一种通用的并网式光伏发电系统机电暂态模型技术领域
本发明涉及一种通用的并网式光伏发电系统机电暂态模型，是一种光伏PV和电力
系统分析领域中光伏发电系统的建模方法。属于电力系统输配电技术领域。
背景技术
随着新能源、智能电网和微电网技术的发展，并网式光伏发电系统已经取得广泛
的应用，并具有广阔的发展前景。在含光伏发电系统的电网动态分析中需要采用兼具精
度和效率的暂态模型，在既往研究中，光伏发电系统模型通常采用两类模型：一类是潮
流模型，即将其建模成简单的功率源，不考虑其动态过程，这类模型常称为“潮流”模
型，仅适用于潮流分析，而不能用于暂态分析。另一类是基于特定的光伏发电系统建立
对应的电路或电磁模型，严格体现光伏发电系统中具体的最大功率跟踪（MPPT）控制
算法和逆变器电路及其控制逻辑，这类模型虽然能满足电网机电暂态分析要求，但其存
在如下问题：（1）由于光伏发电系统的内部结构（如单级或双级式）和控制方法（如各
种不同的MPPT控制策略）因厂家不同而具体各异，导致其通用性差，需要对不同厂
家、型号的光伏发电系统分别建模，工作量极大、效率低，也不切合实际；（2）所建模
型的电路或电磁模型涉及各厂家专有的设备内部参数，这些内部参数有些属于商业机
密，难以取得相关的模型参数，给建模带来困难；（3）电路或电磁模型复杂，为保证精
度，计算步长设置非常低，严重制约分析计算的速度，效率低。
综上所述，根据目前的智能电网和微电网技术的发展，亟需设置通用的模型结构，
以提高仿真分析的自动化水平和扩大计算规模。需要分析已有各类光伏发电系统的共性
特征，并针对电力系统机电暂态仿真的需求，形成一种通用性的建模方法。
发明内容
本发明的目的，是为了提供一种通用的并网式光伏发电系统的机电暂态模型，适
用于大型电网系统机电暂态仿真。
本发明的目的可以通过以下技术方案达到：
一种通用的并网式光伏发电系统的机电暂态模型，其特征在于：
1）它包括光伏电池PV单元、最大功率跟踪MPPT单元、DC变换单元、直流链
接单元、含电流内环控制的逆变器单元、逆变器外环控制单元和保护单元；
2）光伏电池PV单元输入端包括光照强度端和光伏电池温度参数输入端，其输出
端连接DC变换单元的输入端、最大功率跟踪MPPT单元的电压输入端；DC变换单元
的输出端连接光伏电池PV单元的电压输入端、通过开关连接直流链接单元的输入端、
其输入端连接直流链接单元的电压输出端、最大功率跟踪MPPT单元的输出端；直流
链接单元的输入端连接DC变换单元的一个输出端、含电流内环控制的逆变器单元的一
个输出端、其输出端连接DC变换单元的一个输入端、逆变器外环控制单元的一个输入
端；逆变器外环控制单元的输入端包括直流链接电压输入端、直流链接的直流侧输入功
率输入端、直流链接电压输入端、有功功率输入端和无功功率输入端、无功功率参考值
输入端，逆变器外环控制单元的输出端包括输出逆变器的轴电流分量参考值输出端；
含电流内环控制的逆变器单元包括直流功率计算器、交流功率计算器、锁相环、逆变器
和dq/abc变换器。
进一步地，
1）光伏电池PV单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
I PV 1 = f ( V PV 1 , S , T , . . . ) = I sc ′ { 1 - C 1 [ e V PV 1 C 2 V OC - 1 ] } P PV 1 = V PV 1 I PV 1 ]]>
2）最大功率跟踪MPPT单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
V PVm 1 = e - τs 1 + Ts V PVm + Δ V PVm ]]>
3）DC变换单元设有输入、输出量，二者之间的关系包括二种情况，
第一种情况对应单级光伏发电系统，表达式为：
P PV 2 = f 1 ( P PV 1 ) = P PV 1 V PV = f 2 ( V D , V PVm 1 ) = V D ]]>
第二种情况对应双级或多级光伏发电系统，表达式为：
P PV 2 = f 1 ( P PV 1 ) = P PV 1 η DC V PV = f 2 ( V D , V PVm 1 ) = V PVm 1 ]]>
4）直流链接单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
d E C dt = P PV 3 - P De E C = 1 / 2 CV D 2 ]]>
其中EC为电容上存储的能量。
5）逆变器外环控制单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
I d , ref 1 = B d 2 s 2 + B d 1 s + B d 0 A d 2 s 2 + A d 1 s + A d 0 ( V D , ref - V D ) + k FWD P PV 3 V D I d , ref = Sat ( I d , ref 1 , I d , max , I d , min ) ]]>
I q , ref 1 = B q 2 s 2 + B q 1 s + B q 0 A q 2 s 2 + A q 1 s + A q 0 ( Q ref ′ - Q e ) I q , ref = Sat ( I q , ref 1 , I q , max , I q , min ) ]]>
6）含电流内环控制的变流器单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
采用传递函数描述，为：
I d = b d 2 s 2 + b d 1 s + b d 0 a d 2 s 2 + a d 1 s + a d 0 I d , ref I q = b q 2 s 2 + b q 1 s + b q 0 a q 2 s 2 + a q 1 s + a q 0 I q , ref ]]>
本发明具有如下突出的有益效果：
1、采用本发明可为现实中结构多样、形式各异和内部参数保密的并网光伏发电系
统提供通用型的适用于机电暂态分析的数学模型，有利于在微网系统整体中分析、设计
和控制各类并网光伏发电系统。通用性主要表现于：适用于光伏发电系统的各种内部结
构（如单级或双级式）和控制方法，可以从外特性上进行建模，无需涉及厂家专有设备
的内部参数，并能适用暂态分析应用。
2、本发明通用性强，具体表现于：a）适用于单级式和双级式光伏并网发电系统；
b）适用于多种不同的最大功率跟踪控制算法；c）适用于多种逆变器电路结构及其内环
电流控制策略。
3、本发明采用的模型参数为设备参数和外特性参数，前者可由厂家提供，后者可
通过一定外特性测试获得，不包含厂家设备内部控制器的结构和涉及商业机密的策略或
算法参数。本发明灵活的参数配置，如逆变器内、外环控制均采用通用的二阶传递函数，
可表达比例（P）、比例+积分（PI）、比例+积分+微分（PID）和各种二阶滤波器的动态
控制策略和响应特性。
4、本发明包含了光伏并网发电系统常用的保护逻辑，如系统欠压、输出过流和直
流侧过压等。
附图说明
图1为本发明具体实施例1的结构示意图。
具体实施方式
具体实施例1：
图1构成本发明的具体实施例1。
参照图1，本发明涉及的一种通用的并网式光伏发电系统的机电暂态模型，它包括
光伏电池PV单元、最大功率跟踪MPPT单元、DC变换单元、直流链接单元、含电流
内环控制的逆变器单元、逆变器外环控制单元和保护单元；光伏电池PV单元输入端包
括光照强度端和光伏电池温度参数输入端，其输出端连接DC变换单元的输入端、最大
功率跟踪MPPT单元的电压输入端；DC变换单元的输出端连接光伏电池PV单元的电
压输入端、通过开关连接直流链接单元的输入端、其输入端连接直流链接单元的电压输
出端、最大功率跟踪MPPT单元的输出端；直流链接单元的输入端连接DC变换单元
的一个输出端、含电流内环控制的逆变器单元的一个输出端、其输出端连接DC变换单
元的一个输入端、逆变器外环控制单元的一个输入端；逆变器外环控制单元的输入端包
括直流链接电压输入端、直流链接的直流侧输入功率输入端、直流链接电压输入端、有
功功率输入端和无功功率输入端、无功功率参考值输入端，逆变器外环控制单元的输出
端包括输出逆变器的轴电流分量参考值输出端；含电流内环控制的逆变器单元包括
直流功率计算器、交流功率计算器、锁相环、逆变器和dq/abc变换器。
光伏电池PV单元输入端输入光照强度S、光伏电池温度参数T，其输出端向DC
变换单元输出功率PV1、向最大功率跟踪MPPT单元输出最大功率点电压VPVM；DC变
换单元向光伏电池PV单元输出端电压VPV1、通过开关向直流链接单元输出功率PPV2
及输入来自直流链接单元的电压VD、来自最大功率跟踪MPPT单元的功率点电压
VPVM1；最大功率跟踪MPPT单元输出功率点电压VPVM1；直流链接单元输入来自DC
变换单元的直流侧功率PPV3、来自含电流内环控制的逆变器单元的逆变器侧功率PDE
及向DC变换单元、逆变器外环控制单元输出直流链接电压VD；逆变器外环控制单元
输入直流链接电压的参考值VDREF、直流链接的直流侧输入功率PPV3、直流链接电压
VD、逆变器向交流电网系统输出的有功功率PE和无功功率QE、无功功率参考值QREF或
功率因数及向含电流内环控制的逆变器单元输出逆变器的d、q轴电流分量参考值
IDQ、IREF；含电流内环控制的逆变器单元包括直流功率计算器、交流功率计算器、锁相
环、逆变器和dq/abc变换器，输入逆变器的d、q轴电流分量参考值IDQ、IREF、交流电
网系统母线的三相电压Uabc、三相电流Iabc及向交流电网输出三相电流Iabc、向系统注
入的瞬时有功功率PE和无功功率QE和逆变器直流侧功率PDE。
本实施例中，
1）光伏电池PV单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
I PV 1 = f ( V PV 1 , S , T , . . . ) = I sc ′ { 1 - C 1 [ e V PV 1 C 2 V OC - 1 ] } P PV 1 = V PV 1 I PV 1 ]]>
光伏电池PV单元的其他参数，包括：Tref为标准电池温度、其值为25°C；Sref为
标准光照强度、其值为1000MW/m2；a、b、c是常数，其典型值为
a=0.0025/°C，b=0.5，c=0.00288/°C。标准电池温度和标准光照强度下的短路电流
Isc、开路电压VOC、最大功率点电流Im、最大功率点电压Vm，输入、输出量之间的表
达关系式
I PV 1 = f ( V PV 1 , S , T , . . . ) = I sc ′ { 1 - C 1 [ e V PV 1 C 2 V OC - 1 ] } P PV 1 = V PV 1 I PV 1 ]]>
Vpvm=V′m
其中：
C 1 = ( 1 - I ′ m I ′ SC ) e V ′ PVm C 2 V OC ]]>
C 2 = ( V ′ PVm V OC - 1 ) [ ln ( 1 - I ′ m I ′ sc ) ] - 1 ]]>
ΔT=T-Tref
ΔS = S S ref - 1 ]]>
I ′ sc = I sc S S ref ( 1 + aΔT ) ]]>
V'oc=Uoc(1-cΔT)(1+bΔS)
I ′ m = I m S S ref ( 1 + aΔT ) ]]>
V'm=Vm(1-cΔT)(1+bΔS)
式中：I′sc、V'oc、I′m、V'm分别为Isc、Voc、Im、Vm在不同环境下的修正值。
最大功率跟踪MPPT单元的相关参数包括：τ为纯滞后时间常数，T为一阶时间常
数，ΔVPVm为跟踪误差；输出量为VPVm1，是MPPT控制实际获得“最大”功率点电压。
2）最大功率跟踪MPPT单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
V PVm 1 = e - τs 1 + Ts V PVm + Δ V PVm ]]>
3）DC变换单元设有输入、输出量，二者之间的关系包括二种情况，
第一种情况对应单级光伏发电系统，表达式为：
P PV 2 = f 1 ( P PV 1 ) = P PV 1 V PV = f 2 ( V D , V PVm 1 ) = V D ]]>
第二种情况对应双级或多级光伏发电系统，表达式为：
P PV 2 = f 1 ( P PV 1 ) = P PV 1 η DC V PV = f 2 ( V D , V PVm 1 ) = V PVm 1 ]]>
4）直流链接单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
d E C dt = P PV 3 - P De E C = 1 / 2 CV D 2 ]]>
其中EC为电容上存储的能量；
在DC变换单元的输入、输出量之间关系表达式中，
ηDC为DC变换的效率，上式也可表示为：
P PV 2 = f 1 ( P PV 1 ) = P PV 1 - P DCLoss V PV = f 2 ( V D , V PVm 1 ) = V PVm 1 ]]>
PDCLoss表示DC变换的功率损耗。
5）逆变器外环控制单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
I d , ref 1 = B d 2 s 2 + B d 1 s + B d 0 A d 2 s 2 + A d 1 s + A d 0 ( V D , ref - V D ) + k FWD P PV 3 V D I d , ref = Sat ( I d , ref 1 , I d , max , I d , min ) ]]>
I q , ref 1 = B q 2 s 2 + B q 1 s + B q 0 A q 2 s 2 + A q 1 s + A q 0 ( Q ref ′ - Q e ) I q , ref = Sat ( I q , ref 1 , I q , max , I q , min ) ]]>
逆变器外环控制单元中，涉及直流链接的直流电压参考值，对于单级式光伏并网
发电系统为VPVm1，而对于双级式光伏并网发电系统需另外设置参考值VD1；
逆变器采用的无功功率控制方式，经常采用两种模式，即：定无功功率模式和定
功率因数模式；
控制参数，Ad2,Ad1,Ad0,Bd2,Bd1,Bd0,kWD，Aq2，Aq1Aq0，Bq2,Bq1，Bq0，Id,max,Id，min，
Iq,max,Iq，min，kFWD。
输入、输出量之间的关系采用传递函数描述，为：
I d , ref 1 = B d 2 s 2 + B d 1 s + B d 0 A d 2 s 2 + A d 1 s + A d 0 ( V D , ref - V D ) + k FWD P PV 3 V D I d , ref = Sat ( I d , ref 1 , I d , max , I d , min ) ]]>
I q , ref 1 = B q 2 s 2 + B q 1 s + B q 0 A q 2 s 2 + A q 1 s + A q 0 ( Q ref ′ - Q e ) I q , ref = Sat ( I q , ref 1 , I q , max , I q , min ) ]]>
其中：
（1）Sat(x,xmax,xmin)表示饱和函数，其定义为：
Sat ( x , x max , x min ) = x max x > x max x min x < x min x x min ≤ x ≤ x max ]]>
3）Id,max,Id，min,Iq,max,Iq，min可以单独由建模参数给出，也可只给出逆变器的最大限流
值Imax，则
I d , max = I max I d , min = - I max I q , max = I max 2 - I d , ref I q,min = - I q , max ]]>
（4）kFWD为有功功率前馈控制模式，kFWD＝0表示不采用前馈控制，kFWD＝1表示
采用前馈控制；
（5）直流链接的电压参考值VD，ref的取值方式：对于单级式光伏并网发电系统
VD，ref＝VPVm1，而对于双级式光伏并网发电系统VD，ref＝VD1。
6）含电流内环控制的变流器单元设有输入、输出量，二者之间的关系如表达式：
采用传递函数描述，为：
I d , ref 1 = B d 2 s 2 + B d 1 s + B d 0 A d 2 s 2 + A d 1 s + A d 0 ( V D , ref - V D ) + k FWD P PV 3 V D I d , ref = Sat ( I d , ref 1 , I d , max , I d , min ) ]]>
I q , ref 1 = B q 2 s 2 + B q 1 s + B q 0 A q 2 s 2 + A q 1 s + A q 0 ( Q ref ′ - Q e ) I q , ref = Sat ( I q , ref 1 , I q , max , I q , min ) ]]>
含电流内环控制的逆变器模型中，涉及设备参数：逆变器效率ηInv或损耗PInvLoss
控制参数：ad2,ad1,ad0,bd2,bd1,bd0，aq2,aq1,aq0,bq2,bq1,bq0，Id,max,Id,min，Iq,max,Iq,min，kFWD；
（2）输出量为：
iabc：逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流；
Pe,Qe：逆变器向系统注入的瞬时有功功率和无功功率；
PDe：逆变器直流侧功率。
（3）模型内部内部含：逆变器、dq/abc变换、锁相环、交流功率计算和直流功率
计算，其中
i）逆变器的传递函数模型：
I d = b d 2 s 2 + b d 1 s + b d 0 a d 2 s 2 + a d 1 s + a d 0 I d , ref I q = b q 2 s 2 + b q 1 s + b q 0 a q 2 s 2 + a q 1 s + a q 0 I q , ref ]]>
其中Id,Iq分别为逆变器的d，q轴电流分量。
ii)锁相环，采用电流系统分析中通用的锁相功能，输入为交流电网系统侧三相电
压uabc，输出为其正序基波电压分量的角度θ。
iii）dq/abc变换，采用电流系统分析中通用的变换公式，输入为d-q坐标系电流Idq
输出为向交流电网系统侧注入的三相电流iabc。
iv）交流功率计算，采用电流系统分析中通用的瞬时功率计算公式，输入为交流电
网系统侧三相电压uabc和逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流iabc，输出为逆变器向
系统注入的瞬时有功功率和无功功率Pe,Qe。
v）直流功率计算，其计算方法为：
PDe=Pe/ηInv
ηInv为逆变器的效率，上式也可表示为：
PDe=Pe-PInvLoss
PInvLoss表示逆变器的有功功率损耗。
6）保护的模型中，
（1）输入量为：
uabc：逆变器所接入的交流电网系统母线的三相电压；
iabc：逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流；
VD：直流链接的电压；
保护定值：系统低电压门槛VAC，min（瞬时有效值，缺省可设置为额定电压的20%），
系统低电压滞回值ΔVAC，min（瞬时有效值，缺省可设置为额定电压的5%），逆变器允许电
流最大值IInv,max（瞬时有效值），直流链接电压最大值VD，max
（2）输出量为：
P1：保护操作1；
P2：保护操作2；
（3）输入、输出量之间的关系，即保护逻辑分别为：
逻辑1：当交流电网系统电压uabc对应的瞬时有效值低于系统低电压门槛VAC，min时，
P1动作于逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流iabc切换至0值，同时P2动作于将
直流链接的直流侧输入功率PPV3切换至0值；当uabc对应的瞬时有效值从低于系统低电压
门槛VAC，min逐步上升达到VAC，min+ΔVAC，min时，整个光伏发电并网系统重新启动，P1和P2切
换回正常（非0）连接位置；
逻辑2：当逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流Iabc对应的瞬时有效值高于逆变
器允许电流最大值IInv，max时，P1动作于逆变器向交流电网系统侧注入的三相电流iabc切换
至0值，同时P2动作于将直流链接的直流侧输入功率PPV3切换至0值；然后根据计算
需要重新启动整个光伏发电并网系统，P1和P2切换回正常（非0）连接位置；
逻辑3：当直流链接电压VD高于直流链接电压最大值VD，max时，P1动作于逆变器向
交流电网系统侧注入的三相电流iabc切换至0值，同时P2动作于将直流链接的直流侧输
入功率PPV3切换至0值；然后根据计算需要重新启动整个光伏发电并网系统，P1和P2
切换回正常（非0）连接位置；
以上3个保护逻辑可根据分析需要选择部分设置，甚至不设置。
本发明提供了一种通用的并网式光伏发电系统的机电暂态模型，在具体分析可采
用多种方法来实现，包括但不限于：
（1）将本发明模型表达为离散或连续状态方程和代数方程形式；
（2）将本发明模型表达为离散或连续的传递函数形式；
（3）在各种分析软件中采用电路或/和各种功能模块组合成实现本发明的模型；
（4）上述实现方法的组合应用。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发
明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。