分布式光伏发电并网数字化建模与仿真

刘景龙，郭 韵

(上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620)

1 引言

可再生能源的利用和开发在环境污染问题不断加剧，能源危机日益严重的背景下成为当今能源领域中的重要课题。光伏电池板通常由半导体二极管构成，光伏阵列通过光能转换可将电池板吸收的太阳能转变为电能。与传统火力发电不同，光伏发电不需要天然气和煤炭等资源，且不会产生环境污染，因为其在放电时不会产生有害气体。在电力能源领域中光伏发电属于重要研究内容，是一种节能减排、绿色环保的新型发电形式，被广泛地应用在办公、航空航天、交通、通讯、基础设施等领域中，应用前景较为广泛，因此，对光伏发电并网建模方法进行研究具有重要意义。

刘秋男等人对光伏电站的光照强度和地理分布特性进行分析，采用降价-分布式云算法研究光伏电站中存在的振荡模态，研究振荡模态受设备参数、光照强度的影响，完成光伏发电并网建模。吴红斌等人对光伏电站的内部损耗情况进行考虑，并在电站拓扑结构的基础上结合潮流计算方程和光伏特性，采用交替迭代算法实现网侧参数的优化，完成光伏发电并网建模。除此之外，还有学者通过三相绕组和定子绕组对光伏发电模型进行分析，并在光伏电池仿真电路的基础上对电机转速和转矩进行计算，并以此为依据实现光伏发电并网建模。

在上述方法的基础上提出基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模仿真。

2 光伏电池模型

在太阳能发电系统中光伏电池属于重要构成部分，其主要作用是用电能代替光能。光伏发电系统在正常运行状态下所需的电池容量可根据光伏电池在电网中的输出特性得以确定。光伏电池根据P-N结光生伏特效应，将接收的光转变为直流电流，其特性与二极管类似。

基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模方法利用单二极管模型实现光伏电池的建模，电池等效模型是单二极管模型的基础。

在电子电路理论的基础上构建光伏电池I-V方程，其表达式如下

(1)

式中，代表的是光生电流；代表的是电荷量；代表的是电压；代表的是电流；代表的是串联等效电阻；代表的是电荷数量；代表的是电池短路电流；代表的是串联单元数；代表的是工作温度；代表的是并联等效电流。

光生电流在不同光照条件下可通过下式计算得到

(2)

式中，代表的是太阳辐射。

将(0，)代入式(1)中，获得短路电流在等效电路中的函数表达式

(3)

将(，0)代入式(1)中，当等效电路在分布式光伏系统中处于开路状态下，存在下式

(4)

式中，代表的是光伏发电系统的开路电压，代表的是二极管中存在的反向饱和电流，其可以通过下式计算得到

(5)

式中，代表的是半导体带隙能；代表的是二极管在标准环境测试条件中存在的反向饱和电流。

二极管中存在的并联等效电流，可通过下式计算得到

(6)

式中，代表的是分流电阻。

在Matlab/simulink仿真软件中根据上述过程搭建分布式光伏发电系统中光伏电池的等效模型，模型的具体参数如表1所示。

表1 参数信息

3 光伏阵列MPPT控制

分布式光伏发电系统中的光束电池在理论上的最大输出功率可通过下式计算得到

=

(7)

式中，代表的是最大电流；代表的是最大电压。

当温度和光照强度条件不变时，光伏系统可在不同输出电压环境下工作，分布式光伏发电系统的光伏电池在输出电压处于某个值时存在最大输出功率，该点被称为最大功率点。通过上述分析可知，在最大功率点处光伏发电系统拥有最高的发电效率。

为了获取较大的输出功率，需要对分布式光伏发电系统的光伏电池排列方式进行调整，但是当外部环境发生变化时，无法确保输出的功率。在此基础上，提出了人工神经网络控制、扰动法和电导增量法等。

自动寻优的过程就是跟踪最大功率点的过程。实时检测电路，根据获取的数据对分布式光伏发电系统光伏阵列的输出功率进行计算，通过控制算法计算光伏阵列对应的输出功率，在此基础上，获得电路在分布式光伏系统中的最佳匹配负载，在不同工作环境中跟踪系统的最大功率点，控制方法的原理图如图1所示：

图1 MPPT原理框图

基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模方法在扰动观察法的基础上跟踪光伏发电系统的最大功率点，具体流程如图2所示。

图2 MPPT控制流程图

对图2进行分析可知，分布式光伏系统在工作过程中的参考电压为时，对应的输出功率为()，将周期性扰动引入电压中，通过电压±Δ在每次扰动步长下对输出电压进行调整，计算并比较瞬时功率(-1)与()，最大功率当(-1)<()时处于右方，将扰动施加在相反方向中，反之亦然。重复上述过程，获得分布式光伏系统的最大输出功率，实现分布式光伏系统的MPPT控制。

4 光伏并网逆变控制

4.1 逆变器数学模型

设代表的是并网换流器在分布式光伏发电系统中对应的输出功率，其计算公式如下

=+

(8)

式中，代表的是并网换流器在系统中输出的有功功率；代表的是电感滤波器对应的功率损耗。

电感滤波器在交流电网三相电压平衡条件下的有功功率损耗为零，即=0，在此情况下不考虑其电阻，则存在=。

用描述直流侧电容，其表达式如下

(9)

式中，代表的是电容电压；代表的是直流微网对应的功率。

(10)

光伏并网换流器在两相静止坐标系中的数学模型如下

(11)

式中，、均代表的是电网电压；、代表的是并网电流；代表的是电抗器对应的等效电感；、均代表的是逆变器输出侧电压。

设代表的是电网中并网换流器对应的瞬时有功功率；代表的是电网中并网换流器对应的无功功率，可通过下述公式计算得到

(12)

4.2 逆变器滑膜控制

基于控制的分布式光伏发电并网建模方法通过滑膜控制对光伏并网逆变器进行控制，用下述方程描述非线性系统

(13)

式中，′∈代表的是系统的控制输入；(，)∈×、(，)∈×，控制输入′的表达式如下

(14)

式中，(，)代表的是滑膜面；(，)、(，)代表的是与(，)为光滑连续的函数。

利用滑膜控制方法对光伏逆变器系统进行控制时，分为以下两个部分：

1)趋近过程，指的是在状态空间的任意位置光伏逆变器系统状态变量到达滑膜面的运动阶段。

2)滑动模态阶段，指的是在滑膜控制律作用下光伏逆变器系统沿滑膜面的运动过程。

根据上述分析可知，通过构造滑膜面和设计控制律可实现滑膜控制器的设计。

1)构造滑膜面：在滑膜面上使光伏逆变器系统对应的状态向量具有相关滑动模态特性；

2)设计控制律：在状态空间的任意位置上都可以满足光伏逆变器系统的状态变量到达滑膜面，且有限时间内在干扰情况下光伏逆变器系统也可以到达滑膜面。

控制输入′在滑膜控制过程中符合下述公式

′=+Δ

(15)

式中，Δ代表的是开关控制，在任意初始状态下通过开关控制可以保证系统在规定时间内到达滑膜面。基于控制的分布式光伏发电并网建模方法在超螺旋算法的基础上通过二阶滑膜控制对开关控制Δ进行设计

(16)

(17)

通过上述步骤，实现基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模方法设计。

5 实验与分析

为了验证基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模方法的整体有效性，需要对其进行测试。

对光伏阵列模型进行分析可知，温度和光照强度会对光伏阵列的输出功率产生影响。保持温度不发生变化，通过单一控制变量法观察光伏发电系统输出受光照强度的影响。时间变化下光照强度的变化情况如图3所示。

图3 光照强度模型

光伏阵列在18s内输出的直流电流如图4所示。对比图3和图4中的数据可知，光照强度变化趋势与光伏阵列输出电流波形基本保持一致，表明光伏阵列的输出电流在温度保持不变时与光照强度之间呈正比。

图4 光伏阵列输出电流

光伏阵列在18s内的输出电压变化情况可通过图5进行描述。

图5 光伏阵列输出电压

对图5中的数据进行分析可知，光伏阵列在18s内的输出电压基本保持在700V-900V，变化较为平稳。图6为MPPT控制仿真结果与光伏阵列输出功率结果图。

图6 MPPT控制仿真与光伏阵列输出功率

根据图6中的数据可知，采用MPPT控制法对光伏逆变器系统进行控制时的动态性能较高，系统输出的最大功率点可通过光伏阵列输出功率的变化进行跟踪，且MPPT控制仿真结果与实际结果基本相符，误差较小。

逆变器在分布式光伏系统中输出的交流电流在仿真18s内的电流谐波畸变率变化情况如图7所示。

图7 电流谐波畸变率变化情况

分析图7可知，在PV系统开始时和PB系统结束点附近电流谐波畸变率较高，电流谐波畸变率在分布式光伏系统正常工作状态下较低，达到国家对分布式发电并网的要求，满足分布式光伏系统总畸变率小于5%的规定。

6 结束语

由于地理位置优越，我国的太阳能资源条件优于大多数国家。在建设美丽中国，兑现节能减排国际承诺的背景下，发展太阳能光伏并网发电技术是必然趋势。比例积分并网控制技术属于传统控制方法，当交流电网电压不平衡、逆变系统受扰的环境下，受系统参数的影响，并网逆变器在系统中输出的电流波形畸变率较大，在此背景下需要对并网控制技术进行研究，提高电网的鲁棒性和适应性。

目前方法对分布式光伏发电系统的控制效果较差，为此提出基于MPPT控制的分布式光伏发电并网建模方法。对光伏电池进行建模，利用串并联方法构建光伏阵列，并利用MPPT算法跟踪光伏发电系统输出的最大功率点，提高光伏发电系统的光能利用率，构建了光伏发电系统逆变器模型，在此基础上，通过滑膜控制方法对逆变器进行控制，完成并网控制。通过仿真验证了所提方法的可行性和有效性，为分布式光伏发电并网控制技术的发展和应用奠定了基础。