云層遮蔽對離網(wǎng)光儲系統(tǒng)的影響研究

張榮海，陳志峰，張紫凡，李巖

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026；2. 廣州城市理工學(xué)院，廣州 510080；3.廣東云舜綜合能源科技有限公司，韶關(guān) 512026）

引言

隨著化石能源逐漸枯竭以及“雙碳”目標(biāo)的提出，可再生能源的發(fā)展成為重要課題。光伏發(fā)電以其無噪聲、擴容方便等諸多優(yōu)點成為最為重要的開再生能源形式之一[1,2]。光伏系統(tǒng)各個發(fā)電設(shè)備相互獨立，發(fā)電方式靈活，可以因地制宜安裝光伏發(fā)電設(shè)備。光伏系統(tǒng)的運行形式也較為靈活，不但可以孤島運行滿足用戶需求還可以通過PCC（公共耦合點）接入公共電網(wǎng)，提高配電網(wǎng)運行效率、提升配網(wǎng)線路電壓水平[3-5]。

光伏系統(tǒng)主要由光伏電池板、控制環(huán)節(jié)、DC/DC變流器、逆變器以及能量監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，對外表現(xiàn)為一個單一可控的有源配電單元。光伏系統(tǒng)可以通過公共能耦合點接入電網(wǎng)保持并網(wǎng)運行模式，可以與本地負(fù)載組成微電網(wǎng)孤島運行。并網(wǎng)運行時，在功率控制模式下，可實現(xiàn)公共耦合點處功率潮流調(diào)節(jié)。合理的安排光伏電源的并網(wǎng)點位置，可以縮短發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)荷之間的距離，減小電網(wǎng)的傳輸損耗，對于提高發(fā)電的消納和降低網(wǎng)絡(luò)損耗有重要意義。通過合理的控制方式，可以實現(xiàn)并網(wǎng)與孤島運行方式的切換。當(dāng)公共電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)荷可切換至孤島運行，保證下對重要負(fù)荷的供電。

光伏發(fā)電受到輻照度、溫度等諸多因素的擾動[6,7]，輻照度則受到云層經(jīng)過、霧霾[8]等氣候因素的影響。其中云層經(jīng)過造成的輻照度的大幅波動，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響尤為突出。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以從電網(wǎng)側(cè)得到電壓和功率的支持，但離網(wǎng)運行的孤島光伏微電網(wǎng)由于缺乏大電網(wǎng)的支持，其運行狀態(tài)更容易受到云層經(jīng)過造成的干擾。因此探索云層經(jīng)過時輻照度較大程度跌落時，對孤島光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響具有較高的研究價值。基于此本文基于電磁暫態(tài)仿真平臺建立離網(wǎng)光儲系統(tǒng)仿真模型，模型包括光伏發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、逆變器、交流變壓器、交流負(fù)載、直流變流器及各變流器控制環(huán)節(jié)。仿真模型基于實際光伏設(shè)備設(shè)置光伏元件以及光伏組件參數(shù)，并采用一天之內(nèi)典型日的溫度變化以及疊加有運行經(jīng)過時的輻照度變化作為環(huán)境變量。

1 離網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)光儲系統(tǒng)主要的組成部分包括光伏電源、儲能設(shè)備和負(fù)載三部分，光伏電源和儲能設(shè)備由DC/CD變換器接入直流母線側(cè)。光伏電池板為功率輸出的設(shè)備，因此采用Boost變換器接入直流母線，儲能設(shè)備可輸出功率也可吸收功率，因此采用雙向DC/DC設(shè)備接入直流母線。光伏系統(tǒng)為交流負(fù)荷供電以及并入配電網(wǎng)，則需要將直流轉(zhuǎn)為交流，因此光伏系統(tǒng)通常配備有DC/AC變流器。離網(wǎng)光儲系統(tǒng)主要設(shè)備包括光伏電源、DC/DC變換器、逆變器、濾波電路、升壓變壓器和等效負(fù)荷，如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)光儲系統(tǒng)主電路圖

離網(wǎng)光儲系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行需要合適的控制系統(tǒng)。在整體的控制系統(tǒng)中設(shè)備的控制功能主要在各個變流器環(huán)節(jié)實現(xiàn)。光伏電源采用基于擾動觀察法最大功率點追蹤控制，儲能設(shè)備采用穩(wěn)壓控制、逆變器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制，在生成相應(yīng)的控制參考信號后，由SPWM技術(shù)將控制信號轉(zhuǎn)換為可控硅的開關(guān)信號。

從大氣層照射而來的太陽光激發(fā)硅材料發(fā)射電子產(chǎn)生直流電，直流電利用升壓斬波電路的電感的增反減同特性得以升壓。與此同時，進行平抑電壓波動的蓄電池采用雙向DC-DC實現(xiàn)升降壓，平緩的直流電經(jīng)過逆變器合適的通斷產(chǎn)生矩形交流電，矩形交流電經(jīng)過合適的濾波電路抑制高頻諧波后得到平滑的交流電，交流電再經(jīng)過變壓器升壓送到輸電網(wǎng)或者降壓送進用電區(qū)域。

對于斬波電路的電容電感以及逆變器的濾波電容電感計算方法在第二章里面波紋系數(shù)法有詳細(xì)的介紹，通過電感電容的隨時間變化情況以及提高電感和電容值來降低波紋系數(shù)值來得到合適的數(shù)值。

2 光伏組件參數(shù)選擇

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽光的照射時候，如果入射光的能量大于或者等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛形成自由電子。可以由公式（1）描述，其中為光子能量；

式中：

h—普朗克常量；

f—光波頻率；

Eg—半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

光波頻率等于光速除以光波波長，即f=c/λ，式（1）改寫為光波波長的表達(dá)式，式（2）。

式中：

λ—光波波長；

c—光速。

光子波長恰好激發(fā)電子的波長稱為截止波長，若光子波長小于截止波長，那么能量用于電子在晶格附近振動產(chǎn)生熱能。若光子波長大于截止波長，電子可以獲得動能，進而產(chǎn)生有電勢差的PN結(jié)，即光生伏特效應(yīng)。

本文仿真工作中采用PSCAD仿真平臺中內(nèi)置的光伏電池仿真模型，元件參數(shù)具體參數(shù)如表1所示。

光伏發(fā)電板組件的參數(shù)設(shè)計對光伏發(fā)電板的功能和效率有較大影響。本文采用Suntech公司的某一型號模塊來參照作為光伏電池的參數(shù)選擇依據(jù)，本文仿真模型具體光伏電池板的參數(shù)選擇如表1所示。仿真模型采用單個功率為236 W的太陽能電池得到1 MWp的太陽能陣列，然后16個陣列構(gòu)成16 MWp大容量光伏電站。

為衡量光伏電池板的性能是否達(dá)標(biāo)、參數(shù)設(shè)置是否合理，可通過太陽能電池的填充因子來判斷。填充因子的表達(dá)式如式（3）所示。

式中：

FF—光伏電池板的填充因子，是表征太陽電池優(yōu)劣的重要參數(shù)；

Isc—參考短路電流；

Uoc—太陽能電池單元開路電壓；

Im—太陽能電池單元最大功率點電流；

Um—太陽能電池單元最大功率點電壓。

把表2中cell值代入式（3），計算可到FF值為0.8，符合優(yōu)質(zhì)多晶硅標(biāo)準(zhǔn)。

表2 太陽能電池組件參數(shù)

光伏在發(fā)電過程中不可避免的受到輻照度以及溫度變化的影響。光伏電池板的輻照度會因為云層的流動而產(chǎn)生降低（50～80）%的劇烈變化，同時一天中的環(huán)境溫度也在不斷產(chǎn)生變化，因此為了最大程度提升光伏電池發(fā)電的經(jīng)濟性，光伏電源通常采用最大功率點控制。

常見的最大功率點追蹤方法有電壓反饋法（電壓恒定法）、擾動與觀察法（爬山法）、電導(dǎo)增量法（incCond）。恒定電壓法實現(xiàn)簡單，但在遭遇云層經(jīng)過導(dǎo)致輻照度變化較大時，產(chǎn)生的誤差較大。擾動觀察法適合擾動觀察法的尋優(yōu)精度更高，但尋優(yōu)速度較慢。如果云層經(jīng)過導(dǎo)致輻照度下降，將需要較長時間尋優(yōu)，且經(jīng)受擾動后會在最大功率點附近振蕩，從而產(chǎn)生能量損失。綜上本文采用電導(dǎo)增量法最大功率點追蹤技術(shù)，該方法采用調(diào)壓來實現(xiàn)調(diào)節(jié)功率，所以對功率P的電壓U進行微分，如式（6）所示。

由于最大功率點曲線具有拐點，可用通過求導(dǎo)判斷最大功率點的位置以及變化趨勢來得到下一步該如何調(diào)壓。當(dāng)最大功率點在當(dāng)前運行狀態(tài)左邊和右邊時可以通過增加或減小參考電壓值來追蹤最大功率點，如式（7）所示。

3 云層經(jīng)過對光伏系統(tǒng)影響

光伏系統(tǒng)在一天內(nèi)的出力受到輻照度和溫度的影響。為研究云層經(jīng)過對離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的影響。本文選取典型日的輻照度以及溫度作為輸出參數(shù)。在一天之中輻照度和溫度均隨時間變化，云層經(jīng)過則會使輻照度有較大的下降。選擇典型日的環(huán)境溫度以及輻照度為基礎(chǔ)，輻照度再疊加云層經(jīng)過造成輻照度下降，一天內(nèi)6點至18點的溫度和輻照度數(shù)據(jù)如圖2所示。圖2中綠色曲線表示晴天日輻照度變化，藍(lán)色曲線表示疊加云層經(jīng)過后一天內(nèi)的輻照度變化。由圖可觀察得知一天之中輻照度在6點到12點逐漸升高并達(dá)到最大值1 200 W/m2，12點到18點逐漸下降，并且在正午時候輻照度最高達(dá)到1 200 W/m2由于高于參考值1 000 W/m2。

圖2 6點到18點之間的輻照度和溫度變化

在光伏系統(tǒng)的參數(shù)選擇環(huán)節(jié)，設(shè)置光伏組件在1 000 W/m2為輻照度和25 ℃條件下，光伏電站裝機容量為16 MW。在12點左右，輻照度較高且溫度較高的時候，光儲系統(tǒng)的有功輸出也達(dá)到了最高值17 MW。較厚云層的經(jīng)過時，輻照度大幅下降，光儲系統(tǒng)的輸出功率隨輻照度的下降而下降。由于光儲系統(tǒng)中儲能設(shè)備容量配置較小，因此光儲系統(tǒng)主要的功率輸出為光伏的功率輸出。儲能設(shè)備在其中起到了一定對沖光伏功率變化的作用。即當(dāng)光伏電源在輻照度較低而輸出功率較小的時候，儲能設(shè)備會釋放功率，當(dāng)光伏系統(tǒng)在輻照度高輸出功率較大的時候，儲能設(shè)備的輸出功率則逐漸降低。由于儲能設(shè)備的容量占系統(tǒng)總?cè)萘枯^小，并不能完全彌補因云層經(jīng)過造成的系統(tǒng)整體功率輸出的下降。光儲系統(tǒng)功率輸出如圖3所示。

圖3 光儲系統(tǒng)輸出的功率波形圖

為了使光伏電源能夠以最大的功率輸出，對光伏電源采用了MPPT控制。圖4為光伏電源側(cè)電壓電流波形圖。對于光伏電源側(cè)，由于端口沒有加裝電容，此時端口電壓和電流波動較大。但總體的變化規(guī)律與輻照度變化相符合，整體電壓電流也呈現(xiàn)凸的形態(tài)。當(dāng)有云層經(jīng)過，輻照度大幅下降時，電壓和電流在MPPT控制的作用下會發(fā)生較大變化，基本呈現(xiàn)電壓升高電流降低的趨勢。

圖4 光伏電源側(cè)電壓電流波形圖

在MPPT的作用下，當(dāng)輻照度、負(fù)載功率變化等原因造成光伏電池板輸出電壓電流變化時，最大功率點跟蹤控制技術(shù)將會尋找新的最大功率點輸出的電壓電流值。將圖4中截取一段波形放大來做觀察，通過波形可以觀察到，電壓和電流總體的變化方向是相反的，即電壓上升電流下降、電壓下降電流上升。在反復(fù)變化調(diào)整的過程中，尋找輸出功率最大的工作點。

蓄電池電壓電流趨勢和光伏電源一致，得益于蓄電池升降壓的判斷準(zhǔn)則是光伏電源的電壓的延時跟蹤效果，在電壓下降時候，電流上升，呈現(xiàn)一個穩(wěn)壓效果，如圖5所示。

圖5 蓄電池側(cè)電壓電流波形圖

由于光伏等分布式電源的有功輸出通常具有一定的隨機性，因此為穩(wěn)定系統(tǒng)輸出功率以及穩(wěn)定分布式電源輸出電壓的角度，通常會為分布式電源配備一定容量的儲能設(shè)備。在分布式電源出力降低的時候，儲能設(shè)備則需要增加功率輸出，當(dāng)分布式電源發(fā)電功率較高的時候，則可以吸收部分功率。儲能設(shè)備的控制方式是采用穩(wěn)壓控制，當(dāng)直流側(cè)電壓降低時，其輸出電流將會增加，本文研究的光儲系統(tǒng)中，光伏電源的容量較大，相對儲能設(shè)備的發(fā)電容量在總體發(fā)電容量中占比較小。

孤島光儲系統(tǒng)所帶負(fù)載類型為交流負(fù)載，因此其負(fù)載側(cè)三相交流電壓是一個較為重要的參考指標(biāo)。在云層經(jīng)過造成輻照度下降時，由于功率輸出降低，交流側(cè)電壓也出線了電壓下降的現(xiàn)象。交流側(cè)電壓波形以及交流電壓下降波段的放大圖如圖6所示。

由圖6可知云層經(jīng)過會使交流側(cè)電壓下降，但交流側(cè)負(fù)載電壓仍保持三相對稱，且波形形態(tài)較好，可見諧波含量不高。

圖6 有云層經(jīng)時交流側(cè)輸出電壓波形圖

4 結(jié)論

本文研究了16 MW容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏元件的物理參數(shù)配置以及光伏組件的參數(shù)配置。由于光伏系統(tǒng)的發(fā)電容量受到光照以及溫度影響，其有功輸出并不是穩(wěn)定的。在諸多影響因素當(dāng)中，云層遮擋通常是影響光伏電源出力的主要因素。為研究云層經(jīng)過對孤島運行的光儲系統(tǒng)的有功輸出、電壓波形、光伏單元MPPT的跟蹤效果等方面產(chǎn)生的影響。本文基于電磁暫態(tài)仿真平臺搭建了光儲系統(tǒng)的仿真模型，并得到結(jié)論：云層經(jīng)過造成的輻照度下降會很大程度上影響光伏電源的有功功率，繼而造成交流側(cè)負(fù)載電壓跌落。配備一定容量的儲能設(shè)備能夠使獨立光儲系統(tǒng)的有功輸出更加平緩，從而降低云層經(jīng)過對光儲系統(tǒng)的影響，但儲能設(shè)備成本較高，儲能設(shè)備的配置容量則需要綜合考慮技術(shù)指標(biāo)與成本兩個因素。