光伏发电系统仿真研究

陆源张兆云

（1.国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，广东 深圳 518054；2.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）

为了减少能源污染和生态环境破坏，同时保证世界各国的能源供应，实现人类发展的可持续性，必须加快能源结构的变革，大力发展可再生能源。在新的可再生能源中，光伏发电和风力发电的发展最快，而太阳能光伏发电已经成为可再生能源中继风电之后发展最快、最大的产业[1-4]。

利用仿真工具建立光伏发电系统的模型，研究光伏发电系统的运行特征、故障特征，对于光伏产业的发展十分必要。本文选择PSCAD作为仿真工具，建立了光伏发电系统的仿真模型。

光伏发电系统可以分为光伏电池仿真、最大功率跟踪仿真、光伏逆变器仿真3部分。

1 光伏电池仿真

光伏电池是光伏发电系统中的核心部件，光伏电池的研究一直集中在提高其转换效率上。自20世纪70年代以来，光伏技术不断得到完善，成本相应降低，形成了蓬勃发展的光伏技术产业。光伏电池的仿真是光伏系统仿真的第一步。

1.1 光伏电池主电路

根据电池原理建立的仿真主电路如图1所示。

图1 光伏电池主电路

主电路中，Ipv为光伏阵列的电流，Voca为光伏阵列的开路电压，Pos和Neg为电池的正极和负极，和外端连接。

1.2 光伏电池参数计算

光伏电池参数的计算主要包括反向饱和电流计算、光伏电池电流计算、二极管电流计算、开路电压计算等部分组成。

1）反向饱和电流计算

根据给定的参数Iosr计算出当前的温度和光照下的二极管反向饱和电流。

式中，I0R为标准测试条件下的反向饱和电流，TCR为标准温度，TC为当前温度，q为电子电荷，Eg为二极管导通电压，n为二极管PN结理想因子，k为玻尔兹曼常量常数。

图2 反向饱和电流计算

2）光伏电池电流计算

光伏电池电流计算公式为

图3 光伏电池电流计算

3）二极管电流计算

根据Ios计算仿真模型二极管电流，计算公式如下（忽略了串联电阻）：

图4 二极管电流计算

4）光伏阵列电流并联处理

考虑单体光伏电池组成光伏阵列式时经过两级并联，因而上述得到的电流分别乘以Ncp和Nmp。然后两者相减得到光伏电池的输出电流。

图5 光伏阵列电流并联处理

5）开路电压计算

单体光伏开路电压计算公式如下：

在计算了单体光伏电池开路电压之后，需要乘以两级串联的系数Ncs和Nms，得到光伏阵列的开路电压。

图6 开路电压计算

1.3 光伏电池的封装

根据上述思路建立了光伏电池的模型，并对其进行封装成一个独立的元件，模型如图7所示。

图7 光伏电池输入输出参数

该模型中光伏电池的输入包含：温度T和光照G。光伏电池的输出是两个电极：正极和负极。模型内部设置的参数主要包括：

Nms：光伏组件中串联的光伏电池的数量。

Nmp：光伏组件中并联的光伏电池的数量。

Ncs：光伏阵列中串联的光伏电池的数量。

Ncp：光伏阵列中并联的光伏电池的数量。

Gref：标准测试条件参考光谱辐射照度，目前都为1000。

Tref：标准测试条件参考温度，目前都为25℃。

Aef：温度系数。

Rs：单体光伏电池串联阻抗（该模型暂时将此忽略）。

Rsh：单体光伏电池并联阻抗。

Ebg：二极管导通电压。

Di：PN结理想因子。

Iosr：单体光伏电池反向饱和电流。

2 最大功率追踪（MPPT）仿真

最大功率跟踪控制使光伏系统具有自寻优能力，通过实时监测光伏电池的输出电压、电流值，采用一定的控制算法，判断当前工作状态是否在最大功率点处，然后通过改变等效负载阻抗来调整光伏电池的工作电压，不管外界环境还是负载发生变化，控制器也能使光伏电池工作在最大功率点。

2.1 最大功率跟踪电路

光伏发电最大功率跟踪系统由光伏组件、直流斩波电路、电压电流测量器件和控制回路组成。仿真电路如图8所示。

图8 最大功率跟踪仿真电路

2.2 最大功率追踪模块

MPPT采用Fortran来实现，输入包括：

1）当前电流Ia。

2）当前的占空比控制参数Duty。

3）每次改变占空比控制参数的步长dDuty。

输出包括：

计算出的占空比控制参数newDuty；

当前控制方式，供录波和测试时候使用。

图9 最大功率追踪

2.3 最大功率追踪控制

图10 最大功率追踪控制

由于 Boost电路的输出电压恒定，因而直接用Boost电路的输出电流取代了功率，进行了MPPT的判断。

3 并网逆变器仿真

3.1 并网逆变器主电路

图11 并网逆变器主电路

并网逆变器出口并非直接与交流电压相连接，而是经过一个LC滤波电路，滤除高次谐波，降低谐波污染。

3.2 PQ解耦控制

图12 PQ解耦控制

在有功功率闭环控制环节并没有直接用有功功率参考值，而是用直流侧电压，其目的是为了控制直流侧电压在给定值附近，原理是当直流侧电压高于给定值时，增加有功输出，向电网提供更多有功，反之亦然，因此直流侧电压控制本质就是有功功率控制。

3.3 开关信号产生

4 仿真试验结果

4.1 并网运行

光伏电池逆变器并入400V低压网，低压网内部带感性负荷，用理想电源模拟微电网内部其他微电源，微电网经过0.4kV/10kV变压器并入大系统。

在光照强度G=1000cd，温度T=25℃时，起动时不使用最大功率追踪控制（MPPT），在3s时起动MPPT，光伏电池电压电流参数和逆变器并网电压电流和功率如图15和图16所示。

光伏电池起动时，能在0.6s内迅速建立端电压，向直流电容充电，有较大的输出电流，输出功率不断增大，逆变器直流侧电压迅速增大达到稳态值，此后光伏电池的电流降低，输出功率降低，在0.72s光伏电池功率到达稳定值，电压电流也很稳定；4s时起动MPPT，光伏电池电压下降，输出电流增加，输出功率增加。

图14 PV单电源并网仿真模型

图16 光伏电池并网特性

光伏逆变器在起动时向系统吸收有功功率和无功功率来维持直流侧的电压达到给定值，这段时间为0.5s，此后光伏电池逆变器并网的有功功率维持在30.2kW，电压（图中电压为标幺值）和电流都达到稳定值；4s起动MPPT后，输出功率增加，最终达到62.6kW，最大功率追踪有效。

4.2 改变输入因素产生的影响

在光照强度G=1000cd，温度T=25℃时起动光伏电池并网，在5s时改变输入参数光照强度变为G=800cd，温度变为T=20℃，光伏电池电压电流参数和逆变器并网电压电流和功率如图17和图18所示。

光照强度和温度下降之后，虽然光伏电池的电压下降，但是幅度很小，主要是受到逆变器直流侧电压的影响，输出电流和功率有非常明显的降低，下降的暂态过程非常短暂，此后输出电流和功率达到稳定值。

并网逆变器在光照强度和温度下降之后，并没有像光伏电池输出产生阶跃式的突变，其过渡过程时间有2s，输出有功功率从70.6kW下降到58.7kW，无功功率从60.7kVar下降到44.2kVar，整个过程当中并网电压能维持400V恒定。

图17 改变输入参数对光伏电池的影响

图18 改变输入参数对光伏逆变器的影响

4.3 并网孤网切换和孤网运行负荷突变

在光照强度G=1000cd，温度T=25℃时，不起动最大功率追踪控制（MPPT），在4s时与大电网解列，微电网变为孤网运行，又在7s时增加负荷3，如图19所示，光伏电池电压电流参数和逆变器并网电压电流和功率如图20和图21所示。

图19 运行方式及负荷变化情况

图20 光伏电池特性

图21 并网运行特性

无论在微电网与系统解列还是负荷突变，逆变器并网电压都保持400V不变。因为逆变器采用PQ调节，所以在微电网运行方式变化或者切除负荷的时候，输出有功功率和无功功率几乎没有变化。而且光伏电池的电压的、电流以及输出功率都很稳定，不会发生突变，并且逆变器的直流侧电压也能保持不变。

4.4 光伏电池的短路特性

图22 光伏电池短路特性PSCAD仿真简图

图22中，电网电压由外部配电网支撑，为400V。微电网内包括光伏电池、负载1和负载 2。光伏电池采用PQ控制，额定有功功率190kW，无功功率30kvar；负载1的额定有功功率为150kW；负载 2的额定有功功率为100kW。下面仿真微电网中负载2所在线路50%处发生各种金属性短路故障，并分析此时光伏电池出口处波形图。

1）微电网中负载2所在线路50%处发生三相接地短路（本仿真波形图中电压单位为V，电流单位为A，有功功率单位为kW，无功功率单位为kvar）。

图23 光伏电池机端电流A相有效值波形图

2）微电网中负载2所在线路50%处发生单相接地短路（本仿真波形图中电压单位为V，电流单位为A，有功功率单位为kW，无功功率单位为kvar）。

图24 光伏电池机端电流A相有效值波形图

3）微电网中负载2所在线路50%处发生两相短路（本仿真波形图中电压单位为V，电流单位为A，有功功率单位为kW，无功功率单位为kvar）。

图25 光伏电池机端电流A相有效值波形图

4）微电网中负载2所在线路50%处发生两相接地短路（本仿真波形图中电压单位为 V，电流单位为A，有功功率单位为kW，无功功率单位为kvar）。

图26 光伏电池机端电流A相有效值波形图

从图23到图26中可以看出，当微电网中负载2所在线路 50%处发生各种金属性短路故障时，在故障期间，电网电压幅值下降较大，并且由于光伏电池逆变器的Crowbar保护控制，光伏电池故障电流最大为额定电流的2倍，光伏电池在短路期间功率在一定范围内有波动。故障解除后，光伏电池很快恢复正常稳定运行。

5 结论

随着国家光伏政策的调整，光伏发电在中国将得到更广阔的发展。加强对光伏发电系统的特性研究，一方面需要通过理论分析，另外一方面需要通过仿真工具建立相应的仿真模型。本文选择PSCAD作为仿真工具，分别建立了光伏电池、最大功率跟踪电路以及逆变器的模型，并最终建立了光伏发电系统的仿真模型，该模型稳定运行。最后利用该模型并进行了并网运行、负荷扰动、输入扰动以及短路特性等各类仿真实验。

[1]马宁.太阳能光伏发电概述及发展前景.太阳能光伏发电技术专辑. 2011, 4, 2(5): 25-28.

[2]刘永梅,王金宇,盛万兴.光伏发电概述[J].新能源, 2011(3).

[3]StefanKrauter (著),王宾,董新洲.太阳能发电一光伏能源系统[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[4]尹淞.太阳能光伏发电主要技术与进展[J].电力技术, 2009(10).