基于PSASP_UPI的光伏建模及混合步長仿真*

邱少引，雷霞，丁吉，劉增慶，李逐云，余飛鴻

(西華大學 電氣與電子信息學院，成都 610039)

0 引 言

隨著人類對可再生能源的探索，光伏的并網容量不斷增加。由于光伏發電具有間歇性和波動性、且沒有旋轉慣量，將影響電網的暫態穩定性[1-2]。因此，研究適合于光伏并網暫態分析仿真的方法，對于推動光伏的大規模應用進程具有重要意義。

目前，光伏的暫態仿真研究主要集中于光伏暫態模型研究和光伏并網影響研究[3]。光伏暫態模型研究側重研究控制策略和光伏系統建模。文獻[4]將一種混沌改進貓群算法運用于復雜情況下的光伏陣列全局最大功率點跟蹤，提高了最大功率點跟蹤效率。文獻[5]提出了限制不對稱電壓暫降情況下光伏逆變器輸出電流峰值的方法，改善了光伏逆變器的輸出電流。文獻[6]構建了可描述配電網綜合負荷外特性的光伏系統等效模型，并驗證了模型的有效性。以上文獻為研究光伏暫態模型做出了貢獻，但在仿真時對大電網進行等值簡化，不能準確反應電網內部的暫態過程。并網影響研究側重研究各種情況下光伏電站對電網暫態穩定性的影響。文獻[7]利用電力系統暫態安全量化分析軟件FASTES平臺,構建大型光伏并網模型，定量分析了光伏電站與電網的交互影響。文獻[8]利用PSCAD/EMTDC搭建了光伏并網模型,分析了光伏電站并網容量對電網暫態穩定性的影響。這類研究詳細分析了各種情景下的電網暫態過程，但光伏電站建模相對簡單，仿真不能反應光伏系統本身的暫態過程。

現有單一仿真軟件無法在滿足光伏建模精確性的同時保證電網規模。電力系統分析綜合程(Power System Analysis Software Package，簡稱PSASP)的用戶自定義接口(User Program Interface，簡稱UPI)可以將MATLAB/Simulink和PSASP有機結合，充分發揮兩種軟件各自在建模精確性和規模性上的優勢。文獻[9-10]基于PSASP_UPI建立了光伏并網仿真模型,分析了光伏電站與電網的交互影響，但是沒有對仿真的步長進行控制，未實現真正意義上的混合仿真；文獻[11-13]提出利用PSASP_UPI調用API函數的方法實現了混合步長仿真，但由于調用了API函數導致仿真效率不高、速度較慢。

基于以上分析，文章首先在Simulink中搭建了基于PQ控制的光伏并網模型，利用Simulink Code將模型編譯成C代碼，以函數的形式嵌入固定格式的用戶自定義程序(User Program, 簡稱UP)中，然后在VC環境將UP編輯為每接收一個計算信號就利用計算初值單步計算一百次，完成計算后保存并返回計算結果，再利用VC將UP編譯成可被PSASP調用的動態鏈接庫，最后在PSASP中搭建CEPRI 36節點系統，通過光伏并網暫態穩定仿真驗證了模型的有效性。

1 光伏暫態建模

文章首先在Simulink中搭建了含光伏電池、MPPT、低電壓穿越保護以及基于PQ控制逆變器的三相光伏并網模型，如圖1所示。

圖1 三相光伏并網模型

電池模型采用的是通用型仿真模型，該模型可根據電池廠商提供的標準環境下的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率電流Im和最大功率電壓Um得到光伏電池的輸出特性。最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)，采用的是擾動觀察法(Perturbation and Observation，簡稱P & O)，該方法通過不斷地對光伏電池工作電壓進行擾動實現對最大功率的跟蹤。經過封裝后，含MPPT的光伏陣列圖2所示。圖中，T為環境溫度，S為光照強度，Ns為串聯電池數，Np為并聯電池數，Pout為光伏陣列實際輸出功率。通過調節T和S可改變環境條件，調節Ns和Np以改變光伏陣列輸出。

圖2 封裝光伏陣列

光伏發電系統的逆變器采用PQ控制策略，該方法通過控制逆變器的輸出有功電流和無功電流使其跟蹤參考電流來完成控制目標。對光伏陣列而言其輸出功率在環境條件不變的情況下是一定的，所以文中PQ控制的參考功率Pref=Pout。此外，根據Q/GDW 617-2011《光伏電站接入電網技術規定》，利用Simulink邏輯電路搭建了低壓光伏電站低電壓穿越控制策略，如圖3所示。當故障發生時并網點電壓低于圖示中的實線，則光伏電站脫網。

圖3 光伏電站低電壓穿越圖

2 UPI光伏并網混合步長仿真實現

2.1 PSASP_UPI暫態穩定計算模型

暫態穩定計算的數學模型主要由三部分組成：

(1)電網數學模型，即網絡方程：

X=F(X,Y)

(1)

式中F=(f1，f2，…，fn)T；X=(x1，x2，…，xn)T為網絡方程的求解變量。

(2)發電機、負荷等一次、二次設備的數學模型，即微分方程：

Y=G(X,Y)

(2)

式中G=(g1，g2，…，gn)T；Y=(y1，y2，…，yn)T為微分方程的求解變量。

(3)網絡操作方程，如故障產生、故障切除和負荷沖擊等，會改變X、Y。

考慮用戶程序后，PSASP暫態穩定計算的數學模型如下：

(3)

式中H=(h1，h2，…，hn)T；U=(u1，u2，…，un)T為用戶程序的求解變量。

2.2 用戶程序設計

PSASP在利用UPI進行暫態穩定計算時，調用的是由VC生成的動態鏈接庫。在Simulink中搭建了基于PQ控制的三相光伏并網模型后，利用Simulink自帶的Simulink Code可以將模型編譯成C代碼。Simulink Code在代碼生成時仿真模式為Fixed-step方式(固定步長)，解法器采用的ode 5解法器(四/五階龍格-庫塔法)。

PSASP的用戶自定義程序有其固定的編寫格式，Simulink Code生成的C代碼只需以函數形式嵌入程序即可。光伏以電流源形式并網，所以生成函數的形參是并網點電壓的幅值和相角，返回值為注入母線的電流實部和虛部。

2.3 混合步長的實現

PSASP_UPI可借助MATLAB/Simulink強大的建模功能建立更精確的模型，但是在仿真過程中PSASP不會控制UP的步長，最后UP輸出結果和電網輸出結果步長是一致的。這樣就會導致對Simulink模型利用不充分，結果也不能準確反映光伏電站內部的暫態過程。文章通過對UP的改進，在PSASP計算1個步長時UP計算一百個步長，然后通過動態鏈接庫將小步長仿真結果保存到文本文件中，實現混合步長仿真，其流程圖如圖4所示。

圖4中，k為 PSASP暫態穩定計算的迭代次數；m為UP的迭代次數。UP的仿真步長為0.000 1，PSASP的仿真步長為0.01，是UP仿真步長的100倍。UP首先利用輸入的t時刻的值作為初值進行步長為0.000 1的暫態穩定計算，得到Ut+0.01、Ut+0.02、…、Ut+1這100個計算結果，保存每個結果，并且將t+1時刻的結果輸出，接著PSASP利用Ut+1進行電網的暫態穩定計算，最后將計算得到的Yt+1、Xt+1作為下一時刻的計算初值，如此反復實現混合步長仿真。

圖4 混合步長仿真流程圖

3 算例分析

3.1 仿真系統設置

文章采用CEPRI 36節點系統，該系統有36個節點、10臺變壓器、37條交流線，系統基準容量為100 MVA。如圖5所示，光伏電站經升壓后從20號母線接入電網。

光伏陣列的參數如表1所示，表中PM為單個電池最大輸出功率，根據設置的光伏電池數量，光伏電站總的輸出功率Pout為80 MW。

圖5 CEPRI 36節點系統

參數取值參數取值Isc14.88 AT25℃Uoc708 VS1 000 W/m2Im13.88 ANs100Um576 VNp100PM8 000 WPout80 MW

3.2 光伏電站對比分析

為驗證所建UP模型的正確性，文章在20號母線分別接入PSASP光伏電站模型和UP光伏電站模型的情況下做了仿真對比。兩次的仿真步長都為0.01 s。圖6和圖7為23號母線附近在1 s時發生三相短路故障， 0.12 s后切除故障的光伏電站出特性。

圖6 PSASP光伏模型和UP光伏模型有功出力

從圖6結果可以看出，UP光伏模型與PSASP光伏模型有功出力特性基本一致，說明了所建模型的正確性。但兩者在動態特性上存在明顯差異，UP模型的有功出力在開始仿真時是先上升正后平穩，這是由于UP模型中加入了MPPT的原因，而PSASP的光伏模型則沒有MPPT，出力雖然平穩，但是不能體現光伏模型得動態特性。在故障期間，PSASP的光伏模型只能反映光伏出力的大致趨勢，而UP模型能夠更靈敏的反應故障期間的光伏出力特性。

圖7 PSASP光伏模型和UP光伏模型無功出力

在無功出力方面，PSASP的光伏模型在整個仿真過程中都沒有變化，這不符合實際的光伏動態特性，也不利于光伏電站的并網運行。而基于PQ控制的UP模型的無功出力在故障期間出現了波動，且為輸出無功。說明所建UP模型除了動態特性較好外，還能在電網故障時提供一定的無功支撐，更符合實際、更利于光伏電站的并網運行。

3.3 混合步長仿真

上述的UP模型雖然有較好的動態特性，但是它的輸出步長依賴于PSASP。文章改進的UP模型可以擺脫PSASP對步長的限制，利用PSASP_UPI調用動態鏈接庫將小步長的結果存到文本文件中，實現混合步長仿真，充分利用Simulink在建模上的優勢。設PSASP的仿真步長為0.01 s，UP的仿真步長為0.000 1 s，為驗證混合步長在仿真上的優勢文章設定了兩種場景。

(1)場景一：不影響光伏電站脫網

設21號母線附近在1 s時發生三相短路故障，0.12 s后切除故障。圖8為光伏出力特性圖，從故障前后的波形可以看出，UP輸出和PSASP輸出是一致的，并且UP以小步長的形式輸出，實現了混合步長。從故障期間的波形可以看出UP輸出和PSASP輸出結果趨勢基本一致，但是PSASP的輸出結果出現了明顯的失真，說明采用小步長的UP輸出動態特性更好，能夠跟精確的反應故障期間的光伏電站出力特性。仿真失真就可能導致光伏電站在穿越低電壓是誤動。為進一步測試混合步長仿真的優勢，設計了場景二。

圖8 混合步長仿真光伏電站出力特性

(2)場景二：影響到光伏電站脫網

設固定步長仿真的步長為0.01 s，混合步長仿真PSASP步長為0.01 s、UP步長為0.000 1 s。通過改變故障位置和故障的節點電阻，最終確定在1 s時16號母線發生三相短路接地故障，接地電阻為0.001 5 pu，在1.02 s時切除故障，此時采用混合步長的仿真光伏電站剛好不脫網(即故障期間并網母線最低電壓接近于0.2 pu但是不低于0.2 pu)。圖9(a)～圖9(d)分別為并網點電壓、系統頻率、光伏有功出力和光伏無功出力情況。

從仿真結果可以看出在相同的故障條件下，采用混合步長的光伏沒有脫網，系統穩定；而采用固定步長的仿真出現了光伏電站脫網的情況，導致有功缺額、頻率下降、系統失穩。從圖9(d)可以看到，由于固定步長仿真時大步長UP輸出的失真，導致光伏電站在故障期間提供的無功支撐低于實際值，進而導致了圖9(a)中光伏并網母線電壓低于了0.2 pu，光伏電站無法穿越故障期間的低電壓最終脫網。因此，采用混合步長的仿真能在極端故障下避免低壓穿越控制的誤動，更符合系統運行的特點，比固定步長仿真更具可行性。

圖9 極端情況暫態穩定分析

4 結束語

文章對UP進行改進，利用PSASP_UPI和Simulink Code搭建了光伏并網仿真模型，完成了與PSASP光伏電站的對比分析和混合步長仿真。仿真結果表明：

(1)所建UP模型與PSASP光伏模型特性一致，且具有更好的動態特性，驗證了所建模型的正確性和靈敏性；

(2)相對固定步長而言，混合步長仿真的小步長結果更加精確，體現了模型的精確性；

(3)極端情況下混合仿真不會因失真導致光伏低壓穿越控制的誤動，表明所建模型更符合系統的運行狀況，更具可行性。