CN103997060B - 一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，包括光伏电池单元、最大功率跟踪单元、直流稳压单元、PQ解耦控制单元和保护配置单元；光伏电池单元的输出端连接直流稳压单元的输入端，直流稳压单元的输出端连接光伏电池单元的输入端和PQ解耦控制单元的输入端，PQ解耦控制单元的输出端连接直流稳压单元的输入端和输出环节；最大功率跟踪单元的输出端连接光伏电池单元、直流稳压单元和PQ解耦控制单元的输入端；保护配置单元连接所述输出环节。本发明适用于电力***机电暂态仿真中的暂态稳定计算，能分析光伏接入***的暂态稳定性、研究局部电网无功电压问题。

Description

一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型

技术领域

本发明涉及电力***输配电技术领域，尤其涉及一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型。

背景技术

针对光伏这种新能源形式越来越多地并网运行，其对电力***的影响也越来越不容忽视，尤其在局部电网和微电网中，它将发挥很重要的作用。光伏发电***接入电网后，由于其出力的随机性和不同于传统电源的暂态特性，必将会对电力***造成各种新的影响。因此，建立一种适用于机电暂态稳定分析的并网光伏发电***模型显得尤为重要。且考虑大型电网机电暂态仿真的特点，要求仿真模型要兼顾效率和精度。

光伏发电由于其出力的随机性和不确定性，一般情况下都是以MPPT方式或定功率方式进行并网。在这种控制策略下，已有的光伏发电***机电暂态模型建模方法主要采用对电磁暂态模型进行简化后提出的一种基于电压外环电流内环的dq解耦控制策略。

申请号为201210328721.6的中国专利申请公开一种通用的并网式光伏发电***机电暂态模型，其所述模型的缺点在于：

(1)其采用的dq解耦控制实际上还是延续了电磁暂态仿真的思想，内外环控制***复杂，参数调整不易；

(2)该模型没有完整的考虑各种保护手段和措施；

(3)该模型需要的仿真步长为1ms，远小于机电暂态仿真分析10ms仿真步长的要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，适用于电力***机电暂态仿真中的暂态稳定计算，能分析光伏接入***的暂态稳定性、研究局部电网无功电压问题。解决的主要技术问题有：建立光伏发电***准稳态模型，准确模拟光伏发电***在稳态和暂态过程中有功无功变化；设置扰动S和T，模拟扰动给光伏发电***输出和局部电网带来的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，包括光伏电池单元、最大功率跟踪单元、直流稳压单元、PQ解耦控制单元和保护配置单元；

光伏电池单元的输出端连接直流稳压单元的输入端，直流稳压单元的输出端连接光伏电池单元的输入端和PQ解耦控制单元的输入端，PQ解耦控制单元的输出端连接直流稳压单元的输入端和输出环节；

最大功率跟踪单元的输出端连接光伏电池单元、直流稳压单元和PQ解耦控制单元；

保护配置单元连接所述输出环节。

进一步的，所述PQ解耦控制单元包括有功环和无功环；所述有功环的输入端连接直流稳压单元的输出端、最大功率跟踪单元的输出端和无功环的输出端，所述无功环的输入端连接直流稳压单元的输出端。

进一步的，光伏电池单元符合传统光伏电池工程简化模型，用光照S、温度T、电池端电压U_pv作为变量输入，I_pv作为单光伏电池输出电流，表达式为：

$I_{\mathrm{pv}}=f(U_{\mathrm{pv}},S,T)=I_{\mathrm{scc}}[1-C_1(\exp \frac{U_{\mathrm{pv}}}{C_2{U}_{\mathrm{occ}}}-1)]---\left(1\right)$

式中：

$C_1=(1-\frac{I_{\mathrm{mm}}}{I_{\mathrm{scc}}})\exp (-\frac{U_{\mathrm{mm}}}{U_{\mathrm{occ}}})---\left(2\right)$

$C_2=(\frac{U_{\mathrm{mm}}}{U_{\mathrm{occ}}}-1){\left[\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mm}}}{I_{\mathrm{scc}}})\right]}^{-1}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔS}=\frac{S}{1000}-1---\left(4\right)$

ΔT＝T-25 (5)

$I_{\mathrm{scc}}=I_{\mathrm{sc}}\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\ΔT})---\left(6\right)$

$I_{\mathrm{mm}}=I_m\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\ΔT})---\left(7\right)$

U_occ＝U_oc(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (8)

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (9)

式中：

I_m、I_sc、U_m、U_oc——温度T为25℃、日照强度S为1000W/m²条件下的单光伏电池最大功率点电流，短路电流，最大功率点电压，开路电压；单光伏电池的参数为定值：I_m＝13.74A，I_sc＝14.98A，U_m＝348V，U_oc＝444V；而I_mm、I_scc、U_mm、U_occ分别是经过S和T修正的最大功率点电流、短路电流、最大功率点电压、开路电压。

进一步的，最大功率跟踪单元使直流侧电压U_dc跟踪经过修正的单组光伏电池最大功率点电压U_mm，表达式为：

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS)(10)

进一步的，直流稳压单元为双级式或单级式；双级式表示为U_dc＝kU_pv；k为直流侧升压电路升压比；单级式表示为U_dc＝U_pv；直流稳压单元有一个直流稳压电容C，其两侧的功率传递表达式为：

$P_{\mathrm{dc}}-S_{\mathrm{pv}}=C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(11\right)$

其中P_dc为直流环节输入功率；S_pv为直流环节输出功率。

进一步的，PQ解耦控制单元将有功无功环节解耦控制，利用RL滤波电路两侧电压相角差δ作为有功环的控制对象，以逆变器调制比M作为无功环的控制对象，通过下式完成对有功无功的解耦控制(忽略滤波电阻R)：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_i{U}_s\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\ωL}}\≈\frac{U_i{U}_s\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ωL}}\\ Q=\frac{U_s{(U_i\cos \mathrm{\δ}-U_s)}_{}}{\mathrm{\ωL}}\≈\frac{U_s(U_i-U_s)}{\mathrm{\ωL}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中：

U_i和U_s——逆变器出口侧电压和网侧电压，U_i＝MU_dc；

L——滤波电感；

ω——电网角频率；

P和Q——有功、无功输出；

进一步的，保护配置单元包括电压保护模块、频率保护模块、过电流及短路电流保护模块和电压不平衡保护模块。

进一步的，所述基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型包括两种工作方式：定光伏电池组数量和自动计算所需光伏电池组数，两种方式都假定初始稳态工作点为最大功率工作点；第一种工作方式为：用潮流计算所得到的有功初始值P_G0除以单光伏电池的最大输出功率P_max＝U_mm ^*I_mm，计算出所需的光伏电池组数Nvp，即假设初始工作状态S₀＝1000W/m²，T₀＝25℃，第二种工作方式为：自定义所需光伏电池组数Nvp，Nvp*P_max≥P_G0，通过光伏电池光照S和输出功率P的关系，求出当前工作点的光照强度，即初始工作状态为T₀＝25℃，0≤S≤1000W/m²。

进一步的，有功环中变量间关系通过下式表达：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=(K_{\mathrm{pP}}+{\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s}}^{})*(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dcref}})+{\mathrm{\δ}}_0\\ P\≈\frac{U_i*U_s}{\mathrm{\ωL}}\mathrm{\δ}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{I_{\mathrm{dc}}}{C}-\frac{S_{\mathrm{pv}}}{{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}}\\ I_{\mathrm{dc}}=f\left(I_{\mathrm{pv}}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中：

K_pP和K_pI——有功环PI调节系数；

U_dcref——通过MPPT计算得到的直流侧电压参考值；

δ₀——δ的初始值；

I_dc——直流环节输入电流。

无功环中变量间关系通过下式表达：

$\left(\begin{array}{c}M=(K_{\mathrm{pP}}+\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)+M_0\\ Q=\frac{U_s}{\mathrm{\ωL}}(M*U_{\mathrm{dc}}-U_s)\end{array}\right.---\left(15\right)$

式中：

K_qP和K_qI——无功环PI调节系数；

Q_ref——无功参考值；

M₀——M的初始值；

输出环节的变量关系通过下式表达：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_I={\mathrm{\θ}}_V-\arctan \frac{Q}{P}\\ I^2=\frac{P^2+Q^2}{U_s^2}\\ I_{\mathrm{TR}}=I*\cos {\mathrm{\θ}}_I\\ I_{\mathrm{TI}}=I*\sin {\mathrm{\θ}}_I\end{array}\right.---\left(16\right)$

式中：

θ_I和θ_V——光伏输出电流和电网电压的相角；

I_TR和I_TI——光伏输出电流的实部和虚部。

本发明是一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，有三点前提假设：

(1)忽略逆变环节和直流环节的功率损耗。由于光伏发电***在工作过程中的功率损耗所占比重非常小，而且损耗的大小会随着扰动的改变而变化，难以进行精确有效的计算模拟。

(2)忽略直流环节的高频波动。由于大型电力***机电暂态仿真的步长较长，大约为10ms，因此可以认为直流环节的高频响应比这个要快很多，可以忽略。

(3)假设光伏阵列中的所有光伏电池工作在相同的工作环境下。实际中的光伏电站可能会因为遮挡、个别电池组故障等原因导致输出不平衡，但是这样的扰动是随机的，无法进行精确地模拟，因此本模型忽略这类随机因素。

本发明是一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，包括光伏电池单元、最大功率跟踪单元、直流稳压单元、PQ解耦控制单元和保护配置单元。

(1)光伏电池单元符合传统光伏电池工程简化模型，可以用光照S、温度T、电池端电压U_pv作为变量输入，I_pv作为单光伏电池输出电流，表达式为：

$I_{\mathrm{pv}}=f(U_{\mathrm{pv}},S,T)=I_{\mathrm{scc}}[1-C_1(\exp \frac{U_{\mathrm{pv}}}{C_2{U}_{\mathrm{occ}}}-1)]---\left(1\right)$

式中：

$C_1=(1-\frac{I_{\mathrm{mm}}}{I_{\mathrm{scc}}})\exp (-\frac{U_{\mathrm{mm}}}{U_{\mathrm{occ}}})---\left(2\right)$

$C_2=(\frac{U_{\mathrm{mm}}}{U_{\mathrm{occ}}}-1){\left[\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mm}}}{I_{\mathrm{scc}}})\right]}^{-1}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔS}=\frac{S}{1000}-1---\left(4\right)$

ΔT＝T-25 (5)

$I_{\mathrm{scc}}=I_{\mathrm{sc}}\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\ΔT})---\left(6\right)$

$I_{\mathrm{mm}}=I_m\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\ΔT})---\left(7\right)$

U_occ＝U_oc(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (8)

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (9)

式中：

I_m、I_sc、U_m、U_oc——温度T为25℃、日照强度S为1000W/m²条件下的单光伏电池最大功率点电流，短路电流，最大功率点电压，开路电压；单光伏电池的参数为定值：I_m＝13.74A，I_sc＝14.98A，U_m＝348V，U_oc＝444V；而I_mm、I_scc、U_mm、U_occ分别是经过S和T修正的最大功率点电流、短路电流、最大功率点电压、开路电压。

(2)最大功率跟踪单元采用改进的定电压控制法，使直流侧电压U_dc跟踪经过修正的单光伏电池最大功率点电压U_mm，表达式为：

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (10)

(3)直流稳压单元包括双级式和单级式；双级式表示为U_dc＝kU_pv，k为直流侧升压电路升压比；图1所示实施例中采用单级式，单级式表示为U_dc＝U_pv；直流稳压单元有一个直流稳压电容C，其两侧的功率传递表达式为：

$P_{\mathrm{dc}}-S_{\mathrm{pv}}=C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(11\right)$

(4)PQ解耦控制单元。基于向量理论，忽略滤波电感的电阻R，建立一种准稳态模型，将有功无功环节解耦控制。由于滤波电路两侧电压相角差δ一般非常小，sinδ≈δ，cosδ≈1，模型中可以利用该电压相角差δ作为有功环的控制对象，以逆变器调制比M作为无功环的控制对象，通过下式完成对有功无功的解耦控制。

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_i{U}_s\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\ωL}}\≈\frac{U_i{U}_s\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ωL}}\\ Q=\frac{U_s{(U_i\cos \mathrm{\δ}-U_s)}_{}}{\mathrm{\ωL}}\≈\frac{U_s(U_i-U_s)}{\mathrm{\ωL}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中：

U_i和U_s——逆变器出口侧电压和网侧电压，U_i＝MU_dc；

L——滤波电感；

ω——电网角频率；

P和Q——有功、无功输出。

(5)保护配置单元包括目前通用的电压保护、频率保护、过电流及短路电流保护和电压不平衡保护。

a.过电压/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，光伏发电***应停止向电网送电。***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，规定中要求小型光伏电站满足表1所示要求。

表1小型光伏并网电压要求

大型和中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常的能力，为避免在电网电压异常时脱离，因此其动作保护重新整定，满足国家电网规定的低电压穿越特性。

b.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发电***与电网断开。标准中规定针对小型光伏电站并网点频率超过49.5—50.2Hz范围时，应在0.25s内停止向电网线路送电；大型和中型光伏电站应具备一定的耐受***频率异常的能力，满足表2所示要求。

表2大型和中型光伏电站在电网频率异常时的运行时间要求

c.过电流与短路保护模型

光伏电站需具备一定的过电流能力，在120％额定电流以下，光伏电站连续可靠工作时间不小于1分钟；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秒。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0.15以内将光伏发电***与电网断开。

d.电压不平衡保护模型

光伏发电***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。

根据所需的仿真要求输入基本参数，包括：温度T、控制***参数和变量，识别容量、初始工作方式、扰动方式和直流侧结构；

(1)本模型可以模拟任意容量的光伏发电***，采用的扩容方式为并联单光伏电池，即不改变出口电压，仅单纯的采用并联的方式进行扩容；逆变器出口***电压基准值U_B＝0.4kV，因此需要接一个升压变压器再并入电网。

(2)不同的工作方式包括两种：定光伏电池组数量和自动计算所需光伏电池组数，两种方式都假定初始稳态工作点为最大功率工作点。第一种工作方式为：用潮流计算所得到的有功初始值P_G0除以单组光伏电池的最大输出功率(P_max＝U_mm ^*I_mm)，计算出所需的光伏电池组数Nvp，即假设初始工作状态S₀＝1000W/m²，T₀＝25℃，第二种工作方式为：自定义所需光伏电池组数Nvp(Nvp*P_max≥P_G0)，通过光伏电池光照S和输出功率P的关系(采用分段线性的方式刻画)，求出当前工作点的光照强度，即初始工作状态为T₀＝25％，

$S_0=f\left(\frac{P_{G0}}{\mathrm{Nvp}*P_{\max }}\right)$ (0≤S≤1000W/m²)。

第一种工作方式为本模型的默认工作方式，采用变光伏电池组数，比较适合一般仿真计算来研究内外特性；第二种工作方式考虑了实际使用中光伏电池组数是恒定的，而光照强度是变化的情况，更加适用于实际***的仿真。

(3)不同的扰动方式包括光照随时间变化扰动和温度随时间变化扰动：能有效模拟光照和温度扰动对并网光伏发电***特性的影响。

根据输入的参数，计算确定工作方式下的各变量初始值和扰动变量(S和T)的变化曲线，并载入稳态潮流计算结果共同完成初始化，且本模型内部全部采用标幺值进行计算，数值稳定性较好，模型参数基准值根据不同的***可自行定义。本模型交直流***中的功率、电压、电流基准值计算如下：

$\begin{array}{c}{S}_{\tilde{B}}\sqrt{3}{U}_B^{~}{I}_B^{~}=U_B^{-}{I}_B^{-}=S_{\stackrel{\‾}{B}}\\ Z_{\stackrel{\‾}{B}}=\frac{U_B^{-}}{I_{\stackrel{\‾}{B}}}\\ Z_{\tilde{B}}=\frac{U_B^{~}}{\sqrt{3}{I}_{\tilde{B}}}\end{array}---\left(13\right)$

一般情况下，S_B＝100MVA，U_B＝0.4kV，默认光照S＝1000W/m²，T＝25℃。

根据仿真的要求，确立光伏发电***模型和电网之间的边界量，不同仿真软件在暂态稳定计算中有不同的接口数据，可以选择合适的接口数据来替换PQ解耦控制策略中的有功无功控制变量。本模型是在电力***分析综合程序(Power System Analysis Software Package，PSASP)的用户自定义(User Determined，UD)模块下建立的(但不仅限于PSASP的UD模块建模)，因此作为光伏发电***和电网的交互数据为：并网点母线电压幅值U_s和相角θ_V、光伏发电***输出电流实部I_TR和虚部I_TI。

设定暂态稳定计算方式指确定是进行光照S、温度T扰动计算还是网络故障、网络电压跌落的暂态稳定计算。

利用数值计算方法，在光伏发电***内部模型和电网间进行交替迭代，计算光伏发电***注入电网的电流和内部变量，包括稳压电容前电流I_dc，稳压电容电压U_dc，逆变器调制比M，滤波电路两侧电压相角差δ。表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=(K_{\mathrm{pP}}+{\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s}}^{})*(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dcref}})+{\mathrm{\δ}}_0\\ P\≈\frac{U_i*U_s}{\mathrm{\ωL}}\mathrm{\δ}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{I_{\mathrm{dc}}}{C}-\frac{S_{\mathrm{pv}}}{{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}}\\ I_{\mathrm{dc}}=f\left(I_{\mathrm{pv}}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

$\left(\begin{array}{c}M=(K_{\mathrm{pP}}+\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)+M_0\\ Q=\frac{U_s}{\mathrm{\ωL}}(M*U_{\mathrm{dc}}-U_s)\end{array}\right.---\left(15\right)$

在考虑光伏发电***输出的有功功率P和无功功率Q后的输出电流包括实部I_TR和虚部I_TI，表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_I={\mathrm{\θ}}_V-\arctan \frac{Q}{P}\\ I^2=\frac{P^2+Q^2}{U_s^2}\\ I_{\mathrm{TR}}=I*\cos {\mathrm{\θ}}_I\\ I_{\mathrm{TI}}=I*\sin {\mathrm{\θ}}_I\end{array}\right.---\left(16\right)$

通过光伏发电***在给定暂态稳定计算方式下的内外部参数变化，判断其自身的稳定性和对局部电网暂态稳定性的影响，同时也为无功电压关系的研究提供依据。

(1)根据暂态稳定计算结果判断光伏发电***自身的稳定性，观察内部参数包括稳压电容前电流I_dc，稳压电容电压U_dc，逆变器调制比M，滤波电路两侧电压相角差δ，输出有功功率P和无功功率Q是否震荡确定其是否稳定；

(2)判断对局部电网功角稳定、电压稳定的影响，观察局部电网的其余发电机功角相对于平衡机的功角是否稳定，观察所有发电机接入母线的电压和相角是否稳定；

(3)根据光伏发电***发出的无功功率Q的变化来为该母线处的无功配置提供可行性建议。

本发明具有以下突出效益：

(1)本发明仅需利用光伏发电***与外部***接口处的有功、无功、电压幅值和相角四个量，就能很好的模拟光伏发电***内外部机电暂态特性，具有很好的封装特性，实用性强。

(2)本发明建立了光伏发电准稳态模型，内部采用PQ解耦控制策略，相较于传统的外环电压、内环电流的控制结构更简单，参数易于整定。

(3)本发明模型内部全部采用标幺值进行计算，数值稳定性强。

(4)本发明满足电力***机电暂态仿真对仿真步长10ms的要求，仿真速度快，适用于稳定性分析。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出模型的整体框图；

图2示出稳压电容、三相逆变器、交流滤波电路到电网的并网示意图；

图3示出直流环节和有功环控制框图；

图4示出无功环控制框图；

图5示出输出环节框图；

图6示出一个7节点算例图；

图7a至图7f示出光伏发电***在故障后0.1s切除故障的仿真结果图；

图8a至图8c示出光伏发电***在受到光照S扰动后的仿真结果图。

具体实施方式

请参照图1所示，图1示出本模型的整体结构，包含光伏电池单元、最大功率跟踪单元、直流稳压单元、有功环、无功环、输出环节。光伏电池的输入为温度T、最大功率点电流I_m、短路电流I_sc、最大功率点电压U_m、开路电压U_oc、初始功率P_G0和电池出口电压U_pv，输出到直流稳压环节的变量为光伏电池电流I_pv、光伏电池功率P_pv；直流稳压环节的输入为I_pv、P_pv、U_mm、有功功率P和无功功率Q，输出到光伏电池的变量为U_pv，输出到有功环和无功环的变量为U_dc；有功环的输入为U_dc、MPPT计算得的直流侧参考电压U_dcref和逆变器出口侧电压U_i，输出到直流稳压环节和输出环节的变量为P；无功环的输入为U_dc和无功参考值Q_ref，输出到输出环节的变量为Q，输出到有功环的变量为U_i；输出环节的输入为P、Q、电网电压相角θ_V和幅值U_s，输出到电网的变量为并网电流实部I_TR和虚部I_TI；输出环节输出的并网电流经断路器P₁并网，P₁的状态由电压保护、频率保护、过电流及短路电流保护和电压不平衡保护的输出决定。

图2为包含光伏发电***直流侧稳压电容、三相逆变器、交流侧滤波电路到电网的并网示意图。图中I_dc为直流侧输入的电流，由光伏电池产生的I_pv经变换得到，如果是双级式则I_dc＝f(I_pv)，如果是单级式则I_dc＝I_pv；P_dc为直流环节输入功率；S_pv为逆变器输入的功率也即直流环节的输出功率，在本模型最开始的假设下，忽略逆变器的功率损耗，即认为逆变器输出到电网的功率就等于S_pv，为逆变器输出的复功率；R和L代表滤波电路的电阻和电感，在本模型的计算中忽略R，因为实际中如果R过大会消耗很多有功，因此R一般较小，可以忽略，为输入到电网的电流；VD₁～VD₆组成了三相逆变器。

图3示出了直流环节和有功环控制框图。图中K_pP和K_pI为有功环PI调节系数，δ₀为滤波电路两侧电压相角差δ的初始值，U_i和U_s分别为逆变器出口电压和并网点电压幅值，其变量间关系通过下式表达：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=(K_{\mathrm{pP}}+{\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s}}^{})*(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dcref}})+{\mathrm{\δ}}_0\\ P\≈\frac{U_i*U_s}{\mathrm{\ωL}}\mathrm{\δ}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{I_{\mathrm{dc}}}{C}-\frac{S_{\mathrm{pv}}}{{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}}\\ I_{\mathrm{dc}}=f\left(I_{\mathrm{pv}}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

图4示出无功环的控制框图。其变量间关系通过下式表达：

$\left(\begin{array}{c}M=(K_{\mathrm{pP}}+\frac{K_{\mathrm{pI}}}{s})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)+M_0\\ Q=\frac{U_s}{\mathrm{\ωL}}(M*U_{\mathrm{dc}}-U_s)\end{array}\right.---\left(15\right)$

图5示出光伏模型输出到电网的环节。图中I为通过P、Q、U_s计算得到的光伏输出电流幅值，其余变量通过下式表达：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_I={\mathrm{\θ}}_V-\arctan \frac{Q}{P}\\ I^2=\frac{P^2+Q^2}{U_s^2}\\ I_{\mathrm{TR}}=I*\cos {\mathrm{\θ}}_I\\ I_{\mathrm{TI}}=I*\sin {\mathrm{\θ}}_I\end{array}\right.---\left(16\right)$

图6为一个7节点的算例。本模型是在PSASP的UD模块中建立的(但不仅限于PSASP，同样可以在其他仿真软件里实现相同的模型)，具有一定的普遍适用性。本算例中选取默认工作方式，采用变光伏电池组数的形式，即认为初始光照S＝1000W/m²，T＝25℃，光伏发电***初始工作在最大工作点。直流侧为了简单起见采用单级型，即U_pv＝U_dc，I_pv＝I_dc。单组光伏电池的参数为定值：I_m＝13.74A，I_sc＝14.98A，U_m＝348V，U_oc＝444V；***侧基准电压U_B＝0.4kV，S_B＝100MVA。

仿真在图6所示的7节点***中进行，图中G1母线接光伏发电***，为PQ结点，P＝20MW，Q＝0，0.4kV；G2母线接普通同步发电机，为PV节点P＝2500MW，18kV；S1为平衡节点，35kV；图中其余母线都为220kV母线。该***中光伏发电所占比重比较小，较符合实际电网中的情况。

仿真1：B1-220母线1s时三相金属性短路，1.1s切除故障，仿真时间10s，仿真结果如图7所示，图中除相角以外的参数值都是标幺值，后同，不再说明。故障后0.1s切除故障，整个***暂态稳定，所有发电机母线的相角和电压幅值都在震荡后稳定；光伏发电***出口处电压U_s在故障时下降明显，故障电流在故障时增幅明显，但由于限流环节的作用，I仅为2倍的额定电流，符合实际；光伏发电***输出的P和Q在震荡后也回到稳定；光伏发电***内部直流母线电压U_dc在故障初期由于功率无法输出而明显上升，I_pv则由于U_dc的上升而有所下降，致使输出有功P明显下降，有效缓解短路故障带来的危害，符合实际。在得到仿真曲线之后，可以根据需要制定保护配置方案。

仿真2：考虑光照扰动下的输出特性，初始光照S＝1000W/m²，1s～4s光照下降500W/m²，4s～6s光照稳定在500W/m²，6s～9s光照上升500W/m²，9s～10s光照稳定在S＝1000W/m²，仿真结果如图8所示。当光照扰动发生后，光伏发电***输出的有功功率跟随光照变化而变化，变化趋势一致，输出功率变化幅度与光照变化幅度相符。

通过以上两个仿真实例可以看出，本模型能很好的模拟光伏发电***在故障暂态和光照扰动下的内外特性，且特性符合实际。本发明仅需利用光伏发电***与外部***接口处的有功、无功、电压幅值和相角四个量，就能很好的模拟光伏发电***内外部特性，具有很好的封装特性，实用性强，且包含目前通用的保护配置。模型内部采用PQ解耦控制策略，相较于传统的外环电压、内环电流的控制结构更简单，参数易于整定，采用标幺值进行计算，数值稳定性强，且符合电力***机电暂态仿真对仿真步长10ms的要求，仿真速度快，适用于稳定性分析。

此处已经根据特定的示例性实例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当替换或修改将是显而易见的。示例性实例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (8)

1.一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，包括光伏电池单元、最大功率跟踪单元、直流稳压单元、PQ解耦控制单元和保护配置单元；

光伏电池单元的输出端连接直流稳压单元的输入端，直流稳压单元的输出端连接光伏电池单元的输入端和PQ解耦控制单元的输入端，PQ解耦控制单元的输出端连接直流稳压单元的输入端和输出环节；

最大功率跟踪单元的输出端连接光伏电池单元、直流稳压单元和PQ解耦控制单元；

保护配置单元连接所述输出环节；

所述基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型包括两种工作方式：定光伏电池组数量和自动计算所需光伏电池组数，两种方式都假定初始稳态工作点为最大功率工作点；第一种工作方式为：用潮流计算所得到的有功初始值P_G0除以单光伏电池的最大输出功率P_max＝U_mm*I_mm，计算出所需的光伏电池组数Nvp，即假设初始工作状态S₀＝1000W/m²，T₀＝25℃，第二种工作方式为：自定义所需光伏电池组数Nvp，Nvp*P_max≥P_G0，通过光伏电池光照S和输出功率P的关系，求出当前工作点的光照强度，即初始工作状态为T₀＝25℃，0≤S≤1000W/m²；

其中， $\mathrm{\Δ}S=\frac{S}{1000}-1---\left(4\right)$

ΔT＝T-25 (5)

$I_{mm}=I_m\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\Δ}T)---\left(7\right)$

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (9)

式中：

I_m、U_m分别是温度T为25℃、日照强度S为1000W/m²条件下的单光伏电池最大功率点电流、最大功率点电压；单光伏电池的参数为定值：I_m＝13.74A，U_m＝348V；而I_mm、U_mm分别是经过S和T修正的最大功率点电流、最大功率点电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，所述PQ解耦控制单元包括有功环和无功环；所述有功环的输入端连接直流稳压单元的输出端、最大功率跟踪单元的输出端和无功环的输出端，所述无功环的输入端连接直流稳压单元的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，光伏电池单元符合传统光伏电池工程简化模型，用光照S、温度T、电池端电压U_pv作为变量输入，I_pv作为单光伏电池输出电流，表达式为：

$I_{pv}=f(U_{pv},S,T)=I_{scc}\[1-C_1(\exp \frac{U_{pv}}{C_2{U}_{occ}}-1)\]---\left(1\right)$

式中：

$C_1=(1-\frac{I_{mm}}{I_{scc}})\exp (-\frac{U_{mm}}{U_{occ}})---\left(2\right)$

$C_2=(\frac{U_{mm}}{U_{occ}}-1){\[ln(1-\frac{I_{mm}}{I_{scc}})\]}^{-1}---\left(3\right)$

$I_{scc}=I_{sc}\×\frac{S}{1000}\×(1+0.0025\mathrm{\Δ}T)---\left(6\right)$

U_occ＝U_oc(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (8)

式中：

I_sc、U_oc分别是温度T为25℃、日照强度S为1000W/m²条件下的单光伏电池短路电流、开路电压；单光伏电池的参数为定值：I_sc＝14.98A，U_oc＝444V；而I_scc、U_occ分别是经过S和T修正的短路电流、开路电压。

4.根据权利要求3所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，最大功率跟踪单元使直流侧电压U_dc跟踪经过修正的单光伏电池最大功率点电压U_mm，表达式为：

U_mm＝U_m(1-0.00288ΔT)×ln(e+0.5ΔS) (10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，直流稳压单元为双级式或单级式；双级式表示为U_dc＝kU_pv；k为直流侧升压电路升压比；单级式表示为U_dc＝U_pv；直流稳压单元有一个直流稳压电容C，其两侧的功率传递表达式为：

$P_{dc}-S_{pv}=C\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}{U}_{dc}---\left(11\right)$

其中P_dc为直流环节输入功率；S_pv为直流环节输出功率。

6.根据权利要求5所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，PQ解耦控制单元将有功无功环节解耦控制，利用RL滤波电路两侧电压相角差δ作为有功环的控制对象，以逆变器调制比M作为无功环的控制对象，通过下式完成对有功无功的解耦控制：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{U_i{U}_s\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}L}\≈\frac{U_i{U}_s\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}L}\\ Q=\frac{U_s(U_i\cos \mathrm{\δ}-U_s)}{\mathrm{\ω}L}\≈\frac{U_s(U_i-U_s)}{\mathrm{\ω}L}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中：

U_i和U_s——逆变器出口侧电压和网侧电压，U_i＝MU_dc；

L——滤波电感；

ω——电网角频率；

P和Q——有功、无功输出。

7.根据权利要求1所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，保护配置单元包括电压保护模块、频率保护模块、过电流及短路电流保护模块和电压不平衡保护模块。

8.根据权利要求6所述的一种基于功率解耦控制的并网光伏发电***机电暂态模型，其特征在于，有功环中变量间关系通过下式表达：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=(K_{pp}+\frac{K_{pI}}{s})*(U_{dc}-U_{dcref})+{\mathrm{\δ}}_0\\ P\≈\frac{U_i*U_s}{\mathrm{\ω}L}\mathrm{\δ}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=\frac{I_{dc}}{C}-\frac{S_{pv}}{{\mathrm{CU}}_{dc}}\\ I_{dc}=f\left(I_{pv}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中：

K_pP和K_pI——有功环PI调节系数；

U_dcref——通过MPPT计算得到的直流侧电压参考值；

δ₀——δ的初始值；

I_dc——直流环节输入电流；

无功环中变量间关系通过下式表达：

$\left(\begin{array}{c}M=(K_{qP}+\frac{K_{qI}}{s})*(Q_{ref}-Q)+M_0\\ Q=\frac{U_s}{\mathrm{\ω}L}(M*U_{dc}-U_s)\end{array}\right.---\left(15\right)$

式中：

K_qP和K_qI——无功环PI调节系数；

Q_ref——无功参考值；

M₀——M的初始值；

输出环节的变量关系通过下式表达：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_I={\mathrm{\θ}}_V-\arctan \frac{Q}{P}\\ I^2=\frac{P^2+Q^2}{U_s^2}\\ I_{TR}=I*{\mathrm{cos\θ}}_I\\ I_{TI}=I*{\mathrm{sin\θ}}_I\end{array}\right.---\left(16\right)$

式中：

θ_I和θ_V——光伏输出电流和电网电压的相角；

I_TR和I_TI——光伏输出电流的实部和虚部。