基于PSASP的光伏并網系統建模與穩定性研究

侯 磊，趙 鳴，楊志強，樊銳軼，李少博

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

基于PSASP的光伏并網系統建模與穩定性研究

侯 磊1，趙 鳴1，楊志強2，樊銳軼2，李少博2

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

在PSASP仿真環境下，開發了光伏并網發電系統中的光伏電池、MPPT控制器、蓄電池組、逆變器及DC－DC升壓器的機電暫態模型，研究了光伏并網保護系統中的過／欠電壓保護、過／欠頻保護、過電流及短路電流保護、電壓不平衡保護模型，應用這些模型建立了可用于電力系統穩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為例，研究了光伏電源不同容量、不同功率因數接入方式對電網潮流的影響，以及故障擾動下的暫態穩定影響，驗證了模型的正確性。

光伏發電；機電暫態模型；光伏并網保護；暫態穩定

隨著傳統的化石能源逐漸走向枯竭，太陽能等新能源的開發利用越來越顯現出其重要性［1］。到2007年年底，中國光伏系統的累計裝機容量就達到了100 MW。在我國西部一些高原、山區的電網，其規模比較小，負荷變化比較大，系統相對孤立，但卻有著豐富的太陽能資源，對于發展光伏發電優勢非常明顯。

由于光伏發電出力本身有間歇性和隨機性，在這種孤立電網中，光照的變化和短路故障的出現很容易造成電壓和頻率的不穩定，從而影響供電的電能質量［2］。本文建立了光伏并網發電系統和保護系統模型，對光伏電站接入孤立電網的潮流和暫態穩定影響進行了仿真研究。

1 光伏并網發電系統模型

光伏并網發電系統組成如圖1所示。

圖1 光伏并網發電系統模型

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

1.1 光伏電池模型

光伏電池輸入輸出特性滿足公式：

光伏廠商提供的標準測試條件下4個技術參數VOC、ISC、Vm、Im分別是開路電壓、短路電流和在標準測試環境下最大功率點的電流和電壓。

由上述公式即可得到光伏電池輸出電流與輸入電壓、日照強度、電池溫度之間的關系：

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

逆變器采用電流內環、電壓外環的雙環控制［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節模擬，傳遞函數為

式中：Kpwm為逆變器的增益；τ為調制波的周期。

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根據給定的日照強度S和電池溫度T計算得到。

圖4 MPPT控制原理

1.4 蓄電池機電暫態模型

蓄電池的機電暫態模型如圖5所示。Rs為蓄電池內阻；Us為蓄電池內電勢；Id為蓄電池充放電電流；Vd為蓄電池的輸出端電壓。

圖5 蓄電池機電暫態模型

2 光伏并網保護系統模型

光伏并網保護系統建模步驟如下。

a.對光伏并網保護系統進行調研，查找相關的各種保護功能［6－7］，根據現有的光伏保護標準調整其整定值和整定時間。

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

c.將以上的4種模型組合與光伏并網電流相結合，以實現其保護功能。

2.1 過／欠電壓保護模型

過／欠電壓保護是當電網接口處電壓超出規定的電壓范圍時，光伏系統應停止向電網送電。系統應能檢測到異常電壓并做出反應，電壓的方均根值在電網接口處測量。

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

圖6 過／欠電壓保護動作整定圖

圖7 過／欠電壓保護模型示意圖

2.2 過／欠頻保護模型

過／欠頻保護是當電網接口處頻率超出規定的頻率范圍時，應在規定時間內將光伏系統與電網斷開。大中型光伏電站應具備一定的耐受系統頻率異常能力。過／欠頻保護模型示意圖如圖8所示。

圖8 過／欠頻保護模型示意圖

2.3 過電流及短路保護模型

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，光伏電站連續可靠工作時間不小于1 min；在120%～150%額定電流內，光伏電站連續可靠工作時間應不小于10 s。當檢測到電網側發生短路時，光伏電站向電網輸出的短路電流應不大于額定電流的150%，并在0.1 s以內將光伏系統與電網斷開，模型示意圖如圖9所示。

圖9 過電流及短路保護模型示意圖

2.4 電壓不平衡保護模型

光伏系統并網運行（僅對三相輸出）時，電網接口處的負序電壓不平衡度應不超過2%，短時不得超過4%。負序電壓不平衡度的計算公式為負序電壓與正序電壓的比值。

電壓不平衡保護模型示意圖如圖10所示。

2.5 光伏并網保護系統模型

將4個保護模塊，通過或門相連接，4個保護

圖10 電壓不平衡保護模型示意圖

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

3 算例分析

針對某西部邊遠地區，最高電壓等級為35 kV的孤立電網，進行光伏電源接入電網的潮流和暫態穩定性仿真分析，其電網接線如圖11所示。

圖11 孤立電網接線

其中，火電廠裝機容量為3 MW，水輪機容量為3×1.5 MW，光伏電源額定容量為10 MW，儲能設備容量6 MW，負荷為8 MW。

光伏電站接入380 V配電網，經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

在電網中光伏電源接入點確定的情況下，光伏電源對電網運行的影響包含光伏電源并網后功率的變化對電網電壓的影響及光伏電源不同功率因數對電網電壓的影響等因素。根據光伏電源特性，額定運行時光伏電源的功率因數為－0.95（吸收無功）～0.95（發出無功）。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容量下的系統電壓和靜態穩定狀況。電壓變化如圖12—14所示。

圖12 機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代表光伏機組運行于吸收無功狀態；cosφ＞0代表光伏機組運行于發出無功狀態。

光伏電源功率因數運行于－0.95～0.95時，引起并網點電壓變化的范圍依次增大。離光伏電站越遠，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側母線電壓最大變化率為0.928%，中心變電站35 kV側母線電壓最大變化率為0.584%，都不影響光伏電源正常運行。

由以上研究可知，當光伏電源接入孤立電網，電網電壓等級不太高且負荷不太多的情況下，對電網潮流影響不大，并網母線及相鄰的系統母線電壓水平在標準規定范圍內。

3.2 暫態穩定性分析

網絡故障仿真計算結果如圖15—17所示。1 s時，在光伏電站接入點設置三相短路接地故障，接地阻抗0＋j0.3 p.u.，故障持續時間0.1 s。

圖15 負荷側電壓變化曲線

圖16 負荷側電流輸出曲線

圖17 蓄電池無功輸出曲線

在光伏并網點發生三相短路故障情況下，系統負荷側母線電壓下降，同時電流上升，與系統變量的潮流變化保持一致；蓄電池組發出無功，起到調節系統電壓平衡的作用，維持了電壓的穩定。

4 結論

本文建立了光伏并網發電系統和保護系統模型，研究了光伏電站接入孤立電網的潮流和暫態穩定影響，通過仿真驗證了模型的正確性，并得出如下結論。

a.某西部孤立電網最高電壓等級為35 kV，負荷不大。光伏電源接入電網后，其功率因數為－0.95（吸收無功）～0.95（發出無功），將光伏電源出力從0 MW增至10 MW，對電網各點母線電壓影響不大，接入點電壓最大變化率僅為0.928%，能保證電網的安全穩定運行。

b.蓄電池組能夠保證系統有功平衡，維持系統電壓的恒定，起到了調頻、調壓的作用，從而保證了孤立電網運行的穩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，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，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統運行與控制。

2016－03－16）