基于复合控制策略的并网光伏电站机电暂态仿真模型研究

基于复合控制策略的并网光伏电站机电暂态仿真模型研究
张博越;刘宗歧;李建林
【摘要】对现有最大功率点跟踪（MPPT）控制策略进行对比分析,结合CVT及P ＆O两种算法,提出复合控制策略。

基于此策略,构建10 MW并网光伏电站（PPS）机电暂态仿真模型。

该模型由光伏阵列、直流侧电容、MPPT控制器、并网逆变
器以及电流注入模块五部分组成。

利用电力系统分析综合程序（PSASP）7.0对模型进行搭建。

仿真试验结果表明,复合控制策略具有响应速度快、无振荡的特
点,PPS并网模型具有准确的出力特性,且能够在仿真软件中无障碍调用。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2016(000)016
【总页数】6页(P66-71)
【关键词】光伏并网 PSASP MPPT 机电暂态
【作者】张博越;刘宗歧;李建林
【作者单位】[1]华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;[2]中国电力科学研究院,北京100192
【正文语种】中文
【中图分类】TM615.2
随着环境恶化及化石燃料的不断开发,光伏发电技术因其可再生、无污染等特点备
受关注[1-2]。

为了更好地分析光伏并网发电的动态特性,建立准确的PPS并网模型是当前亟待解决的问题。

目前国内外已对PPS并网稳态模型进行了大量研究分析,在稳态潮流计算分析中,多采用恒定电流源对PPS模型进行等值处理[2-4],但该模型无法反应并网PPS的暂态特性,不能适用于PPS动态特性仿真分析。

对于PPS并网机电暂态模型,MPPT控制以及并网逆变器控制是光伏发电系统的关键部分。

目前MPPT控制策略中主要采用恒定电压(CVT)法、扰动观察(P&O)法及导纳增量(INC)法,3种方法各有优缺点[5]。

文献[6]采用CVT算法,结构简单,响应速度快但精度较差。

文献[7-10]采用P&O算法,但在小步长设定下响应速度慢,无法适应环境变化恶劣的情况,而在大步长设定下又会在最大功率点附近产生振荡,因此该方法无法兼顾最大功率点(MPP)的跟踪精度与响应速度。

文献[11-13]采用INC 算法,能够较好地适应快速环境的变化,精度高,但其跟踪效果依赖精确的测量结果，且算法较为复杂,不适用于机电暂态过程分析。

因此,本文针对上述问题,提出基于CVT算法及小步长P&O算法的复合控制策略模型,在此基础上,结合PSASP7.0仿真软件的工作原理,在PSASP UD中搭建10MW PPS并网机电暂态模型。

通过仿真试验,验证复合控制策略及PPS并网机电暂态模型的正确性及有效性。

PPS并网系统主要由光伏阵列、直流侧电容以及并网逆变器三部分组成,其基本结构如图1所示。

本文提出的PPS并网机电暂态模型信号流程图如图2所示,分别针对光伏阵列、直流侧电容、MPPT控制器、并网逆变器以及电流注入五个模块进行等值及建模。

图2中,S、T分别为当前环境下的光照强度及温度,np、nc为光伏阵列串并联数量,IRE、IIM为PPS机电暂态模型注入电网的电流量,UT为PPS并网点母线电压,Uref为参考电压设定值,一般取值为1.0 p.u.。

1.1 光伏阵列模型
在实际工程中,光伏电站的建立一般采用同一厂家的光伏电池单体,可以假设各发电
单元具有相似的外特性,因此,光伏电站便可认为是由众多光伏阵列串并联组成[14]。

光伏阵列由光伏电池板串并联而成,是光能向电能转换的装置。

光伏电池等效电路
如图3所示。

光伏电池电压电流输出特性:
Im是电池厂商提供的用于描述光伏电池特性的重要参数,各参数是在标准环境下(T=25℃；S=1 000 W/m2)测量得到的,在实际工程中需对其进行修正,修正方程如下:
本文选取光伏电池参数如表1所示,其静态特性曲线如图4所示。

由图4可以看出,光伏电池输出功率受环境影响较大,因此需对其MPP进行跟踪控制,以求得最大功率输出。

1.2 直流电容及MPPT控制器模型
在光伏电站工作过程中,光伏阵列工作电压由直流侧电容提供,因此在对MPPT控制器建模之前,需首先对直流侧电容进行建模。

按照式(4)～式(6)便可在PSASP中建立直流电容模型,其模型信号传递关系如图5
所示。

图5中，DB为死区环节,对死区范围进行合理设定,以防止直流电容频繁充放电,影
响其使用寿命。

光伏阵列为按照1.1节搭建模型的封装模块,为直流电容模块提供
光伏输出电流IPV。

基于基尔霍夫电流定律,通过IPV与IDC加和,生成注入直流侧电容的电容电流IC。

IC经积分环节K/Ds计算,得出直流电压UDC,从而便可形成
闭环。

利用PSASP对该部分模型搭建时,需为光伏阵列工作电压设定初值,否则无
法进行仿真。

本文假定在动态过程发生之前,PPS工作在最大功率点处,因此选取标
准环境下光伏阵列最大功率点(MPP)电压作为工作电压初始值。

由1.1节分析可知,光伏阵列MPP电压会随光照强度及环境温度的变化而改变,若
仅采用CVT控制策略无法实时跟踪当前环境下的MPP电压,难以准确控制,导致资
源浪费。

因此,在实现CVT控制目标后,利用P&O算法对MPP电压附近的稳态特
性进行进一步优化,在该算法中P&O的扰动步长可远小于传统方法中的步长,从而
可以减小在MPP电压附近的振荡现象。

采用复合控制策略流程图如图6所示。

图6中,Ulim为激活P&O算法的限值,ΔU为P&O扰动步长设定值。

对Ulim合理设定,当电压变化范围大于该限值时,采用CVT算法迅速响应,改变当前光伏阵列工作
电压;当电压变化范围小于或等于该限值时,激活P&O算法,对工作电压进一步优化,使得电压逼近MPP电压。

两种算法协同工作,可以实现光伏阵列工作电压的快速准确控制。

1.3 逆变器控制系统模型
逆变器控制系统采用电压外环、电流内环的双环控制策略,基于经典PI控制器,通过响应光伏阵列工作电压变化以及并网点母线电压变化,对系统相关参量进行控制,在
机电暂态过程的快速调节中,电流内环的功率调节特性可简化为两个相互独立的一
阶动态环节[15],逆变器控制系统结构图如图7所示。

图7中,UDC为光伏阵列工作电压,UT为PPS并网点母线电压;Pset、Qset为外环控制器输入内环控制器的有功功率/无功功率控制指令;P、Q为逆变器注入电网的有功功率及无功功率。

KP1、KP2分别为PI控制器比例调节系数,KI1、KI2分别为PI控制器积分调节系数。

Tp、Tq分别为功率时间调节常数,根据理论分析和国内外工程实际经验表明,该时间常数值约为10～40 ms[16]。

1.4 电流注入模块模型
PSASP在暂态稳定计算过程中采用时域仿真分析,利用网络节点导纳矩阵建立微分方程,采用隐式梯形积分算法求解,UD模型及系统模型均参与隐式积分迭代[15]。

为保证PPS机电暂态模型与仿真平台接口一致以及仿真结果的准确性,本文采用节点电流注入法对模型进行处理。

设U为PPS并网点电压向量,URE、UIM分别为电压向量的实部和虚部;I为PPS
注入电网电流向量,IRE、IIM分别为电流向量的实部和虚部。

因此PPS机电暂态模型注入电网的复功率为
将IRE、IIE作为待求量,求解方程(7)可得
根据公式(7)～(9)便可在PSASP中搭建电流注入模块模型。

基于第2节建立的PPS机电暂态模型,依托PSASP7.0仿真平台及中国电力科学研究院7节点(EPRI-7)标准算例,设置相应仿真试验,验证本文复合控制策略的可行性以及PPS仿真模型的有效性。

该算例系统基准容量为100 MVA,发电机S1为平衡节点,采用10串15626并的光伏阵列组建10 MW光伏电站并网系统,光伏阵列选用参数如表1所示。

PPS电压等级较低,因此为使PPS能够接入算例,需在EPRI-7节点算例中添加相应母线、变压器及线路元件,所添加元件详细参数如表2所示。

由于PSASP暂态稳定分析计算需要潮流计算为其提供初始值且潮流分析中可以视PPS为恒定电流源,因此在算例中添加负荷节点Load_2为PPS提供初始值。

算例修改示意及稳态初始潮流计算结果如图8所示。

图8中PPS机电暂态模型在潮流计算过程中并不参与计算,因此没有功率流过,负荷Load_2为PPS提供0.1 p.u.初始值。

2.1 复合控制策略验证
为验证复合控制策略的有效性,本文在光照强度突变的情况下,分别采用CVT、P&O 及复合控制策略进行仿真,P&O扰动步长分别设定为0.015 V及0.5 V,复合控制策略中扰动步长ΔU设置为0.005 V,电压波动限定域Ulim设定为0.3 p.u.。

光照强度变化如图9所示,在t=2 s时刻,光照强度由1 000 W/m2突变为800
W/m2,t=3 s时刻恢复为1 000 W/m2。

MPPT控制策略仿真结果如图10所示,由图10可见,CVT控制策略可以迅速响应环境变化,但由于参考电压恒定,因此无法始终保持最大功率输出,精度较差。

P&O
控制策略在扰动步长较小时,响应速度较慢,扰动补偿增大后又会在最大功率点附近产生振荡,无法兼容响应速度与精度。

而复合控制策略可以综合两种传统MPPT控制策略的优势。

由图10仿真结果可以得出,本文提出的复合控制策略可以有效跟踪环境变化,保证PPS最大功率输出,具有响应速度快、精确度高并且无振荡等特点。

2.2 PPS并网点故障输出特性验证
为进一步验证PPS机电暂态模型的准确性,设置并网点故障,观察故障情况下PPS 机电暂态模型输出特性曲线。

故障设置:在光照强度为1 000 W/m2的环境下,母线PV1与母线G2间发生单回路三相接地短路,接地阻抗Z=0.015 p.u.,起始时刻为t=1 s,终止时刻为t=1.15 s,仿真总时长设置为10 s。

观察PPS有功功率输出、直流侧电压、直流侧电流、PPS并网点母线电压及PPS并网电流,仿真结果如图11所示。

由图11可见,当并网点发生短路故障后,并网点母线电压降低,PPS并网电流增大,符合故障时系统变量的变化趋势。

直流侧由于电容钳位作用,电压变化不大。

直流侧电流变化幅度较小,是由于该变量主要受控于环境因素及光伏自身特性,对网络故障的响应程度不大。

因此,该光伏模型在并网点发生故障情况下的动态特性符合理论分析结果。

本文在分析光伏电站并网系统各部分工作原理的基础上,利用PSASP7.0 UD搭建了基于复合控制策略的10 MW并网PPS机电暂态模型。

通过对EPRI-7标准算例的仿真试验,仿真结果表明:
(1) 复合控制策略具有响应速度快、精度高及无振荡的优势,可以适用于机电暂态仿真过程。

(2) PPS并网机电暂态模型在暂态工况下具有准确的外特性,该模型能够很好的植入
PSASP7.0仿真平台,并且能够无障碍调用,具有一定工程应用价值。

本文所建立的模型能够为分析电网接纳光伏能力以及光储联合运行提供理论基础。