面向综合负荷的并网光伏发电系统等效建模

李作伟

摘要：随着全球变暖和能源危机的蔓延，分布式电源以其污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等优点在电网中所占比例日益受到重视，随着接入系统的分布式电源容量逐步增加，其对电力系统的动态和稳态特性的影响也愈发明显。其中光伏电池因具有重量轻、无旋转部件、成本低、无污染、适用范围广、使用安全等特点而被广泛应用于小型和大型发电系统中。

关键词：面向综合负荷的并网光伏发电系统等效建模

前言：光伏发电也存在一定的缺点和问题。例如，光伏发电系统的造价很高，这也是一直以来限制光伏发电发展的重要因素。太阳能电池的生产需要多晶硅，近些年来多晶硅材料的价格有所下降，使得光伏发电的成本与传统发电的成本差距进一步缩小。

一、光伏并网发电系统研究现状

光伏发电按照供电方式可以分为光伏并网发电系统和光伏离网发电系统两利-。光伏离网发电系统一般应用于远离城市的山区、高原等，与公共电网相连接的则是并网光伏发电系统。并网光伏发电系统是大规模商业化发展光伏发电的重要途径，也是光伏产业的主要发展方向。光伏并网发电系统按照功能可以分为两类：一种为含有储能装置的可调度式光伏并网发电系统;另一种为不含储能装置的不可调度式光伏并网发电系统。可调度式光伏并网发电在电网发生故障时，能够兼具不间断电源（UPS），保障重要负荷供电。然而，由于蓄电池组成本过高，目前一般采用不含有蓄电池组的不可调度式光伏发电系统。不可调度式光伏发电系统仅能并网运行，运行控制方式较为单一。光伏并网发电系统按照安装容量不同还可以分为分布式光伏发电系统和大规模光伏发电系统，分布式光伏发电系统一般是同建筑物结合，充分利用建筑物屋顶进行发电;大规模光伏电站则可建在空旷的荒野或者荒漠地带。

二、面向综合负荷的并网光伏发电系统等效建模

1.等效描述。对外部电网而言，光伏发电系统的外特性可以描述为，光伏发电系统有功外特性接近以电压为激励的典型二阶系统的响应，由于暫态过程中电网电压的跌落接近于经典控制理论中的阶跃信号，而光伏发电系统的动态响应又接近于控制理论中的二阶欠阻尼系统的阶跃响应。基于以上分析可知，如能合理调节二阶系统的参数，其阶跃响应就能较好地拟合光伏发电系统的动态特性，为此本文提出光伏发电系统动态特性可等效描述为：光伏发电系统的有功输出等效为以电压激励的二阶欠阻尼系统的响应，同时为了补偿由简化带来的暂态响应不足问题，在模型中增加一个比例环节，而光伏发电系统的无功输出近似为零（上述分析已经证明），可以忽略不计。含分布式电源的广义负荷建模需要在综合负荷模型的虚拟母线上增加分布式电源的等效模型。随着光伏发电系统接入配电网的容量的不断增大，光伏发电系统的动态特性必须考虑到综合负荷模型中。

2.当电网中含有非线性负荷以致线路中含有较大的无功和谐波分量时，并网逆变器可与有源滤波器进行统一控制，同时实现电流质量治理和光伏并网发电。

由于有源滤波器与光伏并网发电装置在拓扑结构、功能和控制方法等三方面具有相似之处，因此可以考虑两者的统一控制，光伏并网发电、无功补偿和有源滤波一体化装置工作原理简述如下：首先通过相应电流检测算法得到非线性负荷的无功和谐波分量，形成无功和谐波补偿指令电流，然后通过最大功率跟踪部分得到最大功率点电压和并网指令电流，将无功和谐波补偿指令电流和并网指令电流在控制部分进行合并形成新的指令电流，控制逆变器按新合成的指令电注入电网。控制系统采用电压电流双环的单位功率因数控制。为了使光伏阵列以最大功率跟踪方式发电，在直流侧采用了扰动观察法。逆变电路则采用滞环电流控制，使输出电流与指令电流的差值维持在一个很小的范围内，从而实现单位功率因数控制。对光伏电池的输出特性进行了适当的简化和变换，因此会产生一定的误差。实际中光伏并网逆变器的启动需要一定的光照强度，而模型并无该限制要求。由于实际并网逆变器滤波电路参数未知，而仿真模型中的滤波电路参数是按照一定的方法计算得出的，因此也会导致一定的误差;实际中外界环境的复杂多变导致了误差的不可避免。而监测仪器和控制系统可能会因设备精度等问题不能实时跟踪光照变化，从而导致输出功率和电压电流产生一定的误差。模型可以分为电路拓扑和控制系统两部分。电路拓扑结构如前所述，控制部分直流侧采用扰动观察法进行最大功率跟踪，逆变电路采用同步PI电流控制，通过对有功/无功电流进行解耦控制，实现有功和无功功率的独立调节，一般情况下采用单位功率因数控制。光伏电站的并网启动过程采用逐级送电的方式，分为直流侧启动和交流侧启动两部分。交流侧启动过程是从母线高压电缆开始逐级闭合断路器。首先，出线断路器对母线进行充电，然后闭合接地变压器，以便安装消弧线圈提供一个人工的中性点。当太阳能不足以发电时，并网逆变器自动进入待机状态。只有当系统检测到直流侧电容电压达到一定值且维持一定时间后，才会通过开关控制触发逆变器内部的接触器，开始并网发电。光伏电站的退出过程则正好与启动过程相反，当由于故障导致逆变器停止并网时，应先断开逆变器直流侧断路器，然后依次令各断路器断开。光伏电站之所以采用逐级送电，是为了在系统发生故障时快速找出故障点。保护配置的一般原则是越靠近电网侧越迟钝，这就保证了下级线路故障时不会令上级线路断路器跳闸。例如，当光伏电站内部发生故障时，升压变高压侧断路器先跳开以保护上级系统。在受限模式下根据调度指令和负荷需求设定发出的有功功率和无功功率，或母线电压较低时通过发出无功功率一定程度上抬高电压;在均衡模式下通过配合相应设备进行调度控制和电能质量控制，拓展光伏电站的功能，使其能够减少系统巾的谐波等电能质量问题。

结束语：构建了适合综合负荷建模的光伏发电系统简单等效模型，该模型以传递函数的形式描述，具有参数少、易于辨识、结构简单且能够模拟光伏发电系统的出力极限等优点，同时为电力系统其他元件的建模提供了一个新的思路。

参考文献：

[1]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2019，34（1）：1-13.