光伏并網發電系統仿真模型的參數辨識

付兵彬，賈春蓉，楊昌海，張中丹

（甘肅省電力公司電力經濟技術研究院，蘭州 730050）

光伏并網發電系統仿真模型的參數辨識

付兵彬，賈春蓉，楊昌海，張中丹

（甘肅省電力公司電力經濟技術研究院，蘭州 730050）

為保證光伏發電系統輸出結果的準確性，開展了光伏發電參數的辨識研究。針對光伏發電系統，從光伏陣列及并網逆變器兩個方面進行分析，找出影響光伏模型輸出的關鍵參數，應用遞推最小二乘法制定了光伏并網發電系統參數辨識方法，并利用光伏實測數據進行了光伏電池及光伏逆變器的參數辨識，最終得到一組較為準確的光伏發電系統參數。最后將解析計算、系統辨識下的仿真輸出與光伏實測輸出進行了對比，驗證了光伏發電系統參數方法及結果的可行性，為進一步研究配電網分布式光伏接入配電網問題奠定基礎。

光伏發電系統；仿真建模；參數辨識；最小二乘法

據預測太陽能光伏發電在21世紀會占據世界能源消費的重要席位，并將成為世界能源供應的主體。隨著電力政策的放寬，光伏發電接入配電網成為必然趨勢。為研究光伏大規模接入對配電網的影響，國內外科研機構均將電力系統數字仿真作為研究的重要手段[1]。

光伏發電數字仿真技術的關鍵是保證光伏發電模型的輸出特性符合系統實測特性，為此需要較為精確合理的光伏發電系統參數。在光伏發電系統控制參數設置方面，常用的方法有理論解析法和系統辨識法，理論解析法能最大限度再現光伏發電系統內部過程，因此被研究人員廣泛應用。但由于光伏系統的復雜性，理論解析法在求解控制參數時遇到非線性微積分方程，且部分不可測變量會影響參數計算結果，致使求得的參數不能直接用于光伏控制，往往需要多次人工調整；系統辨識法是利用模型實測的輸入和輸出來求解未知參數，因此模型最終輸出與系統實測的擬合度較高，其在航空航天、經濟系統和電機控制等領域已得到成功應用。但在光伏并網發電領域，目前僅針對光伏陣列本身開展了辨識研究工作，對光伏并網發電系統的整體尚無研究成果[2，3]。

本文對光伏陣列和并網逆變器進行了系統性地參數辨識。首先分析光伏發電系統模型，得到影響光伏并網發電系統模型輸出的關鍵參數；然后利用遞推最小二乘法確定了光伏并網發電系統參數辨識方法，并利用光伏實測數據與光伏并網發電系統模型進行多次辨識，得到一組確切的控制參數；最后將系統辨識與理論解析參數下的光伏運行特性進行對比，驗證了光伏發電控制參數辨識的可行性，增強了光伏發電系統仿真的可信度。

1 光伏發電系統結構

光伏發電系統是由光伏陣列將光能轉化為直流電能，并通過逆變器將直流電能變換成交流電能，實現并網發電。典型的光伏發電結構如圖1所示。

圖1 單級式光伏并網發電系統結構Fig.1 System structure of single-stage PV grid

圖1中光伏發電并網主要包括兩個部分：光伏電池和光伏逆變器。光伏電池的理想等效電路如圖2所示，由光生電流源和一個二極管并聯得到。

圖2 光伏電池理想電路模型Fig.2 Idealcircuitmodelof PV cells

其伏安關系為

式中：V為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；Iph為光生電流源電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，值為1.602×10-19C；k為玻耳茲曼常數，為1.381×10-23J/K。對于該等值電路，當其開路時輸出V對應的開路電壓為Voc，ref；其短路時輸出電流I對應的短路電流為Isc，ref。

為了最大限度的利用太陽能，光伏電池中需要使用最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制，每隔一定的時間增加或減小光伏方陣輸出電壓，并觀測光伏方陣輸出功率的變化，以此決定下一步的調整方向，此時等值電路的輸出電壓V和輸出電流I對應的最大功率點電壓為Vmp，ref和最大功率點電流為Imp，ref。綜上，對于光伏發電系統需要對Voc，ref、Isc，ref和Vmp，ref、Imp，ref這4個參數進行辨識和控制[4～6]。

光伏系統的逆變器采用電壓功率外環控制和電流內環控制。其中電壓功率外環是將光伏陣列經過MPPT控制后的直流電壓和逆變器輸出的無功功率分別與參考信號進行比較，并對誤差進行PI控制，從而得到內環控制器的參考信號Idref與Iqref。電流內環控制器采取“dq旋轉坐標系下的內環控制”，即利用正交派克變換，將三相電壓電流變換到以頻率ω旋轉的dq0坐標系下，此時的三相對稱平衡分量將成為直流量。派克坐標變換公式為

在逆變器控制系統中關鍵參數有外環PI參數有功比例系數KP、有功積分系數kiP、無功比例系數KQ、無功積分系數kiQ和內環PI參數直軸比例系數Kd、直軸時間常數Td、交軸比例系數Kq、交軸時間常數Tq[7，8]。

2 光伏并網仿真模型的參數辨識

參數辨識是根據系統的輸入輸出信息，在某種準則下，估計出模型的未知參數，基本原理如圖3所示。h（k）和z（k）是系統輸入輸出變量，θ為未知的模型參數。

圖3 參數辨識原理Fig.3 Schematic diagram of parameter identification

常用的參數辨識方法是最小二乘法，即利用系統的輸入輸出數據以最小方差為目標對參數估計值進行不斷修正，以取得更為準確的參數估計值。對于從t1到tn時刻輸入和輸出的觀測值xi、y以及辨識參數θi，構建m個線性方程組為

針對該系統的誤差ε=y-Xθ，則對應的方差J為

此時，存在一組參數θ?滿足

為降低最小二乘法在矩陣維數較大情況下計算復雜或無法求解的情況，需要加以改進和完善。其基本思想是：新的估計值=舊的估計值+修正項，即估計值是利用本次的觀測數據對預測值進行修正得到的，隨著新的觀測數據逐次引入，逐步地進行參數估計，直到估計值達到滿意的精度為止[9～11]。

根據相關規定，配電網光伏單點接入容量不大于6MW，本文研究選取1MW光伏發電系統，并利用數字仿真軟件DigSILENT進行參數辨識前后的對比。其中光伏逆變器和出口變壓器容量取1MW，逆變器交流側電壓取0.328 kV，逆變器控制采用UdcQ控制，控制功率因數為0.995，并通過升壓變壓器以10 kV接入配電網。

圖4 光伏參數辨識流程Fig.4 Flow chartof PV parameter identification

光伏發電控制參數辨識的流程如圖4所示。針對光伏發電系統的關鍵控制參數Voc，ref、Isc，ref、Vmp，ref、Imp，ref，以及逆變器外環控制參數KP、TiP、KQ、TiQ和內環控制參數Kd、Td、Kq、Tq，其目標函數是實測數據和仿真結果的差值平方和，即

式中：V1i和I1i分別各次實測和仿真中光伏電池的電壓和電流，θi為需要光伏陣列需要辨識的參數（Voc，ref，Isc，ref，Vmp，ref，Imp，ref）T，V2i和I2i分別為各次實測和仿真輸出的逆變器輸出電壓和電流，ωi為光伏逆變器需要辨識的外環控制參數和內環控制參數（KP，TiP，KQ，TiQ，Kd，Td，Kq，Tq）T。

3 光伏系統辨識結果及驗證

首先通過解析方法對光伏系統全部控制參數進行計算，然后設定光伏發電系統中逆變器控制參數保持不變，從而對光伏電池控制參數進行辨識，其解析參數與辨識后系統參數如表1所示。

表1 光伏陣列參數辨識結果Tab.1 Parameter identification of PV array

針對已有光伏電池模型，分別設定其控制參數為解析法所得參數和辨識法所得參數，并設定光照變化在1 000～600W/m2范圍內突變，記錄此時光伏輸出電壓和輸出電流波形，同時與光伏實測數據進行對比，仿真結果如圖5和圖6所示。可以看出，當光伏系統發生光照擾動時，光伏并網點電壓、電流均會有所波動，然后恢復穩定狀態，其中應用系統辨識后參數的光伏發電模型輸出與實測情況在穩態運行和波動趨勢上的擬合度均高于解析法仿真結果。

圖5 不同參數下光伏陣列電壓輸出結果Fig.5 Resultsof PV voltagew ith differentparameters

圖6 不同參數下光伏陣列電流輸出結果Fig.6 Resultsof PV currentw ith differentparameters

應用辨識后的光伏陣列控制參數，對并網逆變器兩環控制參數進行參數辨識，其解析參數與辨識后系統參數如表2所示。

表2 光伏逆變器參數辨識結果Tab.2 Resultof parameters identification of PV inverter

分別設定控制參數為解析法所得參數和辨識法所得參數，并設定逆變器直流側電壓在0.5 s時發生擾動參考值變為0.95，記錄光伏發電系統的功率輸出波形，同時與光伏實測數據進行對比，仿真結果如圖7所示。可以看出，采用參數辨識后光伏逆變器的功率特性較采用解析法的功率特性能夠更快地恢復穩定狀態，與實測系統變化趨勢更為接近，能更好地反映光伏發電系統的實際情況。

圖7 不同參數下光伏逆變器的輸出功率波形Fig.7 Outputpower waveform sof PV inverter w ith differentparameters

4 結論

（1）分析光伏發電系統的結構及原理得到了影響光伏系統模型輸出的陣列與逆變器的關鍵參數。

（2）應用遞推最小二乘法研究分布式光伏的參數辨識方法，并得到了光伏發電模型控制參數。

（3）光伏系統在解析參數、辨識參數運行仿真數據與實測數據的對比，驗證了本文辨識方法及仿真結果的準確性。

值得指出的是，參數辨識前的初值設定與辨識結果成功與否有一定制約因素，有待后續進一步完善。但本次研究成果仍有助于掌握光伏發電系統的運行特性，為后續光伏接入配電網的影響研究提供必要的技術支撐。

[1]王飛，余世杰，蘇建徽，等（Wang Fei，Yu Shijie，Su Jianhui，etal）．太陽能光伏并網發電系統的研究（Research on photovoltaic grid-connected power system）[J]．電工技術學報（Transactions of China Electrotechical Society），2005，20（5）：72-74，91．

[2]朱豫才．過程控制的多變量系統辨識[M]．長沙：國防科技大學出版社，2005．

[3]周建良，王冰，張一鳴，等（Zhou Jianliang，Wang Bing，Zhang Yiming，etal）．基于實測數據的光伏陣列參數辨識與輸出功率預測（Parameter identification and output power prediction of photovoltaic array based on themeasured data）[J]．可再生能源（Renewable Energy Resources），2012，30（7）：1-4．

[4]劉邦銀，段善旭，劉飛，等（Liu Bangyin，Duan Shanxu，Liu Fei，etal）．基于改進擾動觀察法的光伏陣列最大功率點跟蹤（Photovoltaic array maximum power point tracking based on improved perturbation and observation method）[J]．電工技術學報（Transactionsof China Electrotechical Society），2009，24（6）：91-94．

[5]崔巖，蔡炳煌，李大勇，等（Cui Yan，Cai Binghuang，Li Dayong，etal）．太陽能光伏系統MPPT控制控制算法的對比研究（Comparative studieson theMPPT controlalgorithms of solar energy photovoltaic system）[J]．太陽能學報（Acta Energiae SolarisSinica），2006，27（6）：535-539．

[6]王凌，李培強，李欣然，等（Wang Ling，Li Peiqiang，Li Xinran，etal）．微電源建模及其在微電網仿真中的應用（Modeling ofmicro-powers and its application inmicrogrid simulation）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedingsof the CSU-EPSA），2010，22（3）：32-38．

[7]劉邦銀，段善旭，康勇（Liu Bangyin，Duan Shanxu，Kang Yong）．高能效直流模塊式光伏發電系統性能評估（Performance evaluation of high efficiency DC-modulebased photovoltaic power systems）[J]．太陽能學報（Acta Energiae Solaris Sinica），2008，29（9）：1107-1111．

[8]李廣凱，李庚銀，梁海峰，等（LiGuangkai，LiGengyin，Liang Haifeng，etal）.基于電壓源換流器的光伏并網系統暫態特性研究（Research on dynamic characteristicsof VSC based photovotaic grid connected system）[J]．太陽能學報（Acta Energiae Solaris Sinica），2007，28（7）：715-720．

[9]汪海寧，蘇建徽，丁明，等（Wang Haining，Su Jianhui，Ding Ming，etal）．光伏并網功率調節系統（Photovoltaic grid connected power conditioner system）[J]．中國電機工程學報（Proceedingsof the CSEE），2007，27（2）：75-79．

[10]張仰飛，袁越，郝思鵬，等（Zhang Yangfei，Yuan Yue，Hao Sipeng，etal）.數字PI控制器的參數辨識及實驗驗證（Parameter identification ofdigitalPIcontrollerand experimentvalidation）[J].電力自動化設備（Electric Power Automation Equipment），2010，30（11）：40-43．

[11]薛凌云（Xue Lingyun）．一種基于過程辨識的PID參數自整定方法（A self-tuningmethod of PID parameter based on process identification）[J]．機電工程（Mechanical &Electrical EngineeringMagazine），2003，20（3）：34-37．

Parameter Identification of Distributed Photovoltaic Power Generation System

FU Bing-bin，JIA Chun-rong，YANGChang-hai，ZHANG Zhong-dan
（Gansu Electric PowerResearch Instituteof Economicsand Technology，Lanzhou 730050，China）

In order toguarantee the outputaccuracy of the photovoltaic powergeneration system，this paper conductsa research on photovoltaic parameters identification.In photovoltaic powergeneration system，two aspectsofphotovoltaic（PV）array and the grid inverterareanalyzed.The key parametersaffecting PVmodeloutputare found.The parameter identificationmethod for PV grid power system ismade by using recursive leastsquaresmethod.Then，the parameters of photovoltaic PV cellsand PV inverter are identified by using themeasurement data.Finally，a setofmore accurate parameters of photovoltaic power generation system can be obtained.By comparing the simulation outputof the parse calculation and system identification with themeasured outputof PV，the feasibility of parametermethods and results for photovoltaic power generation system is verified，which can lay the foundation for further research on the access problemsofdistribution network distributed photovoltaic.

photovoltaic power generation system；modeling and simulation；parameter identification；least square method

TM744

A

1003-8930（2013）05-0116-05

付兵彬（1972—），男，碩士，高級工程師，從事電網建設管理工作。Email：fubb@g s.s g cc.co m.cn

2013-03-16；

2013-06-07

賈春蓉（1973—），女，碩士，高級工程師，從事電網規劃工作。Email：jcr730200@163.co m

楊昌海（1982—），男，本科，助理工程師，從事電網規劃工作。Email：ych0608@126.co m