云层遮蔽对离网光储系统的影响研究

张荣海，陈志峰，张紫凡，李岩

（1.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关 512026；2. 广州城市理工学院，广州 510080；3.广东云舜综合能源科技有限公司，韶关 512026）

引言

随着化石能源逐渐枯竭以及“双碳”目标的提出，可再生能源的发展成为重要课题。光伏发电以其无噪声、扩容方便等诸多优点成为最为重要的开再生能源形式之一[1,2]。光伏系统各个发电设备相互独立，发电方式灵活，可以因地制宜安装光伏发电设备。光伏系统的运行形式也较为灵活，不但可以孤岛运行满足用户需求还可以通过PCC（公共耦合点）接入公共电网，提高配电网运行效率、提升配网线路电压水平[3-5]。

光伏系统主要由光伏电池板、控制环节、DC/DC变流器、逆变器以及能量监控管理系统组成，对外表现为一个单一可控的有源配电单元。光伏系统可以通过公共能耦合点接入电网保持并网运行模式，可以与本地负载组成微电网孤岛运行。并网运行时，在功率控制模式下，可实现公共耦合点处功率潮流调节。合理的安排光伏电源的并网点位置，可以缩短发电系统与负荷之间的距离，减小电网的传输损耗，对于提高发电的消纳和降低网络损耗有重要意义。通过合理的控制方式，可以实现并网与孤岛运行方式的切换。当公共电网出现故障的情况下，光伏发电系统与本地负荷可切换至孤岛运行，保证下对重要负荷的供电。

光伏发电受到辐照度、温度等诸多因素的扰动[6,7]，辐照度则受到云层经过、雾霾[8]等气候因素的影响。其中云层经过造成的辐照度的大幅波动，对光伏发电系统的影响尤为突出。并网光伏系统可以从电网侧得到电压和功率的支持，但离网运行的孤岛光伏微电网由于缺乏大电网的支持，其运行状态更容易受到云层经过造成的干扰。因此探索云层经过时辐照度较大程度跌落时，对孤岛光伏系统运行状态的影响具有较高的研究价值。基于此本文基于电磁暂态仿真平台建立离网光储系统仿真模型，模型包括光伏发电设备、储能设备、逆变器、交流变压器、交流负载、直流变流器及各变流器控制环节。仿真模型基于实际光伏设备设置光伏元件以及光伏组件参数，并采用一天之内典型日的温度变化以及叠加有运行经过时的辐照度变化作为环境变量。

1 离网光伏系统结构

离网光储系统主要的组成部分包括光伏电源、储能设备和负载三部分，光伏电源和储能设备由DC/CD变换器接入直流母线侧。光伏电池板为功率输出的设备，因此采用Boost变换器接入直流母线，储能设备可输出功率也可吸收功率，因此采用双向DC/DC设备接入直流母线。光伏系统为交流负荷供电以及并入配电网，则需要将直流转为交流，因此光伏系统通常配备有DC/AC变流器。离网光储系统主要设备包括光伏电源、DC/DC变换器、逆变器、滤波电路、升压变压器和等效负荷，如图1所示。

图1 离网光储系统主电路图

离网光储系统的稳定、经济的运行需要合适的控制系统。在整体的控制系统中设备的控制功能主要在各个变流器环节实现。光伏电源采用基于扰动观察法最大功率点追踪控制，储能设备采用稳压控制、逆变器采用功率外环、电流内环控制，在生成相应的控制参考信号后，由SPWM技术将控制信号转换为可控硅的开关信号。

从大气层照射而来的太阳光激发硅材料发射电子产生直流电，直流电利用升压斩波电路的电感的增反减同特性得以升压。与此同时，进行平抑电压波动的蓄电池采用双向DC-DC实现升降压，平缓的直流电经过逆变器合适的通断产生矩形交流电，矩形交流电经过合适的滤波电路抑制高频谐波后得到平滑的交流电，交流电再经过变压器升压送到输电网或者降压送进用电区域。

对于斩波电路的电容电感以及逆变器的滤波电容电感计算方法在第二章里面波纹系数法有详细的介绍，通过电感电容的随时间变化情况以及提高电感和电容值来降低波纹系数值来得到合适的数值。

2 光伏组件参数选择

根据光电效应，当半导体的表面受到太阳光的照射时候，如果入射光的能量大于或者等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚形成自由电子。可以由公式（1）描述，其中为光子能量；

式中：

h—普朗克常量；

f—光波频率；

Eg—半导体材料的禁带宽度。

光波频率等于光速除以光波波长，即f=c/λ，式（1）改写为光波波长的表达式，式（2）。

式中：

λ—光波波长；

c—光速。

光子波长恰好激发电子的波长称为截止波长，若光子波长小于截止波长，那么能量用于电子在晶格附近振动产生热能。若光子波长大于截止波长，电子可以获得动能，进而产生有电势差的PN结，即光生伏特效应。

本文仿真工作中采用PSCAD仿真平台中内置的光伏电池仿真模型，元件参数具体参数如表1所示。

光伏发电板组件的参数设计对光伏发电板的功能和效率有较大影响。本文采用Suntech公司的某一型号模块来参照作为光伏电池的参数选择依据，本文仿真模型具体光伏电池板的参数选择如表1所示。仿真模型采用单个功率为236 W的太阳能电池得到1 MWp的太阳能阵列，然后16个阵列构成16 MWp大容量光伏电站。

为衡量光伏电池板的性能是否达标、参数设置是否合理，可通过太阳能电池的填充因子来判断。填充因子的表达式如式（3）所示。

式中：

FF—光伏电池板的填充因子，是表征太阳电池优劣的重要参数；

Isc—参考短路电流；

Uoc—太阳能电池单元开路电压；

Im—太阳能电池单元最大功率点电流；

Um—太阳能电池单元最大功率点电压。

把表2中cell值代入式（3），计算可到FF值为0.8，符合优质多晶硅标准。

表2 太阳能电池组件参数

光伏在发电过程中不可避免的受到辐照度以及温度变化的影响。光伏电池板的辐照度会因为云层的流动而产生降低（50～80）%的剧烈变化，同时一天中的环境温度也在不断产生变化，因此为了最大程度提升光伏电池发电的经济性，光伏电源通常采用最大功率点控制。

常见的最大功率点追踪方法有电压反馈法（电压恒定法）、扰动与观察法（爬山法）、电导增量法（incCond）。恒定电压法实现简单，但在遭遇云层经过导致辐照度变化较大时，产生的误差较大。扰动观察法适合扰动观察法的寻优精度更高，但寻优速度较慢。如果云层经过导致辐照度下降，将需要较长时间寻优，且经受扰动后会在最大功率点附近振荡，从而产生能量损失。综上本文采用电导增量法最大功率点追踪技术，该方法采用调压来实现调节功率，所以对功率P的电压U进行微分，如式（6）所示。

由于最大功率点曲线具有拐点，可用通过求导判断最大功率点的位置以及变化趋势来得到下一步该如何调压。当最大功率点在当前运行状态左边和右边时可以通过增加或减小参考电压值来追踪最大功率点，如式（7）所示。

3 云层经过对光伏系统影响

光伏系统在一天内的出力受到辐照度和温度的影响。为研究云层经过对离网光伏系统的影响。本文选取典型日的辐照度以及温度作为输出参数。在一天之中辐照度和温度均随时间变化，云层经过则会使辐照度有较大的下降。选择典型日的环境温度以及辐照度为基础，辐照度再叠加云层经过造成辐照度下降，一天内6点至18点的温度和辐照度数据如图2所示。图2中绿色曲线表示晴天日辐照度变化，蓝色曲线表示叠加云层经过后一天内的辐照度变化。由图可观察得知一天之中辐照度在6点到12点逐渐升高并达到最大值1 200 W/m2，12点到18点逐渐下降，并且在正午时候辐照度最高达到1 200 W/m2由于高于参考值1 000 W/m2。

图2 6点到18点之间的辐照度和温度变化

在光伏系统的参数选择环节，设置光伏组件在1 000 W/m2为辐照度和25 ℃条件下，光伏电站装机容量为16 MW。在12点左右，辐照度较高且温度较高的时候，光储系统的有功输出也达到了最高值17 MW。较厚云层的经过时，辐照度大幅下降，光储系统的输出功率随辐照度的下降而下降。由于光储系统中储能设备容量配置较小，因此光储系统主要的功率输出为光伏的功率输出。储能设备在其中起到了一定对冲光伏功率变化的作用。即当光伏电源在辐照度较低而输出功率较小的时候，储能设备会释放功率，当光伏系统在辐照度高输出功率较大的时候，储能设备的输出功率则逐渐降低。由于储能设备的容量占系统总容量较小，并不能完全弥补因云层经过造成的系统整体功率输出的下降。光储系统功率输出如图3所示。

图3 光储系统输出的功率波形图

为了使光伏电源能够以最大的功率输出，对光伏电源采用了MPPT控制。图4为光伏电源侧电压电流波形图。对于光伏电源侧，由于端口没有加装电容，此时端口电压和电流波动较大。但总体的变化规律与辐照度变化相符合，整体电压电流也呈现凸的形态。当有云层经过，辐照度大幅下降时，电压和电流在MPPT控制的作用下会发生较大变化，基本呈现电压升高电流降低的趋势。

图4 光伏电源侧电压电流波形图

在MPPT的作用下，当辐照度、负载功率变化等原因造成光伏电池板输出电压电流变化时，最大功率点跟踪控制技术将会寻找新的最大功率点输出的电压电流值。将图4中截取一段波形放大来做观察，通过波形可以观察到，电压和电流总体的变化方向是相反的，即电压上升电流下降、电压下降电流上升。在反复变化调整的过程中，寻找输出功率最大的工作点。

蓄电池电压电流趋势和光伏电源一致，得益于蓄电池升降压的判断准则是光伏电源的电压的延时跟踪效果，在电压下降时候，电流上升，呈现一个稳压效果，如图5所示。

图5 蓄电池侧电压电流波形图

由于光伏等分布式电源的有功输出通常具有一定的随机性，因此为稳定系统输出功率以及稳定分布式电源输出电压的角度，通常会为分布式电源配备一定容量的储能设备。在分布式电源出力降低的时候，储能设备则需要增加功率输出，当分布式电源发电功率较高的时候，则可以吸收部分功率。储能设备的控制方式是采用稳压控制，当直流侧电压降低时，其输出电流将会增加，本文研究的光储系统中，光伏电源的容量较大，相对储能设备的发电容量在总体发电容量中占比较小。

孤岛光储系统所带负载类型为交流负载，因此其负载侧三相交流电压是一个较为重要的参考指标。在云层经过造成辐照度下降时，由于功率输出降低，交流侧电压也出线了电压下降的现象。交流侧电压波形以及交流电压下降波段的放大图如图6所示。

由图6可知云层经过会使交流侧电压下降，但交流侧负载电压仍保持三相对称，且波形形态较好，可见谐波含量不高。

图6 有云层经时交流侧输出电压波形图

4 结论

本文研究了16 MW容量的光伏发电系统的光伏元件的物理参数配置以及光伏组件的参数配置。由于光伏系统的发电容量受到光照以及温度影响，其有功输出并不是稳定的。在诸多影响因素当中，云层遮挡通常是影响光伏电源出力的主要因素。为研究云层经过对孤岛运行的光储系统的有功输出、电压波形、光伏单元MPPT的跟踪效果等方面产生的影响。本文基于电磁暂态仿真平台搭建了光储系统的仿真模型，并得到结论：云层经过造成的辐照度下降会很大程度上影响光伏电源的有功功率，继而造成交流侧负载电压跌落。配备一定容量的储能设备能够使独立光储系统的有功输出更加平缓，从而降低云层经过对光储系统的影响，但储能设备成本较高，储能设备的配置容量则需要综合考虑技术指标与成本两个因素。