分布式光伏發電并網數字化建模與仿真

劉景龍，郭 韻

(上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620)

1 引言

可再生能源的利用和開發在環境污染問題不斷加劇，能源危機日益嚴重的背景下成為當今能源領域中的重要課題。光伏電池板通常由半導體二極管構成，光伏陣列通過光能轉換可將電池板吸收的太陽能轉變為電能。與傳統火力發電不同，光伏發電不需要天然氣和煤炭等資源，且不會產生環境污染，因為其在放電時不會產生有害氣體。在電力能源領域中光伏發電屬于重要研究內容，是一種節能減排、綠色環保的新型發電形式，被廣泛地應用在辦公、航空航天、交通、通訊、基礎設施等領域中，應用前景較為廣泛，因此，對光伏發電并網建模方法進行研究具有重要意義。

劉秋男等人對光伏電站的光照強度和地理分布特性進行分析，采用降價-分布式云算法研究光伏電站中存在的振蕩模態，研究振蕩模態受設備參數、光照強度的影響，完成光伏發電并網建模。吳紅斌等人對光伏電站的內部損耗情況進行考慮，并在電站拓撲結構的基礎上結合潮流計算方程和光伏特性，采用交替迭代算法實現網側參數的優化，完成光伏發電并網建模。除此之外，還有學者通過三相繞組和定子繞組對光伏發電模型進行分析，并在光伏電池仿真電路的基礎上對電機轉速和轉矩進行計算，并以此為依據實現光伏發電并網建模。

在上述方法的基礎上提出基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模仿真。

2 光伏電池模型

在太陽能發電系統中光伏電池屬于重要構成部分，其主要作用是用電能代替光能。光伏發電系統在正常運行狀態下所需的電池容量可根據光伏電池在電網中的輸出特性得以確定。光伏電池根據P-N結光生伏特效應，將接收的光轉變為直流電流，其特性與二極管類似。

基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模方法利用單二極管模型實現光伏電池的建模，電池等效模型是單二極管模型的基礎。

在電子電路理論的基礎上構建光伏電池I-V方程，其表達式如下

(1)

式中，代表的是光生電流；代表的是電荷量；代表的是電壓；代表的是電流；代表的是串聯等效電阻；代表的是電荷數量；代表的是電池短路電流；代表的是串聯單元數；代表的是工作溫度；代表的是并聯等效電流。

光生電流在不同光照條件下可通過下式計算得到

(2)

式中，代表的是太陽輻射。

將(0，)代入式(1)中，獲得短路電流在等效電路中的函數表達式

(3)

將(，0)代入式(1)中，當等效電路在分布式光伏系統中處于開路狀態下，存在下式

(4)

式中，代表的是光伏發電系統的開路電壓，代表的是二極管中存在的反向飽和電流，其可以通過下式計算得到

(5)

式中，代表的是半導體帶隙能；代表的是二極管在標準環境測試條件中存在的反向飽和電流。

二極管中存在的并聯等效電流，可通過下式計算得到

(6)

式中，代表的是分流電阻。

在Matlab/simulink仿真軟件中根據上述過程搭建分布式光伏發電系統中光伏電池的等效模型，模型的具體參數如表1所示。

表1 參數信息

3 光伏陣列MPPT控制

分布式光伏發電系統中的光束電池在理論上的最大輸出功率可通過下式計算得到

=

(7)

式中，代表的是最大電流；代表的是最大電壓。

當溫度和光照強度條件不變時，光伏系統可在不同輸出電壓環境下工作，分布式光伏發電系統的光伏電池在輸出電壓處于某個值時存在最大輸出功率，該點被稱為最大功率點。通過上述分析可知，在最大功率點處光伏發電系統擁有最高的發電效率。

為了獲取較大的輸出功率，需要對分布式光伏發電系統的光伏電池排列方式進行調整，但是當外部環境發生變化時，無法確保輸出的功率。在此基礎上，提出了人工神經網絡控制、擾動法和電導增量法等。

自動尋優的過程就是跟蹤最大功率點的過程。實時檢測電路，根據獲取的數據對分布式光伏發電系統光伏陣列的輸出功率進行計算，通過控制算法計算光伏陣列對應的輸出功率，在此基礎上，獲得電路在分布式光伏系統中的最佳匹配負載，在不同工作環境中跟蹤系統的最大功率點，控制方法的原理圖如圖1所示：

圖1 MPPT原理框圖

基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模方法在擾動觀察法的基礎上跟蹤光伏發電系統的最大功率點，具體流程如圖2所示。

圖2 MPPT控制流程圖

對圖2進行分析可知，分布式光伏系統在工作過程中的參考電壓為時，對應的輸出功率為()，將周期性擾動引入電壓中，通過電壓±Δ在每次擾動步長下對輸出電壓進行調整，計算并比較瞬時功率(-1)與()，最大功率當(-1)<()時處于右方，將擾動施加在相反方向中，反之亦然。重復上述過程，獲得分布式光伏系統的最大輸出功率，實現分布式光伏系統的MPPT控制。

4 光伏并網逆變控制

4.1 逆變器數學模型

設代表的是并網換流器在分布式光伏發電系統中對應的輸出功率，其計算公式如下

=+

(8)

式中，代表的是并網換流器在系統中輸出的有功功率；代表的是電感濾波器對應的功率損耗。

電感濾波器在交流電網三相電壓平衡條件下的有功功率損耗為零，即=0，在此情況下不考慮其電阻，則存在=。

用描述直流側電容，其表達式如下

(9)

式中，代表的是電容電壓；代表的是直流微網對應的功率。

(10)

光伏并網換流器在兩相靜止坐標系中的數學模型如下

(11)

式中，、均代表的是電網電壓；、代表的是并網電流；代表的是電抗器對應的等效電感；、均代表的是逆變器輸出側電壓。

設代表的是電網中并網換流器對應的瞬時有功功率；代表的是電網中并網換流器對應的無功功率，可通過下述公式計算得到

(12)

4.2 逆變器滑膜控制

基于控制的分布式光伏發電并網建模方法通過滑膜控制對光伏并網逆變器進行控制，用下述方程描述非線性系統

(13)

式中，′∈代表的是系統的控制輸入；(，)∈×、(，)∈×，控制輸入′的表達式如下

(14)

式中，(，)代表的是滑膜面；(，)、(，)代表的是與(，)為光滑連續的函數。

利用滑膜控制方法對光伏逆變器系統進行控制時，分為以下兩個部分：

1)趨近過程，指的是在狀態空間的任意位置光伏逆變器系統狀態變量到達滑膜面的運動階段。

2)滑動模態階段，指的是在滑膜控制律作用下光伏逆變器系統沿滑膜面的運動過程。

根據上述分析可知，通過構造滑膜面和設計控制律可實現滑膜控制器的設計。

1)構造滑膜面：在滑膜面上使光伏逆變器系統對應的狀態向量具有相關滑動模態特性；

2)設計控制律：在狀態空間的任意位置上都可以滿足光伏逆變器系統的狀態變量到達滑膜面，且有限時間內在干擾情況下光伏逆變器系統也可以到達滑膜面。

控制輸入′在滑膜控制過程中符合下述公式

′=+Δ

(15)

式中，Δ代表的是開關控制，在任意初始狀態下通過開關控制可以保證系統在規定時間內到達滑膜面。基于控制的分布式光伏發電并網建模方法在超螺旋算法的基礎上通過二階滑膜控制對開關控制Δ進行設計

(16)

(17)

通過上述步驟，實現基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模方法設計。

5 實驗與分析

為了驗證基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模方法的整體有效性，需要對其進行測試。

對光伏陣列模型進行分析可知，溫度和光照強度會對光伏陣列的輸出功率產生影響。保持溫度不發生變化，通過單一控制變量法觀察光伏發電系統輸出受光照強度的影響。時間變化下光照強度的變化情況如圖3所示。

圖3 光照強度模型

光伏陣列在18s內輸出的直流電流如圖4所示。對比圖3和圖4中的數據可知，光照強度變化趨勢與光伏陣列輸出電流波形基本保持一致，表明光伏陣列的輸出電流在溫度保持不變時與光照強度之間呈正比。

圖4 光伏陣列輸出電流

光伏陣列在18s內的輸出電壓變化情況可通過圖5進行描述。

圖5 光伏陣列輸出電壓

對圖5中的數據進行分析可知，光伏陣列在18s內的輸出電壓基本保持在700V-900V，變化較為平穩。圖6為MPPT控制仿真結果與光伏陣列輸出功率結果圖。

圖6 MPPT控制仿真與光伏陣列輸出功率

根據圖6中的數據可知，采用MPPT控制法對光伏逆變器系統進行控制時的動態性能較高，系統輸出的最大功率點可通過光伏陣列輸出功率的變化進行跟蹤，且MPPT控制仿真結果與實際結果基本相符，誤差較小。

逆變器在分布式光伏系統中輸出的交流電流在仿真18s內的電流諧波畸變率變化情況如圖7所示。

圖7 電流諧波畸變率變化情況

分析圖7可知，在PV系統開始時和PB系統結束點附近電流諧波畸變率較高，電流諧波畸變率在分布式光伏系統正常工作狀態下較低，達到國家對分布式發電并網的要求，滿足分布式光伏系統總畸變率小于5%的規定。

6 結束語

由于地理位置優越，我國的太陽能資源條件優于大多數國家。在建設美麗中國，兌現節能減排國際承諾的背景下，發展太陽能光伏并網發電技術是必然趨勢。比例積分并網控制技術屬于傳統控制方法，當交流電網電壓不平衡、逆變系統受擾的環境下，受系統參數的影響，并網逆變器在系統中輸出的電流波形畸變率較大，在此背景下需要對并網控制技術進行研究，提高電網的魯棒性和適應性。

目前方法對分布式光伏發電系統的控制效果較差，為此提出基于MPPT控制的分布式光伏發電并網建模方法。對光伏電池進行建模，利用串并聯方法構建光伏陣列，并利用MPPT算法跟蹤光伏發電系統輸出的最大功率點，提高光伏發電系統的光能利用率，構建了光伏發電系統逆變器模型，在此基礎上，通過滑膜控制方法對逆變器進行控制，完成并網控制。通過仿真驗證了所提方法的可行性和有效性，為分布式光伏發電并網控制技術的發展和應用奠定了基礎。