基于StarSim的光伏发电系统并网控制的半实物仿真研究

张文福，张癸滨，李昌松

(三峡电力职业学院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

光伏发电由于其自身具备特征，诸如成本极低、无污染以及能源供给无限量等，有着极为显著的优势[1]。在光伏发电技术中，光伏逆变器的稳定性和效率影响着整个光伏发电系统[2]。但光伏逆变器存在现场调试比较麻烦、数字仿真过于抽象等问题，因此针对光伏并网的稳定性和抗干扰性的仿真研究就具有重要意义。

已有一些学者对光伏发电系统进行了仿真研究。文献[3－4]采用现场调试的方式，其计算结果精准，但成本较高，且受天气情况限制，在条件不好的情况下，会产生极大的不便。文献[5－7]使用仿真软件建立数学建模，进行了仿真研究。该方法成本低廉，效率高，易于实现，但纯数学模型过于抽象，很多细节难以展示。结合这两种方法的优点，文献[8－11]提出将这两种方法相结合，搭建半实物仿真平台，用于光伏、风电等新能源发电的研究。目前，大部分的小扰动测试和暂态故障测试都使用数学仿真实现，无法完整的体现系统的动态过程，因此针对新能源系统稳定问题的半实物仿真研究仍需完善。

本文基于StarSim的平台搭建了光伏并网发电的半实物仿真系统。对光伏系统并网控制的小干扰响应和暂态响应进行了仿真测试，节省了调试的时间和成本，结果具有较高的可信度。

2 基于StarSim的半实物仿真平台原理

基于StarSim的实时仿真系统，上位机主要由PC机承担，用来完成编辑、编译、下载、信号观测等任务；下位机主要由实时仿真机和原型控制器组成，用于实时计算。基于StarSim的实时仿真系统整体结构如图1所示。

图1 StarSim整体结构示意图

3 基于StarSim的光伏发电系统半实物仿真分析与测试

3.1 光伏发电系统稳态运行下的半实物仿真分析

在StarSim的平台中搭建光伏并网发电系统的半实物仿真模型，在光照强度为1000W/m2、温度为25℃的情况下，半实物仿真波形如图2～图3所示。

图2 直流母线电压

图3 逆变侧交流电压、电流

通过图2～图3可以看出，直流母线电压稳定，说明光伏系统持续输送有功功率给大电网。逆变器交流侧电压、电流同相位，说明系统工作在单位功率因数下，更有利于并网。

3.2 光伏发电系统受到小干扰下的半实物仿真分析

为分析光照强度对光伏系统的影响，本文在光照强度为1000W/m2的情况下，突增200W/m2，观察在不同电网强度下，光伏系统直流母线电压的变化情况。仿真波形如图4～图6所示。可以看出，在光照强度的小扰动下，电网强度越强，光伏直流母线电压越稳定，当电网强度很弱时，微小的扰动可以会导致光伏系统崩溃。

图4 强电网下的直流母线电压

图5 中等强度电网下的直流母线电压

图6 弱电网下的直流母线电压

3.3 光伏发电系统暂态故障下的半实物仿真分析

电网系统并不是时刻都能正常运行的，所以有必要观测电网故障情况下光伏系统的状态。当电网发生各种短路故障时，光伏系统直流母线电压如图7～图10所示。

图7 单相接地短路

图8 两相相间短路

图9 两相接地短路

图10 三相接地短路

通过对电网暂态故障模拟仿真，可以看出光伏系统直流母线电压最终会趋于稳定。其中在单相和三相短路这两种情况下，光伏并网系统的暂态特性有比较大的反应，对电网的扰动也比较大。

4 总结

本文研究了基于StarSim的半实物仿真系统的光伏并网系统的实时仿真和调试。利用StarSim的实时仿真机和原型控制器，实现了光伏并网的半实物仿真平台的搭建。进行稳态、小扰动和电网暂态故障下的测试，得到了真实可信的实时仿真结果。该研究有利于提高测试效率和降低实验成本。