基于PSCAD的大容量光伏發電系統仿真模型研究

摘要：在PSCAD平臺上建立了大容量光伏發電系統仿真模型，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參數均可以由光伏廠家的技術說明書提供，外部輸入參數是發電系統所在地的環境溫度和光照強度，具有適合于工程應用的特點。光伏逆變器仿真模塊基于雙閉環控制策略和逆變效率高的空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）實現電源逆變功能。為了使光伏發電系統處于最大功率輸出狀態，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的最大功率附近存在的震蕩問題，本文提出了具有判據閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據設置了閥值，增強了MPPT功能的魯棒性。仿真結果表明，本文建立的大容量光伏發電系統仿真模型可以反映光伏發電系統的特性和功能，可以作為光伏接入電網的規劃設計和運營管理研究的基礎。

關鍵詞：光伏并網發電系統;PDCAD/EMTDC;SVPWM，MPPT

0""引言

太陽能資源分布廣泛，是綠色可再生能源。太陽能光伏發電是太陽能資源利用的主要方式，已經成為未來綠色電力能源的重要組成部分。為促進光伏產業健康發展，國家能源局發布了2014年各省光伏發電規模方案，2014年全國光伏發電容量預計將新增11.8GW，未來光伏發電規模將逐步增加。由于太陽能具有波動性和隨機性，光伏發電系統的電能輸出也具有很大波動。隨著分布式光伏發電系統的容量越來越大，其輸出功率的波動將對電網產生不可忽視的影響，而計算機仿真技術則是研究這一內容的有效手段。光伏發電系統仿真模型是含光伏電力系統仿真研究的重要基礎。由于光伏發電系統的復雜性，目前的電力系統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電系統特性和功能的仿真模型十分必要。

由于實際的光伏發電系統普遍應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。光伏發電系統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相對比較容易，已有文獻中幾百瓦和幾千瓦的小容量光伏電源仿真模塊應用比較常見[1-3]，更大容量的光伏電源模塊應用較少涉及。光伏逆變器仿真模塊是開發的難點。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，需要逆變為交流電源輸出;另一個功能是由于光伏電源是非線性元件，為了使光伏發電系統在任何溫度和光照強度下始終處于最大功率輸出狀態，需要具備最大功率點跟蹤（MPPT）功能。逆變功能的實現一般采用閉環控制策略和PWM調制技術。MPPT功能實現的方法可以分為三類[1]：1）常壓法;2）擾動觀察法[4-6];3）電導增量法[7，8]。目前實際中應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電系統仿真模型，并對其仿真效果進行了研究。光伏電源仿真模塊基于光伏電池工程實用數學模型開發，通過光伏電池的串并聯組合構成大容量光伏電源模塊，仿真模塊的特性輸入參數均可以由光伏廠家的技術說明書提供，外部輸入參數是發電系統所在地的環境溫度和光照強度，具有適合于工程應用的特點。光伏逆變器仿真模塊基于雙閉環控制策略和逆變效率高的空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）實現電源逆變功能。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的最大功率附近存在的震蕩問題，本文提出了具有判據閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據設置了閥值，增強了MPPT功能的魯棒性。仿真結果表明，本文建立的大容量光伏發電系統仿真模型可以反映實際光伏發電系統的特性和功能，可以作為光伏接入電網的規劃設計和運營管理研究的基礎。

1"光伏電源仿真模塊

1.1"光伏電池物理數學模型

根據電子學原理[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結的曲線常數;

：波爾茨曼常數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度有關，在工程實際使用中，上述光伏電池物理數學模型并不實用。一般地，電池供應商可以提供的技術參數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[9]給出了只需要輸入電池供應商提供的主要技術參數的光伏發電模型，該模型是在式（1）～式（3）的基礎上，通過一系列假設得到光伏電池的V-I表達式如式（4）"""""""""""""""""""""""""""""（7）

（8）

（9""""""""""""""""""""""""""""（10）

（11）

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

1.3"光伏電源仿真模型

光伏電源仿真模型基于1.2節介紹的光伏電池工程實用模型構建，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，分別為串聯電池個數和并聯電池個數）。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參數在PSCAD平臺上設計的光伏電源仿真模塊。特性輸入參數工作電流，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"逆變功能的實現原理

本文實現的逆變過程是將光伏電源輸出的直流電逆變為可以并網的交流電。逆變過程中涉及的核心內容是閉環控制策略和PWM調制算法。本文采用基于同步旋轉坐標變換，采用d軸和q軸雙閉環控制策略。第一個閉環分為電壓外環和電流內環，屬d軸的閉環控制，第二個閉環分為功率外環和電流內環，屬q軸的閉環控制?？刂圃韴D如圖3所示。詳細理論介紹參見文獻[1]。

圖3"控制原理圖

本文采用的PWM調制技術是空間矢量脈寬調制技術（SVPWM），該控制技術是一種以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的的PWM波生成方法，SVPWM技術分為3個部分實現，即三相電壓的區間分配、矢量合成的最佳序列選擇和控制算法。電壓的區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系到開關損耗和諧波分量，與常用的SPWM調制技術相比，SVPWM調制技術最大的優點就是調制效率更高。文獻[10，11]詳細介紹了在PSCAD中實現SVPWM調制技術的方法。圖3中產生的Ud和Uq值經過SVPWM調制技術驅動IGBT，實現逆變功能。IGBT驅動電路見圖4。

圖4"IGBT驅動電路

2.2"MPPT實現原理

太陽能光伏電源輸出功率隨著光照強度、環境溫度以及輸出電壓不同而變化，但在一定的溫度和環境溫度下只有一個最大功率點，可以通過調節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MPPT應用較多。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，決定輸出電壓增減的方向或者不變。數學表達式如式（12）-式（14）。式（12）成立，則表示功率達到最大值，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，輸出電壓應該減小。

"""""""""""""""""""""""""""""""（12）

"""""""""""""""""""""""""""""""（13）

"""""""""""""""""""""""""""""""（14）

2.3"具有判據閥值的擾動觀察法

擾動觀察法結構簡單，需要觀察參數少，適宜于多變的環境，但是由于實際中輸出功率一般存在微小的波動現象，所以在最大功率附近容易出現震蕩，輸出電壓不穩定。出現這一問題的原因是因為采用的功率差分值判據過于理想化，沒有考慮的實際情況。本文提出了具有判據閥值的擾動觀察法，該方法是對擾動觀察法中的功率差分值判據設置了閥值，以增強MPPT功能的魯棒性。具體方法是將式（12）-式（14）改進為式（15）-式（17）的形式，閥值為。式（15）成立，則表示功率達到最大值，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，輸出電壓應該減小。

"""""""""""""""""""""""""""""""（15）

"""""""""""""""""""""""""""""""（16）

"""""""""""""""""""""""""""""""（17）

3"光伏發電系統仿真效果研究

3.1"光伏電源仿真

本文以光伏電池廠家提供的資料進行了研究，額定輸出功率500kW。具體的特性輸入參數見圖2?？梢酝ㄟ^設置不同的光伏電池串并聯數目，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，當溫度恒定時，額定輸出電流和最大輸出功率隨著光照強度的增加而增加，當光照強度恒定時，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度的改變而改變，但隨著溫度改變是比較明顯的。仿真結果表明，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"大容量光伏發電系統仿真效果

為了檢驗所建立的光伏發電系統仿真模型的仿真效果，將額定功率為235W的光伏電池單體，通過串并聯構成光伏電源，串聯數為20，并聯數為107，標況下，最大輸出功率為500kW。逆變出的交流線電壓有效值為270V。假設溫度從25℃突然降到15℃的仿真情況見圖7和圖8，突變發生的仿真時刻為第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所呈現出的變化結果看，當環境溫度下降，光伏電源的工作電壓隨之增大，光伏發電系統的輸出功率隨之增大，這符合光伏電源的工作特性。從所呈現出的變化過程看，光伏發電系統具有良好的MPPT功能，找到了最大功率工作點，沒有出現最大功率附近的震蕩，說明本文提出的具有判據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境變化前后，逆變出來的電流和電壓波形是滿足電網要求的交流電波形，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，該光伏發電系統可以并網運行。

4"結論

本文基于PSCAD建立了大容量光伏發電系統并網仿真模型。實際仿真計算表明：

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

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）所提出的具有判據閥值的擾動觀察法可以實現良好的MPPT功能，可以保證光伏電源在工作環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電系統仿真模型是動態的、完整的系統模型，可以反映實際光伏發電系統的特性和功能，可以作為光伏接入電網的規劃設計和運營管理研究的基礎。

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作者簡介：

孫建龍（1963.07-），男，江蘇，高級工程師，從事電網規劃、設計及建設的研究。