光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真*

齊仁龍， 朱小會(huì)， 張慶輝

(1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450001)

電氣工程

光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真*

齊仁龍1， 朱小會(huì)1， 張慶輝2

(1.鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450001)

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，在PSCAD/EMTDC環(huán)境中建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型，并基于該模型分析了三相短路故障和光照強(qiáng)度躍變等條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性.研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的物理模型，并建立由光伏陣列、最大功率跟蹤模塊、升壓電路和三相并網(wǎng)逆變器等組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型.仿真對(duì)比分析了不同運(yùn)行條件下的光伏逆變器輸出有功功率、電壓以及電流的暫態(tài)特性，結(jié)果表明逆變器輸出功率和電流會(huì)隨著光照強(qiáng)度變化而平滑地改變，短路故障則會(huì)引起電壓跌落和瞬態(tài)過(guò)電流.

光伏發(fā)電；穩(wěn)定；PSCAD/EMTDC環(huán)境；仿真模型；三相短路；光照強(qiáng)度躍變；暫態(tài)特性；物理模型

隨著常規(guī)化能源的不斷枯竭和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，光伏發(fā)電等可再生能源因其產(chǎn)量豐富、高效、無(wú)污染等特點(diǎn)受到世界各國(guó)的重視[1-2].但隨著發(fā)電規(guī)模的不斷增大，光伏系統(tǒng)的暫態(tài)故障給電網(wǎng)帶來(lái)了較大的安全隱患.

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、升壓電路、最大功率跟蹤模塊、并網(wǎng)逆變器以及控制器組成，其并網(wǎng)運(yùn)行的特性不同于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性[3].首先，光伏發(fā)電的輸出功率是由光照強(qiáng)度和外界環(huán)境溫度所決定的，不具備基于調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)性能；其次，光伏發(fā)電是由電力電子器件組成，不具備傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的慣性環(huán)節(jié).當(dāng)高滲透率光伏發(fā)電接入后，其暫態(tài)條件下與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行將會(huì)呈現(xiàn)新的特點(diǎn)，如光照強(qiáng)度躍變會(huì)造成輸出功率波動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)接納能力較差，不利于穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行；而三相短路故障會(huì)造成脫網(wǎng)等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重的故障會(huì)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問(wèn)題.

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)建模方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開(kāi)了一系列的研究，文獻(xiàn)[4]對(duì)微網(wǎng)光伏并網(wǎng)逆變器分別采用恒功率控制和恒電壓頻率控制策略在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特征方面進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)[5]利用PSD-BPA仿真軟件針對(duì)光伏發(fā)電在電壓跌落過(guò)程中的運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[6]利用Fastest仿真軟件建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)原件模型，并分析了其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性.但目前文獻(xiàn)尚缺少精度較高的通用型光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)模型，尤其是針對(duì)短路故障和外部環(huán)境變化的建模較少.為深入分析光伏發(fā)電系統(tǒng)在短路故障下以及光照躍變的暫態(tài)特性，本文在PSCAD仿真軟件中分別建立了非標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏發(fā)電單元各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)仿真模型，基于該仿真模型分析了發(fā)生三相短路故障和輸入光照強(qiáng)度躍變等條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性.

1 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

圖1為三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖，其主要由光伏陣列、直流母線電容、升壓電路、逆變器、LCL濾波器、控制電路以及交流電網(wǎng)等組成.其中，L1為逆變橋側(cè)電感，L2為網(wǎng)側(cè)電感，C為濾波電容，Udc為直流側(cè)母線電壓.

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of photovoltaic grid connected generation system

1.1 光伏陣列等效變換

[7-8]將圖1的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效變換，變換后的系統(tǒng)模型如圖2所示，則根據(jù)基爾霍夫電流定律可求得光伏組件的輸出電流為

I=Ig-Id-Ish=

(1)

式中：U、I分別為光伏組件輸出電壓和電流；Ish為反向飽和電流；Ig為光子在光伏電池中的激發(fā)電流；Id為流經(jīng)二極管的電流；I0為二極管飽和狀態(tài)下的電流；Rsh為旁路等效電阻；Rs為光伏組件等效串聯(lián)電阻；q為庫(kù)侖常數(shù)，其值一般取為1.6×10-19C；n為結(jié)常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23J/K；T為外界環(huán)境溫度.

圖2 光伏組件等效電路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic components

圖2中光生電流Ig取值大小與光照強(qiáng)度S和溫度T相關(guān)，而飽和電流I0只與溫度T有關(guān)，其表達(dá)式分別為

(2)

(3)

式中：ILref為光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的短路電流；IT為標(biāo)準(zhǔn)溫度Tref時(shí)的飽和電流；J為電流Ig的溫度系數(shù).

在實(shí)際工程應(yīng)用中光伏陣列是采用串聯(lián)NS和并聯(lián)NP個(gè)光電池組件構(gòu)成，其輸出電流IA可表示為

(4)

式中，VA為光伏陣列輸出電壓.

1.2 最大功率跟蹤

光伏組件輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載等因素的影響，為有效獲取其最大輸出功率，需實(shí)時(shí)調(diào)整光伏組件的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近[9].本文提出一種基于改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法作為最大功率跟蹤控制算法，其邏輯控制框圖如圖3所示.

圖3中dP、dU分別為光伏陣列功率和電壓的時(shí)變量，Up為光伏陣列變化后的電壓，Cp為常數(shù).由圖3可知，當(dāng)距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，斜率較大且步長(zhǎng)也更大，則可快速調(diào)節(jié)達(dá)到最大功率點(diǎn)；當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近后，斜率會(huì)變小，步長(zhǎng)也變小，則會(huì)逐漸向最大功率點(diǎn)靠近.

圖3 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of improved perturbation observation method

結(jié)合上述分析和光伏陣列的本身特性可仿真得出光伏陣列最大功率跟蹤曲線，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，光伏陣列的輸出功率與電壓有關(guān)，在一狹小的定義區(qū)域內(nèi)，只存在一個(gè)最大功率點(diǎn).在最大功率點(diǎn)左側(cè)，有功功率隨著電壓的增大，其值也會(huì)變大；而在最大功率點(diǎn)右側(cè)，有功功率會(huì)隨著電壓的增大而減小.

1.3 光伏并網(wǎng)逆變器及其控制模型

圖4 最大功率跟蹤仿真圖Fig.4 Simulation diagram of maximum power tracking

圖5 并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制策略Fig.5 Dual-loop control strategy of grid connected inverter

(5)

式中：kpc為內(nèi)環(huán)控制參數(shù)；kpd、kid、kpq、kiq分別為外環(huán)控制參數(shù)；kPWM為逆變器的等效比例系數(shù).根據(jù)式(5)傳遞函數(shù)和穩(wěn)定判據(jù)可求得控制參數(shù)的取值.

2 實(shí)驗(yàn)仿真分析

結(jié)合圖1的基本結(jié)構(gòu)和上述各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型.搭建過(guò)程使用到的仿真參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

為了對(duì)比光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)時(shí)的差別，本文首先分析穩(wěn)態(tài)條件下的并網(wǎng)運(yùn)行特性.在光照強(qiáng)度為S=1 000 W/m2，溫度為25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下，單臺(tái)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果分別如圖6～8所示.圖6為光伏并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率，由最大功率跟蹤控制策略得到平穩(wěn)的功率輸出30 kW；圖7、8分別是逆變器的輸出電壓和電流，相對(duì)也較為平穩(wěn).

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生各種故障，其中三相短路故障對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響最大，因此，本文在仿真中以發(fā)生三相短路故障為例，分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行特性.假設(shè)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行5 s時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，并在0.2 s后將故障切除.圖9～11是三相短路故障條件下光并網(wǎng)逆變器輸出的暫態(tài)運(yùn)行特性.由圖9～11可知，故障期間并網(wǎng)逆變器輸出功率發(fā)生振蕩，并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)有所跌落，而并網(wǎng)電流會(huì)有略微增大.短路瞬間還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大瞬態(tài)過(guò)電流，若不采取措施則會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來(lái)一定隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)θ松戆踩斐赏{，因此，在實(shí)際工程中可采取限幅保護(hù)和繼電保護(hù)裝置來(lái)避免短路故障帶來(lái)的不利影響.

圖6 正常條件下逆變器輸出有功功率Fig.6 Output active power of inverter under normal condition

圖7 正常條件下逆變器輸出電壓Fig.7 Output voltage of inverter under normal condition

圖8 正常條件下逆變器輸出電流Fig.8 Output current of inverter under normal condition

在實(shí)際運(yùn)行狀況下光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都是隨時(shí)間而變化的，且由式(2)可知，光照強(qiáng)度變化對(duì)光伏陣列組件輸出電流的影響大于溫度變化的影響，因此，在仿真中設(shè)定溫度不變而光照強(qiáng)度躍變以分析功率和電流的暫態(tài)輸出特性，因?yàn)楣庹諒?qiáng)度變化不影響逆變器輸出電壓，故無(wú)需分析電壓暫態(tài)運(yùn)行特性.圖12、13為溫度保持在25 ℃不變，光照強(qiáng)度以200 W/m2的增長(zhǎng)速度由600 W/m2增至1 200 W/m2時(shí)并網(wǎng)逆變器輸出功率和輸出電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程.由圖12、13可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大，且調(diào)節(jié)過(guò)程較為平穩(wěn)，能很快達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).雖然調(diào)節(jié)過(guò)程較為平穩(wěn)，但是輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)也會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)帶來(lái)不利影響，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中可配合儲(chǔ)能器件來(lái)平穩(wěn)輸出功率的隨機(jī)波動(dòng).

圖9 短路故障條件下逆變器輸出有功功率Fig.9 Output active power of inverter under condition of short circuit fault

圖10 短路故障條件下逆變器輸出電壓Fig.10 Output voltage of inverter under condition of short circuit fault

圖11 短路故障條件下逆變器輸出電流Fig.11 Output current of inverter under condition of short circuit fault

圖12 光照強(qiáng)度躍變條件下逆變器輸出功率Fig.12 Output power of inverter under condition of light intensity jump

圖13 光照強(qiáng)度躍變條件下逆變器輸出電流Fig.13 Output current of inverter under condition of light intensity jump

3 結(jié) 論

本文基于光伏陣列、最大功率跟蹤控制器和并網(wǎng)逆變器控制等子模型，在PSCAD/EMTDC軟件中建立了三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，分析了三相短路和光照強(qiáng)度躍變條件下的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出特性，得到結(jié)論如下：

1) 最大功率跟蹤模塊是光伏發(fā)電系統(tǒng)保持最大功率跟蹤運(yùn)行的關(guān)鍵；

2) 當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，電壓會(huì)跌落，電流有所上升且短路瞬間會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流；

3) 當(dāng)外界光照強(qiáng)度由弱變強(qiáng)時(shí)，逆變器電流會(huì)逐漸增大且功率也會(huì)平滑增大.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Simulation for transient characteristics of photovoltaic power generation system

QI Ren-long1,ZHU Xiao-hui1,ZHANG Qing-hui2

(1.School of Electrical Engineering,Zhengzhou Institute of Science and Technology,Zhengzhou 450064,China;2.School of Information Science and Engieering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

In order to solve the poor transient stability of photovoltaic power generation system,the electromagnetic transient simulation model for photovoltaic power generation system was established in the PSCAD/EMTDC environment.Based on the proposed model,the transient response characteristics of photovoltaic power generation system under the condition of three-phase short circuit faults and light intensity jump were analyzed.The physical model for photovoltaic power generation system was studied,and the dynamic simulation model for photovoltaic power generation system composed of photovoltaic array,maximum power tracking module,boost circuit and three-phase grid connected inverter was established.The transient characteristics of output active power,voltage and current of photovoltaic inverter under different operating conditions were compared and analyzed through the simulation.The results show that the output power and current of the inverter will change smoothly with the change of light intensity,while the short circuit faults will cause the voltage sags and transient over current.

photovoltaic power generation;stability;PSCAD/EMTDC environment;simulation model;three-phase short circuit;light intensity jump;transient characteristic;physical model

2016-06-03.

河南省2015年科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(152102210002).

齊仁龍(1982-)，男，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事電路與系統(tǒng)智能控制等方面的研究.

22 17∶39在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.016.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.01

TM 615

A

1000-1646(2017)02-0121-06