基于ADPSS的光伏電站電磁暫態仿真建模研究

宋子強　譚濤亮　錢峰　劉俊磊　劉結　劉思捷　彭孝強　吳明亮

摘要：電磁暫態仿真建模是研究光伏電站并網運行特性的關鍵環節。論文基于全數字實時仿真裝置ADPSS，建立了光伏電站的通用仿真模型。模型采用最大功率點跟蹤策略對光伏陣列的輸出功率進行控制，并采用雙閉環控制策略對并網逆變器進行控制。基于該模型，對光照強度、環境溫度發生變化的場景進行了模擬，仿真結果驗證了模型的合理性和有效性。

關鍵詞：ADPSS; 光伏電站; 模型; 仿真

0 引言

光伏發電已經成為解決全球變暖、能源短缺和環境污染問題的一種主要方法，發展迅猛。隨著越來越多的光伏電站接入電網，有必要利用電磁暫態仿真建模工具，建立光伏電站的仿真模型，進而深入分析它們的運行性能及其對電網的影響。目前，國內外在開展仿真建模時，主要采用MATLAB、PSCAD/EMTDC等軟件[1-3]，而基于國內自主研發的仿真平臺/軟件來開展光伏電站建模研究的文獻鮮見報道。

近年來，中國電力科學研究院開發的全數字實時仿真裝置（advanced digital power system simulator，ADPSS）在電力系統仿真技術上取得了一系列突破。論文基于ADPSS，對光伏電站的電磁暫態仿真建模開展研究，開發了相應的通用仿真模型。

1 基于ADPSS的光伏電站電磁暫態模型

在ADPSS中，將光伏電站模型封裝在1個子電路中，該模型圖符如圖1所示。該子電路有1個電氣連接端口，用于和外部電網的三相母線相連。需要說明的是，這個子電路可以被重復使用，若要對不同的光伏發電工程進行建模，只需拷貝這個子電路并修改相應的模型參數即可。

雙擊光伏電站子電路的圖符，即可進入其內部電路的編輯頁面，如圖2所示。可見，這是一個單級式的光伏逆變系統，光伏陣列發出的直流電由逆變器變換成交流電，經過濾波、升壓，然后送至公共電網。另外，依據功能劃分清晰、模塊耦合度低的原則，建立了4個自定義模塊，包括：光伏陣列及最大功率點跟蹤（Maximum power point tracking， MPPT）、逆變器控制、基準量設置和測量模塊。這些模塊實現了相應的控制、測量等功能。下面，對具體的模型開發情況進行介紹。

1.1 光伏陣列仿真模型

光伏模塊通常采用串并聯的方式，組合成光伏陣列。仿真電路中，一般采用等效電流源串接1個等效電阻的方式來模擬光伏陣列，如圖2所示。其中，等效電阻代表光伏陣列的損耗;等效電流源的輸出電流由光照強度、環境溫度、光伏陣列等效電路兩端的電壓決定，其數學模型詳見文獻[1]。利用ADPSS提供的自定義插件功能，通過編程的方式，建立了用于控制光伏陣列等效電流源輸出電流的功能框插件，其圖符如圖3所示。它包括3個輸入端口、1個輸出端口。其中，輸入端口被依次命名為S、T、V，分別表示光照強度、環境溫度、光伏陣列等效電路兩端的電壓;輸出端口被命名為I，表示光伏陣列等效電流源的輸出電流。雙擊插件圖符，選擇“參數信息”標簽，可通過參數對話框輸入相應的模型參數。

1.2 最大功率點跟蹤模型

為讓光伏陣列充分發揮其光電轉換能力，需要采取MPPT策略來實時控制光伏陣列的工作點，從而獲得最大功率。目前，常用的MPPT策略有多種，本文采用擾動觀察法，它是目前應用最為廣泛的一種控制算法。在建模的過程中發現，在ADPSS中，通過基本元件搭建電路的方式來實現擾動觀察法較為困難，而如果采用編程的方式，則較為簡單。因此，利用ADPSS提供的自定義插件功能，通過編程的方式，建立了擾動觀察法的功能框插件，其圖符如圖4所示。它包括3個輸入端口、1個輸出端口。其中，輸入端口被依次命名為On、V、I，分別表示是否開啟MPPT功能、光伏陣列等效電路端口電壓、光伏陣列等效電流源輸出電流;輸出端口被命名為Vref，表示光伏陣列等效電路端口電壓參考值。

1.3 逆變器及其控制模型

逆變器被建模為1個由IGBT構成的三相橋式電路。其模型圖符已展示在圖2中，它有5個電氣聯絡端口，其中，標識為“A”、“B”、“C”的端口依序與三相電網相連，標識為“+”、“-”的端口與光伏陣列等效電路的端口相連。

逆變器采用典型的電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略[2]。電壓外環的作用是穩定直流母線電壓，它通過PI調節器進行控制，其給定為MPPT輸出的直流電壓參考值。電流內環分為有功電流內環和無功電流內環，均引入PI調節器進行控制。

2 仿真分析

利用先前建立的光伏電站子電路，搭建1個1 MW光伏電站的并網仿真模型。其通過1個0.27 kV/10 kV的升壓變接入10 kV電網。仿真時，控制電站以單位功率因數運行。

首先，模擬環境溫度保持為25℃而光照強度發生變化的場景。假設光照強度在5秒時由800W/m2躍升至1000W/m2，然后在7秒時又躍降至800W/m2，相應地，光伏電站并網點處有功和無功測量值的仿真波形如圖5所示。可見：① 隨著光照強度發生躍升，光伏電站并網點處有功測量值由0.80 MW躍升至約0.92 MW;② 隨著光照強度躍降回初值，光伏電站并網點處有功又恢復至最初的出力水平;③ 并網點無功在光照強度發生躍變時會出現波動，但會逐步趨于穩定，其穩態值約為0 Mvar。

其次，模擬光照強度保持為1000W/m2而環境溫度發生變化的場景。假設環境溫度在5秒時由25℃躍升至30℃，相應地，光伏電站并網點處有功和無功測量值的仿真波形如圖6所示。可見：① 隨著環境溫度發生躍升，光伏電站并網點有功由0.92 MW躍降至約0.89 MW;②并網點無功在環境溫度發生躍變時會出現較小幅度的波動，但會很快趨于穩定，其穩態值約為0 Mvar。

3 結論

論文基于ADPSS提供的子電路構建功能以及自定義功能框插件開發功能，首先通過編程以及元件搭建的方式，開發了光伏電站的通用仿真模型;然后通過模擬光照強度、環境溫度發生變化的場景，對模型進行了仿真驗證。仿真結果表明，上述模型可以動態跟蹤光照強度、環境溫度等參數的變化，并且可以有效地控制光伏電站發出的有功功率和無功功率。

參考文獻：

[1] 茆美琴， 余世杰， 蘇建徽. 帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J]. 系統仿真學報， 2005， 17（5）： 1248-1251.

[2] 萬禮嵩. 光伏發電系統的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤島檢測研究[J]. 電源技術， 2016， 40（7）： 1458-1459， 1535.

[3] 張樺， 謝開貴. 基于PSCAD的光伏電站仿真與分析[J]. 電網技術， 2014， 38（7）： 1848-1852.

作者簡介：宋子強（1988-）， 男， 安徽亳州人， 工程師， 主要從事電網調度工作，單位： 廣東電網有限責任公司陽江供電局。