光伏发电系统暂态特性仿真*

齐仁龙， 朱小会， 张庆辉

(1.郑州科技学院 电气工程学院， 郑州 450064；2.河南工业大学 信息科学与工程学院， 郑州 450001)

电气工程

光伏发电系统暂态特性仿真*

齐仁龙1， 朱小会1， 张庆辉2

(1.郑州科技学院 电气工程学院， 郑州 450064；2.河南工业大学 信息科学与工程学院， 郑州 450001)

针对光伏发电系统暂态稳定性差的问题，在PSCAD/EMTDC环境中建立了光伏发电系统的电磁暂态仿真模型，并基于该模型分析了三相短路故障和光照强度跃变等条件下光伏发电系统的暂态响应特性.研究光伏发电系统的物理模型，并建立由光伏阵列、最大功率跟踪模块、升压电路和三相并网逆变器等组成的光伏发电系统动态仿真模型.仿真对比分析了不同运行条件下的光伏逆变器输出有功功率、电压以及电流的暂态特性，结果表明逆变器输出功率和电流会随着光照强度变化而平滑地改变，短路故障则会引起电压跌落和瞬态过电流.

光伏发电；稳定；PSCAD/EMTDC环境；仿真模型；三相短路；光照强度跃变；暂态特性；物理模型

随着常规化能源的不断枯竭和生态环境的日益恶化，光伏发电等可再生能源因其产量丰富、高效、无污染等特点受到世界各国的重视[1-2].但随着发电规模的不断增大，光伏系统的暂态故障给电网带来了较大的安全隐患.

光伏发电系统由光伏阵列、升压电路、最大功率跟踪模块、并网逆变器以及控制器组成，其并网运行的特性不同于传统发电机组的运行特性[3].首先，光伏发电的输出功率是由光照强度和外界环境温度所决定的，不具备基于调速器的功率调节性能；其次，光伏发电是由电力电子器件组成，不具备传统发电机的惯性环节.当高渗透率光伏发电接入后，其暂态条件下与电网的协调运行将会呈现新的特点，如光照强度跃变会造成输出功率波动，导致电网接纳能力较差，不利于稳定并网运行；而三相短路故障会造成脱网等风险，严重的故障会带来较大经济损失和人身安全问题.

针对光伏发电系统暂态建模方面，国内外学者也展开了一系列的研究，文献[4]对微网光伏并网逆变器分别采用恒功率控制和恒电压频率控制策略在稳态和暂态特征方面进行了仿真研究；文献[5]利用PSD-BPA仿真软件针对光伏发电在电压跌落过程中的运行特性进行了仿真分析；文献[6]利用Fastest仿真软件建立了光伏发电系统各个原件模型，并分析了其稳态和暂态特性.但目前文献尚缺少精度较高的通用型光伏发电系统暂态模型，尤其是针对短路故障和外部环境变化的建模较少.为深入分析光伏发电系统在短路故障下以及光照跃变的暂态特性，本文在PSCAD仿真软件中分别建立了非标准工况下光伏发电单元各个模块的动态仿真模型，基于该仿真模型分析了发生三相短路故障和输入光照强度跃变等条件下光伏发电系统的输出特性.

1 光伏并网逆变器控制策略

图1为三相光伏并网发电系统组成结构框图，其主要由光伏阵列、直流母线电容、升压电路、逆变器、LCL滤波器、控制电路以及交流电网等组成.其中，L1为逆变桥侧电感，L2为网侧电感，C为滤波电容，Udc为直流侧母线电压.

图1 光伏并网发电系统结构Fig.1 Structure of photovoltaic grid connected generation system

1.1 光伏阵列等效变换

[7-8]将图1的发电系统结构进行等效变换，变换后的系统模型如图2所示，则根据基尔霍夫电流定律可求得光伏组件的输出电流为

I=Ig-Id-Ish=

(1)

式中：U、I分别为光伏组件输出电压和电流；Ish为反向饱和电流；Ig为光子在光伏电池中的激发电流；Id为流经二极管的电流；I0为二极管饱和状态下的电流；Rsh为旁路等效电阻；Rs为光伏组件等效串联电阻；q为库仑常数，其值一般取为1.6×10-19C；n为结常数；k为波尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K；T为外界环境温度.

图2 光伏组件等效电路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic components

图2中光生电流Ig取值大小与光照强度S和温度T相关，而饱和电流I0只与温度T有关，其表达式分别为

(2)

(3)

式中：ILref为光伏组件在标准测试环境下的短路电流；IT为标准温度Tref时的饱和电流；J为电流Ig的温度系数.

在实际工程应用中光伏阵列是采用串联NS和并联NP个光电池组件构成，其输出电流IA可表示为

(4)

式中，VA为光伏阵列输出电压.

1.2 最大功率跟踪

光伏组件输出受日照强度、环境温度和负载等因素的影响，为有效获取其最大输出功率，需实时调整光伏组件的工作点，使之始终工作在最大功率点附近[9].本文提出一种基于改进的扰动观察法作为最大功率跟踪控制算法，其逻辑控制框图如图3所示.

图3中dP、dU分别为光伏阵列功率和电压的时变量，Up为光伏阵列变化后的电压，Cp为常数.由图3可知，当距离最大功率点较远时，斜率较大且步长也更大，则可快速调节达到最大功率点；当达到最大功率点附近后，斜率会变小，步长也变小，则会逐渐向最大功率点靠近.

图3 改进的扰动观察法逻辑框图Fig.3 Logic diagram of improved perturbation observation method

结合上述分析和光伏阵列的本身特性可仿真得出光伏阵列最大功率跟踪曲线，结果如图4所示.由图4可知，光伏阵列的输出功率与电压有关，在一狭小的定义区域内，只存在一个最大功率点.在最大功率点左侧，有功功率随着电压的增大，其值也会变大；而在最大功率点右侧，有功功率会随着电压的增大而减小.

1.3 光伏并网逆变器及其控制模型

图4 最大功率跟踪仿真图Fig.4 Simulation diagram of maximum power tracking

图5 并网逆变器双环控制策略Fig.5 Dual-loop control strategy of grid connected inverter

(5)

式中：kpc为内环控制参数；kpd、kid、kpq、kiq分别为外环控制参数；kPWM为逆变器的等效比例系数.根据式(5)传递函数和稳定判据可求得控制参数的取值.

2 实验仿真分析

结合图1的基本结构和上述各个模块的数学模型，在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了三相光伏并网发电系统的电磁暂态模型.搭建过程使用到的仿真参数如表1所示.

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

为了对比光伏并网发电系统暂态特性与稳态时的差别，本文首先分析稳态条件下的并网运行特性.在光照强度为S=1 000 W/m2，温度为25 ℃的标准条件下，单台三相光伏并网发电系统的稳态仿真结果分别如图6～8所示.图6为光伏并网逆变器输出的有功功率，由最大功率跟踪控制策略得到平稳的功率输出30 kW；图7、8分别是逆变器的输出电压和电流，相对也较为平稳.

在电力系统运行过程中容易发生各种故障，其中三相短路故障对系统带来的影响最大，因此，本文在仿真中以发生三相短路故障为例，分析光伏并网发电系统的暂态运行特性.假设在稳态运行5 s时，并网点发生三相对称短路故障，并在0.2 s后将故障切除.图9～11是三相短路故障条件下光并网逆变器输出的暂态运行特性.由图9～11可知，故障期间并网逆变器输出功率发生振荡，并网点电压会有所跌落，而并网电流会有略微增大.短路瞬间还会产生一个较大瞬态过电流，若不采取措施则会对系统安全稳定带来一定隐患，严重时会引起较大的经济损失或对人身安全造成威胁，因此，在实际工程中可采取限幅保护和继电保护装置来避免短路故障带来的不利影响.

图6 正常条件下逆变器输出有功功率Fig.6 Output active power of inverter under normal condition

图7 正常条件下逆变器输出电压Fig.7 Output voltage of inverter under normal condition

图8 正常条件下逆变器输出电流Fig.8 Output current of inverter under normal condition

在实际运行状况下光照强度和环境温度都是随时间而变化的，且由式(2)可知，光照强度变化对光伏阵列组件输出电流的影响大于温度变化的影响，因此，在仿真中设定温度不变而光照强度跃变以分析功率和电流的暂态输出特性，因为光照强度变化不影响逆变器输出电压，故无需分析电压暂态运行特性.图12、13为温度保持在25 ℃不变，光照强度以200 W/m2的增长速度由600 W/m2增至1 200 W/m2时并网逆变器输出功率和输出电流的动态变化过程.由图12、13可以看出，光伏发电系统输出功率和电流随光照强度的增大而增大，且调节过程较为平稳，能很快达到新的稳定状态.虽然调节过程较为平稳，但是输出功率的随机波动也会对光伏发电系统的稳定并网带来不利影响，因此，在实际工程应用中可配合储能器件来平稳输出功率的随机波动.

图9 短路故障条件下逆变器输出有功功率Fig.9 Output active power of inverter under condition of short circuit fault

图10 短路故障条件下逆变器输出电压Fig.10 Output voltage of inverter under condition of short circuit fault

图11 短路故障条件下逆变器输出电流Fig.11 Output current of inverter under condition of short circuit fault

图12 光照强度跃变条件下逆变器输出功率Fig.12 Output power of inverter under condition of light intensity jump

图13 光照强度跃变条件下逆变器输出电流Fig.13 Output current of inverter under condition of light intensity jump

3 结 论

本文基于光伏阵列、最大功率跟踪控制器和并网逆变器控制等子模型，在PSCAD/EMTDC软件中建立了三相光伏并网发电系统仿真模型，分析了三相短路和光照强度跃变条件下的并网发电系统输出特性，得到结论如下：

1) 最大功率跟踪模块是光伏发电系统保持最大功率跟踪运行的关键；

2) 当光伏发电系统并网点发生短路时，电压会跌落，电流有所上升且短路瞬间会出现过电流；

3) 当外界光照强度由弱变强时，逆变器电流会逐渐增大且功率也会平滑增大.

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(责任编辑：景 勇 英文审校：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年科技攻关计划资助项目(152102210002).

齐仁龙(1982-)，男，河南郑州人，讲师，硕士，主要从事电路与系统智能控制等方面的研究.

22 17∶39在中国知网优先数字出版.

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