基于PSCAD/EMTDC的风光互补并网发电系统建模与仿真

2014-07-25李钢慈建斌李洪星姜奇姜威达

电源技术 2014年10期

关键词：换流器风能风光

李钢，慈建斌，李洪星，姜奇，姜威达

（大连供电公司，辽宁大连116033）

基于PSCAD/EMTDC的风光互补并网发电系统建模与仿真

李钢，慈建斌，李洪星，姜奇，姜威达

（大连供电公司，辽宁大连116033）

针对太阳能和风能的互补性，设计了一套风光互补并网发电系统。该系统是一套包括小型永磁直驱风力发电机、光伏阵列、具有最大功率点跟踪(MPPT)功能的Boost斩波换流器和定电压控制逆变器在内的完整、统一的风光互补并网发电系统仿真模型，针对西藏地区全年的实际太阳辐射情况和风况进行仿真分析，以模拟该地区风光互补系统的运行工况。仿真结果验证了风光互补系统应用于我国西部地区的可行性和有效性，具有重要的理论和现实意义。

风力发电；光伏阵列；最大功率跟踪；风光互补；PSCAD/EMTDC；动态仿真

从环境和能源方面考虑，风能、太阳能等新能源由于其资源充足、无污染、可再生等优点得到了世界各国的高度重视。在我国很多地区，太阳能和风能具有很强的互补性，特别是西部地区，如青藏高原每年的4～9月太阳辐射最强，而风能资源最丰富的月份则从当年的10月到次年的4月。夏秋季太阳辐射强而风能弱，冬春季太阳辐射弱而风能强，这为该地区实现太阳能和风能的互补发电提供了良好的基础。此外，太阳能光伏发电的稳定性和可靠性优于风力发电，而风力发电的成本接近火电成本。因此，风光互补发电是比单一的风力或太阳能发电更有效的方式。

目前，国内外学者在风能、太阳能等新能源领域的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电[1]和单独太阳能光伏发电[2]的控制，而对于风光互补发电方面的研究尤其是对风光互补发电系统整体建模和仿真实验的研究较少[3-5]。对风光互补系统的研究主要侧重于以下几个方面：一是系统的优化设计，通过建立多目标函数[6]，设计智能的优化算法来提高整个风光互补系统的运行稳定性和供电可靠性；二是系统最大功率点跟踪(MPPT)技术的研究[7]，随着半导体功率器件和数字控制器的迅速发展，人们将MPPT控制与DC/DC变换器连接起来，结合各种先进的控制算法[8]，通过硬件和软件相结合来实现最大功率的输出；三是储能的研究，其重点在储能装置的维护、充放电控制和容量预测方面[9-10]。

本文从风力发电和光伏发电的原理出发，在PSCAD/EMTDC环境下建立了包括小型永磁直驱风力发电机、光伏阵列、实现MPPT功能的Boost斩波换流器和定电压控制逆变器在内的完整、统一的风光互补并网发电系统仿真模型，并针对西藏地区全年的实际太阳辐射情况和风况进行仿真分析，模拟该地区风光互补系统的运行工况。

1 风光互补并网发电系统结构

本文建立的风光互补并网发电系统结构如图1所示。该系统由风力发电机组、太阳能光伏阵列、阻塞二极管、整流电路、Boost斩波电路、逆变电路、配电网及交流负载组成。在具有公共电网的地区，光伏发电系统和风力发电系统与电网连接并网运行，可以省去储能装置，大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。阻塞二极管串联在太阳能光伏阵列电路中，起单向导通的作用。

图1 风光互补并网发电系统结构图

本文通过扰动Boost斩波电路的占空比跟踪光伏输出电流来实现光伏电池最大功率跟踪，而小型永磁直驱风力发电机组则通过定叶尖速比控制实现最大功率输出。逆变电路采用定电压控制策略，保证直流侧电压稳定的同时实现功率的平稳输送，交流负载由风力发电机在不同风况条件下捕获的风能、光伏阵列在不同光照条件下转化的太阳能和主网共同供给，风力机和光伏阵列供给不足的部分由主网补充，多余的部分则向主网输送。

2 风光互补并网发电系统模型

2.1 风力发电机模型

根据空气动力学中的贝兹(Betz)理论，风力机的转矩特性方程为：

为表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比，即叶尖速比λ来衡量，定义如下：

由图2可知，对于任一桨距角β，总有一个对应的最佳的风能利用系数max和最佳叶尖速比λ，这时风力机的能量转换效率最高。如图所示，当β=0时，叶尖速比为λ=8.1，此时风能的利用系数最大max=0.48。

图2 风力机的-λ曲线

风力机到发电机转子之间的机械传动部分的动态方程可用一阶惯性环节来表示：

本文的风力机及其传动系统结构如图3所示。

2.2 光伏电池模型

根据电子学理论，光伏电池可看作P-N结型二极管，在光照下产生正向偏压，因此在理想情况下，可等效为电流源和一个理想二极管的并联电路。但实际上存在损耗和漏电等现象，在等效电路中将它们的总效果用一个串联电阻和一个并联电阻来表示。光伏电池的等效电路如图4所示。

图4 光伏电池等效电路

光伏电池的输出特性方程为：

其中：

本文基于以上数学模型[11]，应用Fortran语言建立光伏电池的发电模块，设定标准日照条件下电池板的参数=3.35A、=21.7V、=3.05A、=17.4V，得到光伏电池模型的I-V和P-V曲线，如图5、图6所示。

图5 不同光照下的I-V和P-V曲线

2.3 电力电子换流器模型

2.3.1 Boost换流器模型

图7为Boost换流器的基本电路。假设电路中所有元件均为理想元件，电路输入到输出的过程无功率损耗。图7所示的斩波系统中，由于逆变系统的控制策略为定直流电压控制，因此Boost换流器的输出电压dc2将被钳位于逆变器控制电压设定值。

Boost电路输入与输出电压的关系为：

由式(10)可知，系统可以通过扰动调整Boost换流器占空比，检测输出电流的波动方向[12]，并以此作为PWM的控制信号，不断调节占空比的扰动方向，就能实现对光伏电池输出电压dc1的调整，使其与光伏阵列最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏阵列始终输出最大功率。

图6 不同温度下的I-V和P-V曲线

图7 Boost变换器及其控制电路

2.3.2 逆变器控制模型

并网逆变器采用定电压控制策略，其基本要求是：风力发电机和光伏电池阵列发出的功率由负载和系统接收，并通过电压反馈保证直流侧电压的稳定[13]，而输送至交流负载的功率由风力发电机在不同风况条件下捕获的风能、光伏阵列在不同光照条件下转化的太阳能和主网共同供给，风力机和光伏阵列供给不足的部分由主网补充，多余的部分则向主网输送。控制模型如图8所示。

图8 并网逆变器控制框图

从图8中可以看出，在定电压控制策略中，直流侧电压设定的控制参考值与实际电压的偏差信号经PI调节器为电流控制提供参考，最终电流误差信号在PI调节器的作用下为逆变器提供脉宽调制信号，PWM采用理想开关模型，应用三相锁相环PLL跟踪主网电压的相角，为控制系统提供频率支撑。

3 仿真分析

3.1 仿真参数

小型永磁直驱风力发电机组的主要性能参数为：额定输出功率100 kW，额定风速10.35m/s，叶片半径10m，风轮直接驱动永磁发电机（无需齿轮箱）。单节光伏电池的运行参数为：oc=21.7V，sc=3.35A，=17.4V，=3.05A，本算例中的光伏阵列由并联20组、每组串联50个单体的光伏电池组成，在标准条件（辐照度1000 W/m2，光伏电池板绝对温度298 K）下的输出功率为53.07 kW。交流负载容量70 kW。

使用该系统对我国西藏地区全年的风光互补情况进行仿真分析，该地区太阳辐射及风况见表1。

表1 西藏地区各月太阳辐射及平均风速

3.2 仿真结果

忽略光伏阵列和风力机启动的暂态过程，我国西藏地区全年的风光互补仿真结果见图9～图12。

图9 光伏和风机并网侧输出电压、电流波形

图10 占空比调整曲线

图11 光伏阵列的输出伏安特性

图12 光伏阵列、风机和电网的输出功率

图9所示的是光伏阵列和小型永磁直驱风机并网侧输出的电流及电压情况，可以看到，在换流电路的有效控制下，母线侧负载电压有效值稳定在0.38 kV。而当光照条件和风况发生变化时，风力机和光伏发电系统输出功率的变化是通过控制输出的电流来实现的。

从图10和图11中可以看到，光伏阵列通过扰动Boost换流器占空比跟踪输出电流，实现了光伏阵列的最大功率跟踪。当光照条件发生变化时，通过调整占空比使得光伏阵列输出电压能够始终保持在P-V曲线最大功率点附近波动。

由图12(a)和(b)所示，该地区全年的风力发电系统功率输出和太阳能光伏发电系统功率输出具有很好的互补关系，从电网输入输出的功率曲线(c)来看，该地区风光互补发电站的输出功率曲线波动明显小于单独的风力或光伏发电站的输出波动，极大地改善了电网接纳光伏电站和风力发电站的能力。

4 结论

本文从风光互补发电系统的结构出发，应用电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC设计并建立了一套风光互补并网发电系统，针对西藏地区全年实际气象状况进行了仿真分析，得到以下结论：

（1）在分析风力发电机组、太阳能光伏电池组件相关特性的基础上，分别建立其数学模型，应用Fortran语言描述光伏阵列特性并封装形成二端口电源，研究出一套切实可行的运行策略和运行结构。

（2）西藏地区全年的风资源变化和太阳能变化具有很好的互补关系，针对该地区实际气象数据进行了仿真分析。从电网的功率曲线来看，该地区风光互补发电站的输出功率曲线波动明显小于单独的风力或光伏发电站的输出波动，极大地改善了电网接纳光伏电站和风力发电站的能力，对该地区大规模开发利用风力和太阳能资源具有一定的指导意义。

风光互补发电技术在我国的发展才刚刚起步，风光互补发电系统作为合理的电源系统，开创了一条综合开发风能和太阳能资源的新途径。2005年，我国第一个风光互补发电系统在华能南澳风力发电场成功并入当地10 kV电网。国家电网公司在河北省张北县建设的风光储输联合一期示范工程也于2011年12月25日建成并网发电。2012年3月19日，中国能源建设集团有限公司所属电力顾问集团东北院与亚洲新能源集团签订安白高速大安新荒风光储试验项目总承包合同，成为目前国内最大规模的风光互补工程，这标志着我国对太阳能、风能等清洁能源的开发利用迈入了新的阶段。

[1]CHINCHILLA M，ARNALTES S，BURGOS J C.Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(1)：130-135.

[2]TAN Y T，DANIEL S K，NICHOLAS J.Amodel of PV generation suitable for stability analysis[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19(4)：748-755.

[3]潘文霞，徐才华.孤岛风光柴蓄系统配置仿真及分析[J].江苏电机工程，2008，27(6)：34-37.

[4]DOUMBIA M L，AGBOSSOU K，GRANGER E.Simulinkmodeling and simulation of ahydrogen based photovoltaic/wind energy system[C]//Proceedings of the International Conference on“Computer as a tool”.Warsaw,Poland:IEEE EUROCON,2007: 2067-2072.

[5]VALENCIAGA F，PULESTON P F.Supervisor control for astand-alonehybrid generation system using wind and photovoltaicenergy[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20(2)：398-405.

[6]杨琦，张建华，刘自发，等.风光互补供电系统的多目标优化设计[J].电力系统自动化，2009，33(17)：86-90.

[7]LIU C H，CHAU K T，ZHANG X D.An efficient wind-photovoltaichybrid generation system using doubly excited permanent-magnet brushlessmachine[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2010，57(3)：831-839.

[8]栗秋华，周林，刘强，等.光伏并网发电系统最大功率跟踪新算法及其仿真[J].电力自动化设备，2008，28(7)：21-25.

[9]GIRAUD F，SALAMEH Z M.Steady-state performance of a grid-connected rooftophybrid wind-photovoltaic power system with battery storage[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2001，16(1)：1-7.

[10]WANG Z Q，LI G Y，LI G.Studies ofmulti-type composite energy storage for the photovoltaic generation system in amicro-grid [C]//Proceedings of 4thInternational Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies(DRPT). Weihai,China:Shandong University,2011:791-796.

[11]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[12]赵宏，潘俊民.基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统[J].电力电子技术，2004，38(3)：55-57.

[13]LI G，LI G Y，YUE W，et al.Modeling and simulation of amicroturbine generation system based on PSCAD/EMTDC[C]//Proceedings of 5thInternational Conference on Critical Infrastructure (CRIS).Beijing:NCEPU,2010:1-6.

Modelling and simulation of grid-connectedhybrid wind/PV generation system based on PSCAD/EMTDC

LI Gang，CI Jian-bin，LI Hong-xing，JIANG Qi，JIANG Wei-da

As wind power and solar energy were complemented in resource conditions and technology applications,a completemathematichybrid wind/PVmodel was developed.The system was a grid-connectedhybrid wind/PV generation system simulation,including the permanent-magnetic direct-drive wind power generator,the photovoltaic array,a Boost DC/DC converter which was applied tomaximum power point tracking(MPPT)and a DC toAC inverter with constant DC voltage controlmethod.The complementary characteristic between wind and solar power in Tibet area was simulated using the local weather data to check the feasibility and effectiveness in west China,so this workhas important theoretical signification and utility value.

wind power generation；photovoltaic array；maximum power point tracking；wind/PVhybrid power；PSCAD/EMTDC；dynamic simulation

TM 61

1002-087 X(2014)10-1893-05