光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

陸源張兆云

（1.國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054；2.華中科技大學強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

為了減少能源污染和生態(tài)環(huán)境破壞，同時保證世界各國的能源供應(yīng)，實現(xiàn)人類發(fā)展的可持續(xù)性，必須加快能源結(jié)構(gòu)的變革，大力發(fā)展可再生能源。在新的可再生能源中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電的發(fā)展最快，而太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源中繼風電之后發(fā)展最快、最大的產(chǎn)業(yè)[1-4]。

利用仿真工具建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行特征、故障特征，對于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分必要。本文選擇PSCAD作為仿真工具，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為光伏電池仿真、最大功率跟蹤仿真、光伏逆變器仿真3部分。

1 光伏電池仿真

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，光伏電池的研究一直集中在提高其轉(zhuǎn)換效率上。自20世紀70年代以來，光伏技術(shù)不斷得到完善，成本相應(yīng)降低，形成了蓬勃發(fā)展的光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)。光伏電池的仿真是光伏系統(tǒng)仿真的第一步。

1.1 光伏電池主電路

根據(jù)電池原理建立的仿真主電路如圖1所示。

圖1 光伏電池主電路

主電路中，Ipv為光伏陣列的電流，Voca為光伏陣列的開路電壓，Pos和Neg為電池的正極和負極，和外端連接。

1.2 光伏電池參數(shù)計算

光伏電池參數(shù)的計算主要包括反向飽和電流計算、光伏電池電流計算、二極管電流計算、開路電壓計算等部分組成。

1）反向飽和電流計算

根據(jù)給定的參數(shù)Iosr計算出當前的溫度和光照下的二極管反向飽和電流。

式中，I0R為標準測試條件下的反向飽和電流，TCR為標準溫度，TC為當前溫度，q為電子電荷，Eg為二極管導通電壓，n為二極管PN結(jié)理想因子，k為玻爾茲曼常量常數(shù)。

圖2 反向飽和電流計算

2）光伏電池電流計算

光伏電池電流計算公式為

圖3 光伏電池電流計算

3）二極管電流計算

根據(jù)Ios計算仿真模型二極管電流，計算公式如下（忽略了串聯(lián)電阻）：

圖4 二極管電流計算

4）光伏陣列電流并聯(lián)處理

考慮單體光伏電池組成光伏陣列式時經(jīng)過兩級并聯(lián)，因而上述得到的電流分別乘以Ncp和Nmp。然后兩者相減得到光伏電池的輸出電流。

圖5 光伏陣列電流并聯(lián)處理

5）開路電壓計算

單體光伏開路電壓計算公式如下：

在計算了單體光伏電池開路電壓之后，需要乘以兩級串聯(lián)的系數(shù)Ncs和Nms，得到光伏陣列的開路電壓。

圖6 開路電壓計算

1.3 光伏電池的封裝

根據(jù)上述思路建立了光伏電池的模型，并對其進行封裝成一個獨立的元件，模型如圖7所示。

圖7 光伏電池輸入輸出參數(shù)

該模型中光伏電池的輸入包含：溫度T和光照G。光伏電池的輸出是兩個電極：正極和負極。模型內(nèi)部設(shè)置的參數(shù)主要包括：

Nms：光伏組件中串聯(lián)的光伏電池的數(shù)量。

Nmp：光伏組件中并聯(lián)的光伏電池的數(shù)量。

Ncs：光伏陣列中串聯(lián)的光伏電池的數(shù)量。

Ncp：光伏陣列中并聯(lián)的光伏電池的數(shù)量。

Gref：標準測試條件參考光譜輻射照度，目前都為1000。

Tref：標準測試條件參考溫度，目前都為25℃。

Aef：溫度系數(shù)。

Rs：單體光伏電池串聯(lián)阻抗（該模型暫時將此忽略）。

Rsh：單體光伏電池并聯(lián)阻抗。

Ebg：二極管導通電壓。

Di：PN結(jié)理想因子。

Iosr：單體光伏電池反向飽和電流。

2 最大功率追蹤（MPPT）仿真

最大功率跟蹤控制使光伏系統(tǒng)具有自尋優(yōu)能力，通過實時監(jiān)測光伏電池的輸出電壓、電流值，采用一定的控制算法，判斷當前工作狀態(tài)是否在最大功率點處，然后通過改變等效負載阻抗來調(diào)整光伏電池的工作電壓，不管外界環(huán)境還是負載發(fā)生變化，控制器也能使光伏電池工作在最大功率點。

2.1 最大功率跟蹤電路

光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)由光伏組件、直流斬波電路、電壓電流測量器件和控制回路組成。仿真電路如圖8所示。

圖8 最大功率跟蹤仿真電路

2.2 最大功率追蹤模塊

MPPT采用Fortran來實現(xiàn)，輸入包括：

1）當前電流Ia。

2）當前的占空比控制參數(shù)Duty。

3）每次改變占空比控制參數(shù)的步長dDuty。

輸出包括：

計算出的占空比控制參數(shù)newDuty；

當前控制方式，供錄波和測試時候使用。

圖9 最大功率追蹤

2.3 最大功率追蹤控制

圖10 最大功率追蹤控制

由于 Boost電路的輸出電壓恒定，因而直接用Boost電路的輸出電流取代了功率，進行了MPPT的判斷。

3 并網(wǎng)逆變器仿真

3.1 并網(wǎng)逆變器主電路

圖11 并網(wǎng)逆變器主電路

并網(wǎng)逆變器出口并非直接與交流電壓相連接，而是經(jīng)過一個LC濾波電路，濾除高次諧波，降低諧波污染。

3.2 PQ解耦控制

圖12 PQ解耦控制

在有功功率閉環(huán)控制環(huán)節(jié)并沒有直接用有功功率參考值，而是用直流側(cè)電壓，其目的是為了控制直流側(cè)電壓在給定值附近，原理是當直流側(cè)電壓高于給定值時，增加有功輸出，向電網(wǎng)提供更多有功，反之亦然，因此直流側(cè)電壓控制本質(zhì)就是有功功率控制。

3.3 開關(guān)信號產(chǎn)生

4 仿真試驗結(jié)果

4.1 并網(wǎng)運行

光伏電池逆變器并入400V低壓網(wǎng)，低壓網(wǎng)內(nèi)部帶感性負荷，用理想電源模擬微電網(wǎng)內(nèi)部其他微電源，微電網(wǎng)經(jīng)過0.4kV/10kV變壓器并入大系統(tǒng)。

在光照強度G=1000cd，溫度T=25℃時，起動時不使用最大功率追蹤控制（MPPT），在3s時起動MPPT，光伏電池電壓電流參數(shù)和逆變器并網(wǎng)電壓電流和功率如圖15和圖16所示。

光伏電池起動時，能在0.6s內(nèi)迅速建立端電壓，向直流電容充電，有較大的輸出電流，輸出功率不斷增大，逆變器直流側(cè)電壓迅速增大達到穩(wěn)態(tài)值，此后光伏電池的電流降低，輸出功率降低，在0.72s光伏電池功率到達穩(wěn)定值，電壓電流也很穩(wěn)定；4s時起動MPPT，光伏電池電壓下降，輸出電流增加，輸出功率增加。

圖14 PV單電源并網(wǎng)仿真模型

圖16 光伏電池并網(wǎng)特性

光伏逆變器在起動時向系統(tǒng)吸收有功功率和無功功率來維持直流側(cè)的電壓達到給定值，這段時間為0.5s，此后光伏電池逆變器并網(wǎng)的有功功率維持在30.2kW，電壓（圖中電壓為標幺值）和電流都達到穩(wěn)定值；4s起動MPPT后，輸出功率增加，最終達到62.6kW，最大功率追蹤有效。

4.2 改變輸入因素產(chǎn)生的影響

在光照強度G=1000cd，溫度T=25℃時起動光伏電池并網(wǎng)，在5s時改變輸入?yún)?shù)光照強度變?yōu)镚=800cd，溫度變?yōu)門=20℃，光伏電池電壓電流參數(shù)和逆變器并網(wǎng)電壓電流和功率如圖17和圖18所示。

光照強度和溫度下降之后，雖然光伏電池的電壓下降，但是幅度很小，主要是受到逆變器直流側(cè)電壓的影響，輸出電流和功率有非常明顯的降低，下降的暫態(tài)過程非常短暫，此后輸出電流和功率達到穩(wěn)定值。

并網(wǎng)逆變器在光照強度和溫度下降之后，并沒有像光伏電池輸出產(chǎn)生階躍式的突變，其過渡過程時間有2s，輸出有功功率從70.6kW下降到58.7kW，無功功率從60.7kVar下降到44.2kVar，整個過程當中并網(wǎng)電壓能維持400V恒定。

圖17 改變輸入?yún)?shù)對光伏電池的影響

圖18 改變輸入?yún)?shù)對光伏逆變器的影響

4.3 并網(wǎng)孤網(wǎng)切換和孤網(wǎng)運行負荷突變

在光照強度G=1000cd，溫度T=25℃時，不起動最大功率追蹤控制（MPPT），在4s時與大電網(wǎng)解列，微電網(wǎng)變?yōu)楣戮W(wǎng)運行，又在7s時增加負荷3，如圖19所示，光伏電池電壓電流參數(shù)和逆變器并網(wǎng)電壓電流和功率如圖20和圖21所示。

圖19 運行方式及負荷變化情況

圖20 光伏電池特性

圖21 并網(wǎng)運行特性

無論在微電網(wǎng)與系統(tǒng)解列還是負荷突變，逆變器并網(wǎng)電壓都保持400V不變。因為逆變器采用PQ調(diào)節(jié)，所以在微電網(wǎng)運行方式變化或者切除負荷的時候，輸出有功功率和無功功率幾乎沒有變化。而且光伏電池的電壓的、電流以及輸出功率都很穩(wěn)定，不會發(fā)生突變，并且逆變器的直流側(cè)電壓也能保持不變。

4.4 光伏電池的短路特性

圖22 光伏電池短路特性PSCAD仿真簡圖

圖22中，電網(wǎng)電壓由外部配電網(wǎng)支撐，為400V。微電網(wǎng)內(nèi)包括光伏電池、負載1和負載 2。光伏電池采用PQ控制，額定有功功率190kW，無功功率30kvar；負載1的額定有功功率為150kW；負載 2的額定有功功率為100kW。下面仿真微電網(wǎng)中負載2所在線路50%處發(fā)生各種金屬性短路故障，并分析此時光伏電池出口處波形圖。

1）微電網(wǎng)中負載2所在線路50%處發(fā)生三相接地短路（本仿真波形圖中電壓單位為V，電流單位為A，有功功率單位為kW，無功功率單位為kvar）。

圖23 光伏電池機端電流A相有效值波形圖

2）微電網(wǎng)中負載2所在線路50%處發(fā)生單相接地短路（本仿真波形圖中電壓單位為V，電流單位為A，有功功率單位為kW，無功功率單位為kvar）。

圖24 光伏電池機端電流A相有效值波形圖

3）微電網(wǎng)中負載2所在線路50%處發(fā)生兩相短路（本仿真波形圖中電壓單位為V，電流單位為A，有功功率單位為kW，無功功率單位為kvar）。

圖25 光伏電池機端電流A相有效值波形圖

4）微電網(wǎng)中負載2所在線路50%處發(fā)生兩相接地短路（本仿真波形圖中電壓單位為 V，電流單位為A，有功功率單位為kW，無功功率單位為kvar）。

圖26 光伏電池機端電流A相有效值波形圖

從圖23到圖26中可以看出，當微電網(wǎng)中負載2所在線路 50%處發(fā)生各種金屬性短路故障時，在故障期間，電網(wǎng)電壓幅值下降較大，并且由于光伏電池逆變器的Crowbar保護控制，光伏電池故障電流最大為額定電流的2倍，光伏電池在短路期間功率在一定范圍內(nèi)有波動。故障解除后，光伏電池很快恢復(fù)正常穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

隨著國家光伏政策的調(diào)整，光伏發(fā)電在中國將得到更廣闊的發(fā)展。加強對光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性研究，一方面需要通過理論分析，另外一方面需要通過仿真工具建立相應(yīng)的仿真模型。本文選擇PSCAD作為仿真工具，分別建立了光伏電池、最大功率跟蹤電路以及逆變器的模型，并最終建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，該模型穩(wěn)定運行。最后利用該模型并進行了并網(wǎng)運行、負荷擾動、輸入擾動以及短路特性等各類仿真實驗。

[1]馬寧.太陽能光伏發(fā)電概述及發(fā)展前景.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)專輯. 2011, 4, 2(5): 25-28.

[2]劉永梅,王金宇,盛萬興.光伏發(fā)電概述[J].新能源, 2011(3).

[3]StefanKrauter (著),王賓,董新洲.太陽能發(fā)電一光伏能源系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2008.

[4]尹淞.太陽能光伏發(fā)電主要技術(shù)與進展[J].電力技術(shù), 2009(10).