RenewableEnergyResources
可再生能源
Vol.32No.4Apr.2014
光伏发电系统建模及运行特性仿真研究
任
木齐
娟1，晁勤1，李义岩2
（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁
830011）
摘要：随着并网光伏发电装机规模的快速扩张，光伏发电大规模接入电网后运行特性的分析研究已成为当
下光伏发电相关核心课题之一，而光伏发电系统建模是理论课题研究最为关键的一个环节。文章结合目前国内大中型光伏电站关键部件应用现状建立了光伏发电系统仿真模型，基于PSASP软件仿真分析了光伏发电的正常运行和故障运行特性，同时验证了模型的有效性。关键词：光伏发电；模型；运行特性；故障；仿真中图分类号：TK6；TQ546
文献标志码：A
文章编号：1671-5292（2014）04-0402-05
0引言
近几年，我国光伏产业发展迅猛，截至2012
型，简单地分析了光伏发电的输出特性，但由于
MATLAB和PSCAD类软件无法建立大规模电力
系统模型，故也无法用于仿真分析光伏发电接入大电网后的机电暂态运行特性。
本文基于PSASP软件建立光伏发电的典型模型，通过仿真分析了光伏发电的正常运行和故障特性，并得出了一些重要的结论，对电网运行调度、保护配置等有重要指导意义。
年底，光伏发电总装机容量已达328万kW。根据《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》国发〔2013〕24号，2013～2015年，我国年均新增光伏发电装机容量1000万kW左右，到2015年总装机容量达到3500万kW以上。由此可见，光伏发电正在从补充性电源向替代性电源过渡。
研究光伏发电运行特性对今后大规模光伏发电并网运行有重要指导意义。截至目前，已公开发布的研究成果主要偏重于对光伏发电单个核心部件的建模研究，然对光伏发电并网系统建模的研究成果相对较少，且大多基于MATLAB，PSCAD等电磁暂态分析软件建立模型，虽然这些软件可较好地进行光伏发电系统低电压穿越、故障等仿真分析，但不适合用于光伏发电接入大电网的机电暂态仿真分析。如文献[1]~[4]各自提出了一种新型逆变器控制策略；文献[5]~[7]分别研究了各种不同的逆变器最大功率跟踪方法；但文献[1]~
1光伏发电系统建模
光伏发电系统主要由光伏阵列，逆变器及其
控制部分组成，基本结构如图1所示[1]~[3]。
iarray
idc
Iac
Ut
UL
UG
阵列
PVudc
Pref,Udc_ref
Qref
Pmd
控制部分
Pmq
P,UdcQ
图1光伏发电系统基本结构示意图
[7]都没有研究光伏发电系统的整体模型，无法分析光伏发电系统的运行特性。文献[8]~[11]分别基于MATLAB和PSCAD建立了光伏发电整体模
收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者：
Fig.1Aschematicdiagramofthebasicstructureof
photovoltaicpowergenerationsystem
图中：iarray为光伏阵列汇集电流；idc为输入逆变器
2013-11-26。
国家国际科技合作专项资助“InternationalScience&TechnologyCooperationProgramofChina”（2013DFG61520）。任娟（1985-），女，硕士研究生，研究方向为新能源技术。
晁勤（1959-），女，教授，博士生导师，研究方向为电力系统稳定与控制。E-mail：414710677@qq.com
·402·
任娟，等光伏发电系统建模及运行特性仿真研究
的直流电流；Udc为直流电容电压；Iac为并网电流；
Ut为逆变器桥臂输出电压；UG为电网电压；UL为
电感压降；Pmd，Pmq分别为同步旋转dq坐标下逆变器d轴和q轴分量调制比；Udc_ref为直流电容电压参考值；Pref，Qref分别为有功、无功指令。
1.2逆变器及其控制模型1.2.1逆变器模型
逆变器核心功能由逆变桥实现，不考虑逆变器饱和因素影响[4]，[5]，逆变器逆变桥数学模型为
.
1.1光伏阵列模型
1.1.1光伏阵列数学模型
本文采用光伏阵列工程通用模型，在标准温度（25℃）和光照（1000W/㎡）条件下：
[12]
.
Ut=Ud+jUq
Ud=K0×Pmd×UdcUq=K0×Pmq×Udc
（10）（11）（12）
式中：Ut为逆变器桥臂输出电压矢量；Ud，Uq分别
（1）（2）
为同步旋转dq坐标下逆变器桥臂输出电压d轴和q轴分量；K0为逆变器调制系数，正弦波调制
IL=Isc[1-C1（exp
其中：
V
-1）]C2Voc
C1=（1-C2=（
ImVm
）exp（-）
IscVoc
6的情况下取姨。
41.2.2逆变器稳态运行控制模型
逆变器控制部分分为稳态运行控制模块和暂态控制模块[6]，[7]。逆变器稳态运行时，一般采用双环控制策略。逆变器通过外环控制输出有功电流分量和无功电流分量指令。内环控制根据外环控制给定的有功和无功电流指令调节逆变器输出的有功和无功电流分量。本文采用基于电网电压矢量定向的直接电流控制方式，并应用瞬时无功理论实现在稳态运行情况下对有功输出和无功输出的解耦控制[8]，[9]。基于电网电压矢量定向双环控制的逆变器稳态运行控制模型如图3，4所示。
Pref，Udc_ref
P，Udc
11+sTmd
Qref
Kd（1+minKq（1+min
max1）sTd
max1）sTq
Iq_refId_ref
IVm
-1）ln（1-m）VocIsc
-1
（3）
式中：Im为光伏组件最大功率点电流；Isc为光伏组件短路电流；Vm为光伏组件最大功率点电压；Voc为光伏组件开路电压。
以上公式基于标准条件下所得，考虑到温度和光照具有时空差异特点，为适应于各种环境条件，式1～3中的参数经修正后为
SΔS=-1
Sref
ΔT=T-Tref
SIscc=Isc·（1+αΔT）
SrefVocc=Voc（1-cΔT）ln（e+bΔS）
S
Imm=Im·（1+αΔT）
SrefVmm=Vm（1-cΔT）ln（e+bΔS）
（4）（5）（6）（7）（8）（9）
Q
11+sTmq
式中：Sref，Tref分别为标准测试条件下的辐照强度与工作温度；a，b，c分别为计算常数，典型值分别为0.0025，0.0005，0.00288。
图3逆变器外环控制环节框图
Fig.3Theouterloopcontrolblockdiagramofinverter
Id_ref
id
11+sTmid
Iq_ref
Kd（1+minKq（1+min
max1）sTid
max1）sTiq
PmqPmd
1.1.2光伏阵列仿真模型
基于PSASP建立的光伏阵列仿真模型如图2所示。
Y=A
1
1Y=A
Y=A
1×2
1
X1/X22
1×2Y=A
exp
1
1
iq
1×2
Ymax
1×2Y=A
1
X1/X22Ymin
11+sTmiq
图4逆变器内环控制环节框图
Fig.4Theinnerloopcontrolblockdiagramofinverter
图2基于PSASP光伏阵列仿真模型
图中：id，iq为同步旋转dq坐标下，逆变器输出电流的d轴和q轴分量；id_ref，iq_ref分别为电流内环的
·403·
Fig.2PhotovoltaicarraysimulationmodelbasedonPSASP
可再生能源
d轴和q轴分量电流参考值；Pmd，Pmq分别为同步旋转dq坐标下逆变器d轴和q轴分量调制比；Pref，Qref分别为有功、无功指令。1.2.3逆变器暂态运行控制模型
当系统发生故障时，光伏逆变器输出电流会出现“尖峰”，受逆变器元器件过流能力限制，逆变器控制环节设置了电流限幅模块[10]，[11]，当光伏逆变器在电网故障情况下暂态模型相当于在稳态控制模型基础上增加了电流限幅环节，如图5所示。
Ymax
Ud
+VT
KDs光伏升压站
禅古电站
2014，32（4）
1MW的并网光伏电站。逆变器出口电压400V，经0.4/35kV箱变升压至35kV接入本地电网。如
图7所示。本文以该区域电网为例，验证在标准光照下和温度条件下基于PSASP7.0建立的光伏发电系统模型的有效性。
禅古电站
6.3kV
电网
35kV
Id
35kV
图5逆变器控制环节电流限幅模块
光伏电站
Fig.5CurrentlimitingmoduleofInvertercontrolloop
0.4kV
电流上限一般为
光伏电站
Id=k×IN
（13）
图7含光伏发电的某区域电网示意图
式中：Id为光伏逆变器短路电流；k为光伏逆变器电流饱和系数，一般为1.2～1.5，本文取1.2；IN为光伏逆变器额定电流。
Fig.7Schematicdiagramofaregionalpowergridwith
photovoltaicpowergeneration
1.2.4逆变器及其控制仿真模型
本文基于PSASP建立的逆变器及其控制模型如图6所示。
Ymax
1X/X122Ymax（+Bs）AK2.1稳态运行控制特性
2.1.1无扰动下光伏发电运行控制特性
光伏电站在标准光照和温度条件下，系统无任何扰动时的出力和电流曲线见图8。
15001005000
111
Ymax1×21×211（+Bs）AK+DsC+DsCYminYminKDsTM41Ymin电流/A1×211×21×211exp11×2X1/X2YminYmax0
YmaxVTTM4
1×2
1X/X122KDsK1+DsYmax10t/s
20
图8无扰动光伏电站电流曲线
YminQG0SB
1×2Y=A
1×21X/X122
（）+BsAKYminYmax
Ymax
（）+BsAKFig.8Currentcurvewithoutdisturbanceof
photovoltaicpowerstation
1×2KDs+DsC+DsC如图8所示，环境条件一定时，光伏电站在系统无任何扰动的情况下可连续输出恒定的电流。
Ymin1X/X122
TM7Ymin1×2YminVT2.1.2小扰动下光伏发电运行控制特性
本文选取的光伏电站在某时段内温度基本保持不变，光照强度变化如图9中所示。采用本文建立的模型并基于PSASP软件仿真得到光伏发电电流曲线。通过对比光照强度和光伏发电电流的变化曲线可知，光伏发电电流和光照强度的变化趋势一致，而且光伏发电电流能够准确跟踪光照
图6基于PSASP逆变器及其控制仿真模型
Fig.6Thesimulationmodelofinverterandits
controlbasedonPSASP
2模型验证及运行特性分析
某区域电网总装机容量15MW，建设了一座·404·
任娟，等光伏发电系统建模及运行特性仿真研究
强度的变化。说明本文基于PSASP建立的光伏电站模型的运行特性能够真实反映实际光伏电站的运行特性，同时也验证了模型的有效性。
1.0
1000
光照强度/W·m2powerfilterwithvoltagespacevector[J].ProceedingsoftheCSEE，2004，24（10）：82-86.[2][2]
首福俊，黄念慈，窦伟.一种新型的光伏逆变器控制方法[J].电力电子技术，2004，38（2）：66-68.
ShouFujun，HuangNianci，DouWei.Anovelcontrolmethodfortheinverterinphotovoltaicsystem[J].PowerElectronics，2004，38（2）：66-68.
0.6
光伏
电流
60040020000
0.40.201200
电流/pu800
光照强度
0.8
[3]邹晓，易灵芝，张明和，等.光伏并网逆变器的定频滞环电流控制新方法[J].电力自动化设备，2008，28（4）：
600t/s
58-62.[3]
ZouXiao，YiLingzhi，ZhangMinghe，etal.Constant-frequencyhysteresiscurrentcontrolofPVgrid-connect-edinverter[J].ElectricPowerAutomationEquipment，2008，28（4）：58-62.[4]
王继东，苏海滨，王玲花．基于虚拟磁链直接功率控制的光伏并网逆变器控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2009，37（11）：70-73.
图9光伏发电电流随光照变化曲线
Fig.9Curvesofphotovoltaiccurrentwith
varyingillumination
2.2暂态运行控制特性
该电网35kV母线在1s时刻发生三相接地
故障，经0.1s故障被切除，光伏电站电流变化曲线如图10所示。
1.4
[4]WangJidong，SuHaibin，WangLinghua，etal.Studyongrid-connectedinverterusedinPVgeneratiomsystembasedonvirtualflux-linkagedirectpowercontrol[J].PowerSystemProtectionandControl，2009，37（11）：70-73.
电流/pu1.0
[5]
0.70
2
4
t/s
6
8
10
苏海滨，王光政，王继东．基于模糊逻辑双环控制的光伏发电系统最大功率跟踪算法[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：215-216.
[5]SuHaibin，WangGuangzheng，WangJidong.Themaxi-mumpowerpointtrackingalgorithmforphotovoltaicpowersystembasedonfuzzylogicdoubleloopcontrol[J].PowerSystemProtectionandControl，2010，38（21）：215-216.
图10电网故障下光伏电站电流变化曲线
Fig.10Photovoltaicpowercurrentcurvesundergridfault
从图10可以看出，网侧发生故障时光伏发电电流突增，在故障存在期间1～1.1s内，电流被限制为1.2倍的额定电流。在故障结束后，光伏发电电流能够逐渐恢复至故障前的水平。这与实际光伏电站逆变器响应特性一致，表明本文基于
[6][6]
任碧莹，申明，孙向东.一种新颖的光伏电池最大功率点跟踪方法[J].电力电子技术，2010，44(11)：10-12.
RenBiying，ShenMing，SunXiangdong.Anovelmaxi-mumpowerpointtrackingmethodforphotovoltaiccell[J].PowerElectronics，2010，44（11）：10-12.
PSASP建立的光伏电站模型合理、有效。3结论
本文基于PSASP建立的光伏发电系统模型
经过算例仿真验证，证明该模型合理有效，能够反映光伏电站真实运行特性。
参考文献：
[7][7]
胡义华，陈昊，徐瑞东，等.一种两阶段变步长最大功率点控制策略[J].电工技术学报，2010，25（8）：161-166.
HuYihua，ChenHao，XuRuidong，etal.Anovelmaximumcontrolstrategyoftwo-stagevariablesteplength[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2010，25（8）：161-166.
[1]姜俊峰，刘会金，陈允平，等.有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法[J].中国电机工程学报，
[8][8]
李晶.分布式发电系统并网逆变器的无功控制策略[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（1）：155-157.
2004，24（10）：82-86.[1]
JiangJunfeng，LiuHuijin，ChenYunping，etal.Anoveldoublehysteresiscurrentcontrolmethodforactive
LiJing.Reactivepowercontrolofgrid-connectedcon-verterindistributedgenerationsystem[J].ProceedingsoftheCSU-EPSA，2011，23（1）：155-157.
·405·
可再生能源
[9][9]
刘光亚，康璐.光伏发电系统的建模[J].湖北工业大学学报，2013，28（2）：19-21.
模与仿真[J].低压电器，2012，（21）：31-35.
2014，32（4）
[11]唐彬伟，袁铁江，晁勤，等．基于PSCAD的光伏发电建[11]TangBinwei，YuanTiejiang，ChaoQin，etal.Simulation
modelsforphotovoltaicandgrid-connectedsimulationbasedonPSCAD[J].Lowvoltageelectricalappliances，2012，（21）：31-35.
[12]于卫卫.基于PSASP的光伏发电系统建模与并网分析
[D].北京：华北电力大学，2011.
[12]YuWeiwei.Modelingandgrid-connectedanalysisof
photovoltaicsystemsbasedonPSASP[D].Beijin：TheNorthChinaElectricPowerUniversity，2011.
LiuGuangyaKangLu.Modelingofphotovoltaicpowergenerationsystems[J].JournalofHubeiUniversityofTechnology，2013，28（2）：19-21.
[10]杨庆华，马琳，杨祥．光伏发电系统低电压穿越特性分
析[J].低压电器，2013，（2）：37-39.
[10]YangQinghua，MaLin，YangXiang.Analysisofphoto-voltaicgenerationsystemLowvoltageridethroughchar-acters[J].JournalofLowVoltageApparatus，2013，（2）：37-39.
Simulationresearchonmodelingandoperationcharacteristics
ofphotovoltaicpowergenerationsystems
RenJuan1，ChaoQin1，LiYiyan2
（1.CollegeofElectricianEngineering，XinjiangUniversity，Urumqi830047，China；2.StateGridXinJiangElectric
PowerResearchInstitute，Urumqi830011，China）
Abstract：Withtherapidexpansionofthescaleofgrid-connectedPVpowergenerator，analysisandresearchwhichisfocusonthecharacteristicsoflargescalephotovoltaicgenerationintegrationintopowersystemhasbecomeoneofthemostimportanttopicrelatedtophotovoltaicpowergeneration.Whatismore，modelingforphotovoltaicpowergenerationisthemostcrucialstepoftheoreticalstudy.Asimulationmodelofphotovoltaicpowergenerationsystemhasbeenestablished，whichconsidersthepresentsituationofapplicationofthekeysectioninlargeandmedium-sizedphotovoltaicpowergener-ations.whicharesituatedinChinainthispaper.Furthermore，basedonthePSASPsoftware.Thefeatureofnormaloperationandabnormaloperation(e.g.operationwithfault)ofphotovoltaicpowergenerationareanalyzed，effectivenessofthismodelistested.
Keywords：photovoltaicpowergeneration;model；operationcharacteristics；fault；simulation
·406·
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容