光伏发电系统及其在电力系统稳定中的应用研究综述

王兆麟，鲁宝春,熊 辉,程海军,孙丽颖,赵 凯

(辽宁工业大学 电气工程学院,锦州 121001)



光伏发电系统及其在电力系统稳定中的应用研究综述

王兆麟，鲁宝春,熊 辉,程海军,孙丽颖,赵 凯

(辽宁工业大学 电气工程学院,锦州 121001)

针对光伏发电系统建模及其在电力系统稳定中的应用研究现状,综述了光伏发电系统总体建模思路、建模方法与分类以及光伏模型在电力系统稳定分析方面的应用等,以为今后光伏发电系统在电力系中稳定应用提供参考。

光伏发电系统;建模;稳定分析;模型;电力系统

光伏发电系统的主要优势是在不破坏环境的前提下,将太阳能直接转换为电能[1],所以,随着光伏发电的成本持续降低和效率不断增加,光伏发电将成为未来电力系统不可阻挡的发展趋势[2-3]。根据中国可再生能源中长期发展规划, 2020年将达到1.8 GW, 2050年将达到600 GW。但是,随着电力系统中光伏发电的比例增加,光伏发电的间歇性、波动性与随机性、光伏发电系统并网势必对电力系统的稳定性产生影响。目前,解决这些问题的办法,主要是采取建立较准确的光伏发电模型。因此,本文在总结与归纳以往光伏发电系统总体建模思路与方法基础上,综述了国内外有关光伏发电系统在电力系统稳定性分析中所用模型与建模方法。

1 光伏发电系统的建模

1.1 光伏发电系统结构

光伏发电可分为集中式发电与分布式发电两种方式[4]。光伏发电系统一般结构如图1所示,其组成通常包括光伏阵列、逆变器和控制器等模块等[5-8]。

图1 光伏发电系统的一般结构

1.2 光伏发电系统一般建模方法

一个系统所建的数学模型必须与所研究系统表征的特点与特性相一致,数学模型一般表述为微分方程、差分方程、代数方程组合。在光伏系统建模中,结合分析问题角度,集中式光伏发电系统建模研究,主要是针对大规模光伏并网带来的一系列稳定分析、电力系统规划等方面的问题;分布式发电建模研究,主要是针对在配电系统或微电网中光伏发电并网带来的电能质量等方面的问题。

在建模方法上,光伏建模可分为两类。其一,机理建模方式,根据光伏发电系统组成的元件反映内在机理,建立元件数学模型,利用物理学定律建立光伏发电系统的整体数学模型,如小信号模型[9]、等值电路模型[10]、状态空间平均模型[11]、详细时域仿真模型[12]等;其二,混合建模方式[13],即在元件内在机理建模的基础上,对某些复杂的网络元件，如逆变器的外特性建模,即保持建模对象的外特性不变,又对其内部结构可做简化处理,主要考虑其外部整体特性,如开关函数模型[14-16]、受控源模型[17]、等效二端口模型[18]等。

关于光伏发电随机性方面的描述,在光伏发电系统输出功率随机性的描述上,通常采用概率函数来描述外部环境因素的变化对潮流的影响[19]。

1.3 光伏发电系统稳定分析模型研究进展

1.3.1 光伏阵列的模型

光伏电池模型是一个二极管电路模型。由于光伏电池组件通过串并联的形式构成光伏阵列,因此,光伏阵列的电压电流数学模型为

(1)

1.3.2 光伏系统功率静态模型

光伏发电系统输出有功功率模型以光伏阵列输出功率为基础,光伏阵列的有功功率数学PA描述为[10,19,20]

(2)

式(2)描述了光伏阵列输出功率与输出电压之间的关系。

PA=Pmax

(3)

光伏发电系统的输出无功功率的数学模型从两种角度进行描述，其一,根据已知并网点的电压与逆变器直流侧的电压电流来推导出输出无功功率Qac的数学模型[20];其二,利用dq0旋转坐标系直接推导出无功功率的数学模型[21]，其一般形式为

Qac=g(Vgrid,VA,m,δ,IL)

(4)

式中:Vgrid为电网侧电压,IL为逆变器的输出电流,m为逆变器调制指数,δ为逆变器调控相角。

1.3.3 光伏系统动态模型

建立光伏系统动态模型,通常假设逆变器直流侧(光伏电池组件、逆变器的直流环节和电压调节器等)的动态行为被忽略,主要考虑逆变器的交流侧部分,因此,在描述光伏发电系统的动态行为时,动态模型的一般形式为

(5)

式中:VPV为dc-dc变换器侧的电压,IPV为dc-dc变换器侧的电流,Vdc为逆变器交流侧的电压,Idc为逆变器交流侧的电流。

目前,根据不同的分析应用场景,建立了等效二端口模型、小信号模型、开关函数模型、受控源模型等光伏系统的动态模型。

1.3.4 光伏系统仿真模型

光伏系统仿真模型包括受控主体模型与控制模型,其控制模型主要包括MPPT控制模型[22-23]与逆变器控制模型[24]。美国GE公司开发的典型光伏系统通用模型的总体结构如图2所示,该模型在光伏系统并网研究中被广泛使用,其核心器件逆变器模型结构如图3所示。

图2 光伏发电系统仿真模型

图3 逆变器模型

输送到电网的有功功率是光伏阵列输出的最大的有功功率,无功功率是通过调控逆变器的控制因子而实现无功功率的输出。逆变器控制模型包含无功功率控制模型和电气控制模型。

2 光伏发电模型在电力系统稳定分析中的应用

2.1 潮流计算

在电力系统潮流计算中,常将光伏电源等效为PV节点或PQ节点。文献[12]提出了将光伏发电系统的功率模型与电力系统潮流计算交替迭代求解的方法,并将光伏发电系统看作是PQ节点,利用该方法能够得到某一时段内整个网络的潮流分布,但是没有考虑到光伏发电系统的随机性、波动性与间歇性。针对光伏发电系统的随机性与波动性,采用随机潮流作为光伏系统对电力网稳定性影响的研究基础[19,25,26]。文献[20]利用贝塔尔函数建立了光伏发电系统的随机潮流模型，但该方法存在一定的误差,难以对光伏发电系统的出力进行准确的预测。

2.2 电压稳定分析

光伏发电系统通常在以下三个方面影响电力系统电压稳定:一是并网后光伏发电系统无功支撑能力较弱;二是有功功率输出的随机波动将会影响到电网无功平衡特性;三是改变电力网络的网架结构。在含光伏源的电力系统电压稳定分析中,建立描述电压失稳过程的数学模型是关键。通常在电压稳定分析中的数学模型可以用一组含有微分-代数方程组描述[27]。文献[21]提出了用构建Q-V模型来分析含光伏源的电力系统的静态电压稳定。根据光伏发电系统的各个组件的特性和电路定理得出光伏发电系统输出功率方程模型,利用所得的功率方程模型构建Q-V模型。文献[20]在静态电压研究的建模过程中,分别建立互联网络、光伏面板和逆变器的功率模型，最终得到一组代数功率平衡方程来描述电力网。而在动态电压研究的建模过程中,用一种近似线性模型描述平衡点附近的瞬态响应,通过这个模型来探究系统参数的小扰动对电压瞬态响应的影响。文献[17]根据光伏发电系统各部分之间的联系,分别用受控电流源和受控电压源来描述整流、逆变过程电压电流关系，从而推导出等值电路,利用KVL、KCL定律建立一组相对应的电压电流方程,以进一步得到评估系统某关键节点的电压稳定性的灵敏度模型。

2.3 功角稳定分析

2.3.1 小信号稳定

2.3.2 暂态稳定

电力系统暂态稳定是指电力系统运行于某个状态下突然发生诸如短路故障、冲击负荷等大扰动时,电力系统经过暂态过程保持稳定同步运行的能力[34-35]。光伏系统的暂态行为可以描述为两种情况,一是当系统受到大扰动的影响时,继电保护方案导致光伏系统突然与大电网断开或关闭逆变器,在这种情况下断开的光伏系统在扰动期间会对电力系统的暂态稳定产生重大影响[36];二是存在于在低电压穿越过程中的瞬态行为,对电网产生很大的影响甚至破坏电力网络[37]。传统电力系统暂态稳定分析的数学模型,通常可以用一组非线性代数-微分方程来描述[38]。而对于含有光伏发电的电力网的建模问题还需进一步完善[39]。

文献[39]建立适合于光伏发电系统的动态模型。在逆变器交流侧建立一组包括并网逆变器、LCL滤波器和它的控制方式的微分方程数学模型,使用非线性模态级数方法建立了系统二阶模态近似解，并且探讨了参数对低电压穿越瞬态行为的影响。

文献[40]建立了风力发电机、小型水轮发电机和光伏电池的功率模型，其中，假设光伏发电站以注入的有功功功率为光伏电站的最大功率和无功功率为零为前提的。建立了混合分布式发电系统的数学模型,并在DIgSILENT/power factory 仿真软件中建立网络模型,从而得到了暂态稳定指标。

文献[41]以小型风力和光伏混合发电系统并入低压配电系统所组成的电力网为研究对象,其中光伏系统建立独立光伏系统的非线性方程组的矩阵,并配合与风力发电机组的数学模型来探究网络的暂态稳定性。

2.4 光伏发电系统的频率稳定分析

电力系统频率稳定是指电力系统遭受到致使发电和负荷功率出现大的不平衡的扰动后,系统仍能保持或恢复到稳定状态不发生频率奔溃的能力。频率是衡量电力系统安全运行的重要指标[42-44],当系统发生大的有功功率缺额时,会导致系统频率失稳[45]。研究表明,光伏系统输出功率会随着天气条件(温度和光照强度)、季节和地理位置的变化而波动。光伏系统输出功率的波动性,带来了系统的频率稳定的问题[46]。尤其是对于含有光伏源的微网小系统来说,频率稳定的重要性甚至超过了功角稳定和电压稳定[47]。

文献[48]以佛罗里达州的光伏电站直接并入输电网为研究对象,这项工作作为开发佛罗里达州的输电网动态模型的一部分,建立了光伏阵列和最大功率跟踪的数学模型,并将所建立的数学模型通过用户编写的模型集成技术与动态仿真软件集成,其中逆变器和电子控制器的动态模型通过PSS/E的模块库构建。

文献[49]建立了单相逆变器模型和它的直流、交流方程,使用三种小信号输入阻抗建模方法,构建了网络的戴维南等值电路和诺顿等值电路模型，该模型是以逆变器为核心并对逆变器两侧的元件进行简化建模,但它不能很好地反映系统各个部分对系统稳定性的影响。

文献[18]以一个含有光伏源的微网系统为研究对象,利用光伏电站的特性从而获得光伏电站的诺顿等值电路,构建微网的二端口等值网络,从而得到用于微电网频率稳定分析的传递函数模型。使用这个模型很好地呈现了各部分电气量之间的控制关系,简化了MATLAB仿真分析和缩短了仿真时间。

3 结 语

本文从光伏发电系统一般建模思路、模型的分类、光伏发电模型在电力系统稳定分析中的应用三个方面对国内外学者的研究成果进行了详细的归纳和总结,希望能为光伏发电系统的建模提供一些参考依据。

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(责任编辑 郭金光)

Review of PV generation system and its application in power system stability

WANG Zhaolin, LU Baochun, XIONG Hui, CHENG Haijun, SUN Liying, ZHAO Kai

(Department of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

Aiming at PV generation system modeling and its application in power system stability, this paper expounded the overall idea of PV generation modeling, modeling approach and classification, and the application of PV model in power system stability analysis, which provided

for stable operation of PV generation system in power system.

PV generation system; modeling; stability analysis; model; power system

2015-08-02。

国家自然科学基金项目(61104070)；辽宁省教育厅基金项目(L2013246)。

王兆麟(1989—),男,硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动化及新能源发电。

TM615.2

A

2095-6843(2016)01-0089-06