光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬實驗平臺的設(shè)計與研究

蔡紀(jì)鶴 李蓓 羅昊 宗琳

摘 要：針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實驗研究的諸多不便，同時為驗證本文所提出的控制算法，構(gòu)建以程控直流電源供應(yīng)器6250H、程控交流電源供應(yīng)器6590、功率變換主電路、蓄電池等組成的模擬實驗平臺，開展光伏發(fā)電功率補償控制研究，同時針對實驗的數(shù)據(jù)進行分析。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;并網(wǎng);實驗平臺;模擬

一、引言

在對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行實驗研究的時候，容易受到光照強度、實驗場所等外部客觀環(huán)境影響。比如，在夜晚或者白天陰雨天氣，光伏陣列不輸出或者低效輸出功率，常常導(dǎo)致光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無法正常工作;在白天晴好天氣條件下，室外開展的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實驗既受制于系統(tǒng)與檢測裝置供電困難，更基于光照強度的隨機性和間歇性特點，試驗環(huán)境呈現(xiàn)隨機性、動態(tài)性等狀態(tài)，難以得到實驗者預(yù)想的實驗結(jié)果。為提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實驗研究的穩(wěn)定性和可靠性，本文提出設(shè)計建立光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬實驗平臺，并通過控制算法及實驗數(shù)據(jù)論證模擬實驗平臺的科學(xué)性、可行性和實效性，以期為光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)研究提供支撐。

二、總體設(shè)計方案

基于國內(nèi)大多數(shù)高校實驗室的實驗環(huán)境和硬件條件，在綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬實驗平臺，如圖1所示。

設(shè)計的光伏發(fā)電模擬實驗平臺共包含三個部分：主電路、控制電路和檢測系統(tǒng)。其中，主電路是整個模擬實驗平臺的硬件架構(gòu)，由光伏陣列（采用程控直流電源6250H來模擬光伏陣列）、公用電網(wǎng)（采用程控交流電源6590來模擬電網(wǎng)）、并網(wǎng)逆變器（采用西門康逆變器）、儲能系統(tǒng)（采用動力電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)）等設(shè)備組成;控制電路實現(xiàn)整個模擬實驗平臺的相關(guān)算法，控制整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行，由DSP與CPLD組成;檢測系統(tǒng)測量、監(jiān)控整個模擬實驗平臺相關(guān)數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，由功率分析儀WT1800、電池電芯測試系統(tǒng)BTS-3000、電池內(nèi)阻監(jiān)測儀IT5100、安捷倫示波器等組成。

光伏陣列模擬器6250H-600S能便捷設(shè)定當(dāng)?shù)貙嶋H天氣的日照強度、溫度，以及太陽能電池的特性、面積，從而模擬出光伏陣列的相關(guān)輸出特性。此外，還具有屏蔽I-V曲線仿真及屏蔽曲線動態(tài)變化仿真功能，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)選擇PV Module型號或自行建立PV Module參數(shù)，設(shè)定太陽能電池串聯(lián)及并聯(lián)數(shù)量后組成一PV Array數(shù)組，設(shè)定PV Module的照度、溫度參數(shù)及動態(tài)屏蔽變化移動方向及時間，便可模擬云遮變化或其他如樹木或建筑物屏蔽下的Shadow I-V曲線仿真。

目前微網(wǎng)實驗室大多用隔離變壓器與電網(wǎng)隔離，這種方式易受外界影響，且無法控制。采用電網(wǎng)模擬器6590，既能實現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離，還能設(shè)定電壓頻率，模擬電壓瞬間變動、電壓波形失真、頻率抖動等異常狀態(tài)，電網(wǎng)模擬器還可以吸收電流，將能量回收到電網(wǎng)。在光伏系統(tǒng)中搭配儲能系統(tǒng)進行運行時，便可通過電網(wǎng)模擬器對整個系統(tǒng)進行模擬測試及各種保護狀態(tài)的驗證。

并網(wǎng)逆變器采用西門康逆變器，其主電路為典型的電壓型橋式電路，可以通過編寫相應(yīng)的控制算法實現(xiàn)各種功率變換的功能，易于二次開發(fā)。

混合儲能系統(tǒng)可以充分發(fā)揮動力電池能量密度大和超級電容功率密度大的特點，大幅提高整個儲能系統(tǒng)的功率輸出能力和使用壽命，提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的“柔性”。

三、并網(wǎng)逆變器的參數(shù)設(shè)計

IGBT是功率變換的核心器件，被廣泛地應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中;根據(jù)光伏陣列模擬器6250H-600S相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，其直流側(cè)最高電壓為600V，則IGBT的耐壓水平為。

由于光伏陣列模擬器6250H-600S最大輸出功率為10kW，故經(jīng)過并網(wǎng)逆變器的最大功率也為10kW，再考慮1.1倍的過載能力，則流過IGBT的有功分量電流Imax為：

流過IGBT的有功峰值電流Im為：

最終，綜合IGBT的規(guī)格、無功補償功能和安全系數(shù)等方面的因素，設(shè)計的IGBT的具體參數(shù)為：耐壓1200V，最大電流200A。

綜合考慮電壓環(huán)控制的快速響應(yīng)和抗干擾性，由此決定直流側(cè)電容的上限和下限，如下式所示：

式中，tr——直流側(cè)電壓Vdc從初始值上升到額定值的時間;Rld——直流側(cè)負(fù)載;Vmdc——直流電壓的最大動態(tài)

降落。

工程上，可按下式來計算：

式中，w——電網(wǎng)角頻率;Vdc——直流側(cè)允許紋波

電壓。

取Vdc=400V，Vdc=Vdc×5%，求得C=1990μF。最終選取的電容值為3400μF，耐壓為400V。

綜合考慮電流的跟蹤性能和諧波電流的抑制，由此決定濾波電感的上限和下限，如下式所示：

式中，Im——交流允許紋波電流。

根據(jù)上述公式，濾波電感選擇1mH的空心電感。

四、系統(tǒng)主程序設(shè)計

光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬實驗平臺的主程序如圖2所示。整個系統(tǒng)運行時，先對系統(tǒng)的初始狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)進行初始化，然后對相關(guān)的電壓、電流等信號進行采集和轉(zhuǎn)化，控制器根據(jù)檢測到的相關(guān)信號，進行MPPT控制、并網(wǎng)控制、無功補償、平抑功率波動等控制。

五、結(jié)語

本文基于光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗要求，科學(xué)設(shè)計光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺，通過對系統(tǒng)組成、功能分析、關(guān)鍵參量計算及其主程序設(shè)計，構(gòu)建起不受外界環(huán)境干擾的模擬實驗環(huán)境，降低了光照強度、實驗場所等自然環(huán)境因素對實驗過程的影響，對光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗研究具有較強的實踐指導(dǎo)性。

參考文獻(xiàn)

[1]付永長，蔡皓.太陽能發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)村電氣化，2009（9）：57—59.

[2]查曉明，劉飛.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展（上）[J].變頻器世界，2010（2）：37—42.

[3]孫龍林.單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]孫龍林.單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[5]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.