基于PSASP的光伏并网系统建模与稳定性研究

侯 磊，赵 鸣，杨志强，樊锐轶，李少博

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，河北 石家庄 050021）

基于PSASP的光伏并网系统建模与稳定性研究

侯 磊1，赵 鸣1，杨志强2，樊锐轶2，李少博2

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，河北 石家庄 050021）

在PSASP仿真环境下，开发了光伏并网发电系统中的光伏电池、MPPT控制器、蓄电池组、逆变器及DC－DC升压器的机电暂态模型，研究了光伏并网保护系统中的过／欠电压保护、过／欠频保护、过电流及短路电流保护、电压不平衡保护模型，应用这些模型建立了可用于电力系统稳定性分析的光伏电站仿真模型。最后，以接入光伏电站的某西部孤立电网为例，研究了光伏电源不同容量、不同功率因数接入方式对电网潮流的影响，以及故障扰动下的暂态稳定影响，验证了模型的正确性。

光伏发电；机电暂态模型；光伏并网保护；暂态稳定

随着传统的化石能源逐渐走向枯竭，太阳能等新能源的开发利用越来越显现出其重要性［1］。到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量就达到了100 MW。在我国西部一些高原、山区的电网，其规模比较小，负荷变化比较大，系统相对孤立，但却有着丰富的太阳能资源，对于发展光伏发电优势非常明显。

由于光伏发电出力本身有间歇性和随机性，在这种孤立电网中，光照的变化和短路故障的出现很容易造成电压和频率的不稳定，从而影响供电的电能质量［2］。本文建立了光伏并网发电系统和保护系统模型，对光伏电站接入孤立电网的潮流和暂态稳定影响进行了仿真研究。

1 光伏并网发电系统模型

光伏并网发电系统组成如图1所示。

图1 光伏并网发电系统模型

在本次设计中，重点研究光伏电池、MPPT控制器、逆变器及交流连接装置的模型，直流负荷及交流负荷不在考虑范围之内。

1.1 光伏电池模型

光伏电池输入输出特性满足公式：

光伏厂商提供的标准测试条件下4个技术参数VOC、ISC、Vm、Im分别是开路电压、短路电流和在标准测试环境下最大功率点的电流和电压。

由上述公式即可得到光伏电池输出电流与输入电压、日照强度、电池温度之间的关系：

光伏模型阵列示意图如图2所示。

图2 光伏模型阵列示意图

1.2 逆变器模型

逆变器采用电流内环、电压外环的双环控制［3－4］，控制原理如图3所示。

图3 逆变器控制原理

逆变器本身的模型可用惯性环节模拟，传递函数为

式中：Kpwm为逆变器的增益；τ为调制波的周期。

1.3 MPPT控制模型

MPPT控制方法采用电压跟踪法［5］，其原理如图4所示。Viref根据给定的日照强度S和电池温度T计算得到。

图4 MPPT控制原理

1.4 蓄电池机电暂态模型

蓄电池的机电暂态模型如图5所示。Rs为蓄电池内阻；Us为蓄电池内电势；Id为蓄电池充放电电流；Vd为蓄电池的输出端电压。

图5 蓄电池机电暂态模型

2 光伏并网保护系统模型

光伏并网保护系统建模步骤如下。

a.对光伏并网保护系统进行调研，查找相关的各种保护功能［6－7］，根据现有的光伏保护标准调整其整定值和整定时间。

b.分别对过／欠电压保护、过／欠频保护、过电流及短路电流保护、电压不平衡保护进行模型搭建。

c.将以上的4种模型组合与光伏并网电流相结合，以实现其保护功能。

2.1 过／欠电压保护模型

过／欠电压保护是当电网接口处电压超出规定的电压范围时，光伏系统应停止向电网送电。系统应能检测到异常电压并做出反应，电压的方均根值在电网接口处测量。

大中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常能力，避免在电网电压异常时脱离，其动作保护整定如图6所示。过／欠电压保护模型如图7所示。

图6 过／欠电压保护动作整定图

图7 过／欠电压保护模型示意图

2.2 过／欠频保护模型

过／欠频保护是当电网接口处频率超出规定的频率范围时，应在规定时间内将光伏系统与电网断开。大中型光伏电站应具备一定的耐受系统频率异常能力。过／欠频保护模型示意图如图8所示。

图8 过／欠频保护模型示意图

2.3 过电流及短路保护模型

光伏电站需具备一定的过电流能力，在1.2倍额定电流以下，光伏电站连续可靠工作时间不小于1 min；在120%～150%额定电流内，光伏电站连续可靠工作时间应不小于10 s。当检测到电网侧发生短路时，光伏电站向电网输出的短路电流应不大于额定电流的150%，并在0.1 s以内将光伏系统与电网断开，模型示意图如图9所示。

图9 过电流及短路保护模型示意图

2.4 电压不平衡保护模型

光伏系统并网运行（仅对三相输出）时，电网接口处的负序电压不平衡度应不超过2%，短时不得超过4%。负序电压不平衡度的计算公式为负序电压与正序电压的比值。

电压不平衡保护模型示意图如图10所示。

2.5 光伏并网保护系统模型

将4个保护模块，通过或门相连接，4个保护

图10 电压不平衡保护模型示意图

中只要有1个动作，就发出跳闸信号1，将跳闸信号取反后与光伏系统的输出电流相乘即可保证系统在检测到超出规定范围电气量的同时，将光伏系统与电网断开。

3 算例分析

针对某西部边远地区，最高电压等级为35 kV的孤立电网，进行光伏电源接入电网的潮流和暂态稳定性仿真分析，其电网接线如图11所示。

图11 孤立电网接线

其中，火电厂装机容量为3 MW，水轮机容量为3×1.5 MW，光伏电源额定容量为10 MW，储能设备容量6 MW，负荷为8 MW。

光伏电站接入380 V配电网，经1台容量1 250 kVA、额定电压400 V的双绕组变压器连接到10 kV母线，同时通过1台两绕组升压变压器与35 kV母线相连。

3.1 光伏接入对潮流的影响

在电网中光伏电源接入点确定的情况下，光伏电源对电网运行的影响包含光伏电源并网后功率的变化对电网电压的影响及光伏电源不同功率因数对电网电压的影响等因素。根据光伏电源特性，额定运行时光伏电源的功率因数为－0.95（吸收无功）～0.95（发出无功）。将光伏电源出力从0 MW增至10 MW，以考查光伏电源不同出力水平和装机容量下的系统电压和静态稳定状况。电压变化如图12—14所示。

图12 机端母线电压变化曲线

图13 中心变电站10 kV母线电压变化曲线

图14 中心变电站35 kV母线电压变化曲线

其中：cosφ＜0代表光伏机组运行于吸收无功状态；cosφ＞0代表光伏机组运行于发出无功状态。

光伏电源功率因数运行于－0.95～0.95时，引起并网点电压变化的范围依次增大。离光伏电站越远，母线电压影响越小。光伏电站出口电压最大变化率为1.089%，中心变电站10 kV侧母线电压最大变化率为0.928%，中心变电站35 kV侧母线电压最大变化率为0.584%，都不影响光伏电源正常运行。

由以上研究可知，当光伏电源接入孤立电网，电网电压等级不太高且负荷不太多的情况下，对电网潮流影响不大，并网母线及相邻的系统母线电压水平在标准规定范围内。

3.2 暂态稳定性分析

网络故障仿真计算结果如图15—17所示。1 s时，在光伏电站接入点设置三相短路接地故障，接地阻抗0＋j0.3 p.u.，故障持续时间0.1 s。

图15 负荷侧电压变化曲线

图16 负荷侧电流输出曲线

图17 蓄电池无功输出曲线

在光伏并网点发生三相短路故障情况下，系统负荷侧母线电压下降，同时电流上升，与系统变量的潮流变化保持一致；蓄电池组发出无功，起到调节系统电压平衡的作用，维持了电压的稳定。

4 结论

本文建立了光伏并网发电系统和保护系统模型，研究了光伏电站接入孤立电网的潮流和暂态稳定影响，通过仿真验证了模型的正确性，并得出如下结论。

a.某西部孤立电网最高电压等级为35 kV，负荷不大。光伏电源接入电网后，其功率因数为－0.95（吸收无功）～0.95（发出无功），将光伏电源出力从0 MW增至10 MW，对电网各点母线电压影响不大，接入点电压最大变化率仅为0.928%，能保证电网的安全稳定运行。

b.蓄电池组能够保证系统有功平衡，维持系统电压的恒定，起到了调频、调压的作用，从而保证了孤立电网运行的稳定性以及光能利用的高效性。

［1］Oman H.Space solar power development［J］.IEEE AES Sys⁃tems Magazine，2000，15（2）：3－8.

［2］李 晶，许洪华，赵海翔，等.并网光伏电站动态建模及仿真分析［J］.电力系统自动化，2008，32（24）：83－86.

［3］顾和荣，杨子龙，邬伟扬.并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（9）：108－112.

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［5］周 林，武 剑，栗秋华，等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述［J］.高电压技术，2008，34（6）：1 145－1 154.

［6］张燕妮.浅谈光伏发电的方案设计［J］.东北电力技术，2014，35（2）：34－36.

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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，FAN 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，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统运行与控制。

2016－03－16）