電池內(nèi)阻；Us為蓄電池內(nèi)電勢；Id為蓄電池充放電電流；Vd為蓄電池的輸出端電壓。

圖5 蓄電池機(jī)電暫態(tài)模型

2 光伏并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)模型

光伏并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)建模步驟如下。

a.對光伏并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，查找相關(guān)的各種保護(hù)功能［6－7］，根據(jù)現(xiàn)有的光伏保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整其整定值和整定時間。

b.分別對過／欠電壓保護(hù)、過／欠頻保護(hù)、過電流及短路電流保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)進(jìn)行模型搭建。

c.將以上的4種模型組合與光伏并網(wǎng)電流相結(jié)合，以實現(xiàn)其保護(hù)功能。

2.1 過／欠電壓保護(hù)模型

過／欠電壓保護(hù)是當(dāng)電網(wǎng)接口處電壓超出規(guī)定的電壓范圍時，光伏系統(tǒng)應(yīng)停止向電網(wǎng)送電。系統(tǒng)應(yīng)能檢測到異常電壓并做出反應(yīng)，電壓的方均根值在電網(wǎng)接口處測量。

大中型光伏電站應(yīng)具備一定的耐受電壓異常能力，避免在電網(wǎng)電壓異常時脫離，其動作保護(hù)整定如圖6所示。過／欠電壓保護(hù)模型如圖7所示。

圖6 過／欠電壓保護(hù)動作整定圖

圖7 過／欠電壓保護(hù)模型示意圖

2.2 過／欠頻保護(hù)模型

過／欠頻保護(hù)是當(dāng)電網(wǎng)接口處頻率超出規(guī)定的頻率范圍時，應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。大中型光伏電站應(yīng)具備一定的耐受系統(tǒng)頻率異常能力。過／欠頻保護(hù)模型示意圖如圖8所示。

圖8 過／欠頻保護(hù)模型示意圖

2.3 過電流及短路保護(hù)模型

光伏電站需具備一定的過電流能力，在1.2倍額定電流以下，光伏電站連續(xù)可靠工作時間不小于1 min；在120%～150%額定電流內(nèi)，光伏電站連續(xù)可靠工作時間應(yīng)不小于10 s。當(dāng)檢測到電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時，光伏電站向電網(wǎng)輸出的短路電流應(yīng)不大于額定電流的150%，并在0.1 s以內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，模型示意圖如圖9所示。

圖9 過電流及短路保護(hù)模型示意圖

2.4 電壓不平衡保護(hù)模型

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行（僅對三相輸出）時，電網(wǎng)接口處的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)不超過2%，短時不得超過4%。負(fù)序電壓不平衡度的計算公式為負(fù)序電壓與正序電壓的比值。

電壓不平衡保護(hù)模型示意圖如圖10所示。

2.5 光伏并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)模型

將4個保護(hù)模塊，通過或門相連接，4個保護(hù)

圖10 電壓不平衡保護(hù)模型示意圖

中只要有1個動作，就發(fā)出跳閘信號1，將跳閘信號取反后與光伏系統(tǒng)的輸出電流相乘即可保證系統(tǒng)在檢測到超出規(guī)定范圍電氣量的同時，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。

3 算例分析

針對某西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，最高電壓等級為35 kV的孤立電網(wǎng)，進(jìn)行光伏電源接入電網(wǎng)的潮流和暫態(tài)穩(wěn)定性仿真分析，其電網(wǎng)接線如圖11所示。

圖11 孤立電網(wǎng)接線

其中，火電廠裝機(jī)容量為3 MW，水輪機(jī)容量為3×1.5 MW，光伏電源額定容量為10 MW，儲能設(shè)備容量6 MW，負(fù)荷為8 MW。

光伏電站接入380 V配電網(wǎng)，經(jīng)1臺容量1 250 kVA、額定電壓400 V的雙繞組變壓器連接到10 kV母線，同時通過1臺兩繞組升壓變壓器與35 kV母線相連。

3.1 光伏接入對潮流的影響

在電網(wǎng)中光伏電源接入點(diǎn)確定的情況下，光伏電源對電網(wǎng)運(yùn)行的影響包含光伏電源并網(wǎng)后功率的變化對電網(wǎng)電壓的影響及光伏電源不同功率因數(shù)對電網(wǎng)電壓的影響等因素。根據(jù)光伏電源特性，額定運(yùn)行時光伏電源的功率因數(shù)為－0.95（吸收無功）～0.95（發(fā)出無功）。將光伏電源出力從0 MW增至10 MW，以考查光伏電源不同出力水平和裝機(jī)容量下的系統(tǒng)電壓和靜態(tài)穩(wěn)定狀況。電壓變化如圖12—14所示。

圖12 機(jī)端母線電壓變化曲線

圖13 中心變電站10 kV母線電壓變化曲線

圖14 中心變電站35 kV母線電壓變化曲線

其中：cosφ＜0代表光伏機(jī)組運(yùn)行于吸收無功狀態(tài)；cosφ＞0代表光伏機(jī)組運(yùn)行于發(fā)出無功狀態(tài)。

光伏電源功率因數(shù)運(yùn)行于－0.95～0.95時，引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的范圍依次增大。離光伏電站越遠(yuǎn)，母線電壓影響越小。光伏電站出口電壓最大變化率為1.089%，中心變電站10 kV側(cè)母線電壓最大變化率為0.928%，中心變電站35 kV側(cè)母線電壓最大變化率為0.584%，都不影響光伏電源正常運(yùn)行。

由以上研究可知，當(dāng)光伏電源接入孤立電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓等級不太高且負(fù)荷不太多的情況下，對電網(wǎng)潮流影響不大，并網(wǎng)母線及相鄰的系統(tǒng)母線電壓水平在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

3.2 暫態(tài)穩(wěn)定性分析

網(wǎng)絡(luò)故障仿真計算結(jié)果如圖15—17所示。1 s時，在光伏電站接入點(diǎn)設(shè)置三相短路接地故障，接地阻抗0＋j0.3 p.u.，故障持續(xù)時間0.1 s。

圖15 負(fù)荷側(cè)電壓變化曲線

圖16 負(fù)荷側(cè)電流輸出曲線

圖17 蓄電池?zé)o功輸出曲線

在光伏并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障情況下，系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)母線電壓下降，同時電流上升，與系統(tǒng)變量的潮流變化保持一致；蓄電池組發(fā)出無功，起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓平衡的作用，維持了電壓的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文建立了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)模型，研究了光伏電站接入孤立電網(wǎng)的潮流和暫態(tài)穩(wěn)定影響，通過仿真驗證了模型的正確性，并得出如下結(jié)論。

a.某西部孤立電網(wǎng)最高電壓等級為35 kV，負(fù)荷不大。光伏電源接入電網(wǎng)后，其功率因數(shù)為－0.95（吸收無功）～0.95（發(fā)出無功），將光伏電源出力從0 MW增至10 MW，對電網(wǎng)各點(diǎn)母線電壓影響不大，接入點(diǎn)電壓最大變化率僅為0.928%，能保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

b.蓄電池組能夠保證系統(tǒng)有功平衡，維持系統(tǒng)電壓的恒定，起到了調(diào)頻、調(diào)壓的作用，從而保證了孤立電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及光能利用的高效性。

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Research on Simulation Models and Stability of PV Grid?connected Power System Based on PSASP

HOU Lei1，ZHAO Ming1，YANG Zhi?qiang2，F(xiàn)AN Rui?yi2，LI Shao?bo2
（1.State Grid Electric Power Research Institute of Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050021，China；2.State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050021，China）

System modeling and stability of grid?connected PV power station are studied in this paper.Under PSASP simulation envi?ronment，electromechanical transient models of photovoltaic battery，MPPT controller，battery pack，inverter and DC?DC booster are developed，model of under／over voltage protection，model of under／over frequency protection，model of overcurrent，short?circuit pro?tection and model of voltage unbalance protection are researched.By these models application，a simulation model for power system stability analysis is established.Based on a western isolated grid with PV power station connected，the grid trend effect of PV power connected to the grid by different supply capacity and different power factor，the transient stability effect under fault disturbance are re?searched，the accuracy of this model is proved.

Photovoltaicgeneration；Electromechanicaltransientmodel；Protectionofgrid?connectedPVpowerstation；Transient stability

TM615

A

1004－7913（2016）06－0015－05

侯 磊（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

2016－03－16）