Q GDW 1994-2013 光伏发电站建模导则.pdf
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1、Q / GDW ICS Q/GDW 国家电网公司企业标准 Q / GDW 1994 2013 光伏发电站建模导则 Guide for modeling photovoltaic power station 2014-05-01 发布 2014-05-01 实施 国家电网公司 发 布 Q / GDW 1994 2013 I 目 次 前言 II 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语和定义 1 4 符号、代号和缩略语2 5 总 则 3 6 潮流计算模型 3 7 短路计算模型 4 7.1 逆变器短路电流输出模型 4 7.2 光伏发电站短路电流输出模型 4 8 机电暂态计算模型4 8.1 机电
2、暂态计算模型结构 4 8.2 逆变器模型 4 8.3 光伏方阵电能输出模型 7 8.4 光伏发电站模型 7 编制说明9 Q / GDW 1994 2013 II 前 言 本标准用于建立电力系统潮流计算、短路电流计算、机电暂态计算用的光伏发电站数学模型,适合 在广泛使用的电力系统稳定计算程序中应用。 本标准由国家电网公司国家电力调度控制中心提出并解释。 本标准由国家电网公司科技部归口。 本标准起草单位:中国电力科学研究院、浙江省电力公司。 本标准主要起草人:迟永宁、施涛、裴哲义、陈宁、李琰、孙维真、刘纯、朱凌志、马珂、吕宏 水、安宁、倪秋龙、曲立楠、何国庆、钱敏慧、王超、李文峰、汤海雁、韩华玲、
3、韩志勇、罗芳、刘 超、王真、张占奎、苏媛媛、白宏。 本标准首次发布。 Q / GDW 1994 2013 1 发电站建模导则 1 范围 本标准规定了适用于电力系统潮流计算、短路电流计算、机电暂态计算的光伏发电站数学模型的建 立方法。 本标准适用于国家电网公司调度管辖范围内的通过 10(6) kV及以上电压等级与公共电网连接的光伏 发电站。 2 规范性引用文件 下列文件对于本标准的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本标 准。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本标准。 GB/T 19964 光伏发电站接入电力系统技术规定 Q/GDW 617 光伏
4、电站接入电网技术规定 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 光伏发电站 photovoltaic (PV) power station 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 和光伏方阵,以及相关辅助设施等。 3.2 逆变器 inverter 将直流电变换成交流电的设备。 3.3 光伏发电单元 PV generation unit 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。 3.4 并网点 point of int
5、erconnection 对于有升压站的光伏发电站,指升压站高压侧母线或节点。对于无升压站的光伏发电站,指光伏发电 站的输出汇总点。 3.5 最大功率点跟踪 maximum power point tracking 利用控制方法使光伏方阵运行在最大输出功率点。 3.6 故障穿越 fault through 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。 4 符号、代号和缩略语 下列符号、代号和缩略语适用于本文件。 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 Q / GDW 19
6、94 2013 2 T air : 光伏方阵当前工况的环境温度 U m : 光伏方阵标准测试条件下最大功率点电压 I m : 光伏方阵标准测试条件下最大功率点电流 U oc : 光伏方阵标准测试条件下开路电压 I m : 光伏方阵标准测试条件下短路电流 P m : 光伏方阵当前最大功率点功率 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 m : 光伏方阵当前短路电流 I array : 光伏方阵输出电流 I N : 光伏逆变器额定电流 U dc : 逆变器直流侧电压 I dc : 逆变器桥臂输入直流电流 C : 逆变器直
7、流侧并联电容 G U : 逆变器交流侧电压矢量 ac i I : 逆变器输出电流矢量 d : 逆变器输出电流有功分量 i q : 逆变器输出电流无功分量 t x U : 逆变器桥臂输出电压矢量 T : 逆变器桥臂出口处等效电抗 P : 逆变器输出有功功率 Q : 逆变器输出无功功率 U dc ref _ P : 直流电压控制模式下,逆变器外环控制目标,即光伏方阵最大功率点电压 U m ref : 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 Q ref : 给定逆变器输出无功功率参考值 U d : 同步旋转 dq 坐标下逆变器桥臂输出电压 d 轴
8、分量 U q : 同步旋转 dq 坐标下逆变器桥臂输出电压 q 轴分量 K 0 : 逆变器调制系数,正弦波调制的情况下取 3 22 P md : 同步旋转 dq 坐标下逆变器 d 轴分量调制比 P mq : 同步旋转 dq 坐标下逆变器 q 轴分量调制比 T m d K : 逆变器直流电压(或有功功率)测量时间常数 d : 直流电压(或有功功率)外环控制比例系数 T d : 直流电压(或有功功率)外环控制积分时间常数 T m q K : 逆变器无功功率测量时间常数 q : 无功功率外环控制比例系数 T q : 无功功率外环控制积分时间常数 T mid : 逆变器电流 d 轴分量测量时间常数 K
9、 id : 电流 d 轴分量内环控制比例系数 T id : 电流 d 轴分量内环控制积分时间常数 T miq : 逆变器电流 q 轴分量测量时间常数 K iq : 电流 q 轴分量内环控制比例系数 T iq : 电流 q 轴分量内环控制积分时间常数 5 总则 Q / GDW 1994 2013 3 5.1 光伏发电站由多个光伏发电单元、集电线路、站内升压变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。 5.2 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。 5.3
10、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。 5.4 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。 5.5 光伏发电单元参数标幺化过程中一般选取光伏发电单元额定功率为基准容量,选取标准工况下的光 伏方阵最大功率点工作电压为直流侧基准电压,选取光伏发电单元低压侧额定电压为交流侧基准电压。 图 1 光伏发电站典型结构 6 潮流计算模型 电力系统潮流计算中,根据光伏发电站无功电压控制策略的不同分为两种节点类型,具体包括: a) PQ 节点:恒功率因数控制模式下,光伏发电站发电功率按给定功率因数输出,在潮流
11、计算中视 为 PQ 节点。 b) PV节点:电压控制模式下,光伏发电站并网点电压按给定值输出,在潮流计算中视为 PV 节 点。 潮流分析中,光伏发电站的无功约束视其无功调节能力上下限而定,当输出无功功率超出无功上 下限时,自动转为 PQ 节点;有功约束视光照条件和发电计划给定的最大、最小发电功率值而定。 7 短路计算模型 7.1 逆变器短路电流输出模型 考虑电流饱和限制模块的作用,在交流侧短路情况下,逆变器可等效为一个电流源,其最大输出电流 为电流饱和限值 * I 见公式(1) : * N I kI (1) 式中,k 为光伏逆变器电流饱和系数,典型值 1.21.5。 7.2 光伏发电站短路电流
12、输出模型 系统侧短路故障时,不考虑无功补偿装置的作用时,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;无功补偿装置的短路电流贡献由无功补偿装置自身特性决定。 8 机电暂态计算模型 Q / GDW 1994 2013 4 8.1 机电暂态计算模型结构 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 方阵 模型 逆变 器模 型 G U ac I ref Q & mm UP array I S T dc U , P Q 单元升压变 模型 光伏发电单元模型1 光伏发电单元模型n 变 电 集 电 设 备 模 型 图 2 光伏发电
13、站暂态模型连接关系 光伏发电单元机电暂态模型包含三个部分: a) 逆变器模型:发电接口模型,包括并网控制、保护控制以及部分硬件相关限制; b) 光伏方阵模型:直流电能输出模型,模拟光伏方阵非线性特性; c) 单元升压变模型。 其中,逆变器和光伏方阵模型可由设备生产厂商提供或根据本标准建立。 8.2 逆变器模型 8.2.1 逆变器机电暂态模型连接关系 光伏发电单元机电暂态模型以逆变器为核心,本标准中所涉及的逆变器为三相光伏并网逆变器,其连 接关系如图 3 所示: dc U dc I t U G U ac I _ ref dc ref Po r U ref Q dc Po rU Q md P mq
14、 P Pj Q T x C 图 3 光伏逆变器机电暂态模型连接关系 8.2.2 逆变器主回路模型 当以电网电压作为参考坐标时,电网电压 d 轴分量 d eU G ,q 轴分量 0 q e 。逆变器输出的瞬时有 功功率 P 见公式(2),无功功率 Q见公式(3),分别表示为: 3 2 d d dc dc P ei IU (2) 3 2 dq Qe i (3) 若考虑光伏逆变器电能变换效率,可相应增加效率转化系数。 考虑到逆变器直流侧并联电容 C,其与直流侧电压反馈量 U dc 之间的关系如图 4 所示。 Q / GDW 1994 2013 5 1 sC dc I array I P dc U 图
15、 4 并联电容C 作用下的直流电压U dc 不考虑逆变器饱和因素影响,同步旋转 dq 坐标下逆变器机网接口模型见公式(4): 0 0 tdq dm d qm q UUj U UKPU UKPU d c d c (4) 则逆变器桥臂输出电压 与交流侧电压 存在关系见公式(5) : t U G U (5) tTa c Uj xIU G 8.2.3 逆变器控制器模型 逆变器控制器模型如图 5 所示。 逆变器控制器模型包含三个模块:稳态运行控制模块、故障穿越及保护控制模块、控制判断模块。 a) 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
16、控制输出相应的 i d_ref 、i q_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 6 所示。 _ ref dc ref Po r U ref Q G U md P mq P G U t dc Po rU Q 图 5 逆变器控制器模型 1 (1 ) d d K sT dc Uo rP _ dc ref ref Uo r P max min _ dr e f i 1 1 mq sT 1 (1 ) q q K sT Q ref Q max min _ qr e f i 图 6 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 7
17、所示。同步旋转 dq 坐标下,逆变器输出电流的 dq 轴分量 i d 、i q ,分 别与电流内环的电流参考值 i d_ref 、 i q_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 P md 、 P mq , 最终实现对 i d 、i q 的无静差控制。 Q / GDW 1994 2013 6 1 1 mid sT 1 (1 ) id id K sT d i _ dr e f i max min md P 1 1 miq sT 1 (1 ) iq iq K sT q i _ qr e f i max min mq P 图 7 逆变器内环电流控制环节 b) 故障穿越及保
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