光伏发电系统建模导则

GB/TXXXX-201XPAGE13GB/TXXXX-201XPAGEIIICSICS中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布20--实施20--发布光伏发电系统建模导则GuideforModelingPhotovoltaicPower中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布20--实施20--发布光伏发电系统建模导则GuideforModelingPhotovoltaicPowerSystem（征求意见稿）GB/TXXXX-201X中华人民共和国国家标准光伏发电系统建模导则范围本标准规定了电力系统潮流计算、短路电流计算、机电暂态计算用的光伏发电系统数学模型的建立方法。本标准适用于通过10(6)kV及以上电压等级与公共电网连接的光伏发电系统。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T19964光伏发电系统接入电力系统技术规定术语和定义下列术语和定义适应于本文件。光伏发电系统photovoltaic(PV)powersystem指利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，一般包含变压器、逆变器、相关的平衡系统部件（BOS）和光伏方阵等。逆变器inverter将直流电变换成交流电的设备。光伏发电单元photovoltaic(PV)powerunit光伏发电站中，一定数量的光伏组件以串并联的方式连接，通过直流汇流箱和直流配电柜多级汇集，经光伏逆变器逆变与隔离升压变压器升压成符合电网频率和电压要求的电源。并网点pointofinterconnection对于有升压站的光伏发电系统，指升压站高压侧母线或节点。对于无升压站的光伏发电系统，指光伏发电系统的输出汇总点。最大功率点跟踪maximumpowerpointtracking利用控制方法使光伏电池运行在最大输出功率点。故障穿越faultthrough当电力系统事故或扰动引起光伏发电站并网点电压或频率变化时，在一定的电压、频率变化范围和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。符号、代号和缩略语光伏发电站符号：Pord_1：光伏发电站厂站级对逆变器1的有功功率控制指令Qord_2：光伏发电站厂站级对逆变器1的无功功率控制指令：逆变器1交流侧电压矢量Pord_n：光伏发电站厂站级对逆变器n的有功功率控制指令Qord_n：光伏发电站厂站级对逆变器n的无功功率控制指令：逆变器n交流侧电压矢量逆变器符号：IN：光伏逆变器额定电流I*：逆变器最大输出电流为电流饱和限值Ipv：光伏方阵输出电流Udc：逆变器直流侧电压：逆变器交流侧电压矢量：逆变器输出电流矢量Pord：光伏发电站厂站级对逆变器的有功功率控制指令Qord：光伏发电站厂站级对逆变器的无功功率控制指令P：逆变器输出有功功率Q：逆变器输出无功功率总则光伏发电站由多个光伏发电单元、集电线路、站内升压变压器以及站内无功补偿装置等组成，如图1所示。光伏发电站的数学模型由光伏发电单元模型以及常规电力设备元件模型构成。光伏发电单元模型参数宜通过实测获得，对于不同类型、不同容量的光伏方阵、逆变器构成的光伏发电单元应分别建模。本标准中短路电流为电力系统发生三相短路故障时光伏发电站输出的最大电流，主要用于保护、开关等电气设备的选型与校核。本标准中机电暂态模型不考虑逆变器最大功率点跟踪、开关管调制等动态过程。光伏发电单元参数标幺化过程中，基准容量宜选取光伏发电单元内容逆变器总额定功率，直流侧基准电压宜选取标准工况下的光伏方阵最大功率点工作电压，交流侧基准电压宜光伏发电单元升压变低压侧额定电压。图1光伏发电系统典型结构潮流计算模型电力系统潮流计算中，应根据不同的无功电压控制策略，将光伏发电站分别视为：PQ节点：恒功率因数控制模式下，光伏发电站的有功功率和无功功率按设定的功率因数给出。PV节点：电压控制模式下，光伏发电站的有功功率和电压幅值按设定值给出；光伏发电站的无功功率应按照实际的最大、最小能力设定上下限，当无功功率达到限制时应自动转为PQ节点。短路计算模型光伏发电单元短路电流输出模型逆变器交流侧短路故障时，考虑电流饱和限制模块的作用，逆变器宜等效为一个电流源，其最大输出电流为电流饱和限值。式中，k为逆变器电流饱和系数，典型值取1.2~1.5。光伏发电系统短路电流输出模型光伏发电站系统侧短路故障时，不考虑无功补偿装置的作用，光伏发电站短路电流可按照站内全部逆变器短路电流叠加的方法计算；无功补偿装置短路电流应单独计算。机电暂态计算模型光伏发电站的机电暂态计算模型由多个光伏发电单元模型以及常规电力设备元件模型构成，如图2所示。光伏发电单元机电暂态模型包含三个部分：光伏方阵模型：模拟光伏方阵非线性特性；逆变器模型：模拟逆变器并网运行控制特性，包括并网接口模型、控制与保护模型等；单元升压变压器模型。图2光伏发电站暂态模型连接关系光伏方阵模型光伏方阵模型应能体现不同环境因素下光伏方阵的光电转换特性。光伏方阵模型可按照本标准附录A的光伏方阵电能输出模型建立，也可由设备生产厂商提供。逆变器模型逆变器模型包括并网接口和控制保护两部分，其连接关系如图3所示。并网接口部分模拟逆变器功率输入、输出关系。输入电气量为光伏方阵输出电流Ipv，交流侧电压；输出电气量为逆变器直流侧电压Udc，输出电流，有功功率P和无功功率Q等。控制保护部分模拟逆变器在稳态和暂态运行状态的电气控制功能，输入电气量为厂站级控制指令有功功率设定值Pord和无功功率设定值Qord，光伏方阵最大功率点工作电压U’m（或最大功率P’m）等；输出电气量由并网接口模块的实现方式确定；保护应能实现逆变器各项要求。逆变器模型可按照本标准附录B、C的Ⅰ型、Ⅱ型逆变器模型建立，也可由设备生产厂商提供。图3逆变器机电暂态模型光伏发电站模型在光伏发电站并网分析中可采用包含所有光伏发电单元模型、常规电力设备模型，及厂站级控制模型的光伏发电站详细模型。关注光伏发电站外特性的时候，考虑最严重情况，可采取光伏发电单元倍乘或单机的等值方法建立光伏发电站等值模型。

附录A

（资料性附录）

光伏方阵电能输出模型A.1符号、代号和缩略语下列符号、代号和缩略语适用于本附录。参数类型参数常数Sref：标准测试条件下的辐照度，Sref=1000W/m2Tref：标准测试条件下的工作温度，Tref=25℃输入量S：光伏方阵当前工况的太阳辐照度T：光伏方阵当前工况的工作温度Tair：光伏方阵当前工况的环境温度Udc：光伏方阵直流工作电压，即逆变器直流侧电压输入参数Um：光伏方阵标准测试条件下最大功率点电压Im：光伏方阵标准测试条件下最大功率点电流Uoc：光伏方阵标准测试条件下开路电压Isc：光伏方阵标准测试条件下短路电流中间量U’m：光伏方阵当前最大功率点电压I’m：光伏方阵当前最大功率点电流U’oc：光伏方阵当前开路电压I’sc：光伏方阵当前短路电流输出量Ipv：光伏方阵输出电流A.2光伏方阵电能输出模型光伏方阵电能输出模型模拟不同环境因素下光伏方阵的光电转换特性。输入的环境量为当前工况的太阳辐照度S，当前工况的工作温度T；输入的电气量为光伏方阵直流工作电压Udc；输出电气量为光伏方阵输出电流Ipv。根据标准测试条件下的测试参数，推导出任意辐照强度S和工作温度T下的光伏方阵IV特性：其中，a、b、c分别为计算常数，光伏方阵由硅材料构成时典型值分别为0.0025、0.0005、0.00288。工作温度T与环境温度Tair、辐照强度S的关系如下式所示：式中，K为系数，光伏方阵由硅材料构成时典型值取0.03。其他材料的系数根据实际数据确定。

附录B

（资料性附录）

Ⅰ型逆变器模型B.1符号、代号和缩略语下列符号、代号和缩略语适用于本附录。参数类型参数并网接口部分常数K0：逆变器调制系数，正弦波调制的情况下取输入量Ipv：光伏方阵输出电流：逆变器交流侧电压矢量Pmd：同步旋转dq坐标下逆变器d轴分量调制比Pmq：同步旋转dq坐标下逆变器q轴分量调制比输入参数C：逆变器直流侧并联电容η：逆变器转换效率xT：逆变器桥臂出口处等效电抗输出量Udc：逆变器直流侧电压：逆变器输出电流矢量P：逆变器输出有功功率Q：逆变器输出无功功率Idc：逆变器桥臂输入直流电流中间量：逆变器桥臂输出电压矢量Ud：同步旋转dq坐标下逆变器桥臂输出电压d轴分量Uq：同步旋转dq坐标下逆变器桥臂输出电压q轴分量控制保护部分输入量Udc_ref：直流电压控制模式下，逆变器外环控制目标，光伏方阵最大功率点电压U’mPref：有功功率控制模式下，逆变器外环控制目标，不限发电功率工况下为光伏方阵最大功率点功率P’m，或为厂站级控制指令PordQref：给定逆变器输出无功功率参考值，厂站级控制指令Qordf：逆变器网侧频率输入参数：逆变器暂态过程中允许输出的最大电流I*：逆变器最大输出电流为电流饱和限值Tm_d：逆变器直流电压（或有功功率）测量时间常数Kd：直流电压（或有功功率）外环控制比例系数Td：直流电压（或有功功率）外环控制积分时间常数Tm_q：逆变器无功功率测量时间常数Kq：无功功率外环控制比例系数Tq：无功功率外环控制积分时间常数Tm_id：逆变器电流d轴分量测量时间常数Kid：电流d轴分量内环控制比例系数Tid：电流d轴分量内环控制积分时间常数Tm_iq：逆变器电流q轴分量测量时间常数Kiq：电流q轴分量内环控制比例系数Tiq：电流q轴分量内环控制积分时间常数中间量Id_ref：逆变器输出电流有功分量参考值Iq_ref：逆变器输出电流无功分量参考值Id：逆变器输出电流d轴分量Iq：逆变器输出电流q轴分量输出量Pmd：同步旋转dq坐标下逆变器d轴分量调制比Pmq：同步旋转dq坐标下逆变器q轴分量调制比B.2Ⅰ型逆变器模型Ⅰ型三相并网光伏逆变器的连接关系如图B.1所示：图B.1I型逆变器机电暂态模型连接关系B.2.1Ⅰ型逆变器并网接口部分基于同步旋转坐标系，逆变器的控制具有有功分量和无功分量控制的解耦特性。当以电网电压作为参考坐标时，电网电压d轴分量，q轴分量。逆变器输出的有功功率P和无功功率Q分别为：逆变器直流侧并联电容C与直流侧电压反馈量Udc之间的关系如图B.2所示。图B.2并联电容C作用下的直流电压Udc不考虑逆变器饱和因素影响，逆变器逆变桥模型为：逆变桥臂输出电压与交流侧电压存在以下关系：B.2.2Ⅰ型逆变器控制保护部分逆变器控制保护部分包含稳态运行控制模块、暂态控制保护模块，如图B.3所示。图B.3逆变器控制控制部分稳态运行控制模块稳态运行时，逆变器双环控制模式，逆变器外环控制与其控制目标和参考坐标相关，逆变器通过外环控制输出相应的Id_ref、Iq_ref。此时，以直流侧电压、有功功率、无功功率为控制目标分别对应的外环控制环节如图B.4所示。图B.4电网电压作为参考坐标下的逆变器外环控制环节逆变器内环电流控制环节如图B.5所示。同步旋转dq坐标下，逆变器输出电流的dq轴分量Id、Iq，分别与电流内环的电流参考值Id_ref、Iq_ref进行比较，并通过相应的PI调节器控制输出对应的调制比Pmd、Pmq，最终实现对Id、Iq的无静差控制。图B.5逆变器内环电流控制环节暂态与保护控制模块逆变器故障穿越控制主要包括故障穿越过程中的逆变器输出的有功电流和无功电流控制。其中有功电流控制主要通过以下两种方法实现：闭锁外环控制，直接给定内环有功电流目标值Id_ref；保留外环控制，但设置内环有功电流目标值上限Idmax。无功电流控制中内环无功电流目标值Iq_ref应根据逆变器实际控制特性确定，至少应满足GB/T19964中对光伏发电站低电压穿越过程中动态无功支撑能力的要求，同时保证：式中，逆变器暂态过程中允许输出的最大电流I’max，取逆变器输出电流饱和限值I*。逆变器保护模块的变量和参数通常包括：控制节点电压等级、电压、电流、频率限值、耐受时间、保护动作时间等，具体可根据逆变器整定值作为参考值。

附录C

（资料性附录）

Ⅱ型逆变器模型C.1符号、代号和缩略语下列符号、代号和缩略语适用于本附录。参数类型参数并网接口部分输入量：逆变器输出电流矢量：逆变器交流侧电压矢量输出量：逆变器输出视在功率P：逆变器输出有功功率Q：逆变器输出无功功率控制保护部分输入量Ipv：光伏方阵输出电流Udc_ref：直流电压控制模式下，逆变器外环控制目标，光伏方阵最大功率点电压U’mPref：有功功率控制模式下，逆变器外环控制目标，不限发电功率工况下为光伏方阵最大功率点功率P’m，或为厂站级控制指令PordQref：给定逆变器输出无功功率参考值，厂站级控制指令QordUN逆变器交流侧电压额定值：逆变器交流侧电压矢量P：逆变器输出有功功率Q：逆变器输出无功功率f：逆变器网侧频率输入参数C：逆变器直流侧并联电容η：逆变器转换效率Tm_udc：逆变器直流侧电压测量时间常数Kd：直流电压外环控制比例系数Td：直流电压外环控制积分时间常数Tm_q：逆变器无功功率测量时间常数Kq：无功功率外环控制比例系数Tq：无功功率外环控制积分时间常数Kq_v：逆变器低电压运行无功支撑系数IN：光伏逆变器额定电流：逆变器暂态过程中允许输出的最大电流I*：逆变器最大输出电流为电流饱和限值中间量Id：逆变器输出电流有功分量参考值Iq：逆变器输出电流无功分量参考值Idc：逆变器桥臂输入直流电流输出量：逆变器输出电流矢量Udc：逆变器直流侧电压C.2Ⅱ型逆变器模型Ⅱ型三相并网光伏逆变器的连接关系如图C.1所示：图C.1Ⅱ型逆变器机电暂态模型连接关系C.2.1Ⅱ型逆变器并网接口部分逆变器输出视在功率为：C.2.2Ⅱ型逆变器控制保护部分逆变器控制与保护模型包含稳态运行控制模块、暂态控制保护模块，如图C.2所示。图C.2逆变器控制与控制模型稳态运行控制模块稳态运行时，逆变器采用有功和无功解耦控制，包括直流电压计算模块、有功控制模块、无功控制模块及输出电流计算模块，如图C.3所示。图C.3逆变器稳态运行控制模块直流电压计算模块模拟逆变器直流侧电容稳定电压；有功控制模块跟踪光伏方阵最大功率点电压（或厂站级控制命令），输出逆变器电流有功分量Id，以Udc为被控对象的有功控制模块框图如图C.4所示。图C.4有功控制模块框图无功控制模块以无功功率参考值为控制目标，输出逆变器电流无功分量Iq，如图C.5所示。图C.5无功控制模块框图输出电流计算模块，根据电流的有功分量、无功分量及电网电压相位计算逆变器输出电流矢量。暂态与保护控制模块GB/T19964中对光伏发电站故障穿越及恢复过程的要求，光伏发电站注入电网的动态无功电流应满足一定的要求，故障清除后有功功率以一定的速率恢复至故障前的值。逆变器保护模块的变量和参数通常包括：控制节点电压等级、电压、电流、频率限值、耐受时间、保护动作时间等，具体可根据逆变器整定值作为参考值。图C.4暂态与保护控制模块框图输出电流计算模块参考稳态运行控制模块中的定义。目次TOC\o"1-2"\h\z前言 II1 范围 12 规范性引用文件 13 术语和定义 14 符号、代号和缩略语 25 总则 26 潮流计算模型 37 短路计算模型 38 机电暂态计算模型 3附录A（资料性附录）光伏方阵电能输出模型 5附录B（资料性附录）Ⅰ型逆变器模型 7附录C（资料性附录）Ⅱ型