摘要：在分析光伏发电原理与光伏电池数学模型的基础上，对由若干光伏阵列组成的大型光伏电站进行PSCAD仿真建模，并分析其运行特性。采用恒电压跟踪方法并利用不同温度下的测量制表值共同实现大规模光伏阵列的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)，并设计了相应的并网逆变器控制策略。最后，对大型光伏电站在正常运行以及站内/外发生三相短路故障的情况进行仿真分析。
关键词：光伏电站;大规模并网;运行特性;故障分析; PSCAD 仿真
0 引言
能源是人类社会发展的重要保障。近年来，各国对非可再生能源的过度开发，导致其储量迅速下降，同时化石能源在燃烧的过程中也对环境造成了巨大的破坏。当今，各国的发展都受到了能源与环境的制约。太阳能作为可再生能源，具有诸多优势，是世界各国公认的良好的替代资源。光伏发电系统可分为分布式和集中式 2 种应用模式。具有集中式接入特点的大型光伏电站是我国目前的主要应用方式，其运行性能不同于传统的交流电源，开展光伏电站及其接入系统的建模、仿真和分析对研究集中式光伏接入系统的运行性能有非常重要的意义[1-3]。
目前，对于光伏阵列和逆变器这 2 种光伏并网系统的重要组成元件，国内外专家学者已对其进行深入的建模研究。但对于具有多台光伏并网逆变器联合运行的大型光伏电站，尚无详细的建模研究。光伏电站的建模方式可以归纳为 2 大类：独立核心器件建模[4-5]及整体系统建模。独立核心器件建模以光伏并网逆变器为核心，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。与之对应的整体系统建模方式主要有 3 种：等效二端口网络模型[6]、简化等值电路模型[7-8]、受控源模型[9]。文献[6] 以无损二端口为基础，推导出了光伏并网系统的等效二端口网络模型;该方法对各器件的建模较为粗略，不能很好地反映光伏电站的特性。文献[7-8]按各个光伏元件的连接顺序，利用各部分的通用等值模型进行建模;若要对光伏电站进行准确模拟，则各器件的模型都较为复杂，对各变量的求解都较为困难。文献[9]采用受控源表征逆变部分的电流和电压，建立光伏电站模型;但该方法需要求解较为复杂的非线性时变微分方程，计算量较大。
此外，一些文献也研究光伏电站与电网之间的交互影响。建模仿真使用的软件也各不相同，主要有Matlab、Fastest以及PSCAD。文献[10]使用Matlab 软件以 1.6 MW、10 kV 为例进行了光伏电站建模。当光伏电站中的光伏阵列数量较多时，Matlab 软件的仿真速度较慢，当光伏阵列数量进一步增加时会导致仿真无法进行，且 Matlab 对光伏电站的暂态分析效果一般。文献[11]使用 Fastest 仿真软件，参考光伏并网系统元件的组成方式，搭建了一个可以反应光照度变化以及控制策略等的光伏电站模型，并利用 Fastest 自带的暂态频率稳定性量化分析、暂态功角稳定性以及暂态电压稳定性功能对并网光伏电站仿真并进行分析。与前 2 种软件相比，PSACD 的暂态分析性能较好，但基于 PSACD 的建模还较为少见。
为此，本文提出一种基于 PSCAD/EMTDC 仿真软件、采用整体系统建模方式的大规模光伏并网系统建模方法。在含多个光伏阵列的并网光伏电站仿真模型中，分别研究正常运行状况下和故障发生时光伏电站的输出特性，并探讨不同光伏阵列之间的相互影响。
1 光伏阵列的数学模型及输出特性
1.1 光伏阵列的数学模型
由光伏电池的发电原理，可推出如图 1 所示[12] 的光伏电池电路。图 1：Iph 为光生电流，其值随光伏电池的面积及入射光的辐射强度的增大而增大; Id 为暗电流，其值可以反映一定温度下，光伏电池 P-N 结的扩散电流的情况;Ish 为流经 Rsh 的电流; Rsh 为等效并联电阻，其值为几千;Rs 为等效串联电阻，小于 1 ;U 为光伏电池的输出电压;I 为光伏电池的输出电流。
一般单体光伏电池的输出功率仅为几 W，输出电压大约为 1 V，不能直接并网，需以光伏发电系统的形式进行并网。在光伏发电系统中，多个光伏电池组成光伏板，然后若干光伏板串并联组成光伏阵列，再通过并网逆变器接入电网。
1.2 光伏阵列的输出特性
当外部的温度及光照强度发生变化时，光伏阵列出力随之变化。为提高太阳能利用效率，光伏阵列需要选择在最大功率点运行。当光照强度不变而外部温度升高时，光伏阵列的短路电流稍有增加，则开路电压随着温度的升高迅速降低，最终导致输出功率降低。此外，光伏阵列的最大功率点会随着温度的升高而下降。当温度不变光照强度发生变化时，开路电压基本保持不变，短路电流与光照强度成正线性关系。此外，光伏阵列的最大功率点随光照强度的升高而升高。可见，光照强度与温度是决定光伏阵列输出特性的重要因素。
2 光伏电站仿真模型及控制策略
光伏电站主要由光伏阵列、具有最大功率点追踪功能的逆变器、传输线路、变压器和控制器等组成，如图 2 所示[13]。本文在 PSCAD 仿真软件中搭建由 6 个光伏阵列组成的 3 MW 并网光伏电站仿真模型，如图 3 所示。
该 3 MW 并网光伏电站仿真模型中，光伏板由 36 个光伏电池构成，光伏阵列由 42 块光伏板串联成组、再由 200 组并联构成。光伏阵列接入逆变器后以交流形式并网，再通过两级变压器升压并入 110 kV 理想电网。该系统中相关数据如表 1 所示。同时，为了将变压器逆变侧的电压稳定在额定值，于 10 kV 母线上接入 500 μF 的电容补偿线路压降。
由第 1 节可知，光伏阵列的输出功率会受到外部环境温度以及光照强度的影响，而表现出非线性的特点。为了实现对太阳能的充分利用，就需要在并网光伏电站中加入最大功率点跟踪器，对光伏阵列的最大功率点进行追踪。最大功率点跟踪 (maximum power point tracking，MPPT)技术是在不同温度与光照强度的条件下，通过对光伏阵列端电压的调节，使光伏阵列工作于最大功率点，实现最大功率输出。常见的最大功率跟踪方法有：恒电压跟踪方法、电导增量法及干扰观测法[14-15]。恒电压跟踪方法是在光照强度发生变化时，保持输出电压不变，使光伏阵列工作在最大功率点。然而，恒电压跟踪法是在环境温度不变的条件下获得的，在光伏阵列实际运行中，外部环境的温度是变化的，输出特性将随温度改变，该方法不能准确地追踪最大功率点。为了消除环境温度对最大功率点追踪的影响，应测得光伏阵列在不同温度下所对应的最大功率点电压值，将其制表并存储在相应的控制器中，实际运行时结合检测的环境温度获得最大功率点对应的电压值。采用恒电压跟踪方法并利用不同温度下的测量制表值共同实现 MPPT，算法简单，易于电网故障后的快速有功功率恢复，非常适用于复杂的光伏电站仿真分析。
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本文采用的光伏并网逆变器的控制策略如图 4 所示，使用电流内环、电压外环的双闭环控制方法对逆变器进行控制。电压参考值为使用恒电压跟踪法追踪到的最大功率点所对应的直流侧电压值，通过与实际值比较后得到差值，再通过比例积分 (proportion integration，PI)控制器得到输出电流的参考幅值。同时，由电压锁相环可以获得逆变器出口电压的相位信息。结合该相位信息与输出电流的参考幅值，可以获得任意相位的输出电流参考波形，用来控制逆变器的有功、无功输出。电流参考值与实际值比较后，得到交流电流差值，经过比例共振 (proportion resonance，PR)控制器后生成调制波。使用 PR 控制器的原因是在基波频率处增益趋于无穷大，能够较好地追踪正弦信号，并且实现正负序同 时追踪;对于交流控制量可实现零稳态误差.其输出调制波基本对称，无直流偏置量;与 PI 控制器相比可以省去坐标变换环节。最后将生成的调制波与三角载波进行比较生成脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)控制信号，触发绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。
3 仿真分析
3.1 正常运行时光伏电站输出特性
在温度为 25℃，光照强度为 1 kW/m2 条件下，即并网光伏电站正常运行时，各个光伏阵列的输出电压、电流及逆变后的功率是相同的。光伏电站正常运行时的仿真结果如图 5 所示。由图 5 可知，经归算后线电压值为 267 V，较为接近变压器的额定值，故可知补偿电容的大小选择合理。当一个并网光伏电站中存在多个光伏阵列时，电网侧的等效阻抗被放大，等效于减小了光伏电站中的滤波电感值，所以导致输出的电流纹波被放大。通过观察图 5 所示的单个光伏阵列与由 6 个光伏阵列组成的光伏电站在同一时间段的电流纹波可知，由 6 个光伏阵列组成的光伏电站的电流纹波 12 A 要大于由单个光伏阵列的电流纹波 6.8 A。在一个并网光伏电站中，并联的光伏阵列数量越多，逆变电流的纹波将会越大，可能超出电流总畸变率的并网要求。此外，当并联的光伏阵列大于一定数量时，实际电流与标准正弦参考波之间存在较大的差值，经过 PR 控制器的调节会产生过调制现象，将严重影响输出波形质量。为了减小纹波的幅值可以适当增大滤波电感值提高滤波效果，或增加开关频率。
3.2 故障发生时光伏电站输出特性
在系统可能发生的各种故障中，三相短路故障对光伏电站稳定运行的影响最大，因此在仿真中分析了光伏电站外部与内部发生三相短路故障时光伏电站所表现出的运行特性(该分析中未对光伏电站进行低电压穿越控制，即在电网电压发生跌落时，不对光伏电站进行控制，向电网输送无功)。当在并网光伏电站站外(110 kV 母线侧)发生三相短路故障时，6 个光伏阵列的电压和电流波形如图 6 所示。故障发生的时刻为 1 s，并于 0.05 s 后切除故障，在切除故障后 0.4 s，即 1.45 s 时，系统输出恢复稳定。当故障发生后，电压略有升高，根据光伏阵列的电流-电压关系曲线可知，光伏电流将会减小并伴随较大的波动，输出功率也会随之下降。故障切除后光伏阵列的输出功率要增加，因为采用了恒电 0.90 1.10 1.30 0.20 0.30 0.50 0.70 0.90 t/s 1.50 1.60 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 (a) 光伏阵列端口电压 0.80 1.10 1.30 0.10 0.20 0.40 0.60 0.80 t/s 1.501.60 0.30 0.50 0.70 0.901.00 1.20 1.40 (b) 光伏阵列输出电流图 6 电网侧发生三相短路的仿真结果 Fig. 6 Simulated results of three-phase short circuit in grid side 压控制方法，光伏输出电压将迅速下降，产生直流电压波动，由于滤波电感的惯性作用及直流侧电容较大，直流电压恢复过程较缓慢。
如果三相短路故障发生在光伏电站内部，光伏阵列将表现出不同的输出特性。如将与图 6 相同的故障设置在 1、2 号光伏阵列的 10 kV 母线靠近 110 kV 母线侧，则 1、2 号光伏阵列的输出特性相同，其他光伏阵列的输出特性相同。
图 7 展示了 2 号与 5 号光伏阵列的不同输出特性，可见所有光伏阵列的电压、电流波形与图 6 大致相似。由图 7 可知，靠近故障的 1、2 号光伏阵列电压、电流在故障发生后的下降幅度要大于其他光伏阵列。其原因是，故障期间逆变器电网侧电压下降程度较大，输出功率下降，直流电压升高，直流电压在故障切除后采用恒电压控制方法，直流侧电压波动幅度大。若故障较严重时，电压下降幅度可能越限，导致光伏阵列 1、2 脱网。故障切除后，脱网的光伏阵列重新并网会减慢系统的恢复速度，影响光伏电站的整体性能。
4 结语
本文在 PSCAD 仿真环境下，搭建由 6 个光伏阵列组成的并网光伏电站整体系统的仿真模型，每 2 个光伏阵列一组，通过两级变压器并入电网。基于简单快速的MPPT方法和双环并网逆变器控制方式，仿真分析并网光伏电站在正常运行、电网侧出现故障、电站内部出现故障时的输出变化特性，以期为后续深入研究光伏电站的运行性能提供参考。——论文作者：张桦，谢开贵
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