分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)數(shù)字化建模與仿真

劉景龍，郭 韻

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

1 引言

可再生能源的利用和開發(fā)在環(huán)境污染問題不斷加劇，能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下成為當(dāng)今能源領(lǐng)域中的重要課題。光伏電池板通常由半導(dǎo)體二極管構(gòu)成，光伏陣列通過光能轉(zhuǎn)換可將電池板吸收的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。與傳統(tǒng)火力發(fā)電不同，光伏發(fā)電不需要天然氣和煤炭等資源，且不會產(chǎn)生環(huán)境污染，因?yàn)槠湓诜烹姇r不會產(chǎn)生有害氣體。在電力能源領(lǐng)域中光伏發(fā)電屬于重要研究內(nèi)容，是一種節(jié)能減排、綠色環(huán)保的新型發(fā)電形式，被廣泛地應(yīng)用在辦公、航空航天、交通、通訊、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域中，應(yīng)用前景較為廣泛，因此，對光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法進(jìn)行研究具有重要意義。

劉秋男等人對光伏電站的光照強(qiáng)度和地理分布特性進(jìn)行分析，采用降價-分布式云算法研究光伏電站中存在的振蕩模態(tài)，研究振蕩模態(tài)受設(shè)備參數(shù)、光照強(qiáng)度的影響，完成光伏發(fā)電并網(wǎng)建模。吳紅斌等人對光伏電站的內(nèi)部損耗情況進(jìn)行考慮，并在電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合潮流計算方程和光伏特性，采用交替迭代算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)參數(shù)的優(yōu)化，完成光伏發(fā)電并網(wǎng)建模。除此之外，還有學(xué)者通過三相繞組和定子繞組對光伏發(fā)電模型進(jìn)行分析，并在光伏電池仿真電路的基礎(chǔ)上對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計算，并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)建模。

在上述方法的基礎(chǔ)上提出基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模仿真。

2 光伏電池模型

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池屬于重要構(gòu)成部分，其主要作用是用電能代替光能。光伏發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下所需的電池容量可根據(jù)光伏電池在電網(wǎng)中的輸出特性得以確定。光伏電池根據(jù)P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)，將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏?，其特性與二極管類似。

基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法利用單二極管模型實(shí)現(xiàn)光伏電池的建模，電池等效模型是單二極管模型的基礎(chǔ)。

在電子電路理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建光伏電池I-V方程，其表達(dá)式如下

(1)

式中，代表的是光生電流；代表的是電荷量；代表的是電壓；代表的是電流；代表的是串聯(lián)等效電阻；代表的是電荷數(shù)量；代表的是電池短路電流；代表的是串聯(lián)單元數(shù)；代表的是工作溫度；代表的是并聯(lián)等效電流。

光生電流在不同光照條件下可通過下式計算得到

(2)

式中，代表的是太陽輻射。

將(0，)代入式(1)中，獲得短路電流在等效電路中的函數(shù)表達(dá)式

(3)

將(，0)代入式(1)中，當(dāng)?shù)刃щ娐吩诜植际焦夥到y(tǒng)中處于開路狀態(tài)下，存在下式

(4)

式中，代表的是光伏發(fā)電系統(tǒng)的開路電壓，代表的是二極管中存在的反向飽和電流，其可以通過下式計算得到

(5)

式中，代表的是半導(dǎo)體帶隙能；代表的是二極管在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測試條件中存在的反向飽和電流。

二極管中存在的并聯(lián)等效電流，可通過下式計算得到

(6)

式中，代表的是分流電阻。

在Matlab/simulink仿真軟件中根據(jù)上述過程搭建分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池的等效模型，模型的具體參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)信息

3 光伏陣列MPPT控制

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光束電池在理論上的最大輸出功率可通過下式計算得到

=

(7)

式中，代表的是最大電流；代表的是最大電壓。

當(dāng)溫度和光照強(qiáng)度條件不變時，光伏系統(tǒng)可在不同輸出電壓環(huán)境下工作，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池在輸出電壓處于某個值時存在最大輸出功率，該點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn)。通過上述分析可知，在最大功率點(diǎn)處光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有最高的發(fā)電效率。

為了獲取較大的輸出功率，需要對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池排列方式進(jìn)行調(diào)整，但是當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，無法確保輸出的功率。在此基礎(chǔ)上，提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、擾動法和電導(dǎo)增量法等。

自動尋優(yōu)的過程就是跟蹤最大功率點(diǎn)的過程。實(shí)時檢測電路，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列的輸出功率進(jìn)行計算，通過控制算法計算光伏陣列對應(yīng)的輸出功率，在此基礎(chǔ)上，獲得電路在分布式光伏系統(tǒng)中的最佳匹配負(fù)載，在不同工作環(huán)境中跟蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，控制方法的原理圖如圖1所示：

圖1 MPPT原理框圖

基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法在擾動觀察法的基礎(chǔ)上跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，具體流程如圖2所示。

圖2 MPPT控制流程圖

對圖2進(jìn)行分析可知，分布式光伏系統(tǒng)在工作過程中的參考電壓為時，對應(yīng)的輸出功率為()，將周期性擾動引入電壓中，通過電壓±Δ在每次擾動步長下對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，計算并比較瞬時功率(-1)與()，最大功率當(dāng)(-1)<()時處于右方，將擾動施加在相反方向中，反之亦然。重復(fù)上述過程，獲得分布式光伏系統(tǒng)的最大輸出功率，實(shí)現(xiàn)分布式光伏系統(tǒng)的MPPT控制。

4 光伏并網(wǎng)逆變控制

4.1 逆變器數(shù)學(xué)模型

設(shè)代表的是并網(wǎng)換流器在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中對應(yīng)的輸出功率，其計算公式如下

=+

(8)

式中，代表的是并網(wǎng)換流器在系統(tǒng)中輸出的有功功率；代表的是電感濾波器對應(yīng)的功率損耗。

電感濾波器在交流電網(wǎng)三相電壓平衡條件下的有功功率損耗為零，即=0，在此情況下不考慮其電阻，則存在=。

用描述直流側(cè)電容，其表達(dá)式如下

(9)

式中，代表的是電容電壓；代表的是直流微網(wǎng)對應(yīng)的功率。

(10)

光伏并網(wǎng)換流器在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如下

(11)

式中，、均代表的是電網(wǎng)電壓；、代表的是并網(wǎng)電流；代表的是電抗器對應(yīng)的等效電感；、均代表的是逆變器輸出側(cè)電壓。

設(shè)代表的是電網(wǎng)中并網(wǎng)換流器對應(yīng)的瞬時有功功率；代表的是電網(wǎng)中并網(wǎng)換流器對應(yīng)的無功功率，可通過下述公式計算得到

(12)

4.2 逆變器滑膜控制

基于控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法通過滑膜控制對光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，用下述方程描述非線性系統(tǒng)

(13)

式中，′∈代表的是系統(tǒng)的控制輸入；(，)∈×、(，)∈×，控制輸入′的表達(dá)式如下

(14)

式中，(，)代表的是滑膜面；(，)、(，)代表的是與(，)為光滑連續(xù)的函數(shù)。

利用滑膜控制方法對光伏逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制時，分為以下兩個部分：

1)趨近過程，指的是在狀態(tài)空間的任意位置光伏逆變器系統(tǒng)狀態(tài)變量到達(dá)滑膜面的運(yùn)動階段。

2)滑動模態(tài)階段，指的是在滑膜控制律作用下光伏逆變器系統(tǒng)沿滑膜面的運(yùn)動過程。

根據(jù)上述分析可知，通過構(gòu)造滑膜面和設(shè)計控制律可實(shí)現(xiàn)滑膜控制器的設(shè)計。

1)構(gòu)造滑膜面：在滑膜面上使光伏逆變器系統(tǒng)對應(yīng)的狀態(tài)向量具有相關(guān)滑動模態(tài)特性；

2)設(shè)計控制律：在狀態(tài)空間的任意位置上都可以滿足光伏逆變器系統(tǒng)的狀態(tài)變量到達(dá)滑膜面，且有限時間內(nèi)在干擾情況下光伏逆變器系統(tǒng)也可以到達(dá)滑膜面。

控制輸入′在滑膜控制過程中符合下述公式

′=+Δ

(15)

式中，Δ代表的是開關(guān)控制，在任意初始狀態(tài)下通過開關(guān)控制可以保證系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)到達(dá)滑膜面?；诳刂频姆植际焦夥l(fā)電并網(wǎng)建模方法在超螺旋算法的基礎(chǔ)上通過二階滑膜控制對開關(guān)控制Δ進(jìn)行設(shè)計

(16)

(17)

通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法設(shè)計。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法的整體有效性，需要對其進(jìn)行測試。

對光伏陣列模型進(jìn)行分析可知，溫度和光照強(qiáng)度會對光伏陣列的輸出功率產(chǎn)生影響。保持溫度不發(fā)生變化，通過單一控制變量法觀察光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出受光照強(qiáng)度的影響。時間變化下光照強(qiáng)度的變化情況如圖3所示。

圖3 光照強(qiáng)度模型

光伏陣列在18s內(nèi)輸出的直流電流如圖4所示。對比圖3和圖4中的數(shù)據(jù)可知，光照強(qiáng)度變化趨勢與光伏陣列輸出電流波形基本保持一致，表明光伏陣列的輸出電流在溫度保持不變時與光照強(qiáng)度之間呈正比。

圖4 光伏陣列輸出電流

光伏陣列在18s內(nèi)的輸出電壓變化情況可通過圖5進(jìn)行描述。

圖5 光伏陣列輸出電壓

對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，光伏陣列在18s內(nèi)的輸出電壓基本保持在700V-900V，變化較為平穩(wěn)。圖6為MPPT控制仿真結(jié)果與光伏陣列輸出功率結(jié)果圖。

圖6 MPPT控制仿真與光伏陣列輸出功率

根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)可知，采用MPPT控制法對光伏逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制時的動態(tài)性能較高，系統(tǒng)輸出的最大功率點(diǎn)可通過光伏陣列輸出功率的變化進(jìn)行跟蹤，且MPPT控制仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相符，誤差較小。

逆變器在分布式光伏系統(tǒng)中輸出的交流電流在仿真18s內(nèi)的電流諧波畸變率變化情況如圖7所示。

圖7 電流諧波畸變率變化情況

分析圖7可知，在PV系統(tǒng)開始時和PB系統(tǒng)結(jié)束點(diǎn)附近電流諧波畸變率較高，電流諧波畸變率在分布式光伏系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下較低，達(dá)到國家對分布式發(fā)電并網(wǎng)的要求，滿足分布式光伏系統(tǒng)總畸變率小于5%的規(guī)定。

6 結(jié)束語

由于地理位置優(yōu)越，我國的太陽能資源條件優(yōu)于大多數(shù)國家。在建設(shè)美麗中國，兌現(xiàn)節(jié)能減排國際承諾的背景下，發(fā)展太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是必然趨勢。比例積分并網(wǎng)控制技術(shù)屬于傳統(tǒng)控制方法，當(dāng)交流電網(wǎng)電壓不平衡、逆變系統(tǒng)受擾的環(huán)境下，受系統(tǒng)參數(shù)的影響，并網(wǎng)逆變器在系統(tǒng)中輸出的電流波形畸變率較大，在此背景下需要對并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，提高電網(wǎng)的魯棒性和適應(yīng)性。

目前方法對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制效果較差，為此提出基于MPPT控制的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)建模方法。對光伏電池進(jìn)行建模，利用串并聯(lián)方法構(gòu)建光伏陣列，并利用MPPT算法跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的最大功率點(diǎn)，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的光能利用率，構(gòu)建了光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器模型，在此基礎(chǔ)上，通過滑膜控制方法對逆變器進(jìn)行控制，完成并網(wǎng)控制。通過仿真驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性，為分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。