具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真建模

魏承志，劉幸蔚，陳曉龍，文　安，劉　年，黃維芳

（1.南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510623；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真建模

魏承志1，2，劉幸蔚3，陳曉龍3，文安1，2，劉年1，黃維芳1，2

（1.南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510623；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

為滿足最新國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定（GB 19964—2012）》對光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力的要求，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，本文介紹了具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真建模方法。通過設(shè)計(jì)卸荷電路，使直流側(cè)電壓能夠在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時，穩(wěn)定在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)電壓跌落程度輸出相應(yīng)的無功功率。正常運(yùn)行及故障情況下的仿真結(jié)果與實(shí)際光伏產(chǎn)品的調(diào)研結(jié)果對比表明，搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確地反映其實(shí)際特性，并具有較強(qiáng)的直觀性與可調(diào)性。

光伏發(fā)電單元；最大功率點(diǎn)跟蹤控制；并網(wǎng)逆變器控制；低電壓穿越控制；仿真建模

太陽能作為一種無污染、可再生的新能源，越來越受到青睞。利用太陽能光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，越來越多的光伏電站開始并網(wǎng)運(yùn)行，裝機(jī)容量也在不斷增加。為了順利開展光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行特性的研究，具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模不可或缺。PSCAD/EMTDC仿真平臺具有準(zhǔn)確完整的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計(jì)算內(nèi)核、友好的用戶界面和良好的開放性和靈活性等特點(diǎn)，非常適合光伏發(fā)電領(lǐng)域的仿真研究［1］。但是，PSCAD/EMTDC仿真平臺自帶的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型采用的是基于單閉環(huán)的電壓型控制方式，并網(wǎng)時容易出現(xiàn)環(huán)流問題且抗干擾性差，也不具備低電壓穿越能力。因此，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。然而，許多文獻(xiàn)介紹的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模并不全面，并且所介紹的低電壓穿越特性與目前產(chǎn)品的實(shí)際特性不符。文獻(xiàn)［1-3］介紹了光伏發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，搭建了通用的光伏發(fā)電模型，但是沒有提及低電壓穿越控制策略。文獻(xiàn)［4-6］介紹了低電壓穿越的控制策略，但是所介紹的控制策略并不完善，沒有詳細(xì)地闡明如何穩(wěn)定直流側(cè)電壓以及控制無功輸出，并且沒有涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的其他模塊的建模方法。

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，本文詳細(xì)介紹了具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的搭建方法。該模型主要包括光伏發(fā)電單元、最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制單元以及并網(wǎng)逆變器控制單元等。其中，基于光伏發(fā)電單元數(shù)學(xué)模型，用直觀的電氣元件對其進(jìn)行模擬，使其具有良好的可調(diào)性。此外，根據(jù)最新的國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定（GB 19964-2012）》［7］，經(jīng)過對并網(wǎng)光伏逆變器生產(chǎn)廠家的實(shí)地調(diào)研，本文提出了包含零電壓穿越在內(nèi)的低電壓穿越控制策略，使得所建模型的低電壓穿越特性與目前產(chǎn)品的實(shí)際特性相符。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生一定程度的電壓跌落時，直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)，從而保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在一定時間內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)電壓跌落程度輸出相應(yīng)的無功功率，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，對搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型分別進(jìn)行了在正常運(yùn)行與故障情況下的仿真驗(yàn)證。

1　光伏發(fā)電單元

光伏發(fā)電單元將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。光伏模塊由多個光伏電池串聯(lián)組成，光伏發(fā)電單元由多個光伏模塊串并聯(lián)組成，其輸出電流和輸出電壓的關(guān)系［8］為

式中：I為光伏發(fā)電單元的輸出電流；V為光伏發(fā)電單元的輸出電壓；Isc為光生電流；Io為二極管飽和電流；Np和Ns分別為并聯(lián)和串聯(lián)的光伏模塊數(shù)；q為電子電量常數(shù)，其值為1.602×10-19C；k為玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K；T為絕對溫度值；n為二極管特性擬合系數(shù)，可取為1.5；Rs為等值串聯(lián)電阻。

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，二極管飽和電流的修正量［2，8］為

式中：Io，ref為標(biāo)準(zhǔn)狀況下二極管的飽和電流；Eg為禁帶寬度；m為光伏模塊中所串聯(lián)的光伏電池?cái)?shù)；Tref為參考溫度，通常為298 K；Isc，ref為標(biāo)準(zhǔn)狀況下光伏模塊的短路電流；Voc，ref為標(biāo)準(zhǔn)狀況下光伏模塊的開路電壓。

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光生電流的修正量［2］為

式中：S為光照強(qiáng)度；Sref為參考光照強(qiáng)度，通常取1 000 W/m2；J為短路電流溫度系數(shù)。

2　最大功率點(diǎn)跟蹤控制單元

隨著外界光照強(qiáng)度和溫度的變化，光伏發(fā)電單元的輸出功率、電壓和電流也會發(fā)生變化。在光照強(qiáng)度或者溫度一定的情況下，光伏發(fā)電單元的U-P特性曲線是極大值為最大功率點(diǎn)的單峰曲線［9］。為了使光伏發(fā)電單元的工作效率達(dá)到最高，需要進(jìn)行MPPT控制。具有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　具有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.1　Photovoltaic power system with MPPT

通過測量光伏發(fā)電單元的輸出電壓與電流，MPPT控制單元計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下的輸出功率，并通過控制策略使得輸出電壓為最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率為最大功率。MPPT的控制策略有很多，如恒壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等。其中，電導(dǎo)增量法具有控制效果好、控制穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，并且不受功率時間曲線的影響［9］。根據(jù)U-P特性曲線，在最大功率點(diǎn)處滿足dP/dV=0。dP/dV的推導(dǎo)公式為

逆變器在正常工作時，需要較高的直流側(cè)電壓。然而，光伏發(fā)電單元最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓通常比較低。為獲得更高的逆變器直流側(cè)電壓，需要串聯(lián)更多的光伏電池單體模塊，如此則會對單體模塊的管理以及系統(tǒng)的可靠性帶來不利的影響［10］。雙級式的功率變換器，即在DC/AC逆變器之前加一級DC/DC升壓斬波電路，則能夠解決這一問題。在升壓斬波電路中，其輸出電壓為逆變器的直流側(cè)電壓，該電壓由逆變器外環(huán)控制環(huán)節(jié)維持恒定。此時，只需調(diào)節(jié)升壓斬波電路中IGBT門極控制信號的占空比，即可使光伏發(fā)電單元的輸出電壓等于最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率為最大功率。

3　逆變器并網(wǎng)控制單元

通過一定的并網(wǎng)控制策略，逆變器能夠使得輸出電能的質(zhì)量滿足并網(wǎng)要求。并網(wǎng)控制策略通常采用雙閉環(huán)控制方式。其中，控制外環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的控制目標(biāo)，并產(chǎn)生控制內(nèi)環(huán)的參考信號，而控制內(nèi)環(huán)則進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，改善輸出電能的質(zhì)量［11］。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電單元輸出的直流量經(jīng)過逆變器并網(wǎng)控制單元轉(zhuǎn)換為交流量，再經(jīng)過濾波后并入電網(wǎng)。該單元控制外環(huán)的目的是維持直流側(cè)電壓恒定，并且能夠控制系統(tǒng)輸出一定的無功（正常運(yùn)行時無功通常為零）。恒直流側(cè)電壓和恒無功功率控制外環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　恒直流側(cè)電壓和恒無功功率控制外環(huán)的結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of outer-loop controller for constant DC voltage and constant reactive power control

由于控制外環(huán)的主要目的是維持直流側(cè)電壓恒定，因此可按典型的Ⅱ型系統(tǒng)對其PI參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高其抗干擾的能力?？刂仆猸h(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)［12］為

式中：C為直流側(cè)電容值；τv為電壓采樣小慣性時間常數(shù)；Tv為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；Ts為PWM開關(guān)周期。

控制內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對注入到電網(wǎng)的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。該環(huán)節(jié)首先將三相輸出電流的瞬時值經(jīng)過派克變換，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流信號。然后，再與控制外環(huán)輸出的參考信號進(jìn)行比較。兩者的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，再與電壓前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行配合，便可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出有功和無功的解耦控制。控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　dq坐標(biāo)系下控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of inner-loop controller in dq frame

控制內(nèi)環(huán)PI參數(shù)同樣按照典型Ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以利于提高抗干擾能力?？刂苾?nèi)環(huán)的PI參數(shù)計(jì)算式［12］為

式中：L為網(wǎng)側(cè)濾波電感值；KPWM為PWM逆變器的等效增益，其值為直流側(cè)電壓幅值和三角波載波幅值之比；τi為電流采樣小慣性時間常數(shù)。

4　低電壓穿越控制策略

隨著光伏出力的不斷增大以及光伏滲透率的不斷提高，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，光伏電站脫網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響也在不斷擴(kuò)大。光伏電站低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）是指當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動引起光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，光伏電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行［7］。

最新《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》指出，大中型光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0時，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.15 s；另外，該規(guī)定還對在低電壓穿越過程中光伏電站的動態(tài)無功支撐能力提出了具體要求。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略主要解決并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落所帶來的兩個問題：一個是逆變器直流側(cè)電壓存在的過電壓問題，另一個是逆變器如何實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功支撐的問題。下面就從穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓和控制逆變器輸出電流兩個方面來介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略。

4.1逆變器直流側(cè)電壓的控制

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時，光伏發(fā)電單元輸出的部分有功不能及時輸出到電網(wǎng)，這部分有功向直流側(cè)電容充電，導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升。通過對并網(wǎng)光伏逆變器生產(chǎn)廠家的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在低電壓穿越期間，通過控制光伏發(fā)電單元的輸出電壓接近其開路電壓的方法使其輸出的有功減小，從而保證直流側(cè)電壓不超出其限定值。在本模型中，設(shè)計(jì)了由IGBT和卸荷電阻構(gòu)成的橇棒電路。在低電壓穿越期間，由撬棒電路來消耗掉不能及時輸出的有功，從而限制逆變器直流側(cè)電壓的升高。在建模中，撬棒電路的設(shè)計(jì)更加簡便，并且其效果和控制光伏發(fā)電單元輸出電壓這種方法的效果相同。帶有撬棒電路的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　帶撬棒電路的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4　Structure of PV power system with crowbar circuit

在啟動低電壓穿越控制策略之后，當(dāng)直流側(cè)電壓超過限定值時，撬棒電路導(dǎo)通，卸荷電阻接入回路，消耗滯留的有功。否則，撬棒電路的開關(guān)器件關(guān)斷，卸荷電阻無法形成通路。撬棒電路中卸荷電阻的取值按照電壓跌落最嚴(yán)重的情況計(jì)算得到，從而保證當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于0.9UN（UN為光伏發(fā)電系統(tǒng)額定電壓）時直流側(cè)電壓均不會超出限定值。根據(jù)最新規(guī)定，光伏電站需具備零電壓穿越的能力。此時，消耗在卸荷電阻上的功率最多，其值為PN（PN為光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率）。若直流側(cè)電壓的限定值為Ulim，則卸荷電阻Rload的計(jì)算式為

4.2逆變器輸出電流的控制

根據(jù)最新規(guī)定，在低電壓穿越期間，光伏電站需要能夠根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度輸出一定的無功，以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。自動態(tài)無功電流響應(yīng)起直到電壓恢復(fù)至0.9 p.u.期間，光伏電站注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流Isq應(yīng)實(shí)時跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并滿足

式中：Isq為輸出電流的無功分量；Us為并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為光伏電站額定電流；K1≥1.5；K2≥1.05。

最新規(guī)定更加注重光伏電站在低電壓穿越期間的無功支撐能力，當(dāng)電壓跌落程度較低時，輸出的無功電流值將大于IN。在工程實(shí)際產(chǎn)品中，在低電壓穿越期間，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功不超過0.1PN。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于0.9UN時，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功保持恒定，輸出的無功為零。

為了便于實(shí)現(xiàn)對有功和無功解耦控制，建模時可將電網(wǎng)電壓合成矢量定向于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，則光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率計(jì)算式［13］為

式中：Pout和Qout分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功和無功；Usd和Usq分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的d軸分量和q軸分量；Isd和Isq分別為輸出電流的有功分量和無功分量。因此，在低電壓穿越期間，通過控制電流內(nèi)環(huán)的有功和無功電流基準(zhǔn)值，即可滿足規(guī)定中對光伏發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)無功支撐能力的要求，同時能夠使其有功輸出不超過0.1PN。

此外，在低電壓穿越期間，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流可能增大。由于電力電子器件耐壓和過載能力的限制，需配置限流環(huán)節(jié)，工程上通常將最大輸出電流設(shè)置為1.2IN。

5　仿真實(shí)例

根據(jù)上述建模方法，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光伏發(fā)電單元采用50串20并的連接方式，額定容量為210 kV·A，光伏模塊的具體參數(shù)可參考文獻(xiàn)［2］。逆變器直流側(cè)的額定電壓為800 V，開關(guān)頻率為3 900 Hz。控制外環(huán)的PI參數(shù)為：比例系數(shù)Kp=12，時間積分常數(shù)Ti=0.01 s；控制內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)為：Kp=6，Ti=0.005 s。濾波環(huán)節(jié)采用帶接地電阻的LCL型濾波器，根據(jù)文獻(xiàn)［14］中參數(shù)設(shè)計(jì)方法，逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電感值分別為0.8 mH和0.4 mH，濾波電容值為110 μF，電容串聯(lián)電阻值為1 Ω。

為了便于對搭建的具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將該系統(tǒng)經(jīng)過升壓變壓器與10.5 kV電網(wǎng)相連，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。其中：線路阻抗值為0.27+j0.345 Ω/km；線路AF、FG、AB、BC和DE的長度都是1 km；線路CD的長度為20 km。負(fù)載LD1的額定容量為3 MV·A，負(fù)載LD2的額定容量為1.2 MV·A，負(fù)載額定功率因數(shù)均為0.85。通過在光伏發(fā)電系統(tǒng)下游不同距離處設(shè)置故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)處不同程度的電壓跌落。

圖5　光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5　Topological structure of distribution network with PV power system

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后正常運(yùn)行時，該系統(tǒng)的輸出波形如圖6所示。

圖6　正常運(yùn)行時光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出波形Fig.6　Wave shape of the PV power system during normal operation

由圖6可知，光伏發(fā)電單元輸出電壓的初始值為434 V，此值等于其開路電壓值。光伏發(fā)電單元輸出端接有并聯(lián)電容，在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后將對此電容進(jìn)行充電。因此，在充電過程中輸出電壓減小。在電容充電過程結(jié)束之后，經(jīng)過MPPT控制單元的調(diào)節(jié)作用，光伏發(fā)電單元的輸出電壓有所升高，并最終穩(wěn)定在與最大功率點(diǎn)對應(yīng)的349 V。此時，輸出電流穩(wěn)定為606 A，輸出功率為210 kW，逆變器直流側(cè)電壓在并網(wǎng)逆變器控制單元的作用下穩(wěn)定為800 V。正常運(yùn)行時以上各電氣量的仿真結(jié)果均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

在本算例的低電壓穿越控制策略中，逆變器直流側(cè)電壓的限定值為900 V，則根據(jù)式（9）計(jì)算并設(shè)置卸荷電阻值為3.86 Ω。以2 s時在線路CD上距母線C 3 km處發(fā)生三相短路故障為例，對逆變器直流側(cè)電壓在有無低電壓穿越能力時的情況進(jìn)行了對比，仿真結(jié)果如圖7所示，其中故障持續(xù)時間為0.3 s。

圖7　光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器直流側(cè)電壓Fig.7　DC voltage of the inverter in PV power system

由圖7可知，在故障期間，若光伏發(fā)電系統(tǒng)不具有低電壓穿越能力，則由于有功不能全部及時輸出，將對直流側(cè)電容進(jìn)行充電，從而導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升并超出限定值。此時，直流側(cè)過壓保護(hù)將會動作，光伏發(fā)電系統(tǒng)將脫網(wǎng)。當(dāng)采用低電壓穿越控制策略后，直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在限定值900 V處，從而能夠避免開關(guān)器件的損壞，并且直流側(cè)過壓保護(hù)將不會動作，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。經(jīng)仿真驗(yàn)證，當(dāng)電壓跌落程度不同時，逆變器直流側(cè)電壓均能維持在900 V之內(nèi)。

另外，將無功電流式（10）中的參數(shù)K1設(shè)置為2，則當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到0.3UN時，輸出的無功電流達(dá)到允許輸出的最大電流值1.2IN，即K2為1.2。此時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)無功支撐能力能夠滿足規(guī)定要求。同時，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于0.9UN而啟動低電壓穿越控制策略時，有功電流基準(zhǔn)值設(shè)為0.1IN，則在低電壓穿越期間光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率將不會超過0.1PN。以在線路CE不同距離處發(fā)生三相故障為例，對搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的動態(tài)無功支撐能力進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其中，故障開始時刻為2 s，故障持續(xù)時間為0.3 s。

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓分別跌落到13%UN、34%UN、72%UN以及92%UN時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓有效值、輸出電流有效值、輸出的有功功率和無功功率的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　不同電壓跌落時光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性仿真結(jié)果Fig.8　Simulation results of output characteristics of PV system with different degrees of voltage sag

由圖8可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度不同，光伏電站輸出的電流、有功功率及無功功率均不相同。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到30%UN以下時，輸出電流在限流環(huán)節(jié)的作用下為1.2IN，主要為無功電流，光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于恒流態(tài)，其輸出的有功不超過0.03PN。并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到30%UN～90%UN之間時，輸出電流隨并網(wǎng)點(diǎn)電壓的降低而升高，也主要為無功電流，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功不超過0.09PN。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落到90%UN以上時，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會啟動低電壓穿越策略，運(yùn)行于恒功率態(tài)，輸出功率全部為有功。另外，由于并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，輸出電流有所增大。

圖9～圖11為額定功率為500 kW的某型號并網(wǎng)光伏逆變器在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.34UN時輸出的電流、無功電流和有功的波形。通過對比可知，所建模型的仿真結(jié)果和實(shí)際并網(wǎng)光伏逆變器的輸出特性相符。

圖9　輸出電流基波分量有效值Fig.9　Fundamental component effective value of output current

圖10　輸出無功電流基波分量有效值Fig.10　Fundamental component effective value of output reactive current

圖11　輸出有功功率基波分量Fig.11　Fundamental component of output active power

6　結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了主要包括光伏發(fā)電單元、MPPT控制單元和并網(wǎng)逆變器控制單元的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模方法。另外，根據(jù)最新的光伏電站并網(wǎng)規(guī)定，經(jīng)過對并網(wǎng)光伏逆變器生產(chǎn)廠家的實(shí)地調(diào)研，設(shè)計(jì)了包括穩(wěn)定直流側(cè)電壓和控制無功電流動態(tài)輸出在內(nèi)的低電壓穿越控制策略?；赑SCAD/EMTDC仿真平臺，搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)模型，并對其進(jìn)行了在正常運(yùn)行和故障情況下的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：該模型能夠表征實(shí)際并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本特性，具備低電壓穿越能力，即能夠維持逆變器直流側(cè)電壓在允許范圍之內(nèi)，同時根據(jù)電壓跌落程度輸出一定的無功，從而為并網(wǎng)點(diǎn)電壓提供動態(tài)無功支撐。根據(jù)文中介紹的建模方法搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，為進(jìn)一步開展光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)與運(yùn)行特性之間的關(guān)系、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)的故障特性等研究工作提供了模型基礎(chǔ)。

［1］孫自勇，宇航，嚴(yán)干貴，等（Sun Ziyong，Yu Hang，Yan Gangui，et al）.基于PSCAD的光伏陣列和MPPT控制器的仿真模型（PSCAD simulation models for photovoltaic array and MPPT controller）［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制（Power System Protection and Control），2009，37（19）：61-64.

［2］Kim Seul-Ki，Jeon Jin-Hong，Cho Chang-Hee，et al.Modeling and simulation of a grid-connected PV generation system for electromagnetic transient analysis［J］.Solar Energy，2009，83（5）：664-678.

［3］閆凱，張保會，瞿繼平，等（Yan Kai，Zhang Baohui，Qu Jiping，et al）.光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)建模與等值（Photovoltaic power system transient modeling and equivalents）［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制（Power System Protection and Control），2015，43（1）：1-8.

［4］賈波，張輝（Jia Bo，Zhang Hui）.直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略（Low voltage ride through control strategy for direct-drive permanent magnet synchronous wind power generation system）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（2）：15-19.

［5］梁海峰，馮燕闖，劉子興，等（Liang Haifeng，F(xiàn)eng Yanchuang，Liu Zixing，et al）.基于無差拍控制的光伏電站低電壓穿越技術(shù)的研究（Research on low voltage ride through of photovoltaic plant based on deadbeat control）［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制（Power System Protection and Control），2013，41（21）：110-115.

［6］唐彬偉，袁鐵江，晁勤，等（Tang Binwei，Yuan Tiejiang，Chao Qin，et al）.基于直流側(cè)保護(hù)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行特性分析（Low-voltage operation of grid-connected PV system with DC side protection）［J］.華東電力（East China Electric Power），2013，41（2）：328-332.

［7］GB/T 19964—2012，光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［S］.

［8］王丹（Wang Dan）.分布式發(fā)電系統(tǒng)建模及穩(wěn)定性仿真（Modeling and Stability Simulation of Distributed Generation System）［D］.天津：天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University），2009.

［9］徐曉淳，劉春生，李鋒（Xu Xiaochun，Liu Chunsheng，Li Feng）.光伏系統(tǒng)MPPT的改進(jìn)模糊控制（Improved fuzzy control on MPPT method of solar system）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（9）：81-84.

［10］王成山，李霞林，郭力（Wang Chengshan，Li Xialin，Guo Li）.基于功率平衡及時滯補(bǔ)償相結(jié)合的雙級式變流器協(xié)調(diào)控制（Coordinated control of two-stage power converters based on power balancing and time-delay compensation）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報（Proceedings of the CSEE），2012，32（25）：109-117.

［11］王成山，李琰，彭克（Wang Chengshan，Li Yan，Peng Ke）.分布式電源并網(wǎng)逆變器典型控制方法綜述（Overview of typical control methods for grid-connected inverters of distributed generation）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（2）：12-20.

［12］張興，張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［13］吳爭榮，王鋼，李海鋒，等（Wu Zhengrong，Wang Gang，Li Haifeng，et al）.含分布式電源配電網(wǎng)的相間短路故障分析（Analysis on the distribution network with distributed generators under phase-to-phase short-circuit faults）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報（Proceedings of the CSEE），2013，33（1）：130-136.

［14］趙仁德，趙強(qiáng)，李芳，等（Zhao Rende，Zhao Qiang，Li Fang，et al）.LCL濾波的并網(wǎng)變換器中阻尼電阻影響分析（Impact of damping resistance on grid inverter with LCL-filter）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（6）：112-116.

Modeling and Simulation of Photovoltaic Power System with Low Voltage Ride Through Capability

WEI Chengzhi1，2，LIU Xingwei3，CHEN Xiaolong3，WEN An1，2，LIU Nian1，HUANG Weifang1，2
（1.Dispatching Center of China Southern Power Grid，Guangzhou 510623，China；2.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；3.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to make the photovoltaic（PV）system have the capacity of low voltage ride through（LVRT）referred in“Technical Requirements for Connecting Photovoltaic Power Station to Power System（GB 19964—2012）”，a modeling of grid-connected PV system with the capacity of LVRT is described in this paper.When a certain degree of voltage sag occurs at the point of integration，the DC link voltage can stay in the range of normal operation by using crowbar circuit.Furthermore，according to the degree of voltage sag，the PV system can output the corresponding reactive power.From the comparison between the PV product and its modeling，it can be seen that the modeling can represent the characteristics of a PV station accurately in case of normal operation and failure.The modeling is also intuitive and adjustable.

unit of photovoltaic；control of maximum power point tracking；control of grid-connected inverter；control of low voltage ride through；modeling and simulation

TM46

A

1003-8930（2016）10-0067-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.012

2015-04-03；

2015-12-27

南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目（K-KY2013-116）

魏承志（1984—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)、電能質(zhì)量測試與治理、分布式電源及微網(wǎng)控制等。Email：weicz@csg.cn

劉幸蔚（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楹植际诫娫磁潆娋W(wǎng)的保護(hù)與控制。Email：xw_liu554@163.com

陳曉龍（1985—），男，博士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)及含分布式電源配電網(wǎng)的保護(hù)與控制。Email：promising1207@ 163.com