光伏并網發電模擬實驗平臺的設計與研究

蔡紀鶴 李蓓 羅昊 宗琳

摘 要：針對光伏并網發電系統實驗研究的諸多不便，同時為驗證本文所提出的控制算法，構建以程控直流電源供應器6250H、程控交流電源供應器6590、功率變換主電路、蓄電池等組成的模擬實驗平臺，開展光伏發電功率補償控制研究，同時針對實驗的數據進行分析。

關鍵詞：光伏發電;并網;實驗平臺;模擬

一、引言

在對光伏并網發電系統進行實驗研究的時候，容易受到光照強度、實驗場所等外部客觀環境影響。比如，在夜晚或者白天陰雨天氣，光伏陣列不輸出或者低效輸出功率，常常導致光伏并網發電系統無法正常工作;在白天晴好天氣條件下，室外開展的光伏并網發電系統的實驗既受制于系統與檢測裝置供電困難，更基于光照強度的隨機性和間歇性特點，試驗環境呈現隨機性、動態性等狀態，難以得到實驗者預想的實驗結果。為提高光伏并網發電系統實驗研究的穩定性和可靠性，本文提出設計建立光伏并網發電模擬實驗平臺，并通過控制算法及實驗數據論證模擬實驗平臺的科學性、可行性和實效性，以期為光伏并網發電技術研究提供支撐。

二、總體設計方案

基于國內大多數高校實驗室的實驗環境和硬件條件，在綜合考慮光伏發電系統功率控制要求的基礎上，設計了一種光伏并網發電模擬實驗平臺，如圖1所示。

設計的光伏發電模擬實驗平臺共包含三個部分：主電路、控制電路和檢測系統。其中，主電路是整個模擬實驗平臺的硬件架構，由光伏陣列（采用程控直流電源6250H來模擬光伏陣列）、公用電網（采用程控交流電源6590來模擬電網）、并網逆變器（采用西門康逆變器）、儲能系統（采用動力電池和超級電容組成的混合儲能系統）等設備組成;控制電路實現整個模擬實驗平臺的相關算法，控制整個光伏并網發電系統的運行，由DSP與CPLD組成;檢測系統測量、監控整個模擬實驗平臺相關數據和運行狀態，由功率分析儀WT1800、電池電芯測試系統BTS-3000、電池內阻監測儀IT5100、安捷倫示波器等組成。

光伏陣列模擬器6250H-600S能便捷設定當地實際天氣的日照強度、溫度，以及太陽能電池的特性、面積，從而模擬出光伏陣列的相關輸出特性。此外，還具有屏蔽I-V曲線仿真及屏蔽曲線動態變化仿真功能，可以從數據庫內選擇PV Module型號或自行建立PV Module參數，設定太陽能電池串聯及并聯數量后組成一PV Array數組，設定PV Module的照度、溫度參數及動態屏蔽變化移動方向及時間，便可模擬云遮變化或其他如樹木或建筑物屏蔽下的Shadow I-V曲線仿真。

目前微網實驗室大多用隔離變壓器與電網隔離，這種方式易受外界影響，且無法控制。采用電網模擬器6590，既能實現與電網的隔離，還能設定電壓頻率，模擬電壓瞬間變動、電壓波形失真、頻率抖動等異常狀態，電網模擬器還可以吸收電流，將能量回收到電網。在光伏系統中搭配儲能系統進行運行時，便可通過電網模擬器對整個系統進行模擬測試及各種保護狀態的驗證。

并網逆變器采用西門康逆變器，其主電路為典型的電壓型橋式電路，可以通過編寫相應的控制算法實現各種功率變換的功能，易于二次開發。

混合儲能系統可以充分發揮動力電池能量密度大和超級電容功率密度大的特點，大幅提高整個儲能系統的功率輸出能力和使用壽命，提高整個光伏發電系統的“柔性”。

三、并網逆變器的參數設計

IGBT是功率變換的核心器件，被廣泛地應用于光伏并網發電系統中;根據光伏陣列模擬器6250H-600S相關參數指標，其直流側最高電壓為600V，則IGBT的耐壓水平為。

由于光伏陣列模擬器6250H-600S最大輸出功率為10kW，故經過并網逆變器的最大功率也為10kW，再考慮1.1倍的過載能力，則流過IGBT的有功分量電流Imax為：

流過IGBT的有功峰值電流Im為：

最終，綜合IGBT的規格、無功補償功能和安全系數等方面的因素，設計的IGBT的具體參數為：耐壓1200V，最大電流200A。

綜合考慮電壓環控制的快速響應和抗干擾性，由此決定直流側電容的上限和下限，如下式所示：

式中，tr——直流側電壓Vdc從初始值上升到額定值的時間;Rld——直流側負載;Vmdc——直流電壓的最大動態

降落。

工程上，可按下式來計算：

式中，w——電網角頻率;Vdc——直流側允許紋波

電壓。

取Vdc=400V，Vdc=Vdc×5%，求得C=1990μF。最終選取的電容值為3400μF，耐壓為400V。

綜合考慮電流的跟蹤性能和諧波電流的抑制，由此決定濾波電感的上限和下限，如下式所示：

式中，Im——交流允許紋波電流。

根據上述公式，濾波電感選擇1mH的空心電感。

四、系統主程序設計

光伏并網發電模擬實驗平臺的主程序如圖2所示。整個系統運行時，先對系統的初始狀態、相關參數進行初始化，然后對相關的電壓、電流等信號進行采集和轉化，控制器根據檢測到的相關信號，進行MPPT控制、并網控制、無功補償、平抑功率波動等控制。

五、結語

本文基于光伏并網發電實驗要求，科學設計光伏并網發電系統模擬實驗平臺，通過對系統組成、功能分析、關鍵參量計算及其主程序設計，構建起不受外界環境干擾的模擬實驗環境，降低了光照強度、實驗場所等自然環境因素對實驗過程的影響，對光伏并網發電實驗研究具有較強的實踐指導性。

參考文獻

[1]付永長，蔡皓.太陽能發電的現狀及發展[J].農村電氣化，2009（9）：57—59.

[2]查曉明，劉飛.光伏發電系統并網控制技術現狀與發展（上）[J].變頻器世界，2010（2）：37—42.

[3]孫龍林.單相非隔離型光伏并網逆變器的研究[D].合肥工業大學，2009.

[4]孫龍林.單相非隔離型光伏并網逆變器的研究[D].合肥：合肥工業大學碩士學位論文，2009.

[5]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2003.