基于PSCAD/EMTDC的光伏并网系统建模与仿真

doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.04.002

基于PSCAD/EMTDC的光伏并网系统建模与仿真

秦鸣泓, 杨胜云, 常湧

武汉大学电气与自动化学院，湖北　武汉　270000

Modeling and Simulation of Photovoltaic Grid-Connected System Based on PSCAD/EMTDC

QIN Minghong, YANG Shengyun, CHANG Yong

School of Electrical and Automation, Wuhan University, Wuhan 270000, Hubei Province, China

收稿日期: 2019-05-03

Received: 2019-05-03

摘要

根据光伏电池的物理模型，以及光伏阵列在不同光照强度和环境温度下的输出特性，对基于Boost电路的最大功率跟踪控制进行理论分析及实现，讨论三相光伏并网逆变器的工作原理，并在PSCAD/EMTDC中搭建三相光伏并网系统。通过使用PSCAD仿真软件对20 MW光伏发电站进行模型搭建，并对其并网过程进行仿真研究，分析其对电网电能质量所产生的影响，最后提出可行的解决方案并进行仿真验证。

关键词： 光伏发电 ; 光伏系统建模 ; 并网控制策略 ; 电能质量 ; 补偿措施

Abstract

According to the physical model of photovoltaic cells and the output characteristics of photovoltaic arrays under different illumination intensity and ambient temperature, the theoretical analysis and implementation of the maximum power tracking control based on Boost circuit are carried out. The work principle of three-phase photovoltaic grid-connected inverter is discussed. And the three-phase photovoltaic grid-connected system is built in PSCAD/EMTDC. The model construction of 20MW photovoltaic power station is carried out by using PSCAD simulation software, and the simulation of the grid-connected process is carried out to analyze the impact on the power quality of the grid. Finally, a feasible solution is proposed and simulated.

Keywords： photovoltaic power generation ; photovoltaic system modeling ; grid-connected control strategy ; power quality ; filtering strategy

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秦鸣泓, 杨胜云, 常湧. 基于PSCAD/EMTDC的光伏并网系统建模与仿真. Distributed Energy[J], 2019, 4(4): 10-16 doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.04.002

QIN Minghong, YANG Shengyun, CHANG Yong. Modeling and Simulation of Photovoltaic Grid-Connected System Based on PSCAD/EMTDC. [J], 2019, 4(4): 10-16 doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2019.04.002

0　引言

随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染的加剧，充足、可再生的绿色新能源成为了人们迫切想要寻求的目标。太阳能作为一种清洁且无限的新能源，比核电安全，比水电普遍，分布地域广阔，且不会对环境有任何的破坏。但其昂贵的初始投资使得光伏电价远高于普通电价，为此我国政府采用了与国外相同的政策，即对光伏电站的建设进行投资，并对光伏发电电价进行补贴。“十三五”以来，随着光伏电池制造技术的升级，光伏发电的成本逐渐降低。同时具有安装方便和离用户侧近等优点的分布式光伏，在国家各项政策的扶持下，也实现了指数型增长，光伏产业日新月异^[1,2,3,4]。

在此大趋势下，本文对光伏发电系统构成及其并网的原理进行介绍，同时以某20 MW光伏发电为例，搭建该20 MW光伏发电系统的PSCAD模型，并对其接入配电网时对所接入配电网电能质量方面的影响进行仿真。

1　光伏电池的仿真模型

考虑光伏电池自身存在内阻，可等效为串联内阻R_s和并联电阻R_sh，等效电路如图1所示。

图1光伏电池内部等效电路Photovoltaic battery internal equivalent circuitFig.1

一般可从生产厂商处得知光伏电池的基本参数，即标准情况下的短路电流I_sc、开路电压U_oc、最大功率点电流I_m、最大功率点电压U_m、最大功率P_m。通过这些参数，可得到光伏电池产生瞬时电流I_pv的工程计算方法^[5]：

(1) $I_{pv} = I_{sc} [1 - C_{1} (e^{\frac{U_{pv}}{C_{2} U_{oc}}} - 1)]$

(2) $C_{1} = (1 - \frac{I_{m}}{I_{sc}}) e^{\frac{U_{m}}{C_{2} U_{oc}}}$

(3) $C_{2} = \frac{\frac{U_{m}}{U_{oc}} - 1}{ln (1 - \frac{I_{m}}{I_{sc}})}$

考虑到光照强度和温度变化所产生的影响，根据式(1)有

(4) $I_{pv} = I_{sc} [1 - C_{1} (e^{\frac{U_{pv} - Δ U}{C_{2} U_{oc}}} - 1)] + Δ I$

(5) $Δ I = \frac{α G}{G_{ref} Δ T} + (\frac{G}{G_{ref}} - 1) I_{sc}$

(6) $Δ U = - β Δ T - R_{s} Δ I$

(7) $Δ T = T - T_{ref}$

式中：G、T分别为实际瞬时太阳辐射强度和光伏电池温度；ΔI、ΔU、ΔT分别为实际瞬时光伏电流、电压、温度与理想值的偏差修正；G_ref、T_ref分别为太阳辐射和光伏电池温度参考值，分为取为1 000 W/m²及25 ℃；α为在参考日照下的电流变化温度系数，A/℃；β为在参考日照下的电压变化温度系数，V/℃。

根据上述公式进行光伏电池模块的仿真搭建，以温度和光照强度为输入量，而后通过改变温度或光照单个参数，得到图2所示的光伏电池输出功率－电压曲线。可看出，光伏电池的输出功率随光照强度的增大而增大，随温度的升高而减小，其功率输出曲线也具有非线性特点，存在一个功率最大值^[6]。

图2光伏电池输出的典型PV曲线Typical PV curve of photovoltaic cell outputFig.2

改变光照强度和温度参数，随着光伏电池的输出电压变化，光伏电池的输出特性如图3所示。图中，输出特性曲线上任一点对应的横坐标与纵坐标的乘积所构成的矩形面积，为此工作状态下电压和电流的乘积，即是在特定温度下光伏电池输出的功率。

图3光伏电池的输出特性曲线Typical I-U curve of photovoltaic cell outputFig.3

可看出，光伏电池存在一个输出功率最大的点，即最大功率点(maximum power point, MPP)^[7]。若能根据实时光照强度和温度调整光伏电池，使其工作在最大出力状态，便可使光伏电池永远保持最佳输出功率，使整体的发电效率提高，从而提升光伏发电的经济效益。这一过程又称为最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)^[8]。

2　MPPT技术及其实现方法

太阳能光伏发电的最大功率点跟踪技术可使光伏电池恒定保持在最佳工作状态，即输出功率最大，实际中多采用电导增量法来实现MPPT控制^[9,10]，其原理是利用最大功率点处输出功率对输出电压的微分为0，从而推导出其中的等式关系。

光伏电池瞬时输出功率为

(8) $P = U I$

两边对U求导，可得

(9) $\frac{d P}{d U} = I + U \frac{d I}{d U}$

当 $\frac{d P}{d U}$ >0时，U小于最大功率点电压；当 $\frac{d P}{d U}$ <0时，U大于最大功率点电压；当 $\frac{d P}{d U}$ ＝0时，电池工作在最大功率点。

因此可由式(9)演变为，设U、I分别为光伏阵列的实时电压与电流，则当 $\frac{d I}{d U} > - \frac{I}{U}$ 时，U小于最大功率点电压；当 $\frac{d I}{d U} < - \frac{I}{U}$ 时，U大于最大功率点电压；当 $\frac{d I}{d U} = - \frac{I}{U}$ 时，电池工作在最大功率点。从而可根据 $\frac{d I}{d U}$ 和 $- \frac{I}{U}$ 的关系来判断并调整光伏电池的工作电压，以实现最大功率跟踪。

而一般情况下光伏电池的输出电压较低，需要先使用Boost电路进行升压操作，而后才接逆变单元。升压原理如图4所示。

图4MPPT控制实现结构MPPT control implementation structureFig. 4

本模型也是通过前级Boost电路来实现MPPT控制，结构图如图5所示。

图5MPPT控制的Boost升压模块Boost module of MPPT controlledFig.5

将光伏电池组的瞬时电压U_pv与电流I_pv送入MPPT控制模块后，计算得到工作于最大功率点处的工作电压U_mppt，如图6所示。接着将U_mppt与光伏电池的瞬时电压U_pv进行比较，通过PI控制器来进行闭环控制，输出脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)驱动信号g来控制绝缘栅双极型晶体管(insulated－gate bipolar transistor，IGBT)开关的开断，如图7所示。通过调整Boost升压环节占空比，最终得到符合预期的光伏电池输出电压。

图6最大功率点跟踪模块MPPT moduleFig.6

图7闭环控制模块PI closed loop control moduleFig.7

3　基于旋转坐标系下的并网控制策略

由于光伏发电功率受天气影响较大，存在间歇性，不能像火力发电一样对发电量进行控制，即光伏发电功率无法按负荷的功率来进行调节。因此，通常采用PQ控制策略来使光伏发电功率恒为可输出的最大功率^[11]。这样一来，便不再需要光伏发电系统根据配电网中馈线电压或其他参数来进行发电功率的调整，而是以一个恒定的有功及无功功率在一个固定值附近输出。

PQ控制由外环功率控制和内环电流控制两部分组成。

先经过派克变换，将abc三相的电气参数转换到dq0坐标系：

(10) $[\begin{array}{l} f_{d} \\ f_{q} \\ f_{0} \end{array}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} cos θ & cos (θ - \frac{2 π}{3}) & cos (θ + \frac{2 π}{3}) \\ sin θ & sin (θ - \frac{2 π}{3}) & sin (θ + \frac{2 π}{3}) \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{matrix}] [\begin{array}{l} f_{a} \\ f_{b} \\ f_{c} \end{array}]$

令

(11) $T_{abc- d q 0} = [\begin{matrix} cos θ & cos (θ - \frac{2 π}{3}) & cos (θ + \frac{2 π}{3}) \\ sin θ & sin (θ - \frac{2 π}{3}) & sin (θ + \frac{2 π}{3}) \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{matrix}]$

则有

(12) $[\begin{array}{l} u_{d} \\ u_{q} \end{array}] = T_{abc- d q} [\begin{array}{l} u_{a} \\ u_{b} \\ u_{c} \end{array}] = [\begin{matrix} u_{M} \\ 0 \end{matrix}]$

则旋转坐标系下，光伏系统电压变换为u_d＝u_M，u_q＝0。

同理，可对光伏系统电流进行派克变换如下：

(13) $[\begin{array}{l} i_{d} \\ i_{q} \end{array}] = T_{abc- d q} [\begin{array}{l} i_{a} \\ i_{b} \\ i_{c} \end{array}]$

此时功率可表示为

(14) ${\begin{array}{l} P = u_{d} i_{d} \\ Q = - u_{d} i_{q} \end{array}$

将式(14)中计算得到的d、q轴参考电流值作为电流环的输入，这样便可利用对电流的控制来实现对功率的控制，d轴电流控制有功功率，q轴电流控制无功功率。

为实现电流的独立解耦控制，就必须消除耦合电压i_LωL及电网电压u对d、q轴电流的影响，因此引入电流状态反馈和电网电压前馈补偿，以实现电流的独立解耦控制，原理如图8所示。i_Ld和i_Lq是换算至d、q轴的电网实际电感电流，L为滤波电感。

图8电流环控制原理Current loop control principleFig.8

其中的PI控制器可根据差量对电流大小进行调节，使得电流控制误差为0，从而保证输出电压可实时跟随电网电压。输出的d、q轴电压在反变换后得到正弦调制信号，经由正弦PWM(sinusoidal PWM，SPWM)来控制三相逆变器的开断，从而使光伏系统的直流电变为和电网同频同相的三相交流电，最后并入电网。

光伏系统PQ控制结构如图9所示。输出电压、输出电流依次经过了派克变换、双环控制、派克逆变换、SPWM环节，最后作用于逆变器可控开关。

图9光伏系统PQ(双环)控制结构Photovoltaic system PQ (double loop) control structureFig.9

由于光伏发电系统的最大输出功率取决于其实时的光照强度和温度，而无法任意设定，因此将控制环的输入P_ref设置为光伏系统经MPPT控制后的最大输出功率，而实际中电网一般不需要光伏电站来参与调节无功，因此光伏系统可只输送有功功率，无功功率参考值Q_ref可调至0，即功率因数为1。

4　仿真分析与结果分析

4.1　仿真模型

综合光伏阵列、汇流箱、逆变器和升压变压器组件及并网控制模块，搭建出完整的20 MW光伏发电站并网PSCAD仿真模型，如图10所示。

图1020 MW光伏发电站并网仿真模型图20 MW photovoltaic power station grid-connected simulation modelFig.10

图11为DC-AC逆变单元，主要由MPPT模块、Boost升压电路、三相逆变桥等组成，MPPT模块负责跟踪实时光照和温度，通过调节输出电压使光伏电池工作在最大功率点，得到最大功率输出；Boost升压电路负责对较低的直流电压进行升压；三相逆变桥将直流电转化为和电网同频同相的交流电。

图11DC-AC逆变环节模型图DC-AC inverter model diagramFig.11

4.2　仿真结果分析

图12为光伏电站并网后功率图，从图中可看出，并网后最大功率输出可达到20 MW，满足功率传输要求。

图1220 MW光伏电站并网后功率图Power diagram of 20 MW PV power grid after grid connectionFig.12

根据要求整体上采取0.27 kV/35 kV升压技术方案，最终实现分块发电、集中并网。从图13中可看出，短时间并网侧电压可达到0.26 kV左右，电压偏差为 $\frac{0.27 - 0.26}{0.27}$ ×100(%)＝3.70%，并能维持稳定，但电压有抖动。

(15) $T_{{HD}_{U}} = \frac{U_{H}}{U_{1}} \times 100 (%) = 2.5 %$

因此，20 MW光伏系统向电网注入的谐波含量较高。

图13光伏电站并网后并网侧电压波形Voltage waveform diagram of grid-connected side after grid connectionFig.13

图14为光伏电站并网后频率波形图，可看到：频率维持在50 Hz，未出现频率偏差。系统频率符合要求，因此不需要对其进行治理。

图14光伏电站并网后频率波形Frequency waveform of photovoltaic power station after grid connectionFig.14

图15为光伏电站并网后并网侧电压总谐波畸变率波形图。从图中可看出，谐波总畸变率为

图15光伏电站并网后并网侧电压总谐波畸变率Voltage total harmonic distortion rate on grid-connected side after grid connectionFig.15

根据GB/T14549-93《电能质量－公用电网谐波》，电网电能质量规定值如表1所示。

表1 公共电网谐波电压(相电压)

Table 1 Harmonicvoltage of public grid (phase voltage)

电网标称电压/kV	电压总谐波畸变率/%	各次谐波电压含有率/%
电网标称电压/kV	电压总谐波畸变率/%	奇次	偶次
0.38	5.0	4.0	2.0
6.00	4.0	3.2	1.6
10.00	4.0	3.2	1.6
35.00	3.0	2.4	1.2
66.00	3.0	2.4	1.2
110.00	2.0	1.6	0.8

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对于35 kV电网系统而言，规定电压总谐波畸变率不得超过2.0%。对比可得，若不采取任何措施，光伏发电并网后，电压总畸变率为2.5%，已超过国家标准；同时，各次谐波电压占有率也超出了国家标准。因此，该条件下的光伏发电并网装置谐波电压总畸变率不合格。故而需对本模型装设滤波补偿装置来补偿谐波，以避免谐波含量过高给电力系统带来的诸多危害。

为达到最佳的滤波效果，尽可能使电网中的谐波得到消除，需要对电容和电感的参数进行组合。LCL滤波器兼顾补偿效果和较低成本，一般可作为光伏并网滤波器的首选^[12]。通过查阅相关文献资料^[13,14,15]，并进行了大量的仿真分析，最终确定滤波电感、滤波电容参数为：L₁＝4 mH，C＝25 μF，L₂＝4 mH，可滤除10次以上的高频谐波。

在图11中DC-AC逆变单元加入LCL滤波器，并再次进行仿真，补偿后的谐波总畸变率如图16所示。

图16补偿后并网侧电压总谐波畸变率Waveform diagram of voltage total harmonic distortion rate on grid-connected side after filteringFig.16

通过比较加装补偿装置前后的仿真图可知：未补偿前，电网侧A相电压的总畸变率为2.5%；加入LCL滤波器进行补偿后，电网侧A相电压总谐波畸变率减少到了0.08%左右。

补偿后光伏电站并网侧电压波形如图17所示。已知，补偿前并网侧电压达到0.26 kV左右，电压偏差为3.70%；而明显地，补偿后并网侧电压可达到指定0.27 kV电压，且电压偏差减小为0.18%，并能维持稳定。同样，对于并网后的电压偏差问题，LCL滤波器也取得了较为良好的效果。

图17补偿后光伏电站并网后并网侧电压波形Voltage waveform diagram of grid-connected side after grid connection after filteringFig.17

5　结论

本文主要是以武汉市黄陂区蔡家榨镇光伏发电项目为实际研究背景，对其20 MW光伏发电并网电能质量影响进行技术评估，通过使用PSCAD仿真软件对20 MW光伏发电站进行模型搭建，并对其并网过程进行仿真研究，分析其对电网电能质量所产生的影响，最后提出了可行的解决方案并进行仿真验证。

本文对光伏电站系统模型的搭建、光伏并网控制策略的应用和并网电能质量的研究具有一定的理论指导意义，对于全国范围内正如火如荼的小型光伏电站的建设，具有一定的工程指导意义。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

ZENG

Jiang

, LING

Yuchang

Analysis and application of power quality of grid-connected photovoltaic power station

[J]. Guangdong Electric Power, 2017, 30(8): 38-46.