光伏并网发电模拟实验平台的设计与研究

蔡纪鹤 李蓓 罗昊 宗琳

摘 要：针对光伏并网发电系统实验研究的诸多不便，同时为验证本文所提出的控制算法，构建以程控直流电源供应器6250H、程控交流电源供应器6590、功率变换主电路、蓄电池等组成的模拟实验平台，开展光伏发电功率补偿控制研究，同时针对实验的数据进行分析。

关键词：光伏发电;并网;实验平台;模拟

一、引言

在对光伏并网发电系统进行实验研究的时候，容易受到光照强度、实验场所等外部客观环境影响。比如，在夜晚或者白天阴雨天气，光伏阵列不输出或者低效输出功率，常常导致光伏并网发电系统无法正常工作;在白天晴好天气条件下，室外开展的光伏并网发电系统的实验既受制于系统与检测装置供电困难，更基于光照强度的随机性和间歇性特点，试验环境呈现随机性、动态性等状态，难以得到实验者预想的实验结果。為提高光伏并网发电系统实验研究的稳定性和可靠性，本文提出设计建立光伏并网发电模拟实验平台，并通过控制算法及实验数据论证模拟实验平台的科学性、可行性和实效性，以期为光伏并网发电技术研究提供支撑。

二、总体设计方案

基于国内大多数高校实验室的实验环境和硬件条件，在综合考虑光伏发电系统功率控制要求的基础上，设计了一种光伏并网发电模拟实验平台，如图1所示。

设计的光伏发电模拟实验平台共包含三个部分：主电路、控制电路和检测系统。其中，主电路是整个模拟实验平台的硬件架构，由光伏阵列（采用程控直流电源6250H来模拟光伏阵列）、公用电网（采用程控交流电源6590来模拟电网）、并网逆变器（采用西门康逆变器）、储能系统（采用动力电池和超级电容组成的混合储能系统）等设备组成;控制电路实现整个模拟实验平台的相关算法，控制整个光伏并网发电系统的运行，由DSP与CPLD组成;检测系统测量、监控整个模拟实验平台相关数据和运行状态，由功率分析仪WT1800、电池电芯测试系统BTS-3000、电池内阻监测仪IT5100、安捷伦示波器等组成。

光伏阵列模拟器6250H-600S能便捷设定当地实际天气的日照强度、温度，以及太阳能电池的特性、面积，从而模拟出光伏阵列的相关输出特性。此外，还具有屏蔽I-V曲线仿真及屏蔽曲线动态变化仿真功能，可以从数据库内选择PV Module型号或自行建立PV Module参数，设定太阳能电池串联及并联数量后组成一PV Array数组，设定PV Module的照度、温度参数及动态屏蔽变化移动方向及时间，便可模拟云遮变化或其他如树木或建筑物屏蔽下的Shadow I-V曲线仿真。

目前微网实验室大多用隔离变压器与电网隔离，这种方式易受外界影响，且无法控制。采用电网模拟器6590，既能实现与电网的隔离，还能设定电压频率，模拟电压瞬间变动、电压波形失真、频率抖动等异常状态，电网模拟器还可以吸收电流，将能量回收到电网。在光伏系统中搭配储能系统进行运行时，便可通过电网模拟器对整个系统进行模拟测试及各种保护状态的验证。

并网逆变器采用西门康逆变器，其主电路为典型的电压型桥式电路，可以通过编写相应的控制算法实现各种功率变换的功能，易于二次开发。

混合储能系统可以充分发挥动力电池能量密度大和超级电容功率密度大的特点，大幅提高整个储能系统的功率输出能力和使用寿命，提高整个光伏发电系统的“柔性”。

三、并网逆变器的参数设计

IGBT是功率变换的核心器件，被广泛地应用于光伏并网发电系统中;根据光伏阵列模拟器6250H-600S相关参数指标，其直流侧最高电压为600V，则IGBT的耐压水平为。

由于光伏阵列模拟器6250H-600S最大输出功率为10kW，故经过并网逆变器的最大功率也为10kW，再考虑1.1倍的过载能力，则流过IGBT的有功分量电流Imax为：

流过IGBT的有功峰值电流Im为：

最终，综合IGBT的规格、无功补偿功能和安全系数等方面的因素，设计的IGBT的具体参数为：耐压1200V，最大电流200A。

综合考虑电压环控制的快速响应和抗干扰性，由此决定直流侧电容的上限和下限，如下式所示：

式中，tr——直流侧电压Vdc从初始值上升到额定值的时间;Rld——直流侧负载;Vmdc——直流电压的最大动态

降落。

工程上，可按下式来计算：

式中，w——电网角频率;Vdc——直流侧允许纹波

电压。

取Vdc=400V，Vdc=Vdc×5%，求得C=1990μF。最终选取的电容值为3400μF，耐压为400V。

综合考虑电流的跟踪性能和谐波电流的抑制，由此决定滤波电感的上限和下限，如下式所示：

式中，Im——交流允许纹波电流。

根据上述公式，滤波电感选择1mH的空心电感。

四、系统主程序设计

光伏并网发电模拟实验平台的主程序如图2所示。整个系统运行时，先对系统的初始状态、相关参数进行初始化，然后对相关的电压、电流等信号进行采集和转化，控制器根据检测到的相关信号，进行MPPT控制、并网控制、无功补偿、平抑功率波动等控制。

五、结语

本文基于光伏并网发电实验要求，科学设计光伏并网发电系统模拟实验平台，通过对系统组成、功能分析、关键参量计算及其主程序设计，构建起不受外界环境干扰的模拟实验环境，降低了光照强度、实验场所等自然环境因素对实验过程的影响，对光伏并网发电实验研究具有较强的实践指导性。

参考文献

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