基于PSCAD的大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型研究

摘要：在PSCAD平臺上建立了大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，該模型由光伏電源仿真模塊和光伏逆變器仿真模塊兩部分組成。光伏電源仿真模塊的特性輸入?yún)?shù)均可以由光伏廠家的技術(shù)說明書提供，外部輸入?yún)?shù)是發(fā)電系統(tǒng)所在地的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度，具有適合于工程應(yīng)用的特點。光伏逆變器仿真模塊基于雙閉環(huán)控制策略和逆變效率高的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）實現(xiàn)電源逆變功能。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)處于最大功率輸出狀態(tài)，光伏逆變器仿真模塊中包含了基于擾動觀察法的最大功率點跟蹤（MPPT）功能。針對擾動觀察法出現(xiàn)的最大功率附近存在的震蕩問題，本文提出了具有判據(jù)閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據(jù)設(shè)置了閥值，增強(qiáng)了MPPT功能的魯棒性。仿真結(jié)果表明，本文建立的大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型可以反映光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性和功能，可以作為光伏接入電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和運營管理研究的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);PDCAD/EMTDC;SVPWM，MPPT

0""引言

太陽能資源分布廣泛，是綠色可再生能源。太陽能光伏發(fā)電是太陽能資源利用的主要方式，已經(jīng)成為未來綠色電力能源的重要組成部分。為促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，國家能源局發(fā)布了2014年各省光伏發(fā)電規(guī)模方案，2014年全國光伏發(fā)電容量預(yù)計將新增11.8GW，未來光伏發(fā)電規(guī)模將逐步增加。由于太陽能具有波動性和隨機(jī)性，光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出也具有很大波動。隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量越來越大，其輸出功率的波動將對電網(wǎng)產(chǎn)生不可忽視的影響，而計算機(jī)仿真技術(shù)則是研究這一內(nèi)容的有效手段。光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型是含光伏電力系統(tǒng)仿真研究的重要基礎(chǔ)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前的電力系統(tǒng)仿真軟件沒有直接可以利用的仿真模塊，因此建立可以反映實際光伏發(fā)電系統(tǒng)特性和功能的仿真模型十分必要。

由于實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍應(yīng)用電力電子器件和電路，且控制方法比較特殊，比較適合在PSCAD軟件上搭建仿真模型。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏電源和光伏逆變器兩部分組成。光伏電源仿真模塊開發(fā)相對比較容易，已有文獻(xiàn)中幾百瓦和幾千瓦的小容量光伏電源仿真模塊應(yīng)用比較常見[1-3]，更大容量的光伏電源模塊應(yīng)用較少涉及。光伏逆變器仿真模塊是開發(fā)的難點。光伏逆變器常常需要包括至少兩個基本功能，一個是因為光伏電源是直流電源，需要逆變?yōu)榻涣麟娫摧敵?另一個功能是由于光伏電源是非線性元件，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)在任何溫度和光照強(qiáng)度下始終處于最大功率輸出狀態(tài)，需要具備最大功率點跟蹤（MPPT）功能。逆變功能的實現(xiàn)一般采用閉環(huán)控制策略和PWM調(diào)制技術(shù)。MPPT功能實現(xiàn)的方法可以分為三類[1]：1）常壓法;2）擾動觀察法[4-6];3）電導(dǎo)增量法[7，8]。目前實際中應(yīng)用較多的是擾動觀察法。

本文在PSCAD仿真平臺上建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并對其仿真效果進(jìn)行了研究。光伏電源仿真模塊基于光伏電池工程實用數(shù)學(xué)模型開發(fā)，通過光伏電池的串并聯(lián)組合構(gòu)成大容量光伏電源模塊，仿真模塊的特性輸入?yún)?shù)均可以由光伏廠家的技術(shù)說明書提供，外部輸入?yún)?shù)是發(fā)電系統(tǒng)所在地的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度，具有適合于工程應(yīng)用的特點。光伏逆變器仿真模塊基于雙閉環(huán)控制策略和逆變效率高的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）實現(xiàn)電源逆變功能。光伏逆變器仿真模塊中包含了基于擾動觀察法的最大功率點跟蹤（MPPT）功能。針對擾動觀察法出現(xiàn)的最大功率附近存在的震蕩問題，本文提出了具有判據(jù)閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據(jù)設(shè)置了閥值，增強(qiáng)了MPPT功能的魯棒性。仿真結(jié)果表明，本文建立的大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型可以反映實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性和功能，可以作為光伏接入電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和運營管理研究的基礎(chǔ)。

1"光伏電源仿真模塊

1.1"光伏電池物理數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電子學(xué)原理[9]，光伏電池的等效電路圖如圖1所示：

圖1"光伏電池的等效電路圖

光伏電池的物理特性可以表示為式（1）到式（3）：

式中：：光伏電池的反向飽和電流;

：電子電荷C;

：PN結(jié)的曲線常數(shù);

：波爾茨曼常數(shù)J/K;

：光伏電池溫度

注意均與光伏電池所處的溫度和光照強(qiáng)度有關(guān)，在工程實際使用中，上述光伏電池物理數(shù)學(xué)模型并不實用。一般地，電池供應(yīng)商可以提供的技術(shù)參數(shù)是光伏電池的開路電壓，短路電流，最大功率輸出時工作電壓，最大功率輸出時工作電流，最大輸出功率等。

1.2"光伏電池工程實用模型

文獻(xiàn)[9]給出了只需要輸入電池供應(yīng)商提供的主要技術(shù)參數(shù)的光伏發(fā)電模型，該模型是在式（1）～式（3）的基礎(chǔ)上，通過一系列假設(shè)得到光伏電池的V-I表達(dá)式如式（4）"""""""""""""""""""""""""""""（7）

（8）

（9""""""""""""""""""""""""""""（10）

（11）

式中：是參考光照強(qiáng)度和參考溫度，一般取1000W/m2，25℃;是實際的光照強(qiáng)度和溫度;為電流和電壓對溫度的敏感系數(shù)，光伏生產(chǎn)商家會提供這一參數(shù)。

1.3"光伏電源仿真模型

光伏電源仿真模型基于1.2節(jié)介紹的光伏電池工程實用模型構(gòu)建，為了得到大容量光伏電源，在忽略較小的連接線路損耗和組件差異后，可以對單個光伏電池通過串并聯(lián)方式拓展得到大容量光伏電源，，，（分別為單個電池的電壓電流和功率，分別為串聯(lián)電池個數(shù)和并聯(lián)電池個數(shù)）。本文建立的光伏電源仿真模塊是一個受控電流源。圖2是按照廠家的光伏電池技術(shù)參數(shù)在PSCAD平臺上設(shè)計的光伏電源仿真模塊。特性輸入?yún)?shù)工作電流，工作電壓，短路電流，開路電壓以及電流和電壓對溫度的靈敏系數(shù)都可以從廠家提供的說明書中得到，可見仿真模型具有很強(qiáng)的工程實用性。

圖2"光伏電源仿真模塊

2"光伏逆變器仿真模塊

2.1"逆變功能的實現(xiàn)原理

本文實現(xiàn)的逆變過程是將光伏電源輸出的直流電逆變?yōu)榭梢圆⒕W(wǎng)的交流電。逆變過程中涉及的核心內(nèi)容是閉環(huán)控制策略和PWM調(diào)制算法。本文采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，采用d軸和q軸雙閉環(huán)控制策略。第一個閉環(huán)分為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，屬d軸的閉環(huán)控制，第二個閉環(huán)分為功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，屬q軸的閉環(huán)控制?？刂圃韴D如圖3所示。詳細(xì)理論介紹參見文獻(xiàn)[1]。

圖3"控制原理圖

本文采用的PWM調(diào)制技術(shù)是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），該控制技術(shù)是一種以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的的PWM波生成方法，SVPWM技術(shù)分為3個部分實現(xiàn)，即三相電壓的區(qū)間分配、矢量合成的最佳序列選擇和控制算法。電壓的區(qū)間分配直接影響到具體的控制算法，矢量合成序列的不同則關(guān)系到開關(guān)損耗和諧波分量，與常用的SPWM調(diào)制技術(shù)相比，SVPWM調(diào)制技術(shù)最大的優(yōu)點就是調(diào)制效率更高。文獻(xiàn)[10，11]詳細(xì)介紹了在PSCAD中實現(xiàn)SVPWM調(diào)制技術(shù)的方法。圖3中產(chǎn)生的Ud和Uq值經(jīng)過SVPWM調(diào)制技術(shù)驅(qū)動IGBT，實現(xiàn)逆變功能。IGBT驅(qū)動電路見圖4。

圖4"IGBT驅(qū)動電路

2.2"MPPT實現(xiàn)原理

太陽能光伏電源輸出功率隨著光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及輸出電壓不同而變化，但在一定的溫度和環(huán)境溫度下只有一個最大功率點，可以通過調(diào)節(jié)光伏電源的輸出電壓尋找該最大功率工作點。目前使用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT應(yīng)用較多。擾動觀察法通過周期性的增加或減少光伏電源輸出電壓，尋找最大功率工作點。

改變輸出電壓的方法是用功率差分值作為判據(jù)，決定輸出電壓增減的方向或者不變。數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（12）-式（14）。式（12）成立，則表示功率達(dá)到最大值，輸出電壓不變;式（13）成立，則表示說明光伏電源輸出功率增大的方向為電壓增加方向，輸出電壓應(yīng)該增大;式（14）成立，則表示光伏電源輸出功率增加的方向為電壓減少的方向，輸出電壓應(yīng)該減小。

"""""""""""""""""""""""""""""""（12）

"""""""""""""""""""""""""""""""（13）

"""""""""""""""""""""""""""""""（14）

2.3"具有判據(jù)閥值的擾動觀察法

擾動觀察法結(jié)構(gòu)簡單，需要觀察參數(shù)少，適宜于多變的環(huán)境，但是由于實際中輸出功率一般存在微小的波動現(xiàn)象，所以在最大功率附近容易出現(xiàn)震蕩，輸出電壓不穩(wěn)定。出現(xiàn)這一問題的原因是因為采用的功率差分值判據(jù)過于理想化，沒有考慮的實際情況。本文提出了具有判據(jù)閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據(jù)設(shè)置了閥值，以增強(qiáng)MPPT功能的魯棒性。具體方法是將式（12）-式（14）改進(jìn)為式（15）-式（17）的形式，閥值為。式（15）成立，則表示功率達(dá)到最大值，輸出電壓不變;式（16）成立，則表示說明光伏電源輸出功率增大的方向為電壓增加方向，輸出電壓應(yīng)該增大;式（17）成立，則表示光伏電源輸出功率增加的方向為電壓減少的方向，輸出電壓應(yīng)該減小。

"""""""""""""""""""""""""""""""（15）

"""""""""""""""""""""""""""""""（16）

"""""""""""""""""""""""""""""""（17）

3"光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真效果研究

3.1"光伏電源仿真

本文以光伏電池廠家提供的資料進(jìn)行了研究，額定輸出功率500kW。具體的特性輸入?yún)?shù)見圖2?？梢酝ㄟ^設(shè)置不同的光伏電池串并聯(lián)數(shù)目，來改變光伏電源的額定輸出功率。該光伏電源仿真得到的U-I輸出特性曲線見圖5，U-P輸出特性曲線見圖6。

圖5"光伏陣列的U-I曲線

圖6"光伏陣列的U-P曲線

從圖5和圖6可以看到，光伏電源是一個非線性的電源，當(dāng)溫度恒定時，額定輸出電流和最大輸出功率隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)光照強(qiáng)度恒定時，額定輸出電流和最大輸出功率隨著溫度的升高而降低，還有一點值得注意，那就是最大功率時的光伏電源工作電壓基本不隨光照強(qiáng)度的改變而改變，但隨著溫度改變是比較明顯的。仿真結(jié)果表明，所建立的光伏電源仿真模塊可以反映實際物理裝置的特性和功能。

3.2"大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真效果

為了檢驗所建立的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的仿真效果，將額定功率為235W的光伏電池單體，通過串并聯(lián)構(gòu)成光伏電源，串聯(lián)數(shù)為20，并聯(lián)數(shù)為107，標(biāo)況下，最大輸出功率為500kW。逆變出的交流線電壓有效值為270V。假設(shè)溫度從25℃突然降到15℃的仿真情況見圖7和圖8，突變發(fā)生的仿真時刻為第2秒。圖7和圖8分別顯示的是光伏的工作電壓（即逆變器的參考電壓）和光伏實際輸出的功率，圖9和圖10分別顯示的是逆變產(chǎn)生的電流和電壓波形。

圖7光伏的工作電壓

圖8光伏的輸出功率

圖9光伏的逆變電流

圖10光伏的逆變電壓

從圖7和圖8所呈現(xiàn)出的變化結(jié)果看，當(dāng)環(huán)境溫度下降，光伏電源的工作電壓隨之增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨之增大，這符合光伏電源的工作特性。從所呈現(xiàn)出的變化過程看，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的MPPT功能，找到了最大功率工作點，沒有出現(xiàn)最大功率附近的震蕩，說明本文提出的具有判據(jù)閥值的擾動觀察法效果顯著。

圖9和圖10則表明光伏電源在環(huán)境變化前后，逆變出來的電流和電壓波形是滿足電網(wǎng)要求的交流電波形，表明光伏逆變器仿真模塊的逆變功能可以有效模擬逆變功能，該光伏發(fā)電系統(tǒng)可以并網(wǎng)運行。

4"結(jié)論

本文基于PSCAD建立了大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型。實際仿真計算表明：

1）所建立的光伏電源仿真模塊可以準(zhǔn)確描述光伏電源的功率輸出特性，同時具有適合工程應(yīng)用的特點。

2）所建立的光伏逆變器仿真模塊可以有效模擬大容量光伏電源逆變功能。

3）所提出的具有判據(jù)閥值的擾動觀察法可以實現(xiàn)良好的MPPT功能，可以保證光伏電源在工作環(huán)境變化的情況下有最大功率輸出。

4）本文所建立的大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型是動態(tài)的、完整的系統(tǒng)模型，可以反映實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性和功能，可以作為光伏接入電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和運營管理研究的基礎(chǔ)。

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作者簡介：

孫建龍（1963.07-），男，江蘇，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計及建設(shè)的研究。