太阳能光伏电站等效建模

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-04-28 09:37 热度：

　　摘要：提出了光伏电池在无遮挡以及部分遮挡 2 种情况下光伏电站的等效建模方法。首先根据光伏电池的外特性进行聚合，获得等效光伏电池的外特性;分析了当光伏电池部分遮挡时，等效光伏组件的最大功率点出现漂移，此时根据光伏电池聚合获得的等效光伏单元的功率大于实际值。为获得光伏电池部分遮挡情况下光伏电站的等效模型，根据光伏电站 PCC 点处测量得到的功率、电压以及实际环境信息，以理想光伏电池外特性作为拟合函数，进而辨识光伏阵列的并联数目。算例结果表明，该方法兼具较高的稳态与动态精度，适用于光伏电池型号不同或部分遮挡下的光伏电站等效建模。

　　关键词：光伏电站;等值建模;稳态工作点;动态特性;最大功率跟踪

　　0 引言

　　建设大型光伏电站是大规模集中利用太阳能的有效方式。自 1993 年德国建成第一座 MW 级并网光伏电站以来，大型并网光伏发电成为重要的发展趋势[1]。中国的并网光伏发电呈现出“分散开发、低压就地接入”与“大规模集中开发、中高压接入” 并举的发展特征[2]。2004 年深圳园博园建成了国内第 1 座 MW 级并网光伏电站，此后若干 MW 级并网光伏电站在甘肃、宁夏、上海等地建成或开工。

　　由于光伏电站与常规发电机组的运行机理不同，大容量光伏电站并网将给电网安全稳定运行带来新的挑战[3-5]。MW 级光伏电站内光伏组件、逆变器、控制器等数量较多，如果对每一个元件都准确建模，较高的模型阶数导致较大的计算工作量。此外，单个光伏电站的容量较小，容量大小和模型阶数的严重不匹配，使得电力系统仿真的效率大大下降，因此有必要对光伏电站进行聚合建模。

　　近年来，科研人员在光伏发电单元各组成部分的建模方面已经开展了大量的研究工作。如在光伏电池建模方面，文献[6]针对不同的光伏电池材料，给出了光伏电池的双二极管机理模型及单二极管机理模型。在光伏电池参数辨识方面，根据光伏电池的外特性曲线，采用解析[7-8]/拟合[9]的方法辨识参数;也有文献[10]根据厂家给出的标准环境下的开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流等信息，采用估算方法辨识光伏电池各参数。光伏逆变器及其控制环节是光伏发电单元重要组成部分，文献[11]针对光伏并网逆变器的“黑箱”特性，根据逆变器的输入输出信息，采用 NARX 模型和 Wiener 模型，对光伏并网逆变器进行了辨识建模;文献[12] 通过在控制器内部参考信号上施加扰动，辨识光伏逆变器控制环节各参数。

　　目前在光伏电站等效建模方面的研究还较少。文献[13]计及了逆变器的死区及器件非线性特性，对多并网逆变器进行了建模;文献[14] 为分析光伏电站谐波产生机理，估算不同工况下光伏电站谐波输出，提出光伏电站动态谐波域模型。上述文献均基于谐波分析的需要而建立谐波域模型。文献[15] 针对同类型的光伏电池、光伏逆变器及其控制系统的光伏电站，采用按容量加权方法获得等值光伏发电系统各参数。

　　实际光伏电站中光伏阵列面积大，光伏组件性能[16]由于实际运行条件可能导致工作温度、日照强度不同，从而达不到理想的光伏阵列特性要求。部分光伏组件遮挡情况下如何获得等效光伏电池的模型及参数目前还未有研究报道。为此本文针对光伏电池无遮挡以及部分遮挡 2 种情况，给出了光伏电站的等效建模方法，并通过算例进行了仿真验证。

　　1 光伏电站的参数聚合

　　动态等值不仅必须保证等值系统的初始运行点与原系统一致，而且应该使得在外部系统受到扰动时，等值系统的主导动态特性与原系统一致。

　　等值的前提是保留原系统的主导动态特征，故只有同调的机群才能用一台等值机表示。动态元件的同调性体现在其主导模式的一致性，通常通过动态元件受扰轨线来表现。选取受扰轨线进行同调判别时，满足：1)选取的观测量应能反映系统的主导动态行为。如在对同步发电机进行同调判别时，常采用各发电机的功角作为观测量;在对异步电动机同调判别时，常以滑差作为同调判别的观测量。 2)同调判别的标准为两观测量的受扰轨线差在观测时段内的最大值应小于某规定的阈值。

　　光伏电站由光伏电池、最大功率点跟踪 (maximum power point tracking，MPPT)控制、逆变器及其控制、滤波器等组成。光伏电池为静态元件，光伏电站的动态特性主要由光伏逆变器及其控制环节[17]决定。由于光伏电站容量较小，同时由于实际光伏电站中的逆变器型号及控制方式基本相同，因此在光伏电站动态等值建模时，可不考虑发电单元的分群，即将光伏电站用单个等值光伏发电单元等效。

　　光伏电站的参数聚合包含集电网络的参数聚合、光伏电池参数聚合、逆变器及其控制环节的聚合、滤波器的参数聚合等。下面将以某光伏电站为例，详细介绍光伏电站各组成部分的参数聚合方法。

　　以图 1 所示光伏电站为例，它由容量约 100 kW 的光伏阵列汇流后并联至 100 kW 光伏逆变器直流侧，2 台 100 kW 光伏逆变器及 1 台连接方式为 Yn11-Yn11-D、变比为 0.26/0.26/25 kV 的双分裂变压器组成 1 个容量为 200 kVA 的发电单元，5 个容量为 200 kVA 光伏发电单元在 25 kV 母线公共连接点(point of common coupling，PCC)汇流后，通过架空线送至上级 110 kV 变电站。

　　1.1 集电网络参数聚合

　　文献[15]提出以聚合模型和原模型的有功功率损耗、无功功率损耗相等为原则求取集电网络的等值阻抗。但该文在计算中将各光伏电源输出电流的幅值及相位设为完全相等，这样的简化会带来一定的误差。

　　2 算例分析

　　本文基于 Matlab2013b Demo，搭建图 1 所示的光伏电站模型。其中光伏电池型号为 SunPower SPR-305-WHT，其开路电压 Uoc=64.2 V，短路电流 Isc=5.96 A，最大功率点处的电压和电流分别 Um=54.7 V，Im=5.58 A。由 96 块光伏电池组成光伏组件，5 块光伏组件串联组成 1 串，66 串并联组成光伏阵列。单个光伏发电单元由电压为 240 V、容量为 100 kW 的光伏阵列，经 Boost 电路(MPPT 采用扰动观察法)，通过稳压电容、光伏逆变器以及滤波电路至三绕组分裂变压器。稳压电容 C′=12 mF，逆变器的容量为 100 kVA;逆变器控制环节采用定电压控制方式，外环电压控制器的比例积分系数分别为 KUP=7，KUI=800;内环电流控制器的比例积分系数分别为 KIP=0.3，KII=20。滤波器参数 R=0.018 85 Ω， L=0.25 mH，滤波电容 Qc=10 kvar。升压变低压侧容量为 200 kVA，低压侧阻抗 ZT1=0.001+j0.03 pu，高压侧阻抗 ZT2= 0.001+j0.03 pu。

　　2.1 光伏电池无遮挡

　　根据上述参数聚合方法，获得等效光伏发电单元的光伏电池、逆变器及其控制环节、集电网络等参数。下面将分别设置光照强度变化以及 PCC 点电压跌落 2 种扰动，分析聚合模型的等值效果。

　　2.1.1 光照强度变化

　　设所有光伏电池的光照强度在 t=0.5—1 s 期间从原 1 kW/m2 下降到 250 W/m2 ，持续 0.5 s 后，在 t=1.5—2 s 期间从 250 W/m2 又上升到 1 kW/m2 ，此时详细模型及聚合模型的光伏阵列输出有功功率、 PCC 点的有功功率、无功功率以及 a 相电压和电流的受扰轨迹分别见图 8。

　　从图 8 可以看出，光照强度变化时，聚合模型与原详细模型的有功功率较吻合，无功功率有较小的差异。该差异的原因在于逆变器控制环节采用定电压控制方式，详细模型中各光伏发电单元的出口电压U1  —Un  有差异，使得详细模型中多个光伏发电单元无功功率受扰轨线的叠加，与聚合模型相比反而更平滑。

　　2.1.2 PCC 点电压跌落

　　以图 1 为例，设在 t=0.5 s 光伏电站 PCC 点发生三相接地故障，t=0.6 s 故障切除，系统恢复原状态，仿真时间为 1 s。短路后各受扰轨线见图 9。

　　本文来源于:《电网技术》(月刊)创刊于1957年，是中国电力行业影响深远的学术期刊，专业范围涉及发电并网、输电、配电及用电等领域，刊出论文包括综述性论文和原创研究性论文2种，近期栏目包括：专家论坛;特约专稿;电力系统分析与控制;低碳电力技术;能源互联网;直流输电与直流电网;直流电网基础理论及关键技术;可再生能源发电与综合消纳技术;大规模交直流混联电网运行特性、风险及控制技术;智能用电技术;配用电大数据技术;电力市场;能源与电力供给侧改革关键技术;电动汽车与能源互联网;自动化;高电压技术等等。

　　从图 9 可以看出，当 PCC 点电压跌落时，详细模型与聚合模型的受扰轨线基本吻合，其中无功功率会有较小的差异，原因与前述相同。

　　综上所述，当各光伏发电单元的模型及参数相同，且光照强度、环境温度一致时，等值模型可较好地反映原光伏电站的稳态及动态特性。

　　2.2 部分光伏电池有遮挡

　　二极管在光伏电站中的作用如图 10 所示。当串 1 中的光伏组件受遮挡后，串 1 中光伏组件的输出电压小于未被遮挡的光伏组件，此时串 1 中的二极管因受到反向电压而截止。此时图 10 中的光伏阵列的输出为未受到遮挡的光伏组件。

　　假设图 1 中 PV7—PV10 中各有 6 串光伏阵列受到遮挡，被遮挡的光伏组件因承受反向电压而截止。因此聚合电路中并联光伏阵列由原来的 660 串减少到 636 串，采用 636 串理想的光伏组件外特性等效原光伏电站。光照强度变化以及 PCC 点电压跌落 2 种情况下的等值效果分别见图 11、12。

　　从图 11、12 可以看出：在光伏电池局部遮挡的情况下，等效光伏发电单元与原系统的稳态特性及动态特性皆有误差，此时等效模型的有功功率稳态值要高于实际值。

　　其原因在于，光伏电池部分遮挡后，其等效模型的外特性不再是理想的光伏电池外特性，实际的功率−电压曲线具有多峰值特性。此时，采用理想光伏阵列建模，必然造成较大的误差。

　　2.3 光伏电池有遮挡时模型聚合

　　为获得部分遮挡情况下等效模型，本文提出辨识的方法，即根据 PCC 点测得的有功功率、电压、实际光照强度及环境温度，采用单理想光伏电池外特性拟合，辨识虚拟的并联光伏阵列数目。再以该辨识得到的光伏阵列数目以及理想的光伏电池外特性，对原系统进行等效建模。

　　在上述算例中，当光伏阵列 PV7—PV10 中各有 6 串光伏组件受遮挡时，实际并联的光伏组件有 636 串，此时采用辨识方法可得该光伏电站的并联光伏组件数目有 502 串。采用辨识的光伏组件数目等效原光伏电站，图 13 给出了光伏强度变化以及 PCC 点电压跌落 2 种情况下的受扰轨迹。

　　从图 13 可以看出：根据辨识得到的光伏阵列数目，PCC 点处的有功功率具有较好的拟合效果，无功功率稳态值与原系统一致，仍动态特性具有一定的误差。

　　3 结论

　　本文针对光伏电站的等效建摸问题，给出了集电网络参数的等效方法，以及光伏电池、逆变器及其控制环节、滤波器的参数等效方法。

　　通过在无遮挡以及有遮挡 2 种情况下光伏电池外特性的聚合分析，表明当被聚合光伏电池的外特性不尽相同时，等效模型的外特性已不再是理想的光伏电池外特性，这给遮挡情况下光伏电池的参数聚合带来了一定的困难。

　　本文提出可假想光伏电站仍旧为理想的光伏电池外特性，通过参数辨识的方法获得光伏电站的等效光伏组件并联的串数，以该辨识光伏组件并联串数及理想的光伏电池外特性等效原光伏电站。算例表明该方法具有较好的拟合精度。

　　算例中聚合模型的无功功率动态仍有一定的差异，这是后续工作需要研究的内容。——论文作者：潘学萍 1 ，张源 1 ，鞠平 1 ，金宇清 1 ，刘同宝 1 ，曾平良 2 ，韩家辉 2

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文章名称：太阳能光伏电站等效建模

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