光伏發電系統仿真研究

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國家重點實驗室，武漢 430074）

為了減少能源污染和生態環境破壞，同時保證世界各國的能源供應，實現人類發展的可持續性，必須加快能源結構的變革，大力發展可再生能源。在新的可再生能源中，光伏發電和風力發電的發展最快，而太陽能光伏發電已經成為可再生能源中繼風電之后發展最快、最大的產業[1-4]。

利用仿真工具建立光伏發電系統的模型，研究光伏發電系統的運行特征、故障特征，對于光伏產業的發展十分必要。本文選擇PSCAD作為仿真工具，建立了光伏發電系統的仿真模型。

光伏發電系統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

光伏電池是光伏發電系統中的核心部件，光伏電池的研究一直集中在提高其轉換效率上。自20世紀70年代以來，光伏技術不斷得到完善，成本相應降低，形成了蓬勃發展的光伏技術產業。光伏電池的仿真是光伏系統仿真的第一步。

1.1 光伏電池主電路

根據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 光伏電池參數計算

光伏電池參數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

根據給定的參數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結理想因子，k為玻爾茲曼常量常數。

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Ios計算仿真模型二極管電流，計算公式如下（忽略了串聯電阻）：

圖4 二極管電流計算

4）光伏陣列電流并聯處理

考慮單體光伏電池組成光伏陣列式時經過兩級并聯，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，需要乘以兩級串聯的系數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

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。模型內部設置的參數主要包括：

Nms：光伏組件中串聯的光伏電池的數量。

Nmp：光伏組件中并聯的光伏電池的數量。

Ncs：光伏陣列中串聯的光伏電池的數量。

Ncp：光伏陣列中并聯的光伏電池的數量。

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。

Rs：單體光伏電池串聯阻抗（該模型暫時將此忽略）。

Rsh：單體光伏電池并聯阻抗。

Ebg：二極管導通電壓。

Di：PN結理想因子。

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具有自尋優能力，通過實時監測光伏電池的輸出電壓、電流值，采用一定的控制算法，判斷當前工作狀態是否在最大功率點處，然后通過改變等效負載阻抗來調整光伏電池的工作電壓，不管外界環境還是負載發生變化，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

光伏發電最大功率跟蹤系統由光伏組件、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，輸入包括：

1）當前電流Ia。

2）當前的占空比控制參數Duty。

3）每次改變占空比控制參數的步長dDuty。

輸出包括：

計算出的占空比控制參數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 并網逆變器仿真

3.1 并網逆變器主電路

圖11 并網逆變器主電路

并網逆變器出口并非直接與交流電壓相連接，而是經過一個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

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

3.3 開關信號產生

4 仿真試驗結果

4.1 并網運行

光伏電池逆變器并入400V低壓網，低壓網內部帶感性負荷，用理想電源模擬微電網內部其他微電源，微電網經過0.4kV/10kV變壓器并入大系統。

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和逆變器并網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，逆變器直流側電壓迅速增大達到穩態值，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定值，電壓電流也很穩定；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單電源并網仿真模型

圖16 光伏電池并網特性

光伏逆變器在起動時向系統吸收有功功率和無功功率來維持直流側的電壓達到給定值，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 改變輸入因素產生的影響

在光照強度G=1000cd，溫度T=25℃時起動光伏電池并網，在5s時改變輸入參數光照強度變為G=800cd，溫度變為T=20℃，光伏電池電壓電流參數和逆變器并網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，下降的暫態過程非常短暫，此后輸出電流和功率達到穩定值。

并網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，整個過程當中并網電壓能維持400V恒定。

圖17 改變輸入參數對光伏電池的影響

圖18 改變輸入參數對光伏逆變器的影響

4.3 并網孤網切換和孤網運行負荷突變

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時與大電網解列，微電網變為孤網運行，又在7s時增加負荷3，如圖19所示，光伏電池電壓電流參數和逆變器并網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 并網運行特性

無論在微電網與系統解列還是負荷突變，逆變器并網電壓都保持400V不變。因為逆變器采用PQ調節，所以在微電網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定，不會發生突變，并且逆變器的直流側電壓也能保持不變。

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，電網電壓由外部配電網支撐，為400V。微電網內包括光伏電池、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。下面仿真微電網中負載2所在線路50%處發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）微電網中負載2所在線路50%處發生三相接地短路（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）微電網中負載2所在線路50%處發生單相接地短路（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）微電網中負載2所在線路50%處發生兩相短路（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）微電網中負載2所在線路50%處發生兩相接地短路（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，當微電網中負載2所在線路 50%處發生各種金屬性短路故障時，在故障期間，電網電壓幅值下降較大，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有波動。故障解除后，光伏電池很快恢復正常穩定運行。

5 結論

隨著國家光伏政策的調整，光伏發電在中國將得到更廣闊的發展。加強對光伏發電系統的特性研究，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電系統的仿真模型，該模型穩定運行。最后利用該模型并進行了并網運行、負荷擾動、輸入擾動以及短路特性等各類仿真實驗。

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

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

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

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