光伏發(fā)電系統(tǒng)模型綜述

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)模型綜述摘要：為了對(duì)含光伏電源的電力系統(tǒng)進(jìn)行各種仿真研究，必須建立準(zhǔn)確的光伏 發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。全面綜述了包括光伏組件、逆變器及其控制系統(tǒng)的光伏系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型，對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，總結(jié)了利用各元件 模型建立系統(tǒng)模型的方法以及孤島保護(hù)的研究現(xiàn)狀及其建模方法，并對(duì)光伏發(fā)電 系統(tǒng)模型的研充前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：光伏陣列；逆變器控制；最大功率點(diǎn)追蹤；光伏發(fā)電系統(tǒng)引言準(zhǔn)確的元件模型是進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真分析的基礎(chǔ)。隨著光伏電源接入系統(tǒng)比 例的不斷增加，光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響日益顯現(xiàn)。因此，研究光伏發(fā)電對(duì)電 力系統(tǒng)的影響日益迫切，建立能夠準(zhǔn)確反映并網(wǎng)光伏電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的模

2、型是開展 相關(guān)研究的基礎(chǔ)。MPPT控制的作用是保證光伏陣列始終工作在輸出功率最大的 狀態(tài)，而逆變控制的目的是保證逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同相的電流并盡量減小諧 波輸出。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)孤島狀態(tài)時(shí)，即出現(xiàn)脫離了電網(wǎng)但仍可以向周圍 負(fù)載供電的狀態(tài)，電網(wǎng)需令孤島中的光伏發(fā)電系統(tǒng)退出運(yùn)行，這就需要能夠準(zhǔn)確 檢測孤島狀態(tài)的保護(hù)系統(tǒng)。本文分別對(duì)光伏陣列、MPPT控制、孤島保護(hù)、逆變 器控制以及整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型進(jìn)行分析，并對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型研究進(jìn)行 展望。1光伏陣列的建模1.1光伏電池U-I特性模型光伏電池的發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)，一個(gè)光伏電池具有類似于二極管PN結(jié) 的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光照射在電池上，PN結(jié)兩

3、端就會(huì)有電壓產(chǎn)生，單獨(dú)的光伏電池功率很 小，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)要將大量的光伏電池串并聯(lián)，以構(gòu)成光伏陣列。因此，在 得到光伏電池的模型后，進(jìn)行串并聯(lián)等效可得到光伏陣列的模型。光伏電池模型 主要分為光伏電池基本U-I特性模型、簡化工程用模型及考慮雪崩效應(yīng)的模型等。1.2考慮雪崩擊穿的光伏電池模型當(dāng)光照不均勻時(shí)，由于光伏電池的光生電流本身很小，光伏陣列中的一部分 光伏電池接受光照不足，有可能在其他電池作用下兩端出現(xiàn)負(fù)電壓，則會(huì)體現(xiàn)出 二極管的負(fù)載特性，當(dāng)電壓低于一定值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)。針對(duì)此效應(yīng)，建立 光伏電池的模型時(shí)，應(yīng)在原有模型基礎(chǔ)上加上雪崩電壓段，組成新的電池模型， 由此得到光照不均勻情況下出

4、現(xiàn)雪崩擊穿的光伏電池模型1。2風(fēng)速建模2.1風(fēng)速模型簡介風(fēng)能作為一種可再生能量，密度較低，穩(wěn)定性差。在自然界中，風(fēng)速是易變 的、不可控制的。雖然不能夠從成因和理論上證明它是服從于哪一種分布，但是, 從長期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，風(fēng)速的變化和分布仍然有 一定的規(guī)律2。隨著對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)速的模擬和預(yù)測提出了比較多 的方法。主要的方法概括起來有以下兒種：1）組合風(fēng)速法也就是組合風(fēng)速模型; 2）基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的風(fēng)速分布模型；3）基于功率譜密度的風(fēng)速模型。2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器和MPPT控制部分的建模根據(jù)逆變橋的相數(shù)不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器可分為單相逆變器和

5、三相逆 變器：一般使用單相逆變器的多為小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)；而三相逆變器多用 于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)逆變器功率變換的級(jí)數(shù)乂可將其分為單級(jí)式和多級(jí)式 逆變器。單級(jí)逆變器只通過一個(gè)逆變過程就同時(shí)完成逆變、電壓變換以及控制功 能；多級(jí)逆變器通常是由前級(jí)DC/DC和后級(jí)DC/AC組成的，前級(jí)DC/DC可以實(shí)現(xiàn) MPPT控制和直流母線穩(wěn)壓功能，后級(jí)DC/AC用于實(shí)現(xiàn)逆變及其他控制功能。根 據(jù)逆變器的輸入、輸出方式乂可分為電壓源逆變器和電流源逆變器。電壓源逆變 器直流側(cè)采用電容濾波，交流側(cè)采用緩沖電抗器，電流源逆變器則相反。逆變器建模時(shí)如果不考慮損耗，則與逆變器的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，只需仿真其控 制過程，即

6、仿真逆變器對(duì)其輸入輸出變量的處理過程。逆變器的相數(shù)與其控制過 程的仿真無關(guān)，而其級(jí)數(shù)和輸入輸出方式對(duì)控制過程會(huì)有一定的影響。3光伏發(fā)電系統(tǒng)建模3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的潮流計(jì)算模型光伏電源多采用定功率因數(shù)控制，如果不需要計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù), 在潮流計(jì)算中可以把光伏電源等效為PQ節(jié)點(diǎn)。如果需要在計(jì)算潮流的同時(shí)計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)值，可以建立包括光 伏陣列、逆變橋、含變壓器和濾波器的交流電路等各部分潮流方程的光伏發(fā)電系 統(tǒng)潮流計(jì)算模型3。交替迭代求解此方程組和電網(wǎng)潮流，最終可得到含光伏發(fā)電 系統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流和光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。光伏電源出力具有隨機(jī)性，可以 采用隨機(jī)潮流的方法計(jì)算光照變化

7、對(duì)系統(tǒng)潮流的影響，由此可將光照強(qiáng)度和光伏 發(fā)電系統(tǒng)的出力變化用貝塔分布的概率函數(shù)表示。光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)模型的基礎(chǔ)是上述光伏電池和逆變器模型，其建模的關(guān)鍵 在于采用合適的方法將光伏電池、逆變器、變壓器、濾波器、穩(wěn)壓電容等元件模 型連接起來得到整個(gè)系統(tǒng)模型。具體方法包括受控源法、電流電壓量法以及方程 組法。3.2光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島保護(hù)的建模光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島保護(hù)分為主動(dòng)保護(hù)和被動(dòng)保護(hù)。主動(dòng)保護(hù)通過定期向電 網(wǎng)注入擾動(dòng)并觀察電網(wǎng)對(duì)于擾動(dòng)的響應(yīng)，以檢測孤島。主動(dòng)保護(hù)的定期擾動(dòng)會(huì)對(duì) 電網(wǎng)帶來不利影響，且真正需要主動(dòng)保護(hù)檢測到的孤島狀態(tài)往往很難發(fā)生。被動(dòng) 保護(hù)就是通過檢測電壓、頻率、過零點(diǎn)、相位等系統(tǒng)變量來

8、檢測是否存在孤島， 但當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)電功率和負(fù)載基本匹配時(shí)有可能無法檢出孤島狀態(tài)。無論采取哪 種孤島保護(hù)，只有在研究孤島保護(hù)在孤島狀態(tài)和電網(wǎng)其他沖擊下是否能夠正確動(dòng) 作，才會(huì)對(duì)其建模，并嵌入系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真。由于存在邏輯判斷的環(huán)節(jié)，孤 島保護(hù)通常會(huì)以程序的形式出現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)模型中。4總結(jié)1） MPPT控制模型通常以程序的形式給出，而逆變器控制的模型通常以方程 組的形式給出，2者都是光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變控制模型的一部分，且具體的模型與 其控制流程有關(guān)。2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的潮流模型較簡單，而暫態(tài)模型有多種建立 方法。暫態(tài)模型建模是在各部分模型的基礎(chǔ)上通過各種電路關(guān)系組合得到電路模 型，或在各部分方程的基

9、礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)立得到代表系統(tǒng)模型的方程組。3）對(duì)孤島 保護(hù)的建模通常是為了研究保護(hù)策略，其模型通常以程序的形式出現(xiàn)。4）光照 不均勻的光伏陣列模型研究尚不成熟，更精確的光照不均勻的光伏陣列模型可能 成為今后的研充方向。5）由于MPPT控制、逆變器和孤島保護(hù)模型都是基于其控 制或保護(hù)策略，因此控制或保護(hù)新方法的研究決定了模型的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)：1肖鑫鑫，劉東.分布式供能系統(tǒng)接入電網(wǎng)模型研充綜述J華東電力，2008, 36 (2) : 76-81.郭勇，孫超，陳新.光伏系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究J.電力電子 技術(shù)，2009, 43 (11) : 21-23.李煒，朱新堅(jiān).光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制仿真模型J,計(jì)算機(jī)仿真， 2006, 23 (6) : 239-243.趙為.太陽光