基于DIGSILENT的光伏电站建模与仿真

2 建模与仿真
本模型采用两级拓扑式结构，其 DIDSILENT 模型如下图 11 所示。其中：Extend Grid 为外部电网； Line2 与 Line 为与外部电网连接的交流线路，额定电压 3kV；AC2 为太阳能光伏电池的并网点母线，额 PWM U1 为逆变器， 定电压 3kV； 容量 4MW； 母线 DC 及电容 C1 为直流母线及直流电容， 额定电压 0.4kV； DC/DC Converter 为 boost 直流斩波电路；可控电流源 DC-Current 用于模拟太阳能光伏电池，电流基准 值取为 1A。
由上面介绍的网侧变流器矢量控制原理可 知，需要进行电网电压定向，可以利用一锁相环 （PLL）来确定电网电压的方向。网侧变流器控 [11] 制系统 如图 10 所示。
vcap v
* cap
i
* d
id
ed −ω1Liq * ud
* uq
* uabc
Vr*
Vr
* iq
iq
ω1 Lid
图 3 网侧变流器控制系统结构图
图 1 光伏发电系统
光伏电池发出的电为直流电，需要经过逆变 器转换成交流电才能进入配电网。目前较广泛应 用的是无变压器方式的变流器结构，即两级式的 变流器拓扑结构，该结构进一步减小了变流器的 体积、降低了成本、提高了电站的传输效率。由 于光伏阵列的输出直流电与升压电路连接，使光 伏阵列在工作条件快速变化引起输出电压大幅变 化时， 逆变器的直流输入电压仍能保持基本稳定， 保证逆变器工作正常。并网逆变器将光伏阵列输 出的直流电转换为与电网电压同频同相的交流 电，采用 SPWM 控制。 1.2 光伏电池数学模型 太阳电池的基本特性和二极管类似，可用简 单的 PN 结来说明。理想 PN 结单元太阳电池的 电流-电压(I-V)的关系式如下：
0 引言
作为一种可持续使用的清洁能源，太阳能得 到了越来越多的重视，发展太阳能是解决我国能 [1] 源和环保问题的重要途径 。太阳能发电技术的 发展要求我们加深对太阳能发电机组动态性能的 了解程度，而建立模型并对其进行仿真是对一个 系统进行研究的有效手段。 目前世界上流行的太阳能发电技术大体上可 分为太阳能光伏及太阳能光热发电两大类。太阳 能光热发电是使用大型凹面镜将太阳能聚焦，将 太阳能转化为热能，再利用小型发电机转化为电 能的方案。太阳能光伏发电是使用太阳能光伏电 池，利用光电效应直接将太阳能转换为电能的方 案。由于结构简单、投资小、运行维护方便等原 因，太阳能光伏发电系统在实际中得到了广泛的 [2] 应用 。 为保证太阳能光伏电池转化效率，太阳能光 伏发电系统最大功率追踪包含两层策略： （1）通 过调节光伏电池太阳光入射角度，保证太阳光照 辐射强度最大。 （2）通过变流器调节太阳能光伏 电池直流电压，实现最大太阳辐射能量捕获。
qV
其中：
S I PV = I sh (1 + JT (T − Tref )) 1000
(0.3)
q (U + IRs ) I d = I sat e AKT − 1
T = Id 0 Tref
− − AK Tref T e 3 qEg 1 1
目前广泛使用的太阳能电池入射角度调节方 式有固定式、单轴以及双轴调节三种方式。采用 单轴调节方式太阳能光伏电池板可围绕与地面呈 一定角度的固定轴旋转，具有一维自由度，而双 轴调节方式电池板可围绕相互垂直的两个方向旋 转，具有较高的运行效率。 本文对太阳能光伏发电原理进行分析的基础 上，建立了固定式太阳能光伏发电系统的 DIGSILENT 电磁暂态模型， 作为进一步研究太阳 能光伏发电系统动态性能的基础。
i (t ) − i (t −Δt ) i (t ) >− v(t ) − v(t −Δt ) v(t )
式中： usa 、 usb 、 usc ——网侧变流器电压； ia 、 ib 、 ic ——网侧变流器电流； ua1 、 ub1 、 uc1 ——电网电压。 dq 坐标系统下电压方程转化为：
usd = ( R + jω1 L)id − ω1 Liq + ud 1 usq = ( R + jω1 L)iq + ω1 Lid + uq1
(0.16)
式(0.17)可写为
Pg = ed id Qg = −ed iq
(0.18)
由式(0.19)可见，在电网电压保持恒定时，转
子有功功率与 id 成正比，而转子无功功率则与 iq 成正比。网侧变流器矢量控制实现了电网和网侧 变流器间交换的有功功率和无功功率控制的解 耦。实际上， id 与直流母线 Vd 相关，其参考值由 直流母线电压的偏差决定。
(0.13)
上式为达到最大功率点的条件，即当输出电 导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列工 作在最大功率点。 将 dI 和 dV 分别用各自的差分代替， 式(0.9)可 近似为： i (t ) − i (t −Δt ) i (t ) =− (0.10) v(t ) − v(t −Δt ) v(t ) PV 阵列在最大功率点 （MPP） 处有 dP/dV=0， 如果 PV 阵列工作在最大功率点（MPP）处者其 必定满足等式(0.10)。同样，可以推导出 dP/dV<0 和 dP/dV>0 的近似表达式： i (t ) − i (t −Δt ) i (t ) <− (0.11) v(t ) − v(t −Δt ) v(t ) 及
王 波，张保会，舒 进
（西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049） 摘 要： 首先介绍了太阳能光伏发电的概况。然后，针
对太阳能光伏电池的暂态模型进行了理论研究，并在 DIGSILENT Power Factory 中建立了含有 MPPT 控制和变 换器控制环节的模型来进行仿真研究，仿真结果证明了 所建立模型的正确和有效性。最后，总结了本文主要内 容和结论。 关键词：DIGSILENT；光伏电站；建模与仿真
太阳光照强度初始值为1100lmm在20s时上升至1200lmm12太阳能光照强度变化情况光伏电池初始电压为0376kv电池运行于非最优点随着mppt控制作用电池电压迅速调整至最优电压03715kv20s时随着光照强度的变化电池通过最优功率追踪调节作用重新运行于另一最优运行点相应电压为0381kv
基于 DIGSILENT 的光伏电站建模与仿真
RS Id
Ir
根据以上关系，选择合适的参数，即可建立 光伏电池的物理机制模型。需要指出的是，光伏 电池的输出电压较低，一般仅为几十伏。采用串 联和并联的光伏电池组的输出电压一般也远低于 工频电压幅值。为了提高逆变器的逆变效率，需 要 boost 电路度和温度的影响很大，系 统工作点不稳定，导致系统输出效率不高。图 3 是典型的有功输出随着光伏电池输出电压变化的 [6] 曲线 。
(0.4)
I sat
(0.5)
Ir =
U + Rs I Rsh
(0.6)
I = I 0 (e KT − 1)
(0.1)
I 为 PN 结的电流， I0 为反向饱和电流， 其中， V 为外加电压，q 为电子电荷；K 为波尔兹曼常 数，T 为绝对温度(K)。 电池单元是光电转换的最小单元，一般不单 独作为电源使用。将光伏电池单元进行串、并联 并封装后就成为光伏电池组件， 功率一般为几瓦、 几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件按需要再 进行串、并联后形成光伏电池阵列。 光伏电池的模型有两种：基于物理机制的模 型和基于外特性的模型。基于物理机制的光伏阵 列模型最大的特点就是与光伏阵列物理机制相对 应，仿真准确度高。基于外特性的模型是通过曲 线拟合的方法近似模拟光伏电池的外特性。基于 外特性的模型具有简单、容易理解和参数求解方 便等特点，而基于物理机制的模型能够准确反映 光伏电池的物理本质和物理特性，仿真精度高。 本文采用基于物理机制的模型。单个光伏电池的 [4-5] 等效电路如图 2 所示 。
(0.14)
电网和网侧变流器间交换的功率为：
Pg = udl id + uql iq Qg = uql id − udl iq
(0.15)
(0.12)
将同步旋转坐标系下的 d 轴准确定向于电网电压 空间矢量方向上，即所谓电网电压定向，有
udl = ed uql = 0
电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和 瞬时电导来改变控制信号。控制精确，响应速度 比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是 其控制算法需要对光伏阵列的电压和电流进行采 样，对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较 高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而 整个系造价也会比较高。
图 11 光伏电池的 DIGSILENT 模型
其中，光伏电池采用受控直流电流源模拟， 由模拟光伏电池的电流源和模拟光伏电池伏安特 性的模块组成，其主要参数包括给定参数参考温 度值，取参考温度为 25℃，即 T=298K；光照强 度 G，单位千流明/米平方。模型中 MPPT 模块使 用增量电导法对直流斩波电路占空比进行调节， 进而通过改变光伏电池直流电压保证其运行于最 优运行点上。MPPT 控制方案输出信号为直流斩 波电路占空比，并通过 boost 斩波电路加以执行。 MPPT 寻优通过比较电压电流比值及其变化率比 值之差的正负，按预定的调节步长调节斩波电路 占空比，模型中调节步长为 0.0001v（该参数可 调） 。 变换器控制包括直流侧电压控制和交流侧电 压控制两部分。其中直流侧电压控制通过调节逆 变器交流侧电流有功分量，保证逆变器通过有功 与斩波电路有功功率一致，从而保证直流环节电 压恒定。交流侧电压控制通过调节逆变器交流侧 电流无功分量，调节整个光伏电池输出无功值，
1 太阳能光伏电池暂态模型研究
太阳能光伏电池产生电能经直流斩波与逆变 变频器组与电网相连， 在电网侧获得工频交流电。 太阳能光伏电池输出受日照强度影响，需要建立 含最大功率追踪控制的太阳能电磁暂态仿真模 型，模拟太阳能光伏电池特性的模型与变频器及 其控制模型、 研究大规模光伏电池方阵-并网逆变 器等值模型及其功率输出特性。 1.1 太阳能光伏电站拓扑结构 光伏电池发出的电为直流电，需要经过逆变 器转换成交流电才能进入配电网。光伏发电系统 [3] 的一般拓扑结构如下图 1 所示 。 光伏电池输出的直流电经过逆变器转换为交 流电，然后经过连接电感与配电网相连。测量单 元将光伏电源接入点的电气量输入控制单元，控 制单元根据不同的需要采取不同的控制策略，控 制逆变器的导通和关断，向配电网输送合格的交 流电。
dP dI = I +U ⋅ =0 dU dU
dI I =− dU U
1.4 网侧逆变器及其控制 电网侧变流器的控制采用基于电网侧电压定 向的向量控制方案，实现网侧变流器与电网之间 传输的有功功率和无功功率的解耦控制，主要用 于稳定直流母线的电压和控制网侧变流器与电网 [9-10] 的无功功率交换 。其控制目标为： (1)保持直流电压为恒定值； (2) 控制电网侧变流器与电网交换的无功功 率为设定值。
图 3 不同光照强度下的 P-U 特性曲线
I
1.3 太阳能光伏电池 MPPT 及直流斩波电路控制 光伏电池阵列必须实现最大功率点跟踪控 制，使得在任何光照强度和温度状况下都能获得 最大的功率输出。最大功率点跟踪算法（MPPT） 有恒定电压跟踪法、扰动观测法、增量电导法、 [7-8] 最优梯度法等 。恒定电压法根据光伏电池 I-V 曲线的最大功率点几乎分布在一条垂直线两侧的 特点，将最大功率输出点对应为某一个恒定的电 压，实际上就是稳压控制。该方法简单易实现、
图 2 网侧变流器
(0.8) (0.9)
设网侧变流器通过阻抗为 R+jw1L 的线路并 入电网，则可写出电压方程：
usa ia ua1 usb = ( R + jω1 L) ib + ub1 usc ic uc1
I PV
Rsh
图 2 单个太阳能电池的等效电路
从电路原理可以推知单个太阳能电池终端的 电流关系如式(0.2)。
I = I PV − Id − Ir
(0.2)
可靠性高， 但是忽略了温度的影响， 控制精度差。 扰动观测法是通过主动地输出扰动电压，然后观 测扰动后的功率变化——若大于扰动前的功率输 出，继续同方向的电压变化，否则电压向相反方 向变化。扰动法原理明确、易于实现，但是系统 始终在最大功率点附近波动，而且跟踪过程可能 出现失序的情况导致跟踪失败。电导增量法是通 过比较光伏电池阵列的瞬时电抗与导抗的变化量 来实现最大功率跟踪的，是多种跟踪方法中准确 性最高的一种，有良好的跟踪性能。电导增量法 通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变 控制信号，控制精确，响应速度比较快，适用于 大气条件变化较快的场合。采用电导增量 MPPT 方案的太阳能光伏最大功率追踪方案。本模型使 用电导增量法进行最大功率追踪。 通过光伏阵列 P-U 曲线可知最大值 Pmax 处的 斜率为零，所以有 P =U ⋅I (0.7)