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摘 要： 摘要：在分析光伏發(fā)電原理與光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對由若干光伏陣列組成的大型光伏電站進(jìn)行PSCAD仿真建模，并分析其運(yùn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)，并設(shè)
摘要：在分析光伏發(fā)電原理與光伏電池數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對由若干光伏陣列組成的大型光伏電站進(jìn)行PSCAD仿真建模，并分析其運(yùn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的并網(wǎng)逆變器控制策略。最后，對大型光伏電站在正常運(yùn)行以及站內(nèi)/外發(fā)生三相短路故障的情況進(jìn)行仿真分析。
關(guān)鍵詞：光伏電站;大規(guī)模并網(wǎng);運(yùn)行特性;故障分析; PSCAD 仿真
0 引言
能源是人類社會發(fā)展的重要保障。近年來，各國對非可再生能源的過度開發(fā)，導(dǎo)致其儲量迅速下降，同時化石能源在燃燒的過程中也對環(huán)境造成了巨大的破壞。當(dāng)今，各國的發(fā)展都受到了能源與環(huán)境的制約。太陽能作為可再生能源，具有諸多優(yōu)勢，是世界各國公認(rèn)的良好的替代資源。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為分布式和集中式 2 種應(yīng)用模式。具有集中式接入特點(diǎn)的大型光伏電站是我國目前的主要應(yīng)用方式，其運(yùn)行性能不同于傳統(tǒng)的交流電源，開展光伏電站及其接入系統(tǒng)的建模、仿真和分析對研究集中式光伏接入系統(tǒng)的運(yùn)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(wǎng)系統(tǒng)的重要組成元件，國內(nèi)外專家學(xué)者已對其進(jìn)行深入的建模研究。但對于具有多臺光伏并網(wǎng)逆變器聯(lián)合運(yùn)行的大型光伏電站，尚無詳細(xì)的建模研究。光伏電站的建模方式可以歸納為 2 大類：獨(dú)立核心器件建模[4-5]及整體系統(tǒng)建模。獨(dú)立核心器件建模以光伏并網(wǎng)逆變器為核心，將逆變器兩側(cè)元件按照逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行化簡而得到等值模型的一種方法。該方法缺乏整體協(xié)調(diào)性，不能全面地反映光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分的動態(tài)特性。與之對應(yīng)的整體系統(tǒng)建模方式主要有 3 種：等效二端口網(wǎng)絡(luò)模型[6]、簡化等值電路模型[7-8]、受控源模型[9]。文獻(xiàn)[6] 以無損二端口為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的等效二端口網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[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(jìn)行建模;若要對光伏電站進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，則各器件的模型都較為復(fù)雜，對各變量的求解都較為困難。文獻(xiàn)[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(fù)雜的非線性時變微分方程，計(jì)算量較大。
此外，一些文獻(xiàn)也研究光伏電站與電網(wǎng)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(xiàn)[10]使用Matlab 軟件以 1.6 MW、10 kV 為例進(jìn)行了光伏電站建模。當(dāng)光伏電站中的光伏陣列數(shù)量較多時，Matlab 軟件的仿真速度較慢，當(dāng)光伏陣列數(shù)量進(jìn)一步增加時會導(dǎo)致仿真無法進(jìn)行，且 Matlab 對光伏電站的暫態(tài)分析效果一般。文獻(xiàn)[11]使用 Fastest 仿真軟件，參考光伏并網(wǎng)系統(tǒng)元件的組成方式，搭建了一個可以反應(yīng)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(tài)頻率穩(wěn)定性量化分析、暫態(tài)功角穩(wěn)定性以及暫態(tài)電壓穩(wěn)定性功能對并網(wǎng)光伏電站仿真并進(jìn)行分析。與前 2 種軟件相比，PSACD 的暫態(tài)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(tǒng)建模方式的大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法。在含多個光伏陣列的并網(wǎng)光伏電站仿真模型中，分別研究正常運(yùn)行狀況下和故障發(fā)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(shù)學(xué)模型及輸出特性
1.1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型
由光伏電池的發(fā)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(qiáng)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(jié)的擴(kuò)散電流的情況;Ish 為流經(jīng) Rsh 的電流; Rsh 為等效并聯(lián)電阻，其值為幾千;Rs 為等效串聯(lián)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(wǎng)，需以光伏發(fā)電系統(tǒng)的形式進(jìn)行并網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，多個光伏電池組成光伏板，然后若干光伏板串并聯(lián)組成光伏陣列，再通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)。
1.2 光伏陣列的輸出特性
當(dāng)外部的溫度及光照強(qiáng)度發(fā)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(diǎn)運(yùn)行。當(dāng)光照強(qiáng)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(dǎo)致輸出功率降低。此外，光伏陣列的最大功率點(diǎn)會隨著溫度的升高而下降。當(dāng)溫度不變光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，開路電壓基本保持不變，短路電流與光照強(qiáng)度成正線性關(guān)系。此外，光伏陣列的最大功率點(diǎn)隨光照強(qiáng)度的升高而升高。可見，光照強(qiáng)度與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(diǎn)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(wǎng)光伏電站仿真模型，如圖 3 所示。
該 3 MW 并網(wǎng)光伏電站仿真模型中，光伏板由 36 個光伏電池構(gòu)成，光伏陣列由 42 塊光伏板串聯(lián)成組、再由 200 組并聯(lián)構(gòu)成。光伏陣列接入逆變器后以交流形式并網(wǎng)，再通過兩級變壓器升壓并入 110 kV 理想電網(wǎng)。該系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)如表 1 所示。同時，為了將變壓器逆變側(cè)的電壓穩(wěn)定在額定值，于 10 kV 母線上接入 500 μF 的電容補(bǔ)償線路壓降。
由第 1 節(jié)可知，光伏陣列的輸出功率會受到外部環(huán)境溫度以及光照強(qiáng)度的影響，而表現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對太陽能的充分利用，就需要在并網(wǎng)光伏電站中加入最大功率點(diǎn)跟蹤器，對光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。最大功率點(diǎn)跟蹤 (maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)是在不同溫度與光照強(qiáng)度的條件下，通過對光伏陣列端電壓的調(diào)節(jié)，使光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)增量法及干擾觀測法[14-15]。恒電壓跟蹤方法是在光照強(qiáng)度發(fā)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(diǎn)。然而，恒電壓跟蹤法是在環(huán)境溫度不變的條件下獲得的，在光伏陣列實(shí)際運(yùn)行中，外部環(huán)境的溫度是變化的，輸出特性將隨溫度改變，該方法不能準(zhǔn)確地追蹤最大功率點(diǎn)。為了消除環(huán)境溫度對最大功率點(diǎn)追蹤的影響，應(yīng)測得光伏陣列在不同溫度下所對應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓值，將其制表并存儲在相應(yīng)的控制器中，實(shí)際運(yùn)行時結(jié)合檢測的環(huán)境溫度獲得最大功率點(diǎn)對應(yīng)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(shí)現(xiàn) MPPT，算法簡單，易于電網(wǎng)故障后的快速有功功率恢復(fù)，非常適用于復(fù)雜的光伏電站仿真分析。
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本文采用的光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略如圖 4 所示，使用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方法對逆變器進(jìn)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(diǎn)所對應(yīng)的直流側(cè)電壓值，通過與實(shí)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(huán)可以獲得逆變器出口電壓的相位信息。結(jié)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(shí)際值比較后，得到交流電流差值，經(jīng)過比例共振 (proportion resonance，PR)控制器后生成調(diào)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(shí)現(xiàn)正負(fù)序同 時追蹤;對于交流控制量可實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差.其輸出調(diào)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(biāo)變換環(huán)節(jié)。最后將生成的調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較生成脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)控制信號，觸發(fā)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。
3 仿真分析
3.1 正常運(yùn)行時光伏電站輸出特性
在溫度為 25℃，光照強(qiáng)度為 1 kW/m2 條件下，即并網(wǎng)光伏電站正常運(yùn)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(yùn)行時的仿真結(jié)果如圖 5 所示。由圖 5 可知，經(jīng)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(bǔ)償電容的大小選擇合理。當(dāng)一個并網(wǎng)光伏電站中存在多個光伏陣列時，電網(wǎng)側(cè)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(dǎo)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(wǎng)光伏電站中，并聯(lián)的光伏陣列數(shù)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(wǎng)要求。此外，當(dāng)并聯(lián)的光伏陣列大于一定數(shù)量時，實(shí)際電流與標(biāo)準(zhǔn)正弦參考波之間存在較大的差值，經(jīng)過 PR 控制器的調(diào)節(jié)會產(chǎn)生過調(diào)制現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響輸出波形質(zhì)量。為了減小紋波的幅值可以適當(dāng)增大濾波電感值提高濾波效果，或增加開關(guān)頻率。
3.2 故障發(fā)生時光伏電站輸出特性
在系統(tǒng)可能發(fā)生的各種故障中，三相短路故障對光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行的影響最大，因此在仿真中分析了光伏電站外部與內(nèi)部發(fā)生三相短路故障時光伏電站所表現(xiàn)出的運(yùn)行特性(該分析中未對光伏電站進(jìn)行低電壓穿越控制，即在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，不對光伏電站進(jìn)行控制，向電網(wǎng)輸送無功)。當(dāng)在并網(wǎng)光伏電站站外(110 kV 母線側(cè))發(fā)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(fā)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(tǒng)輸出恢復(fù)穩(wěn)定。當(dāng)故障發(fā)生后，電壓略有升高，根據(jù)光伏陣列的電流-電壓關(guān)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?yàn)椴捎昧撕汶?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(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路的仿真結(jié)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(chǎn)生直流電壓波動，由于濾波電感的慣性作用及直流側(cè)電容較大，直流電壓恢復(fù)過程較緩慢。
如果三相短路故障發(fā)生在光伏電站內(nèi)部，光伏陣列將表現(xiàn)出不同的輸出特性。如將與圖 6 相同的故障設(shè)置在 1、2 號光伏陣列的 10 kV 母線靠近 110 kV 母線側(cè)，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(fā)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(wǎng)側(cè)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(cè)電壓波動幅度大。若故障較嚴(yán)重時，電壓下降幅度可能越限，導(dǎo)致光伏陣列 1、2 脫網(wǎng)。故障切除后，脫網(wǎng)的光伏陣列重新并網(wǎng)會減慢系統(tǒng)的恢復(fù)速度，影響光伏電站的整體性能。
4 結(jié)語
本文在 PSCAD 仿真環(huán)境下，搭建由 6 個光伏陣列組成的并網(wǎng)光伏電站整體系統(tǒng)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(wǎng)。基于簡單快速的MPPT方法和雙環(huán)并網(wǎng)逆變器控制方式，仿真分析并網(wǎng)光伏電站在正常運(yùn)行、電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障、電站內(nèi)部出現(xiàn)故障時的輸出變化特性，以期為后續(xù)深入研究光伏電站的運(yùn)行性能提供參考。——論文作者：張樺，謝開貴
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