光伏發電系統暫態特性仿真*

齊仁龍， 朱小會， 張慶輝

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

電氣工程

光伏發電系統暫態特性仿真*

齊仁龍1， 朱小會1， 張慶輝2

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

針對光伏發電系統暫態穩定性差的問題，在PSCAD/EMTDC環境中建立了光伏發電系統的電磁暫態仿真模型，并基于該模型分析了三相短路故障和光照強度躍變等條件下光伏發電系統的暫態響應特性.研究光伏發電系統的物理模型，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逆變器等組成的光伏發電系統動態仿真模型.仿真對比分析了不同運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特性，結果表明逆變器輸出功率和電流會隨著光照強度變化而平滑地改變，短路故障則會引起電壓跌落和瞬態過電流.

光伏發電；穩定；PSCAD/EMTDC環境；仿真模型；三相短路；光照強度躍變；暫態特性；物理模型

隨著常規化能源的不斷枯竭和生態環境的日益惡化，光伏發電等可再生能源因其產量豐富、高效、無污染等特點受到世界各國的重視[1-2].但隨著發電規模的不斷增大，光伏系統的暫態故障給電網帶來了較大的安全隱患.

光伏發電系統由光伏陣列、升壓電路、最大功率跟蹤模塊、并網逆變器以及控制器組成，其并網運行的特性不同于傳統發電機組的運行特性[3].首先，光伏發電的輸出功率是由光照強度和外界環境溫度所決定的，不具備基于調速器的功率調節性能；其次，光伏發電是由電力電子器件組成，不具備傳統發電機的慣性環節.當高滲透率光伏發電接入后，其暫態條件下與電網的協調運行將會呈現新的特點，如光照強度躍變會造成輸出功率波動，導致電網接納能力較差，不利于穩定并網運行；而三相短路故障會造成脫網等風險，嚴重的故障會帶來較大經濟損失和人身安全問題.

針對光伏發電系統暫態建模方面，國內外學者也展開了一系列的研究，文獻[4]對微網光伏并網逆變器分別采用恒功率控制和恒電壓頻率控制策略在穩態和暫態特征方面進行了仿真研究；文獻[5]利用PSD-BPA仿真軟件針對光伏發電在電壓跌落過程中的運行特性進行了仿真分析；文獻[6]利用Fastest仿真軟件建立了光伏發電系統各個原件模型，并分析了其穩態和暫態特性.但目前文獻尚缺少精度較高的通用型光伏發電系統暫態模型，尤其是針對短路故障和外部環境變化的建模較少.為深入分析光伏發電系統在短路故障下以及光照躍變的暫態特性，本文在PSCAD仿真軟件中分別建立了非標準工況下光伏發電單元各個模塊的動態仿真模型，基于該仿真模型分析了發生三相短路故障和輸入光照強度躍變等條件下光伏發電系統的輸出特性.

1 光伏并網逆變器控制策略

圖1為三相光伏并網發電系統組成結構框圖，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等組成.其中，L1為逆變橋側電感，L2為網側電感，C為濾波電容，Udc為直流側母線電壓.

圖1 光伏并網發電系統結構Fig.1 Structure of photovoltaic grid connected generation system

1.1 光伏陣列等效變換

[7-8]將圖1的發電系統結構進行等效變換，變換后的系統模型如圖2所示，則根據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電流；Id為流經二極管的電流；I0為二極管飽和狀態下的電流；Rsh為旁路等效電阻；Rs為光伏組件等效串聯電阻；q為庫侖常數，其值一般取為1.6×10-19C；n為結常數；k為波爾茲曼常數，取值為1.38×10-23J/K；T為外界環境溫度.

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取值大小與光照強度S和溫度T相關，而飽和電流I0只與溫度T有關，其表達式分別為

(2)

(3)

式中：ILref為光伏組件在標準測試環境下的短路電流；IT為標準溫度Tref時的飽和電流；J為電流Ig的溫度系數.

在實際工程應用中光伏陣列是采用串聯NS和并聯NP個光電池組件構成，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度、環境溫度和負載等因素的影響，為有效獲取其最大輸出功率，需實時調整光伏組件的工作點，使之始終工作在最大功率點附近[9].本文提出一種基于改進的擾動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變量，Up為光伏陣列變化后的電壓，Cp為常數.由圖3可知，當距離最大功率點較遠時，斜率較大且步長也更大，則可快速調節達到最大功率點；當達到最大功率點附近后，斜率會變小，步長也變小，則會逐漸向最大功率點靠近.

圖3 改進的擾動觀察法邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of improved perturbation observation method

結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，在一狹小的定義區域內，只存在一個最大功率點.在最大功率點左側，有功功率隨著電壓的增大，其值也會變大；而在最大功率點右側，有功功率會隨著電壓的增大而減小.

1.3 光伏并網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 并網逆變器雙環控制策略Fig.5 Dual-loop control strategy of grid connected inverter

(5)

式中：kpc為內環控制參數；kpd、kid、kpq、kiq分別為外環控制參數；kPWM為逆變器的等效比例系數.根據式(5)傳遞函數和穩定判據可求得控制參數的取值.

2 實驗仿真分析

結合圖1的基本結構和上述各個模塊的數學模型，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了三相光伏并網發電系統的電磁暫態模型.搭建過程使用到的仿真參數如表1所示.

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

為了對比光伏并網發電系統暫態特性與穩態時的差別，本文首先分析穩態條件下的并網運行特性.在光照強度為S=1 000 W/m2，溫度為25 ℃的標準條件下，單臺三相光伏并網發電系統的穩態仿真結果分別如圖6～8所示.圖6為光伏并網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，相對也較為平穩.

在電力系統運行過程中容易發生各種故障，其中三相短路故障對系統帶來的影響最大，因此，本文在仿真中以發生三相短路故障為例，分析光伏并網發電系統的暫態運行特性.假設在穩態運行5 s時，并網點發生三相對稱短路故障，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逆變器輸出的暫態運行特性.由圖9～11可知，故障期間并網逆變器輸出功率發生振蕩，并網點電壓會有所跌落，而并網電流會有略微增大.短路瞬間還會產生一個較大瞬態過電流，若不采取措施則會對系統安全穩定帶來一定隱患，嚴重時會引起較大的經濟損失或對人身安全造成威脅，因此，在實際工程中可采取限幅保護和繼電保護裝置來避免短路故障帶來的不利影響.

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

在實際運行狀況下光照強度和環境溫度都是隨時間而變化的，且由式(2)可知，光照強度變化對光伏陣列組件輸出電流的影響大于溫度變化的影響，因此，在仿真中設定溫度不變而光照強度躍變以分析功率和電流的暫態輸出特性，因為光照強度變化不影響逆變器輸出電壓，故無需分析電壓暫態運行特性.圖12、13為溫度保持在25 ℃不變，光照強度以200 W/m2的增長速度由600 W/m2增至1 200 W/m2時并網逆變器輸出功率和輸出電流的動態變化過程.由圖12、13可以看出，光伏發電系統輸出功率和電流隨光照強度的增大而增大，且調節過程較為平穩，能很快達到新的穩定狀態.雖然調節過程較為平穩，但是輸出功率的隨機波動也會對光伏發電系統的穩定并網帶來不利影響，因此，在實際工程應用中可配合儲能器件來平穩輸出功率的隨機波動.

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 論

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

1) 最大功率跟蹤模塊是光伏發電系統保持最大功率跟蹤運行的關鍵；

2) 當光伏發電系統并網點發生短路時，電壓會跌落，電流有所上升且短路瞬間會出現過電流；

3) 當外界光照強度由弱變強時，逆變器電流會逐漸增大且功率也會平滑增大.

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(責任編輯：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年科技攻關計劃資助項目(152102210002).

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

22 17∶39在中國知網優先數字出版.

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