基于PSCAD/EMTDC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真

秦鳴泓，楊勝云，常 湧

(武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 270000)

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境污染的加劇，充足、可再生的綠色新能源成為了人們迫切想要尋求的目標(biāo)。太陽(yáng)能作為一種清潔且無(wú)限的新能源，比核電安全，比水電普遍，分布地域廣闊，且不會(huì)對(duì)環(huán)境有任何的破壞。但其昂貴的初始投資使得光伏電價(jià)遠(yuǎn)高于普通電價(jià)，為此我國(guó)政府采用了與國(guó)外相同的政策，即對(duì)光伏電站的建設(shè)進(jìn)行投資，并對(duì)光伏發(fā)電電價(jià)進(jìn)行補(bǔ)貼?！笆濉币詠?lái)，隨著光伏電池制造技術(shù)的升級(jí)，光伏發(fā)電的成本逐漸降低。同時(shí)具有安裝方便和離用戶側(cè)近等優(yōu)點(diǎn)的分布式光伏，在國(guó)家各項(xiàng)政策的扶持下，也實(shí)現(xiàn)了指數(shù)型增長(zhǎng)，光伏產(chǎn)業(yè)日新月異[1-4]。

在此大趨勢(shì)下，本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及其并網(wǎng)的原理進(jìn)行介紹，同時(shí)以某20 MW光伏發(fā)電為例，搭建該20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的PSCAD模型，并對(duì)其接入配電網(wǎng)時(shí)對(duì)所接入配電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的影響進(jìn)行仿真。

1 光伏電池的仿真模型

考慮光伏電池自身存在內(nèi)阻，可等效為串聯(lián)內(nèi)阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh，等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池內(nèi)部等效電路Fig.1 Photovoltaic battery internal equivalent circuit

一般可從生產(chǎn)廠商處得知光伏電池的基本參數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)情況下的短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率Pm。通過(guò)這些參數(shù)，可得到光伏電池產(chǎn)生瞬時(shí)電流Ipv的工程計(jì)算方法[5]：

考慮到光照強(qiáng)度和溫度變化所產(chǎn)生的影響，根據(jù)式(1)有

式中：G、T分別為實(shí)際瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和光伏電池溫度；ΔI、ΔU、ΔT分別為實(shí)際瞬時(shí)光伏電流、電壓、溫度與理想值的偏差修正；Gref、Tref分別為太陽(yáng)輻射和光伏電池溫度參考值，分為取為1 000 W/m2及25 ℃；α為在參考日照下的電流變化溫度系數(shù)，A/℃；β為在參考日照下的電壓變化溫度系數(shù)，V/℃。

圖2 光伏電池輸出的典型PV曲線Fig.2 Typical PV curve of photovoltaic cell output

根據(jù)上述公式進(jìn)行光伏電池模塊的仿真搭建，以溫度和光照強(qiáng)度為輸入量，而后通過(guò)改變溫度或光照單個(gè)參數(shù)，得到圖2所示的光伏電池輸出功率-電壓曲線?？煽闯?，光伏電池的輸出功率隨光照強(qiáng)度的增大而增大，隨溫度的升高而減小，其功率輸出曲線也具有非線性特點(diǎn)，存在一個(gè)功率最大值[6]。

改變光照強(qiáng)度和溫度參數(shù)，隨著光伏電池的輸出電壓變化，光伏電池的輸出特性如圖3所示。圖中，輸出特性曲線上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的乘積所構(gòu)成的矩形面積，為此工作狀態(tài)下電壓和電流的乘積，即是在特定溫度下光伏電池輸出的功率。

圖3 光伏電池的輸出特性曲線Fig.3 Typical I-U curve of photovoltaic cell output

可看出，光伏電池存在一個(gè)輸出功率最大的點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)(maximum power point, MPP)[7]。若能根據(jù)實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度和溫度調(diào)整光伏電池，使其工作在最大出力狀態(tài)，便可使光伏電池永遠(yuǎn)保持最佳輸出功率，使整體的發(fā)電效率提高，從而提升光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。這一過(guò)程又稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)[8]。

2 MPPT技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)可使光伏電池恒定保持在最佳工作狀態(tài)，即輸出功率最大，實(shí)際中多采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT控制[9-10]，其原理是利用最大功率點(diǎn)處輸出功率對(duì)輸出電壓的微分為0，從而推導(dǎo)出其中的等式關(guān)系。

光伏電池瞬時(shí)輸出功率為

P=UI

(8)

兩邊對(duì)U求導(dǎo)，可得

(9)

而一般情況下光伏電池的輸出電壓較低，需要先使用Boost電路進(jìn)行升壓操作，而后才接逆變單元。升壓原理如圖4所示。

圖4 MPPT控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig. 4 MPPT control implementation structure

本模型也是通過(guò)前級(jí)Boost電路來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT控制，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 MPPT控制的Boost升壓模塊Fig.5 Boost module of MPPT controlled

圖6 最大功率點(diǎn)跟蹤模塊Fig.6 MPPT module

圖7 閉環(huán)控制模塊Fig.7 PI closed loop control module

將光伏電池組的瞬時(shí)電壓Upv與電流Ipv送入MPPT控制模塊后，計(jì)算得到工作于最大功率點(diǎn)處的工作電壓Umppt，如圖6所示。接著將Umppt與光伏電池的瞬時(shí)電壓Upv進(jìn)行比較，通過(guò)PI控制器來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)驅(qū)動(dòng)信號(hào)g來(lái)控制絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，如圖7所示。通過(guò)調(diào)整Boost升壓環(huán)節(jié)占空比，最終得到符合預(yù)期的光伏電池輸出電壓。

3 基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)控制策略

由于光伏發(fā)電功率受天氣影響較大，存在間歇性，不能像火力發(fā)電一樣對(duì)發(fā)電量進(jìn)行控制，即光伏發(fā)電功率無(wú)法按負(fù)荷的功率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，通常采用PQ控制策略來(lái)使光伏發(fā)電功率恒為可輸出的最大功率[11]。這樣一來(lái)，便不再需要光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)配電網(wǎng)中饋線電壓或其他參數(shù)來(lái)進(jìn)行發(fā)電功率的調(diào)整，而是以一個(gè)恒定的有功及無(wú)功功率在一個(gè)固定值附近輸出。

PQ控制由外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制兩部分組成。

先經(jīng)過(guò)派克變換，將abc三相的電氣參數(shù)轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系：

(10)

令

(11)

則有

(12)

則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，光伏系統(tǒng)電壓變換為ud=uM，uq=0。

圖10 20 MW光伏發(fā)電站并網(wǎng)仿真模型圖Fig.10 20 MW photovoltaic power station grid-connected simulation model

同理，可對(duì)光伏系統(tǒng)電流進(jìn)行派克變換如下：

(13)

此時(shí)功率可表示為

(14)

將式(14)中計(jì)算得到的d、q軸參考電流值作為電流環(huán)的輸入，這樣便可利用對(duì)電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制，d軸電流控制有功功率，q軸電流控制無(wú)功功率。

為實(shí)現(xiàn)電流的獨(dú)立解耦控制，就必須消除耦合電壓iLωL及電網(wǎng)電壓u對(duì)d、q軸電流的影響，因此引入電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)電流的獨(dú)立解耦控制，原理如圖8所示。iLd和iLq是換算至d、q軸的電網(wǎng)實(shí)際電感電流，L為濾波電感。

圖8 電流環(huán)控制原理Fig.8 Current loop control principle

其中的PI控制器可根據(jù)差量對(duì)電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得電流控制誤差為0，從而保證輸出電壓可實(shí)時(shí)跟隨電網(wǎng)電壓。輸出的d、q軸電壓在反變換后得到正弦調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由正弦PWM(sinusoidal PWM,SPWM)來(lái)控制三相逆變器的開(kāi)斷，從而使光伏系統(tǒng)的直流電變?yōu)楹碗娋W(wǎng)同頻同相的三相交流電，最后并入電網(wǎng)。

光伏系統(tǒng)PQ控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。輸出電壓、輸出電流依次經(jīng)過(guò)了派克變換、雙環(huán)控制、派克逆變換、SPWM環(huán)節(jié)，最后作用于逆變器可控開(kāi)關(guān)。

圖9 光伏系統(tǒng) PQ(雙環(huán))控制結(jié)構(gòu)Fig.9 Photovoltaic system PQ (double loop) control structure

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率取決于其實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度和溫度，而無(wú)法任意設(shè)定，因此將控制環(huán)的輸入Pref設(shè)置為光伏系統(tǒng)經(jīng)MPPT控制后的最大輸出功率，而實(shí)際中電網(wǎng)一般不需要光伏電站來(lái)參與調(diào)節(jié)無(wú)功，因此光伏系統(tǒng)可只輸送有功功率，無(wú)功功率參考值Qref可調(diào)至0，即功率因數(shù)為1。

4 仿真分析與結(jié)果分析

4.1 仿真模型

綜合光伏陣列、匯流箱、逆變器和升壓變壓器組件及并網(wǎng)控制模塊，搭建出完整的20 MW光伏發(fā)電站并網(wǎng)PSCAD仿真模型，如圖10所示。

圖11 DC-AC逆變環(huán)節(jié)模型圖Fig.11 DC-AC inverter model diagram

圖11為DC-AC逆變單元，主要由MPPT模塊、Boost升壓電路、三相逆變橋等組成，MPPT模塊負(fù)責(zé)跟蹤實(shí)時(shí)光照和溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，得到最大功率輸出；Boost升壓電路負(fù)責(zé)對(duì)較低的直流電壓進(jìn)行升壓；三相逆變橋?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為和電網(wǎng)同頻同相的交流電。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖12為光伏電站并網(wǎng)后功率圖，從圖中可看出，并網(wǎng)后最大功率輸出可達(dá)到20 MW，滿足功率傳輸要求。

圖12 20 MW光伏電站并網(wǎng)后功率圖Fig.12 Power diagram of 20 MW PV power grid after grid connection

圖13 光伏電站并網(wǎng)后并網(wǎng)側(cè)電壓波形Fig.13 Voltage waveform diagram of grid-connected side after grid connection

圖14為光伏電站并網(wǎng)后頻率波形圖，可看到:頻率維持在50 Hz，未出現(xiàn)頻率偏差。系統(tǒng)頻率符合要求，因此不需要對(duì)其進(jìn)行治理。

圖14 光伏電站并網(wǎng)后頻率波形Fig.14 Frequency waveform of photovoltaic power station after grid connection

圖15 光伏電站并網(wǎng)后并網(wǎng)側(cè)電壓總諧波畸變率Fig.15 Voltage total harmonic distortion rate on grid-connected side after grid connection

圖15為光伏電站并網(wǎng)后并網(wǎng)側(cè)電壓總諧波畸變率波形圖。從圖中可看出，諧波總畸變率為

(15)

因此，20 MW光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的諧波含量較高。

根據(jù) GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》，電網(wǎng)電能質(zhì)量規(guī)定值如表1所示。

表1 公共電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)Table 1 Harmonicvoltage of public grid (phase voltage)

對(duì)于35 kV電網(wǎng)系統(tǒng)而言，規(guī)定電壓總諧波畸變率不得超過(guò)2.0%。對(duì)比可得，若不采取任何措施，光伏發(fā)電并網(wǎng)后，電壓總畸變率為2.5%，已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，各次諧波電壓占有率也超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，該條件下的光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置諧波電壓總畸變率不合格。故而需對(duì)本模型裝設(shè)濾波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，以避免諧波含量過(guò)高給電力系統(tǒng)帶來(lái)的諸多危害。

為達(dá)到最佳的濾波效果，盡可能使電網(wǎng)中的諧波得到消除，需要對(duì)電容和電感的參數(shù)進(jìn)行組合。LCL濾波器兼顧補(bǔ)償效果和較低成本，一般可作為光伏并網(wǎng)濾波器的首選[12]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[13-15]，并進(jìn)行了大量的仿真分析，最終確定濾波電感、濾波電容參數(shù)為：L1=4 mH，C=25 μF，L2=4 mH，可濾除10次以上的高頻諧波。

在圖11中DC-AC逆變單元加入LCL濾波器，并再次進(jìn)行仿真，補(bǔ)償后的諧波總畸變率如圖16所示。

圖16 補(bǔ)償后并網(wǎng)側(cè)電壓總諧波畸變率Fig.16 Waveform diagram of voltage total harmonic distortion rate on grid-connected side after filtering

通過(guò)比較加裝補(bǔ)償裝置前后的仿真圖可知：未補(bǔ)償前，電網(wǎng)側(cè)A相電壓的總畸變率為2.5%；加入LCL濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后，電網(wǎng)側(cè)A相電壓總諧波畸變率減少到了0.08%左右。

補(bǔ)償后光伏電站并網(wǎng)側(cè)電壓波形如圖17所示。已知，補(bǔ)償前并網(wǎng)側(cè)電壓達(dá)到0.26 kV左右，電壓偏差為3.70%；而明顯地，補(bǔ)償后并網(wǎng)側(cè)電壓可達(dá)到指定0.27 kV電壓，且電壓偏差減小為0.18%，并能維持穩(wěn)定。同樣，對(duì)于并網(wǎng)后的電壓偏差問(wèn)題，LCL濾波器也取得了較為良好的效果。

圖17 補(bǔ)償后光伏電站并網(wǎng)后并網(wǎng)側(cè)電壓波形Fig.17 Voltage waveform diagram of grid-connected side after grid connection after filtering

5 結(jié)論

本文主要是以武漢市黃陂區(qū)蔡家榨鎮(zhèn)光伏發(fā)電項(xiàng)目為實(shí)際研究背景，對(duì)其20 MW光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量影響進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，通過(guò)使用PSCAD仿真軟件對(duì)20 MW光伏發(fā)電站進(jìn)行模型搭建，并對(duì)其并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真研究，分析其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，最后提出了可行的解決方案并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

本文對(duì)光伏電站系統(tǒng)模型的搭建、光伏并網(wǎng)控制策略的應(yīng)用和并網(wǎng)電能質(zhì)量的研究具有一定的理論指導(dǎo)意義，對(duì)于全國(guó)范圍內(nèi)正如火如荼的小型光伏電站的建設(shè)，具有一定的工程指導(dǎo)意義。