發布時間：2022-03-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在分析光伏發電原理與光伏電池數學模型的基礎上，對由若干光伏陣列組成的大型光伏電站進行PSCAD仿真建模，并分析其運行特性。采用恒電壓跟蹤方法并利用不同溫度下的測量制表值共同實現大規模光伏陣列的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)，并設
摘要：在分析光伏發電原理與光伏電池數學模型的基礎上，對由若干光伏陣列組成的大型光伏電站進行PSCAD仿真建模，并分析其運行特性。采用恒電壓跟蹤方法并利用不同溫度下的測量制表值共同實現大規模光伏陣列的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)，并設計了相應的并網逆變器控制策略。最后，對大型光伏電站在正常運行以及站內/外發生三相短路故障的情況進行仿真分析。
關鍵詞：光伏電站;大規模并網;運行特性;故障分析; PSCAD 仿真
0 引言
能源是人類社會發展的重要保障。近年來，各國對非可再生能源的過度開發，導致其儲量迅速下降，同時化石能源在燃燒的過程中也對環境造成了巨大的破壞。當今，各國的發展都受到了能源與環境的制約。太陽能作為可再生能源，具有諸多優勢，是世界各國公認的良好的替代資源。光伏發電系統可分為分布式和集中式 2 種應用模式。具有集中式接入特點的大型光伏電站是我國目前的主要應用方式，其運行性能不同于傳統的交流電源，開展光伏電站及其接入系統的建模、仿真和分析對研究集中式光伏接入系統的運行性能有非常重要的意義[1-3]。
目前，對于光伏陣列和逆變器這 2 種光伏并網系統的重要組成元件，國內外專家學者已對其進行深入的建模研究。但對于具有多臺光伏并網逆變器聯合運行的大型光伏電站，尚無詳細的建模研究。光伏電站的建模方式可以歸納為 2 大類：獨立核心器件建模[4-5]及整體系統建模。獨立核心器件建模以光伏并網逆變器為核心，將逆變器兩側元件按照逆變器拓撲結構的要求進行化簡而得到等值模型的一種方法。該方法缺乏整體協調性，不能全面地反映光伏發電系統各部分的動態特性。與之對應的整體系統建模方式主要有 3 種：等效二端口網絡模型[6]、簡化等值電路模型[7-8]、受控源模型[9]。文獻[6] 以無損二端口為基礎，推導出了光伏并網系統的等效二端口網絡模型;該方法對各器件的建模較為粗略，不能很好地反映光伏電站的特性。文獻[7-8]按各個光伏元件的連接順序，利用各部分的通用等值模型進行建模;若要對光伏電站進行準確模擬，則各器件的模型都較為復雜，對各變量的求解都較為困難。文獻[9]采用受控源表征逆變部分的電流和電壓，建立光伏電站模型;但該方法需要求解較為復雜的非線性時變微分方程，計算量較大。
此外，一些文獻也研究光伏電站與電網之間的交互影響。建模仿真使用的軟件也各不相同，主要有Matlab、Fastest以及PSCAD。文獻[10]使用Matlab 軟件以 1.6 MW、10 kV 為例進行了光伏電站建模。當光伏電站中的光伏陣列數量較多時，Matlab 軟件的仿真速度較慢，當光伏陣列數量進一步增加時會導致仿真無法進行，且 Matlab 對光伏電站的暫態分析效果一般。文獻[11]使用 Fastest 仿真軟件，參考光伏并網系統元件的組成方式，搭建了一個可以反應光照度變化以及控制策略等的光伏電站模型，并利用 Fastest 自帶的暫態頻率穩定性量化分析、暫態功角穩定性以及暫態電壓穩定性功能對并網光伏電站仿真并進行分析。與前 2 種軟件相比，PSACD 的暫態分析性能較好，但基于 PSACD 的建模還較為少見。
為此，本文提出一種基于 PSCAD/EMTDC 仿真軟件、采用整體系統建模方式的大規模光伏并網系統建模方法。在含多個光伏陣列的并網光伏電站仿真模型中，分別研究正常運行狀況下和故障發生時光伏電站的輸出特性，并探討不同光伏陣列之間的相互影響。
1 光伏陣列的數學模型及輸出特性
1.1 光伏陣列的數學模型
由光伏電池的發電原理，可推出如圖 1 所示[12] 的光伏電池電路。圖 1：Iph 為光生電流，其值隨光伏電池的面積及入射光的輻射強度的增大而增大; Id 為暗電流，其值可以反映一定溫度下，光伏電池 P-N 結的擴散電流的情況;Ish 為流經 Rsh 的電流; Rsh 為等效并聯電阻，其值為幾千;Rs 為等效串聯電阻，小于 1 ;U 為光伏電池的輸出電壓;I 為光伏電池的輸出電流。
一般單體光伏電池的輸出功率僅為幾 W，輸出電壓大約為 1 V，不能直接并網，需以光伏發電系統的形式進行并網。在光伏發電系統中，多個光伏電池組成光伏板，然后若干光伏板串并聯組成光伏陣列，再通過并網逆變器接入電網。
1.2 光伏陣列的輸出特性
當外部的溫度及光照強度發生變化時，光伏陣列出力隨之變化。為提高太陽能利用效率，光伏陣列需要選擇在最大功率點運行。當光照強度不變而外部溫度升高時，光伏陣列的短路電流稍有增加，則開路電壓隨著溫度的升高迅速降低，最終導致輸出功率降低。此外，光伏陣列的最大功率點會隨著溫度的升高而下降。當溫度不變光照強度發生變化時，開路電壓基本保持不變，短路電流與光照強度成正線性關系。此外，光伏陣列的最大功率點隨光照強度的升高而升高�？梢姡庹諒姸扰c溫度是決定光伏陣列輸出特性的重要因素。
2 光伏電站仿真模型及控制策略
光伏電站主要由光伏陣列、具有最大功率點追蹤功能的逆變器、傳輸線路、變壓器和控制器等組成，如圖 2 所示[13]。本文在 PSCAD 仿真軟件中搭建由 6 個光伏陣列組成的 3 MW 并網光伏電站仿真模型，如圖 3 所示。
該 3 MW 并網光伏電站仿真模型中，光伏板由 36 個光伏電池構成，光伏陣列由 42 塊光伏板串聯成組、再由 200 組并聯構成。光伏陣列接入逆變器后以交流形式并網，再通過兩級變壓器升壓并入 110 kV 理想電網。該系統中相關數據如表 1 所示。同時，為了將變壓器逆變側的電壓穩定在額定值，于 10 kV 母線上接入 500 μF 的電容補償線路壓降。
由第 1 節可知，光伏陣列的輸出功率會受到外部環境溫度以及光照強度的影響，而表現出非線性的特點。為了實現對太陽能的充分利用，就需要在并網光伏電站中加入最大功率點跟蹤器，對光伏陣列的最大功率點進行追蹤。最大功率點跟蹤 (maximum power point tracking，MPPT)技術是在不同溫度與光照強度的條件下，通過對光伏陣列端電壓的調節，使光伏陣列工作于最大功率點，實現最大功率輸出。常見的最大功率跟蹤方法有：恒電壓跟蹤方法、電導增量法及干擾觀測法[14-15]。恒電壓跟蹤方法是在光照強度發生變化時，保持輸出電壓不變，使光伏陣列工作在最大功率點。然而，恒電壓跟蹤法是在環境溫度不變的條件下獲得的，在光伏陣列實際運行中，外部環境的溫度是變化的，輸出特性將隨溫度改變，該方法不能準確地追蹤最大功率點。為了消除環境溫度對最大功率點追蹤的影響，應測得光伏陣列在不同溫度下所對應的最大功率點電壓值，將其制表并存儲在相應的控制器中，實際運行時結合檢測的環境溫度獲得最大功率點對應的電壓值。采用恒電壓跟蹤方法并利用不同溫度下的測量制表值共同實現 MPPT，算法簡單，易于電網故障后的快速有功功率恢復，非常適用于復雜的光伏電站仿真分析。
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本文采用的光伏并網逆變器的控制策略如圖 4 所示，使用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方法對逆變器進行控制。電壓參考值為使用恒電壓跟蹤法追蹤到的最大功率點所對應的直流側電壓值，通過與實際值比較后得到差值，再通過比例積分 (proportion integration，PI)控制器得到輸出電流的參考幅值。同時，由電壓鎖相環可以獲得逆變器出口電壓的相位信息。結合該相位信息與輸出電流的參考幅值，可以獲得任意相位的輸出電流參考波形，用來控制逆變器的有功、無功輸出。電流參考值與實際值比較后，得到交流電流差值，經過比例共振 (proportion resonance，PR)控制器后生成調制波。使用 PR 控制器的原因是在基波頻率處增益趨于無窮大，能夠較好地追蹤正弦信號，并且實現正負序同 時追蹤;對于交流控制量可實現零穩態誤差.其輸出調制波基本對稱，無直流偏置量;與 PI 控制器相比可以省去坐標變換環節。最后將生成的調制波與三角載波進行比較生成脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)控制信號，觸發絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。
3 仿真分析
3.1 正常運行時光伏電站輸出特性
在溫度為 25℃，光照強度為 1 kW/m2 條件下，即并網光伏電站正常運行時，各個光伏陣列的輸出電壓、電流及逆變后的功率是相同的。光伏電站正常運行時的仿真結果如圖 5 所示。由圖 5 可知，經歸算后線電壓值為 267 V，較為接近變壓器的額定值，故可知補償電容的大小選擇合理。當一個并網光伏電站中存在多個光伏陣列時，電網側的等效阻抗被放大，等效于減小了光伏電站中的濾波電感值，所以導致輸出的電流紋波被放大。通過觀察圖 5 所示的單個光伏陣列與由 6 個光伏陣列組成的光伏電站在同一時間段的電流紋波可知，由 6 個光伏陣列組成的光伏電站的電流紋波 12 A 要大于由單個光伏陣列的電流紋波 6.8 A。在一個并網光伏電站中，并聯的光伏陣列數量越多，逆變電流的紋波將會越大，可能超出電流總畸變率的并網要求。此外，當并聯的光伏陣列大于一定數量時，實際電流與標準正弦參考波之間存在較大的差值，經過 PR 控制器的調節會產生過調制現象，將嚴重影響輸出波形質量。為了減小紋波的幅值可以適當增大濾波電感值提高濾波效果，或增加開關頻率。
3.2 故障發生時光伏電站輸出特性
在系統可能發生的各種故障中，三相短路故障對光伏電站穩定運行的影響最大，因此在仿真中分析了光伏電站外部與內部發生三相短路故障時光伏電站所表現出的運行特性(該分析中未對光伏電站進行低電壓穿越控制，即在電網電壓發生跌落時，不對光伏電站進行控制，向電網輸送無功)。當在并網光伏電站站外(110 kV 母線側)發生三相短路故障時，6 個光伏陣列的電壓和電流波形如圖 6 所示。故障發生的時刻為 1 s，并于 0.05 s 后切除故障，在切除故障后 0.4 s，即 1.45 s 時，系統輸出恢復穩定。當故障發生后，電壓略有升高，根據光伏陣列的電流-電壓關系曲線可知，光伏電流將會減小并伴隨較大的波動，輸出功率也會隨之下降。故障切除后光伏陣列的輸出功率要增加，因為采用了恒電 0.90 1.10 1.30 0.20 0.30 0.50 0.70 0.90 t/s 1.50 1.60 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 (a) 光伏陣列端口電壓 0.80 1.10 1.30 0.10 0.20 0.40 0.60 0.80 t/s 1.501.60 0.30 0.50 0.70 0.901.00 1.20 1.40 (b) 光伏陣列輸出電流圖 6 電網側發生三相短路的仿真結果 Fig. 6 Simulated results of three-phase short circuit in grid side 壓控制方法，光伏輸出電壓將迅速下降，產生直流電壓波動，由于濾波電感的慣性作用及直流側電容較大，直流電壓恢復過程較緩慢。
如果三相短路故障發生在光伏電站內部，光伏陣列將表現出不同的輸出特性。如將與圖 6 相同的故障設置在 1、2 號光伏陣列的 10 kV 母線靠近 110 kV 母線側，則 1、2 號光伏陣列的輸出特性相同，其他光伏陣列的輸出特性相同。
圖 7 展示了 2 號與 5 號光伏陣列的不同輸出特性，可見所有光伏陣列的電壓、電流波形與圖 6 大致相似。由圖 7 可知，靠近故障的 1、2 號光伏陣列電壓、電流在故障發生后的下降幅度要大于其他光伏陣列。其原因是，故障期間逆變器電網側電壓下降程度較大，輸出功率下降，直流電壓升高，直流電壓在故障切除后采用恒電壓控制方法，直流側電壓波動幅度大。若故障較嚴重時，電壓下降幅度可能越限，導致光伏陣列 1、2 脫網。故障切除后，脫網的光伏陣列重新并網會減慢系統的恢復速度，影響光伏電站的整體性能。
4 結語
本文在 PSCAD 仿真環境下，搭建由 6 個光伏陣列組成的并網光伏電站整體系統的仿真模型，每 2 個光伏陣列一組，通過兩級變壓器并入電網�；诤唵慰焖俚腗PPT方法和雙環并網逆變器控制方式，仿真分析并網光伏電站在正常運行、電網側出現故障、電站內部出現故障時的輸出變化特性，以期為后續深入研究光伏電站的運行性能提供參考。——論文作者：張樺，謝開貴
參考文獻
[1] 周林，晁陽，廖波，等.低壓網絡中并網光伏逆變器調壓策略[J].電網技術，2013，37(1)：27-32.Zhou Lin，Chao Yang，Liao Bo，et al.A voltage regulation strategy by grid-connected PV inverters in low-voltage networks[J].Power System Technology，2013，37(1)：27-32(in Chinese).
[2] 袁建華，高厚磊，高峰，等.交直流型微電網中光伏逆變器并聯控制策略[J].電網技術，2012，36(8)：19-23. Yuan Jianhua，Gao Houlei，Gao Feng，et al.An adaptive control strategy for parallel inverters of hybrid DC/AC PV micro-grid[J]. Power System Technology，2012，36(8)：19-23(in Chinese).
[3] 邢浩江，張東來，李鐵才，等.考慮電網電壓基波鎖相環控制的單級式光伏逆變器柔性并網方法[J].電網技術，2012，36(10)：6-8. Xing Haojiang ， Zhang Donglai ， Li Tiecai ， et al . Flexible grid-connection method for single-stage photovoltaic inverter based on phase-locked loop control for grid fundamental frequency voltage[J].Power System Technology，2012，36(10)：6-8(in Chinese).
[4] Tsai-Fu Wu，Chih-Lung Shen，Hung-Shou Nein.A 1φ3W inverter with grid connection and active power filtering based on nonlinear programming and fast-zero-phase detection algorithm[J] . IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(1)：218-226.
[5] Naik R，Mohan N.A novel grid interface for photovoltaic， wind-electric，and fuel-cell systems with a controllable power factor of operation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10(4)： 1920-1926.
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