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1、i;_y#_s李晶1 , 许洪华2 , 赵海翔3 , 彭燕昌2(1.西门子中国研究院, 北京市 100102;2.中国科学院电工研究所, 北京市 100083;3.中国电力科学研究院, 北京市 100085)K1:在假设并网光伏电站各交流器件的输出和输入变量只含有基波分量的前提下,提出了一种利用相量法和受控源法模拟并网光伏电站电能转换及传输系统特性的方法,并建立了包含光伏阵列,具有最大功率跟踪功能的逆变器、变压器及控制系统的并网光伏电站整体仿真模型。通过采用国内某地并网光伏电站的实测数据进行的仿真验证及误差分析可知,所提出的光伏电站模拟方法和数学模型是有效的。1oM:并网光伏电站;数学模型;仿
2、真;受控源ms|:TM615 ;TM744收稿日期:2008-07-29;修回日期:2008-10-06。0随着能源问题的日益紧迫,世界各国开始高度重视新能源的开发及其相关技术研究1-2 。当前,光伏发电的大型化和规模化已成为国内可再生能源发展战略的重要内容,同时也是引导光伏产业发展的必由之路。但由于其自身不同于常规电源的发电特点,使得并网光伏电站及其接入系统的安全、稳定、可靠运行成为了电网及光伏电站都需要面临的新挑战。因此,大型并网光伏电站及其接入系统运行特性的研究成为目前光伏发电产业和电力领域共同关心的重要课题。其中,大型并网光伏电站及其接入系统数学模型的研究是该课题的理论基础,迫切需要开
3、展研究和提供有价值的解决方案。关于并网光伏电站数学模型的研究,国外文献提出了多种不同的方案。可归纳为独立核心器件建模3-6及整体系统建模7-10 2种。独立核心器件建模是以光伏发电系统中逆变器为核心,将逆变器两侧元件按照逆变器拓扑结构的要求进行化简而得到等值模型的一种方法。该建模方法缺乏整体协调性,不能全面地反映光伏发电系统各部分的动态特性。关于整体系统建模方案,目前可归纳为3种:等效二端口网络模型7 ;简化等值电路模型 8-9 ;受控源模型10 。文献 7以无损二端口特性为基础,推导出采用buck-boost电路的DC/DC变流器和推挽式逆变器的并网型光伏系统的等效无损二端口网络模型,并将该
4、无损模型推广至有损模型,以占空比为控制变量,提出了一套能表征该结构的并网型光伏发电系统的等效有损二端口网络模型。该方法对于各器件效率的评估过于粗略,不能较好地反映损耗的变化。文献 8-9按照光伏发电系统的各个组成器件的连接顺序,利用各部分的通用等值模型进行综合建模,这种建模方法能清晰地直接反映出光伏发电系统的组成结构,但模型随各器件通用模型的详略程度变得更为复杂,不利于状态变量的求解,也不易形成模型的一般化。文献 10将由光伏阵列、带升压变压器的DC/AC/DC变流器、滤波装置、DC/AC逆变器组成的并网型光伏发电系统等效为3个子系统,采用受控电流源和受控电压源表征整流、逆变部分的电流和电压,
5、按照KCL 和KVL 定律,分别建立状态方程并进行综合。该建模方法思路清晰,但模型通常是一组非线性时变微分方程,对于电网复杂的电压特性和负荷特性,求解难度高。本文在假设并网光伏电站各交流器件的输出和输入变量只含有基波分量的前提下,提出了利用相量法和受控源法建立并网光伏电站模型的方法,并利用国内某地区并网光伏电站的实测数据进行了仿真验证,分析了产生误差的主导因素。1i;_F并网光伏电站主要由光伏阵列、具有最大功率跟踪功能的逆变装置及滤波电容器、滤波电感器、变压器和控制系统等组成,其结构如图1所示。对应的简化等值电路如图2所示。IP 为光电流;IPV为光伏阵列输出电流;CPV为光伏阵列出口侧滤波电
6、容;VPV为滤波电容器直流电压;Lac为逆变器交流侧滤波电感;Rac为滤波电感的等值电阻;Cac为逆变器交流侧滤波电容;iac为逆变83第 32卷第 24期2008 年 12 月 25 日Vol.32No.24Dec.25, 2008器交流侧输出电流;vac为滤波电容器端电压;N 为变压器变比;Ls 为从变压器到并网节点的等值电感;Rs 为从变压器到并网节点的等值电阻;is 为光伏电站注入并网点的电流;vs 为并网点母线电压,其幅值为Vs ,相位角为s 。m1i;dFig.1Structure diagram of the grid-connectedPV stationm2i;_eFig.2
7、Equivalent circuit of thegrid-connectedPV station2i;_y并网光伏电站与常规电源不同之处在于:独特的光伏阵列输出电压与电流的 I-V特性、逆变器的最大功率跟踪特性和交流电压的定向矢量控制及输出电能的随机性和波动性。同时,由于光伏电站的模块化结构体系使得其直流侧电气量与交流侧电气量的控制关系较为清晰。因此,根据实际光伏电站的各组成部分的特点和电气量的控制关系,引入受控电流源和受控电压源的概念,在满足瞬时功率平衡的条件下,可以有效模拟光伏电站的输出特性。由图2,按照功率输出方向,将其分解为受控源形式的等效电路图如图3所示。由图3(a),根据KCL定
8、律可得电流方程:IPV -CPVdVPVdt -kiaccos(t +)=0 (1)式中:k为逆变器的调制深度, 为逆变器调制相位角,它们是逆变器的控制参数;为工频角速度。光伏阵列输出电流IPV与端电压VPV可由式(2)表征,参见文献 11 。IPV =Np Np1 IL -Np Np1I0 eqVPVnK TN s1N s -1VPV =N s1 NsnK Tq ln Np1 Np IL -IPVNp1 Np I0+1PPV =max(IPVVPV)Ir, T(2)式中:Np和Np1分别为光伏阵列和光伏组件的并联数;I0 为饱和电流;n为比例因子,也称为二极管品质因子;q为充电电荷量,通常取
9、1.60e-19 ;K 为玻尔兹曼常数,通常取1.38e-23 ;T 为开式温度,标准测量温度下为298 K ;Ns 和Ns1分别为光伏阵列及光伏组件的串联数;PPV为具有最大功率跟踪性能的光伏发电站光伏阵列输出直流功率;Ir 为辐射率,是辐照度与标准辐照度(1 000 W/m2)的比值。式(2)表示了在任意辐照度和组件温度下,光伏阵列输出电流和输出电压的非线性关系。m3rFig.3Equivalentcircuit由图3(b),根据KVL和KCL定律可得电压、电流方程:Lacdiacdt +iacRac +vac =kVPVcos(t +)(3)Cacdvacdt +Nis =iac (4)
10、由图3(c),根据KVL定律可得电压方程:Lsdisdt +Rsis + 2Vscos(t +)=Nvac (5)非线性时变方程(式(1)式(5)描述了并网光伏电站的动态特性,定义状态向量X=VPV ,iac ,vac ,is ,并整理方程组可得向量函数式:X-= f(X,t) (6)向量函数式(6)描述了并网光伏电站的运行特性。根据并网光伏电站运行参数的特点,可以对该数学模型进行简化处理和求解。不妨假设并网光伏发电系统交流量只包含基波分量即均为标准正弦842008, 32(24) 量,可分别表示为:iac = 2 Iac cos(t +), vac =2Vaccos(t +), is = 2
11、Iscos(t +),将其代入式(1)式(5),整理成相量形式的方程如下:IPV -CPVdVPVdt -Rek2 Re Iac =0 (7)Iac(Rac +jLac)+V ac =kVPV 2 (8)jCacV ac +NIs =Iac (9)(jL s +Rs)Is +V s =NV ac (10)式(7)实质上表示了光伏阵列出口处直流电容器的充放电动态过程。式(8)式(10)表示了并网光伏电站的电网络连接关系。式(7)式(10)为在假定交流量只包含基波分量条件下并网光伏电站的动态数学模型。令式(7)中微分量为0,即为并网光伏电站的稳态数学模型。3_为验证本文提出的动态数学模型的有效性,
12、本节将以国内某地区光伏电站实测稳态数据与该数学模型的稳态输出进行对比分析,以验证该模型是否准确。3.1;S/+光伏阵列特性的准确描述是并网光伏电站数学模拟中的首要任务,为检验这部分模型的有效性即式(2),以某地区100 kW(标况下峰值功率)并网光伏电站的光伏组件在标准状况下的平均实测数据即光伏组件开路电压43.9 V 、短路电流5 .18 A 为例对标准状况光伏组件最大输出功率进行对比验证,其仿真结果与实际测试数据的对比见表1 。V1;FqS/+L_1Table1Comparisonbetween simulation results andmeasured values of PV mod
13、ules on standard situation项目 最大输出功率对应的电流/A 最大输出功率对应的电压/V 最大输出功率/W仿真结果 4.654 34.801 164.959实测数据 4.580 35.300 161.400误差/(%) 1.61 1.42 2.20由表1可知:标准状况下,数学模型计算误差较小。同时,仿真中也发现,如果光伏组件是标准的晶体硅材料,则仿真结果与实际产品说明书中给出的测试结果相差很小,误差不超过1%。如果为非标准晶体硅材料,采用同样的计算参数,则误差较大甚至可达到6%。分析影响精确度的主要原因在于式(2)中的参数n,其取值在1 4 ,变化范围较大。因此,仿真中
14、若要达到满意的精确度,需评估和修改参数n的取值。3.2;vFq/Kvq_基于对光伏组件标准状况下运行特性的准确模拟,并根据实测的环境数据可模拟光伏阵列在不同辐照度和组件温度下的稳态直流最大输出功率、电压和电流等电气特性,仍以某地区并网光伏电站实际配置为例,对该电站电气输出进行仿真。由于篇幅所限,只列出稳态最大输出功率曲线。该电站由4组光伏阵列、616个光伏组件串并联组成。根据其串并联方式,以当地10月份某日实地采集的23垂直辐照度(指光伏阵列的倾斜角)和组件温度的实测数据如图4、图5为例,仿真计算该电站的光伏阵列稳态电气输出特性如图6。m410zvMwLFig.4Measured irradi
15、ance of a day in a certain placem510z;_FqwLFig.5Measured module temperature of a day ina certain placem6_9;_KvqwLFig.6Maximum outputpoweron the DC side of PVstationby simulation由图可知:光伏电站的光伏阵列直流侧最大输出功率随辐照度的波动而出现类似的波动,光伏阵列输出功率最大值出现在14:25,对应的辐照度为1 237 .1 W/m2 ,功率输出达到123.55 kW。同时,对应辐照度的较大波动,光伏电站单位时间内(即1 min)直流侧输出功率最大跌幅可达55 .76 kW,约为最大输出功率的50%。该分析结果将为光伏电站动态特性仿真提供扰动设计的依据。85s1 李晶
