光伏發(fā)電系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤島檢測研究

萬禮嵩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽合肥230009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤島檢測研究

萬禮嵩1，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽合肥230009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061)

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，分析了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)現(xiàn)象。并網(wǎng)逆變器采用最大功率點跟蹤(MPPT)-電壓控制策略，孤島效應(yīng)識別方法采用基于頻率-無功電流反饋的孤島檢測方法。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性仿真及孤島檢測仿真，驗證了所提模型和方法的正確性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；孤島檢測；PSCAD/EMTDC

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，新能源應(yīng)用正成為研究的熱點。太陽能是最豐富的可再生能源之一，它分布廣泛，無污染，是公認(rèn)的理想替代能源[1]。光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用的一個重要途徑[2]，充分利用太陽能資源，大力發(fā)展光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)具有重要意義。

孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)因故障事故或停電維修而跳閘后，分布式發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)從而將自身與電網(wǎng)斷開，最終形成由分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和本地負載組成的不可控的自給供電的孤島發(fā)電系統(tǒng)[3]。孤島效應(yīng)不僅會影響用戶的用電質(zhì)量，而且會危害電力維修人員的生命安全。因此，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進行孤島效應(yīng)檢測十分必要。

本文首先基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，包括光伏陣列模型、并網(wǎng)逆變器及其控制系統(tǒng)模型。然后，研究了光照強度及溫度變化時并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，驗證了所搭建模型的正確性。最后，采用一種基于頻率-無功電流反饋的孤島檢測方法，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)進行仿真，研究表明該方法可有效地檢測出孤島效應(yīng)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1 光伏陣列模型

光伏電池的發(fā)電原理是基于半導(dǎo)體的“光生伏打效應(yīng)”將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能，其等效電路圖如圖1所示[4]。

由圖1可知，光伏電池輸出電流與電壓的關(guān)系為：

式中：Ipv、Upv分別為光伏電池的輸出電流、電壓；Id0為反向飽和電流，A；q為電子電11.6×10－19C；A為二極管因子；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；T為溫度，℃；Rs為串聯(lián)電阻，Ω；Rsh為并聯(lián)電阻，Ω。

圖1 光伏電池等效電路圖

在實際應(yīng)用中，一般采用簡化模型。設(shè)參考條件下，光伏陣列的短路電流為Isc，開路電壓為Uoc，最大功率點電壓為Um，最大功率點電流為Im；則在任意日照強度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的輸出電壓、電流的關(guān)系可描述為:

式中：a為參考條件下電流溫度系數(shù)，A/℃；b為電壓溫度系數(shù)，V/℃；ΔT為溫度的變化量；ΔR為日照強度的變化量[5]。

1.2 光伏陣列的MPPT跟蹤控制

光伏陣列的輸出功率為：

本文求解最大功率點電流和電壓時采用了牛頓迭代算法[5]。在該算法中，當(dāng)日照強度和環(huán)境溫度變化時，光伏陣列輸出的最大功率隨之改變，對應(yīng)最大功率點的電壓Um也隨之改變。牛頓迭代法具有實時更新優(yōu)化的能力，能夠快速精確地求解出最大功率點的工作電壓。

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，采取用戶自定義的方式，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型搭建光伏陣列模塊、最大功率點跟蹤控制模塊，如圖2所示。

圖2 光伏陣列及MPPT控制模塊

1.3 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

通常情況下，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)功率因數(shù)取為1，光伏并網(wǎng)逆變器采用單位功率因數(shù)控制策略。為了維持光伏系統(tǒng)并網(wǎng)接入點的電壓穩(wěn)定，本文采用文獻[6]提出的MPPT-電壓的控制策略，光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略如圖3所示。

圖3中，id、iq分別為并網(wǎng)電流的直軸分量、交軸分量；idref、iqref分別為并網(wǎng)電流的直軸分量參考值、交軸分量參考值；Qref、Q分別為設(shè)定的無功輸出參考值和實際無功輸出。控制過程如下：(1)將MPPT跟蹤模塊的輸出值Um與光伏陣列的實際工作電壓Upv進行比較，其偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到idref；將Qref與Q進行比較，其偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到iqref；(2)將id、iq分別與參考量idref、iqref比較后的差值，經(jīng)過比例環(huán)節(jié)PI調(diào)節(jié)及dq0/abc反變換，得到調(diào)制波Uabc，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)從直流到交流的逆變。

圖3 并網(wǎng)逆變器控制策略圖

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測

孤島檢測的常用方法有很多，本文采用一種基于頻率-無功電流反饋的孤島檢測方法[7]，其核心思想是設(shè)計了頻率到無功電流的反饋，比例關(guān)系如下式所示：

光伏并網(wǎng)運行時，ω與ω0相等，反饋對并網(wǎng)逆變器的控制無影響；斷網(wǎng)時，光伏發(fā)電系統(tǒng)會因微小的功率差額產(chǎn)生頻率變化，頻率的微小擾動又通過反饋，使得ω迅速朝一個方向變化直至頻率越限，頻率-無功電流反饋的原理如圖4所示。

圖4 孤島檢測等效電路圖

2 算例分析

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，搭建三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。負載采用RLC并聯(lián)負載，其中R為222.12Ω，L為0.283H，C為36.7μF[9]。負載品質(zhì)因數(shù)為2.5，假定電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率為50 Hz，電壓為380 V。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性仿真

設(shè)初始時刻光伏陣列表層溫度T=20℃，光照強度R=800 W/m2。當(dāng)系統(tǒng)運行到5 s時，溫度開始上升，到6 s時溫度為60℃，之后一直穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)運行到10 s時，光照強度開始增加，在11 s時增加到1 100W/m2，然后系統(tǒng)穩(wěn)定在1 100W/m2運行。

從圖5可見，溫度和光照強度的變化影響了光伏陣列的輸出。當(dāng)光照強度不變，溫度升高時，最大功率點電壓Um降低，而光伏輸出功率Ppv和輸出電流Ipv小幅升高；當(dāng)溫度不變，光照強度增加時，最大功率點電壓Um升高，光伏輸出功率Ppv和輸出電流Ipv也相應(yīng)的增加。仿真結(jié)果說明了本文所提的光伏陣列數(shù)學(xué)模型的正確性。圖6中光伏的實際工作電壓Upv曲線與MPPT計算出的最大功率點電壓Um的曲線相一致，驗證了本文所采用的基于牛頓迭代法的MPPT控制策略的準(zhǔn)確性。

2.2 孤島檢測仿真

設(shè)初始時刻光伏陣列表層溫度T=20℃，光照強度R= 1 000W/m2，在4 s時孤島發(fā)生，電網(wǎng)斷開。我國的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[10]規(guī)定光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差值為±0.5Hz，當(dāng)超過該范圍時，保護應(yīng)在0.2 s內(nèi)動作。對本文搭建的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測性能進行仿真，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖5 環(huán)境變化時的光伏輸出特性曲線

圖6 MPPT電壓跟蹤曲線

從圖7和圖8可見，未加孤島檢測時，系統(tǒng)頻率只有輕微波動，并沒有產(chǎn)生明顯的變化，在4～4.2 s這一期間，頻率波動一直在允許的偏差值以內(nèi)，未能檢測出孤島。而加入基于頻率-無功電流反饋的孤島檢測時，系統(tǒng)的頻率迅速地往一個方向變化，并且在0.05 s就檢測出孤島，完全滿足孤島檢測的時間要求，驗證了本文所采用孤島檢測方法的正確性。

3 結(jié)論

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，通過并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性的仿真分析驗證了所搭建模型的正確性。同時，采用一種基于頻率-無功電流反饋的孤島檢測方法，對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進行孤島效應(yīng)仿真，研究表明該方法可以有效地檢測出孤島效應(yīng)。

圖7 未加孤島檢測時頻率曲線

圖8 加入孤島檢測時頻率曲線

[1]閆云飛，張智恩，張力，等．太陽能利用技術(shù)及其應(yīng)用[J]．太陽能學(xué)報，2005，33(增刊)：47-56．

[2]汪海寧，蘇建輝，張國榮，等．光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(9)：114-118．

[3]褚小莉.光伏并網(wǎng)中的孤島效應(yīng)研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009：9．

[4]趙福鑫，魏彥章.太陽電池及其應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1985．

[5]茆美琴，余世杰，蘇建徽．帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17(5)：1248-1251．

[6]吳紅斌，陶曉峰，丁明．光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的MPPT-電壓控制策略仿真研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(1)：267-271．

[7]張凱航，袁越，傅質(zhì)馨．帶頻率正反饋的無功電流擾動孤島檢測方法[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2013，25(1)：96-101．

[8]楊滔，王鹿軍，張沖，等．基于無功電流—頻率正反饋的孤島檢測方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(14)：193-199．

[9]張琪祁.大型光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)和特性研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2011：38．

[10]李裕珺.逆變式DG并網(wǎng)孤島檢測研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2013：3.

Simulation and islanding detection of photovoltaic powergeneration system based on PSCAD/EMTDC

WAN Li-song1，2
(1.SchoolofElectrical Engineering and Automation，HefeiUniversity ofTechnology，HefeiAnhui230009，China;2.Maintenance Branch of State Gride AnhuiElectric Company，HefeiAnhui230061，China)

A simulation model of grid-connected photovoltaic generation system based on PSCAD/EMTDC was established，and the islanding of grid-connected generation system was analyzed.The grid-connected inverter adopted maximum power point tracking(MPPT)-voltage controlstrategy，and an islanding detection method using the positive feedback between frequency and reactive current was adopted to identify the islanding.Through the output characteristic simulation of photovoltaic power generation system and its islanding detection research，it’s verified the validity of the proposedmodelandmethod.

photovoltaic power generation system;maximum power point tracking;islanding detection; PSCAD/EMTDC

TM 615

A

1002-087X(2016)07-1458-02

2015-12-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”資助項目(2011AA0-5A107)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51177036)

萬禮嵩(1988—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向為分布式發(fā)電技術(shù)。