基于StarSim的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制的半實(shí)物仿真研究

張文福，張癸濱，李昌松

(三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

光伏發(fā)電由于其自身具備特征，諸如成本極低、無污染以及能源供給無限量等，有著極為顯著的優(yōu)勢[1]。在光伏發(fā)電技術(shù)中，光伏逆變器的穩(wěn)定性和效率影響著整個光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。但光伏逆變器存在現(xiàn)場調(diào)試比較麻煩、數(shù)字仿真過于抽象等問題，因此針對光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定性和抗干擾性的仿真研究就具有重要意義。

已有一些學(xué)者對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[3－4]采用現(xiàn)場調(diào)試的方式，其計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)，但成本較高，且受天氣情況限制，在條件不好的情況下，會產(chǎn)生極大的不便。文獻(xiàn)[5－7]使用仿真軟件建立數(shù)學(xué)建模，進(jìn)行了仿真研究。該方法成本低廉，效率高，易于實(shí)現(xiàn)，但純數(shù)學(xué)模型過于抽象，很多細(xì)節(jié)難以展示。結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[8－11]提出將這兩種方法相結(jié)合，搭建半實(shí)物仿真平臺，用于光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電的研究。目前，大部分的小擾動測試和暫態(tài)故障測試都使用數(shù)學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)，無法完整的體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)過程，因此針對新能源系統(tǒng)穩(wěn)定問題的半實(shí)物仿真研究仍需完善。

本文基于StarSim的平臺搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。對光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制的小干擾響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真測試，節(jié)省了調(diào)試的時(shí)間和成本，結(jié)果具有較高的可信度。

2 基于StarSim的半實(shí)物仿真平臺原理

基于StarSim的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，上位機(jī)主要由PC機(jī)承擔(dān)，用來完成編輯、編譯、下載、信號觀測等任務(wù)；下位機(jī)主要由實(shí)時(shí)仿真機(jī)和原型控制器組成，用于實(shí)時(shí)計(jì)算。基于StarSim的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 StarSim整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于StarSim的光伏發(fā)電系統(tǒng)半實(shí)物仿真分析與測試

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的半實(shí)物仿真分析

在StarSim的平臺中搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的半實(shí)物仿真模型，在光照強(qiáng)度為1000W/m2、溫度為25℃的情況下，半實(shí)物仿真波形如圖2～圖3所示。

圖2 直流母線電壓

圖3 逆變側(cè)交流電壓、電流

通過圖2～圖3可以看出，直流母線電壓穩(wěn)定，說明光伏系統(tǒng)持續(xù)輸送有功功率給大電網(wǎng)。逆變器交流側(cè)電壓、電流同相位，說明系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)下，更有利于并網(wǎng)。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)受到小干擾下的半實(shí)物仿真分析

為分析光照強(qiáng)度對光伏系統(tǒng)的影響，本文在光照強(qiáng)度為1000W/m2的情況下，突增200W/m2，觀察在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下，光伏系統(tǒng)直流母線電壓的變化情況。仿真波形如圖4～圖6所示。可以看出，在光照強(qiáng)度的小擾動下，電網(wǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，光伏直流母線電壓越穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度很弱時(shí)，微小的擾動可以會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)崩潰。

圖4 強(qiáng)電網(wǎng)下的直流母線電壓

圖5 中等強(qiáng)度電網(wǎng)下的直流母線電壓

圖6 弱電網(wǎng)下的直流母線電壓

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)故障下的半實(shí)物仿真分析

電網(wǎng)系統(tǒng)并不是時(shí)刻都能正常運(yùn)行的，所以有必要觀測電網(wǎng)故障情況下光伏系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生各種短路故障時(shí)，光伏系統(tǒng)直流母線電壓如圖7～圖10所示。

圖7 單相接地短路

圖8 兩相相間短路

圖9 兩相接地短路

圖10 三相接地短路

通過對電網(wǎng)暫態(tài)故障模擬仿真，可以看出光伏系統(tǒng)直流母線電壓最終會趨于穩(wěn)定。其中在單相和三相短路這兩種情況下，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)特性有比較大的反應(yīng)，對電網(wǎng)的擾動也比較大。

4 總結(jié)

本文研究了基于StarSim的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真和調(diào)試。利用StarSim的實(shí)時(shí)仿真機(jī)和原型控制器，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)的半實(shí)物仿真平臺的搭建。進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、小擾動和電網(wǎng)暫態(tài)故障下的測試，得到了真實(shí)可信的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果。該研究有利于提高測試效率和降低實(shí)驗(yàn)成本。