典型并网光伏电站的等值建模研究及应用

李春来，王晶，杨立滨

(1.国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁市 810008； 2.东北电力大学自动化工程学院，吉林市 132000)



典型并网光伏电站的等值建模研究及应用

李春来1，王晶2，杨立滨1

(1.国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁市 810008； 2.东北电力大学自动化工程学院，吉林市 132000)

在不同扰动情况下，光伏发电系统的暂态控制策略不同，即使对于同一故障扰动，由于光伏电站存在多种类型逆变器，其控制参数也不尽相同。为明确大规模光伏电站暂态特性，同时避免对每种逆变器都建立详细模型，需要建立扰动情况下的光伏电站等值模型。采用倍乘方法建立了光伏方阵群的等值模型以及光伏逆变器群的等值模型，通过采用青海省海西地区的并网光伏发电站的实测数据进行的仿真验证及误差分析，由仿真结果可知，所提出的光伏逆变器群的等值建模方法和数学模型是有效的。

并网光伏电站；逆变器；等值建模；仿真

0 引 言

随着全球石化资源储量的日渐匮乏以及低碳、环保概念的逐步深化，太阳能等可再生能源的开发与利用日益受到国际社会的重视。2007年初欧盟曾提出，2020年其可再生能源消费将占到全部能源消费的20%，可再生能源发电量将占到全部发电量的30%[1]。近年来，光伏发电的大型化和规模化已成为国内可再生能源发展战略的重要内容，同时也是引导光伏产业发展的必由之路[2]。如我国青海省的光伏发电产业，以青海为代表的西部地区太阳能资源非常丰富，并拥有广阔平坦的荒漠和戈壁，具备良好的规模化太阳能发电资源、环境条件、电价政策及政府支持。《青海省柴达木盆地千万千瓦级光伏发电基地规划报告(2010—2030年)》[3]提出：2010年底柴达木盆地并网光伏电站装机容量达到200 MW；2011—2015年新增并网光伏电站装机容量3 GW，总装机容量达3.2 GW；2020年总装机达7.5 GW；2030年总装机达20 GW。

但由于光伏发电其自身不同于热电厂等常规电源的发电特性，大容量光伏电站并网将给电网安全稳定运行带来严峻挑战[4-6]。因此，大型并网光伏电站及其接入系统运行特性的研究成为目前光伏发电产业和电力领域共同关心的重要课题。

目前，国内外学者对光伏电站模型的研究已经很多，可归纳为独立核心部件建模以及整体建模两种[2]。核心部件建模主要是以逆变器为核心，将光伏阵列、集电线路等按逆变器拓扑结构进行化简，如文献[7-8]；整体建模即按照光伏发电系统各个部件的连接顺序，对各个部件的拓扑结构进行等值化简。从而得到的光伏电站的等值模型，如文献[9-10]。核心部件建模缺乏整体协调性，整体建模虽然思路清晰，但往往难度较大，且不利于对大规模、含多种类型光伏组件和逆变器的光伏电站特性的研究。

因此，本文在前期研究的基础上，以逆变器核心，从光伏电站整体建模的思路出发，建立完善的光伏电站逆变器群的整体等值数学模型，并利用DIgSILENT/PowerFactory软件，根据青海省海西地区黄河水电格尔木光伏发电站的数据进行仿真分析。

1 光伏方阵等值模型

光伏方阵将太阳能转换为直流电能，输出至光伏逆变器。为提高光伏方阵的输出功率，同时匹配逆变器额定功率，通常将多个光伏组件进行串、并联组成一个方阵。根据文献[11-15]得知任意光照度和任意电池温度下的光伏方阵的等值模型为

(1)

2 光伏逆变器的等值建模

逆变器是光伏发电系统中的核心部件，直接关系到系统的运行性能。光伏并网逆变器是将太阳电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备[11]。滤波器可以消除开关动作引起的高频谐波含量，有L型、LC型、LCL型多种结构，实际中多采用LC型或LCL型滤波器以降低滤波器的体积和损耗。从电网分析的角度看，滤波器类型对分析结果的影响较小，本文采用L型滤波器以简化分析。

2.1 光伏逆变器的电磁暂态模型

光伏逆变器的电磁暂态模型主要分为控制器模型和逆变器本体模型。控制器模型主要包括有功功率控制策略、无功功率控制策略、电流限幅策略、故障穿越控制策略、电流控制器和退出运行策略[16-21]。逆变器本体模型是指逆变器的电路模型。

为了建立适用于电力系统机电暂态仿真的光伏逆变器机电暂态模型(root mean square，RMS)，需要在电磁暂态模型的基础上，进行合理的简化。

只考虑电网基波正序分量；交流侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和，R为交流侧等效电阻；忽略导通关断时间、导通损耗和开关损耗，简化电源管理单元(pressure measuring unit，PMU)过程；逆变器本体模型简化为图1所示。

图1 逆变器本体简化模型

通过对逆变器本体模型和电流控制器的简化，就得到了逆变器的RMS暂态模型逆变器模型，如图2所示。

2.2 光伏逆变器群等值建模

为研究大规模光伏电站暂态特性，同时避免对每种逆变器都建立详细模型，需要建立扰动情况下的光伏电站等值模型。以包含8种光伏逆变器的光伏电站为例，各逆变器的参数如表1所示。

图2 逆变器的机电暂态模型

扰动设置在电站送出线路发生三相短路故障，根据故障后母线电压跌落深度不同，分为小扰动和大扰动2种情况，分别建立光伏电站的等值模型。

2.2.1 小扰动工况下等值建模

电站送出线路发生三相短路故障，各光伏逆变器交流侧电压跌至0.92 pu附近，等值建模思路是通过计算逆变器参数的灵敏度，获得各逆变器之间的特征距离，根据每台逆变器与其他逆变器的特征距离之和，以特征距离之和最小为电站的等值机。

电网电压小扰动情况下，光伏逆变器采用PI控制策略，分别计算PI控制器的4个参数Kpp、Kip、Kpq、Kiq对有功输出和无功输出的灵敏度。

表1 逆变器参数表

Table 1 Parameters of inverter

注：Kip、Kpp、Kiq、Kpq分表表逆变器PI控制的有功电流控制参数、有功功率控制参数、无功电流控制参数、无功功率控制参数；Kqz、Kpz、Kql、K分表表示逆变器低电压穿越控制的零电压无功电流控制参数、零电压有功电流控制参数、低电压无功电流控制参数、有功电流上身斜率控制参数。

根据参数有功灵敏度和无功灵敏度，得到各逆变器与其他逆变器的特征距离之和如表2所示。

表2 各逆变器之间的特征距离之和

Table 2 Sum of characteristic distance between inverters

从表2可看出，基于参数有功灵敏度的特征距离之和中，逆变器5和逆变器8与其他逆变器的特征距离之和最小；基于参数无功灵敏度的特征距离之和汇总，逆变器5、6、8与其他逆变器的特征距离之和最小。因此可以选择逆变器5或逆变器8的控制器参数作为光伏电站等值机的参数。

2.2.2 大扰动工况下等值建模

大扰动情况指的是电站送出线路发生三相短路故障时，各光伏逆变器交流侧电压跌至0.9 pu以下，此时光伏逆变器采用低电压控制策略。其中，电压为0.2～0.9 pu时，光伏逆变器以提供无功支撑为主，控制参数为Kql；电压为0.0～0.2 pu时，采用零电压穿越控制策略，控制参数为Kqz、Kpz。

在这种情况下，选择一种暂态电压跌落瞬间与动态轨迹相结合的聚类目标，将故障期间动态行为相似的光伏逆变器进行聚类等值。

定义电压跌落瞬间，各逆变器电压跌落幅度之间的差异为

(2)

(3)

式中：Δvk(t0)为光伏逆变器k在系统故障时刻t0电压跌落值；vk0为故障前并网点稳态电压值；D1ij为切比雪夫距离，表示不同光伏逆变器在t0时刻暂态电压跌落的不同程度。

定义故障期间，各逆变器电压动态特性的相似性

(4)

式中：Δvi(t)为光伏逆变器i在故障持续时间段t内的电压跌落值；D2ij为欧式距离，表示故障期间各逆变器的动态轨迹整体相似度。

综合考虑D1ij和D2ij，得到一种综合距离指标

Dij=α(D1ij/∑D1ij)+(1-α)(D2ij/∑D2ij)

(5)

式中α为权重系数，可取0.5。

电站送出线路发生三相短路故障，各光伏逆变器交流侧电压跌至0.4pu附近，计算各逆变器之间的综合距离指标Dij，如表3所示。

表3 各逆变器之间的综合距离

Table 3 Comprehensive distance between inverters

根据各逆变器的综合距离指标，采用聚类方法，分为3个群，群1包括逆变器1、7；群2包括逆变器2、3、4、5、6；群3包括逆变器8。其中，群1以逆变器1参数为等值机参数、群2以逆变器3参数为等值机参数、群3即为逆变器8。最后，3台等值机大扰动情况下控制参数以容量为权值进行加权，得到光伏电站大扰动情况下控制参数：Kql=1.2，Kqz=1.075，Kpz=1.2，K=2.8。

3 集电升压系统等值建模

根据光伏发电站的拓扑结构，电站的等值模型如图3所示，集电升压系统等值为单台变压器或两级串联变压器。

图3 光伏发电站升压系统静态模型

根据光伏发电站内各逆变器的交流侧额定电压确定发电单元升压变压器的低压侧母线电压等级，一般为270～400 V。根据光伏发电站接入系统电压等级的不同，确定光伏发电站单机等值模型的变压器台数：接入10 kV或35 kV电压等级的光伏发电站使用一级升压变压器压器，接入66 kV及以上电压等级的光伏发电站使用两级或多级升压变压器压器。下面对电站模型的各个子模块分别进行研究。

3.1 单元升压变压器等值建模

当采用2级升压变压器并网模式时，逆变器出口侧接发电单元变压器升压后传输至集电线路。在实际电站中，光伏发电单元包含2组相同类型、容量的光伏方阵、逆变器和三绕组变压器。

将光伏逆变器的并网接口视为受控电流源，电网等值为电压源。由于光伏发电单元内的2组光伏方阵和逆变器类型和容量相同，且光伏发电单元箱变的2个低压侧参数相同，因此忽略光伏发电单元箱变两个低压侧母线电压幅值和相位的差异，建立光伏发电单元等值模型如图4所示。

等值模型参数计算如下：

(1)Ipv_∑=Ipv_A+Ipv_B；Ipv_A和Ipv_B分别表示2台逆变器等效的电流源。

(2)高压侧电压UH，低压侧电压UL，容量Sn。

(3)接线方式不变。

(4)高压侧励磁阻抗Gm+jBm不变，低压侧励磁

图4 光伏发电单元等值模型

阻抗忽略。

(5)短路电压Uk%：首先，根据三绕组变压器相间短路电压计算各单相短路电压，再计算各绕组的等值漏抗X1、X2、X3，X∑=X1+(X2//X3)，最后根据计算等值后Uk%。

(6)铜损P∑=∑P(x)(其中，x=1，2，3)。

3.2 电站集电升压等值建模

在上述分析的基础上，将多个光伏发电单元等值为单机模型。其中，站内各箱变的励磁绕组等值为单台升压变压器的励磁绕组，站内箱变的绕组损耗及线路损耗等值单台升压变压器的绕组损耗。

变压器绕组参数计算包括短路损耗和短路电压。等值升压变压器绕组参数计算过程中需分别考虑单元箱变绕组和馈电线路传输电能对等值参数的影响。

等值升压变压器的短路损耗为各单元等值升压变压器短路损耗与站内馈线输送电能的有功损耗之和。

变压器绕组等值电抗X∑为线路总无功损耗折算的等值电抗X∑1与各单元箱变绕组并联电抗X∑2之和，根据X∑求得变压器短路电压Uk%。

等值升压变压器励磁参数。分别计算升压变压器空载损耗和空载电流。等值升压变压器的空载损耗为各单元等值箱变空载损耗之和。

等值升压变压器的空载电流I0%根据各单元等值升压变压器励磁电纳Bm(i)并联电纳Bm∑求得。

3.3 厂站级控制器建模

当光伏发电站参与系统调压和调频时，需要搭建站级控制模型，主要包括厂站级有功功率控制和无功电压控制。有功功率控制根据光伏发电站最大输出功率水平以及并网点频率确定有功功率输出指令；无功电压控制根据并网点电压水平确定无功指令。

光伏发电站单机等值系统的控制总框图如图5所示，包括站级控制模型、单机等值模型、光伏发电单机并网接口模型。

图5 光伏发电站场站级控制总框图

正常运行状态时，光伏发电站有功控制跟踪上级调度指令，同时监测并网点频率。当系统频率低于上限值时，光伏发电站采用最大功率追踪策略，增加输出功率。当系统频率超过频率上限值时，按照-0.4 pu/Hz的斜率限制电站输出功率，主动参与系统频率调整，减轻系统的调频压力。

光伏发电站无功控制监测并网点电压，根据并网点电压调整光伏发电站无功输出功率。并网点电压US与参考值USref的偏差值输入至PI控制器，计算得到站级无功指令Qord。当并网点电压低于参考值时，增加无功功率输出维持电网电压。

4 光伏电站仿真分析

在Matlab软件中分别搭建了光伏发电站的方阵等值模型、逆变器等值模型、集电升压系统等值模型，并以我国光伏装机最大的区域电网——青海海西地区为例进行仿真研究。黄河格尔木光伏发电站装机容量达到200 MW，是海西地区装机容量最大的光伏发电站，电站接入电网电压等级330 kV，对系统的影响较大。

4.1 辐照度扰动

初始状态，光伏发电站满功率运行，2 s时其中50 MW的光伏方阵由于云层遮挡其辐照度按照一定的斜率降低，5 s时以较缓慢的速率恢复，如图6(a)所示。光伏发电站输出功率特性如图6(b)所示。

辐照度下降引起光伏发电站有功输出功率随之下降；有功输出功率的波动引起光伏发电站并网点电压的波动，进而引起光伏发电站无功输出功率波动；电站内50 MW光伏逆变器群的输出功率波动引起的格尔木燃气电站输出功率波动较小。

4.2 光伏发电站近端短路故障

以格尔木330 kV变电站为例进行研究。在格尔木330 kV母线上2 s时发生三相瞬时故障，2.1 s故障切除，短路阻抗0.1 Ω，网络各节点母线电压跌落情况如图7(a)所示，光伏发电站输出功率特性如图7(b)所示。

图6 黄河水电格尔木光伏发电站辐照度扰动仿真

图7 黄河水电格尔木光伏发电站近端短路仿真

图8 黄河水电格尔木光伏发电站远端短路仿真

故障发生瞬间光伏发电站并网点电压跌落至0，故障期间光伏发电站优先输出无功电流支撑电网电压，但由于并网点电压跌落至0，光伏发电站无功输出功率基本为0。

4.3 光伏发电站远端短路故障

以乌兰330 kV变电站为例进行研究。在乌兰330 kV母线上2 s时发生三相瞬时故障，2.1 s故障切除，短路阻抗0.1 Ω，网络各节点母线电压跌落情况如图8(a)所示，光伏发电站输出功率特性如图8(b)所示。

短路点距离光伏发电站并网的电气距离较远，同样的短路故障，引起光伏发电站并网点电压跌落至0.7 pu。由光伏发电站控制策略可知，光伏发电站切换至低电压穿越控制模式，根据电压跌落程度优先输出无功电流，在未达到电流限值情况下输出部分有功电流。与近端故障状态不同，光伏发电站并网点电压未跌落至零，输出无功功率支撑接近额定功率状态。

5 结 论

本文基于不同扰动方式，建立了光伏电站的等值模型。采用分块建模的方法对光伏方阵、逆变器、控制器以及集电升压线路分别进行了建模。本模型考虑到每种逆变器在不同故障时的控制参数逆变器不同，采用聚类等值的方法建立了逆变器的等值模型，避免了对每种逆变器建立模型。并根据青海海西地区的实际情况进行了扰动方式下的仿真实验，通过对仿真曲线的分析，建立的模型能较准确的模拟电站的实际运行情况。本文的研究工作，可作为分析光伏电站暂态运行的有效手段，为光伏电站接入电网对电网产生的影响分析等问题的研究提供参考。

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(编辑：蒋毅恒)

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

国家科技支撑计划项目(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

李春来(1980)，男，硕士，副高级工程师，从事风电、太阳能等新能源发电及并网技术领域的研究工作；

王晶(1990)，女，硕士研究生，从事太阳能发电及并网技术领域的研究工作；

杨立滨(1985)，男，硕士，工程师，从事风电、太阳能等新能源发电及并网技术领域的研究工作。

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