具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模

魏承志，刘幸蔚，陈晓龙，文　安，刘　年，黄维芳

（1.南方电网电力调度控制中心，广州 510623；2.南方电网科学研究院，广州 510080；3.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模

魏承志1，2，刘幸蔚3，陈晓龙3，文安1，2，刘年1，黄维芳1，2

（1.南方电网电力调度控制中心，广州 510623；2.南方电网科学研究院，广州 510080；3.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

为满足最新国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定（GB 19964—2012）》对光伏发电系统低电压穿越能力的要求，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，本文介绍了具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模方法。通过设计卸荷电路，使直流侧电压能够在并网点电压跌落时，稳定在正常运行范围之内。同时，光伏发电系统能够根据电压跌落程度输出相应的无功功率。正常运行及故障情况下的仿真结果与实际光伏产品的调研结果对比表明，搭建的光伏发电系统模型能够准确地反映其实际特性，并具有较强的直观性与可调性。

光伏发电单元；最大功率点跟踪控制；并网逆变器控制；低电压穿越控制；仿真建模

太阳能作为一种无污染、可再生的新能源，越来越受到青睐。利用太阳能光伏发电在世界范围内已经取得了很大进展，越来越多的光伏电站开始并网运行，装机容量也在不断增加。为了顺利开展光伏发电系统并网运行特性的研究，具有低电压穿越能力的光伏发电系统的建模不可或缺。PSCAD/EMTDC仿真平台具有准确完整的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的用户界面和良好的开放性和灵活性等特点，非常适合光伏发电领域的仿真研究［1］。但是，PSCAD/EMTDC仿真平台自带的光伏发电系统仿真模型采用的是基于单闭环的电压型控制方式，并网时容易出现环流问题且抗干扰性差，也不具备低电压穿越能力。因此，针对光伏发电系统的仿真建模，国内外学者进行了大量研究。然而，许多文献介绍的光伏发电系统的仿真建模并不全面，并且所介绍的低电压穿越特性与目前产品的实际特性不符。文献［1-3］介绍了光伏发电并网控制系统，搭建了通用的光伏发电模型，但是没有提及低电压穿越控制策略。文献［4-6］介绍了低电压穿越的控制策略，但是所介绍的控制策略并不完善，没有详细地阐明如何稳定直流侧电压以及控制无功输出，并且没有涉及光伏发电系统模型的其他模块的建模方法。

基于PSCAD/EMTDC仿真平台，本文详细介绍了具有低电压穿越能力的光伏发电系统模型的搭建方法。该模型主要包括光伏发电单元、最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制单元以及并网逆变器控制单元等。其中，基于光伏发电单元数学模型，用直观的电气元件对其进行模拟，使其具有良好的可调性。此外，根据最新的国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定（GB 19964-2012）》［7］，经过对并网光伏逆变器生产厂家的实地调研，本文提出了包含零电压穿越在内的低电压穿越控制策略，使得所建模型的低电压穿越特性与目前产品的实际特性相符。当并网点发生一定程度的电压跌落时，直流侧电压能够稳定在正常运行范围之内，从而保证光伏发电系统在一定时间内不间断并网运行。同时，光伏发电系统能够根据电压跌落程度输出相应的无功功率，支撑并网点电压的恢复。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，对搭建的光伏发电系统模型分别进行了在正常运行与故障情况下的仿真验证。

1　光伏发电单元

光伏发电单元将接收到的太阳能转化为电能，是光伏发电系统的基础。光伏模块由多个光伏电池串联组成，光伏发电单元由多个光伏模块串并联组成，其输出电流和输出电压的关系［8］为

式中：I为光伏发电单元的输出电流；V为光伏发电单元的输出电压；Isc为光生电流；Io为二极管饱和电流；Np和Ns分别为并联和串联的光伏模块数；q为电子电量常数，其值为1.602×10-19C；k为玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K；T为绝对温度值；n为二极管特性拟合系数，可取为1.5；Rs为等值串联电阻。

当外界环境发生变化时，二极管饱和电流的修正量［2，8］为

式中：Io，ref为标准状况下二极管的饱和电流；Eg为禁带宽度；m为光伏模块中所串联的光伏电池数；Tref为参考温度，通常为298 K；Isc，ref为标准状况下光伏模块的短路电流；Voc，ref为标准状况下光伏模块的开路电压。

当外界环境发生变化时，光生电流的修正量［2］为

式中：S为光照强度；Sref为参考光照强度，通常取1 000 W/m2；J为短路电流温度系数。

2　最大功率点跟踪控制单元

随着外界光照强度和温度的变化，光伏发电单元的输出功率、电压和电流也会发生变化。在光照强度或者温度一定的情况下，光伏发电单元的U-P特性曲线是极大值为最大功率点的单峰曲线［9］。为了使光伏发电单元的工作效率达到最高，需要进行MPPT控制。具有MPPT功能的光伏发电系统的电路结构如图1所示。

图1　具有MPPT功能的光伏发电系统Fig.1　Photovoltaic power system with MPPT

通过测量光伏发电单元的输出电压与电流，MPPT控制单元计算出当前状态下的输出功率，并通过控制策略使得输出电压为最大功率点对应的电压，从而实现输出功率为最大功率。MPPT的控制策略有很多，如恒压跟踪法、扰动观察法、电导增量法等。其中，电导增量法具有控制效果好、控制稳定度高等优点，并且不受功率时间曲线的影响［9］。根据U-P特性曲线，在最大功率点处满足dP/dV=0。dP/dV的推导公式为

逆变器在正常工作时，需要较高的直流侧电压。然而，光伏发电单元最大功率点所对应的电压通常比较低。为获得更高的逆变器直流侧电压，需要串联更多的光伏电池单体模块，如此则会对单体模块的管理以及系统的可靠性带来不利的影响［10］。双级式的功率变换器，即在DC/AC逆变器之前加一级DC/DC升压斩波电路，则能够解决这一问题。在升压斩波电路中，其输出电压为逆变器的直流侧电压，该电压由逆变器外环控制环节维持恒定。此时，只需调节升压斩波电路中IGBT门极控制信号的占空比，即可使光伏发电单元的输出电压等于最大功率点对应的电压，从而实现输出功率为最大功率。

3　逆变器并网控制单元

通过一定的并网控制策略，逆变器能够使得输出电能的质量满足并网要求。并网控制策略通常采用双闭环控制方式。其中，控制外环能够实现不同的控制目标，并产生控制内环的参考信号，而控制内环则进行精细调节，改善输出电能的质量［11］。

在光伏发电系统中，光伏发电单元输出的直流量经过逆变器并网控制单元转换为交流量，再经过滤波后并入电网。该单元控制外环的目的是维持直流侧电压恒定，并且能够控制系统输出一定的无功（正常运行时无功通常为零）。恒直流侧电压和恒无功功率控制外环的结构如图2所示。

图2　恒直流侧电压和恒无功功率控制外环的结构Fig.2　Structure of outer-loop controller for constant DC voltage and constant reactive power control

由于控制外环的主要目的是维持直流侧电压恒定，因此可按典型的Ⅱ型系统对其PI参数进行设计，从而提高其抗干扰的能力。控制外环的PI参数设计［12］为

式中：C为直流侧电容值；τv为电压采样小惯性时间常数；Tv为电压外环PI调节器参数；Ts为PWM开关周期。

控制内环实现对注入到电网的电流进行调节的功能。该环节首先将三相输出电流的瞬时值经过派克变换，得到dq旋转坐标系下的直流信号。然后，再与控制外环输出的参考信号进行比较。两者的差值经过PI调节后，再与电压前馈环节进行配合，便可实现对系统输出有功和无功的解耦控制。控制内环结构如图3所示。

图3　dq坐标系下控制内环结构Fig.3　Structure of inner-loop controller in dq frame

控制内环PI参数同样按照典型Ⅱ型系统进行设计，以利于提高抗干扰能力。控制内环的PI参数计算式［12］为

式中：L为网侧滤波电感值；KPWM为PWM逆变器的等效增益，其值为直流侧电压幅值和三角波载波幅值之比；τi为电流采样小惯性时间常数。

4　低电压穿越控制策略

随着光伏出力的不断增大以及光伏渗透率的不断提高，当电网发生故障时，光伏电站脱网对电网安全稳定运行的影响也在不断扩大。光伏电站低电压穿越LVRT（low voltage ride through）是指当电力系统事故或扰动引起光伏电站并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏电站能够保证不脱网连续运行［7］。

最新《光伏发电站接入电力系统技术规定》指出，大中型光伏电站并网点电压跌至0时，光伏电站应能不脱网连续运行0.15 s；另外，该规定还对在低电压穿越过程中光伏电站的动态无功支撑能力提出了具体要求。

光伏发电系统的低电压穿越控制策略主要解决并网点电压跌落所带来的两个问题：一个是逆变器直流侧电压存在的过电压问题，另一个是逆变器如何实现动态无功支撑的问题。下面就从稳定逆变器直流侧电压和控制逆变器输出电流两个方面来介绍光伏发电系统的低电压穿越控制策略。

4.1逆变器直流侧电压的控制

当并网点电压跌落时，光伏发电单元输出的部分有功不能及时输出到电网，这部分有功向直流侧电容充电，导致直流侧电压上升。通过对并网光伏逆变器生产厂家的实地调研发现，在低电压穿越期间，通过控制光伏发电单元的输出电压接近其开路电压的方法使其输出的有功减小，从而保证直流侧电压不超出其限定值。在本模型中，设计了由IGBT和卸荷电阻构成的橇棒电路。在低电压穿越期间，由撬棒电路来消耗掉不能及时输出的有功，从而限制逆变器直流侧电压的升高。在建模中，撬棒电路的设计更加简便，并且其效果和控制光伏发电单元输出电压这种方法的效果相同。带有撬棒电路的光伏发电系统结构如图4所示。

图4　带撬棒电路的光伏发电系统结构Fig.4　Structure of PV power system with crowbar circuit

在启动低电压穿越控制策略之后，当直流侧电压超过限定值时，撬棒电路导通，卸荷电阻接入回路，消耗滞留的有功。否则，撬棒电路的开关器件关断，卸荷电阻无法形成通路。撬棒电路中卸荷电阻的取值按照电压跌落最严重的情况计算得到，从而保证当并网点电压低于0.9UN（UN为光伏发电系统额定电压）时直流侧电压均不会超出限定值。根据最新规定，光伏电站需具备零电压穿越的能力。此时，消耗在卸荷电阻上的功率最多，其值为PN（PN为光伏发电系统额定功率）。若直流侧电压的限定值为Ulim，则卸荷电阻Rload的计算式为

4.2逆变器输出电流的控制

根据最新规定，在低电压穿越期间，光伏电站需要能够根据并网点电压跌落程度输出一定的无功，以支撑并网点电压。自动态无功电流响应起直到电压恢复至0.9 p.u.期间，光伏电站注入电力系统的动态无功电流Isq应实时跟踪并网点电压变化，并满足

式中：Isq为输出电流的无功分量；Us为并网点电压标幺值；IN为光伏电站额定电流；K1≥1.5；K2≥1.05。

最新规定更加注重光伏电站在低电压穿越期间的无功支撑能力，当电压跌落程度较低时，输出的无功电流值将大于IN。在工程实际产品中，在低电压穿越期间，光伏发电系统输出的有功不超过0.1PN。当并网点电压高于0.9UN时，光伏发电系统输出的有功保持恒定，输出的无功为零。

为了便于实现对有功和无功解耦控制，建模时可将电网电压合成矢量定向于旋转坐标系的d轴，则光伏发电系统的输出功率计算式［13］为

式中：Pout和Qout分别为光伏发电系统输出的有功和无功；Usd和Usq分别为并网点电压的d轴分量和q轴分量；Isd和Isq分别为输出电流的有功分量和无功分量。因此，在低电压穿越期间，通过控制电流内环的有功和无功电流基准值，即可满足规定中对光伏发电系统动态无功支撑能力的要求，同时能够使其有功输出不超过0.1PN。

此外，在低电压穿越期间，光伏发电系统输出的电流可能增大。由于电力电子器件耐压和过载能力的限制，需配置限流环节，工程上通常将最大输出电流设置为1.2IN。

5　仿真实例

根据上述建模方法，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了光伏发电系统。该系统的光伏发电单元采用50串20并的连接方式，额定容量为210 kV·A，光伏模块的具体参数可参考文献［2］。逆变器直流侧的额定电压为800 V，开关频率为3 900 Hz。控制外环的PI参数为：比例系数Kp=12，时间积分常数Ti=0.01 s；控制内环的PI参数为：Kp=6，Ti=0.005 s。滤波环节采用带接地电阻的LCL型滤波器，根据文献［14］中参数设计方法，逆变器侧和电网侧的电感值分别为0.8 mH和0.4 mH，滤波电容值为110 μF，电容串联电阻值为1 Ω。

为了便于对搭建的具有低电压穿越能力的光伏发电系统进行仿真验证，将该系统经过升压变压器与10.5 kV电网相连，其拓扑结构如图5所示。其中：线路阻抗值为0.27+j0.345 Ω/km；线路AF、FG、AB、BC和DE的长度都是1 km；线路CD的长度为20 km。负载LD1的额定容量为3 MV·A，负载LD2的额定容量为1.2 MV·A，负载额定功率因数均为0.85。通过在光伏发电系统下游不同距离处设置故障点，实现并网点处不同程度的电压跌落。

图5　光伏发电系统接入配电网的拓扑结构Fig.5　Topological structure of distribution network with PV power system

当光伏发电系统接入配电网后正常运行时，该系统的输出波形如图6所示。

图6　正常运行时光伏发电系统的输出波形Fig.6　Wave shape of the PV power system during normal operation

由图6可知，光伏发电单元输出电压的初始值为434 V，此值等于其开路电压值。光伏发电单元输出端接有并联电容，在系统开始运行之后将对此电容进行充电。因此，在充电过程中输出电压减小。在电容充电过程结束之后，经过MPPT控制单元的调节作用，光伏发电单元的输出电压有所升高，并最终稳定在与最大功率点对应的349 V。此时，输出电流稳定为606 A，输出功率为210 kW，逆变器直流侧电压在并网逆变器控制单元的作用下稳定为800 V。正常运行时以上各电气量的仿真结果均符合设计预期。

在本算例的低电压穿越控制策略中，逆变器直流侧电压的限定值为900 V，则根据式（9）计算并设置卸荷电阻值为3.86 Ω。以2 s时在线路CD上距母线C 3 km处发生三相短路故障为例，对逆变器直流侧电压在有无低电压穿越能力时的情况进行了对比，仿真结果如图7所示，其中故障持续时间为0.3 s。

图7　光伏发电系统逆变器直流侧电压Fig.7　DC voltage of the inverter in PV power system

由图7可知，在故障期间，若光伏发电系统不具有低电压穿越能力，则由于有功不能全部及时输出，将对直流侧电容进行充电，从而导致直流侧电压上升并超出限定值。此时，直流侧过压保护将会动作，光伏发电系统将脱网。当采用低电压穿越控制策略后，直流侧电压能够稳定在限定值900 V处，从而能够避免开关器件的损坏，并且直流侧过压保护将不会动作，使得光伏发电系统能够不脱网连续运行。经仿真验证，当电压跌落程度不同时，逆变器直流侧电压均能维持在900 V之内。

另外，将无功电流式（10）中的参数K1设置为2，则当并网点电压跌落到0.3UN时，输出的无功电流达到允许输出的最大电流值1.2IN，即K2为1.2。此时，光伏发电系统的动态无功支撑能力能够满足规定要求。同时，当并网点电压低于0.9UN而启动低电压穿越控制策略时，有功电流基准值设为0.1IN，则在低电压穿越期间光伏发电系统输出的有功功率将不会超过0.1PN。以在线路CE不同距离处发生三相故障为例，对搭建的光伏发电系统仿真模型的动态无功支撑能力进行仿真验证。其中，故障开始时刻为2 s，故障持续时间为0.3 s。

当并网点电压分别跌落到13%UN、34%UN、72%UN以及92%UN时，光伏发电系统的并网点电压有效值、输出电流有效值、输出的有功功率和无功功率的仿真结果如图8所示。

图8　不同电压跌落时光伏发电系统输出特性仿真结果Fig.8　Simulation results of output characteristics of PV system with different degrees of voltage sag

由图8可知，并网点电压跌落程度不同，光伏电站输出的电流、有功功率及无功功率均不相同。当并网点电压跌落到30%UN以下时，输出电流在限流环节的作用下为1.2IN，主要为无功电流，光伏发电系统运行于恒流态，其输出的有功不超过0.03PN。并网点电压跌落到30%UN～90%UN之间时，输出电流随并网点电压的降低而升高，也主要为无功电流，光伏发电系统输出的有功不超过0.09PN。当并网点电压跌落到90%UN以上时，光伏发电系统不会启动低电压穿越策略，运行于恒功率态，输出功率全部为有功。另外，由于并网点电压降低，输出电流有所增大。

图9～图11为额定功率为500 kW的某型号并网光伏逆变器在并网点电压跌落至0.34UN时输出的电流、无功电流和有功的波形。通过对比可知，所建模型的仿真结果和实际并网光伏逆变器的输出特性相符。

图9　输出电流基波分量有效值Fig.9　Fundamental component effective value of output current

图10　输出无功电流基波分量有效值Fig.10　Fundamental component effective value of output reactive current

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

6　结语

本文详细介绍了主要包括光伏发电单元、MPPT控制单元和并网逆变器控制单元的光伏发电系统的仿真建模方法。另外，根据最新的光伏电站并网规定，经过对并网光伏逆变器生产厂家的实地调研，设计了包括稳定直流侧电压和控制无功电流动态输出在内的低电压穿越控制策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了光伏发电系统的并网模型，并对其进行了在正常运行和故障情况下的仿真验证。仿真结果表明：该模型能够表征实际并网光伏发电系统的基本特性，具备低电压穿越能力，即能够维持逆变器直流侧电压在允许范围之内，同时根据电压跌落程度输出一定的无功，从而为并网点电压提供动态无功支撑。根据文中介绍的建模方法搭建的光伏发电系统仿真模型，为进一步开展光伏发电系统内部参数与运行特性之间的关系、光伏发电系统以及含光伏发电系统的配电系统的故障特性等研究工作提供了模型基础。

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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

南方电网公司重点科技项目（K-KY2013-116）

魏承志（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为功率电子变换技术、电能质量测试与治理、分布式电源及微网控制等。Email：weicz@csg.cn

刘幸蔚（1991—），女，硕士研究生，研究方向为含分布式电源配电网的保护与控制。Email：xw_liu554@163.com

陈晓龙（1985—），男，博士研究生，研究方向为微电网及含分布式电源配电网的保护与控制。Email：promising1207@ 163.com