PSCAD/EMTDC在分布式发电仿真中的应用

吴红斌,陶晓峰

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)

0 引言

EM TDC(Electro-Magnetic T ransient in DC system)是目前国际上应用较为广泛的电磁暂态仿真程序,具有完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点,是进行电力系统分析和工程研究的有力工具[1-2]。该软件不仅能用于电力系统及相关领域的工程设计与科研,还可用于高等学校电气工程及相关专业的仿真教学[3-4]。

太阳能光伏发电和风力发电等分布式发电技术,是减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径,可以有效地解决集中电网的许多潜在问题。因此,分布式发电技术已经成为目前的研究热点。

本文以光伏发电系统为例,详细阐述了利用PSCAD/EMTDC仿真软件在分布式发电系统中的建模与仿真分析,可以为电气工程类的仿真教学提供参考。

1 PSCAD/EMTDC的功能特点

EMTDC最初是由加拿大曼尼托巴水电局(Manitoba Hydro)的D.Woodford博士在 1976年为研究高压直流输电系统开发完成的仿真软件,经过曼尼托巴大学高压直流输电研究中心的不断完善,特别是PSCAD图形界面(GUI)的开发成功,使之成为既可研究交直流电力系统问题,又能完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具。

PSCAD/EMTDC提供的元件模型库几乎涵盖了电力系统输配变电及继电保护的所有元件,还包含有大量测量、控制用模型元件、逻辑电路模型库和时序控制模型库等。同时,系统中还有大量的电力电子模型库,包括二极管、晶闸管、GTO和IGBT等器件。

此外,PSCAD还提供方便的自定义模型功能和完善的建模工具,用户通过图形编辑器、参数栏定义、Fortran语言编程,可以将构建好的模型库添加到系统中,与现有的模型库元件一样使用。

2 EMTDC中光伏发电系统的建模

太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应将太阳能转换为电能。光伏发电具有规模灵活、无污染和维护简单等优点。

光伏发电系统主要包括三个部分:光伏阵列模型、最大功率点跟踪控制模型和逆变器及其控制模型。为了准确建立光伏并网发电系统的数学模型,需要在PSCAD/EMTDC中采取用户自定义的方式建立相关的元件模型,以实现光伏发电系统的仿真。

2.1 光伏阵列模型

光伏阵列模型为发电单元,通过太阳光照射到光伏阵列面板上产生电能。在PSCAD/EMTDC的自定义模块中,建立一个3信号输入2信号输出的模块;利用脚本功能,根据光伏阵列模型编写程序;通过视图功能定义输入输出量的类型与符号,同时利用画图功能自由设计光伏阵列视图;利用参数功能,建立光伏阵列的参数对话框,通过对话框可以设置光伏阵列数学模型中不同的参数。

图1为光伏阵列外观,三个输入量 T、R和V分别对应环境温度、日照强度和光伏阵列的实际工作电压,两个输出量I和Um分别对应输出电流和最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)的理论值。图2为光伏阵列参数设置对话框,根据不同的光伏阵列电池特性,可以输入相应参数。

2.2 最大功率点跟踪模型

图1 光伏阵列外观

图2 光伏阵列参数设置对话框

为充分利用太阳能,光伏阵列都采取MPPT功能,使得光伏阵列在不同的日照强度和温度下均能输出最大功率。本模型仿真求解MPPT电压时采用了实时优化迭代算法[5],其特点是能够快速精确的求解出MPPT的工作电压。利用EMTDC中自定义模块的脚本功能以及相关语句,可以编写出求取最大功率点跟踪的算法程序,与图1的光伏阵列模块整合在一起。

2.3 逆变器及其控制模型

光伏阵列输出的能量必须通过逆变器将直流转换为交流,输送到电网中。目前光伏并网中广泛采用三相桥式逆变电路,如图3所示。在EMTDC中利用元件库中的元件,可以方便地搭建三相桥式逆变电路。其中 T1、T2为 IGBT,D1、D2为二极管,g1～g6为脉冲信号。

图3 逆变电路模块

PWM控制方法采用正弦脉宽调制SPWM法,该法产生脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等。SPWM法在PSCAD/EMTDC中的结构如图4所示,包括三角波模块、比较模块和延迟模块等。Uarms、Ubrms和Ucrms为正选波参考量与三角波比较后得到三个脉冲量。这三个量分别取反后,共得到6个触发脉冲(g1～g6)用来控制IGBT的通断。

图4 脉冲波调制模块

3 光伏发电系统的仿真分析

光伏阵列PV逆变后经过LC滤波器滤除高次谐波,再通过线路、变压器连接到配电网络,系统接线如图5所示。

图5 算例系统图

光伏阵列额定功率为10kW,线路1和2的参数 R1=R2=0.641Ψ/km,X1=X2=0.101Ψ/km,线路 3 的参数 R3=0.347Ψ/km,X3=0.234Ψ/km,负荷1为纯有功负荷,P=6kW,负荷2为P=6kW,Q=1.5kVar。变压器变比为0.4/10kV。光伏阵列的环境温度保持 30℃不变,初始的日照强度为600W/m2。设日照强度在5～10秒时由600W/m2渐变到1200W/m2,此时的仿真结果如图6所示。

图6 日照强度变化时的仿真结果

从图6(a)可以看出,光伏阵列的输出电流随日照强度的增加而增加。在此过程中,图6(b)则表明光伏阵列的工作电压随着日照强度的增加而减小,图中MPPT计算出的理论值(实线)和光伏阵列的实际工作电压(虚线)在控制策略下相一致。相对来说,并网电流的增加幅度大于电压减少的程度,因此,图6(c)中光伏阵列的总输出功率仍然随着日照强度的增加而增加。

从以上仿真可以看出,EMTDC仿真软件能够有效的建立光伏发电的仿真模型,仿真结果符合光伏阵列输出特性,并且仿真速度快,精度高,完全满足电气工程类学校仿真教学的要求。

4 结语

PSCAD/EMTDC仿真软件在分布式发电建模与仿真方面具有良好的实用性。其功能设置完备,元件种类齐全,并且含有自定义模块及Fortran语言功能,具有良好的开放性。随着分布式发电技术的不断发展,利用PSCAD/EM TDC对分布式发电进行建模及仿真研究,将会对研究分布式发电系统起到积极的作用。本文阐述的光伏发电系统的建模与仿真,可以为高等学校电气工程类的仿真教学提供参考。

[1] 林良真,叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMT DC[J].北京:电网技术.2000,24(1):65-66

[2] 石访.电磁暂态软件PSCAD/EM TDC的应用现状与展望[J].上海:华东电力.2008,36(12):36-38

[3] 鄂志君,房大中,王立伟,等.基于EM TDC的混合仿真算法研究[J].许昌:继电器.2005,33(8):47-51

[4] 张小青,杨大晟.基于PSCAD/EM TDC软件的过电压保护教学仿真[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(2):84-86

[5] 茆美琴,余世杰,苏建徽.带有 MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J].北京:系统仿真学报,2005,17(5):1248-1251