光伏电站运行特性及仿真试验分析

1、光伏电站运行特性及仿真试验分析宁玉宝郑建勇x夏俪萌i,陈志飞2（1. 东南大学，江苏省南京市210096;2.江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏省南京市210036）the research about the effect of photovoltaic power station connected toelectrical power systemning yu-bao zheng jian-yong1, xia li-meng chen zhi-fei2(1. southeast university, nanjing in jiangsu province, 210096;2. ji

2、angsu ke-neng power engineering consulting co., ltd, nanjing in jiangsu province, 210036)abstract: photovoltaic grid-connected power system is very popular in term of the utility of solar energy, and more and more photovoltaic power stations are put in use. this paper firstly introduces the mathemat

3、ical model photovoltaic grid-connected power system, and proposes the model of a pv array and invertor in practice. then it analyzes the outside characteristics of a pv array. in the base of the research of invertors topology and control strategy, the principle of the invertors applied to medium and

4、 big photovoltaic power stations comes out. for statistics analysis of operation data that photovoltaic power station in jiangsu has been put into operation for 9 months and characteristics of pv gridconnected system, the law of the variety of photovoltaic power station due to the change of season a

5、nd weather is summarized, so scheduling department can arrange the margin capacity of system reasonably and save the investment. finally the simulation calculation and experimental study of a pv station in jiangsu by matlab/simulink, the main conclusions is verifiedkey words : photovoltaic power sta

6、tion; invertor; operating characteristic; simulation research摘要：太阳能光伏并网是太阳能利用的主要发展趋势，国 内越来越多的光伏电站投入使用。本文首先对并网光伏电 站数学模型进行综述，提出工程中光伏阵列和逆变器模 型。分析光伏阵列外特性，在剖析逆变器拓扑结构、控制 策略的研基础上，提出大中型性光伏电站适用的逆变器选 项原则。针对江苏已投运光伏电站长达9个月的运行数据 进行统计分析得出光伏并网运行特性，得出光伏电站随季 节、天气变化规律，调度部门可合理安排系统备用容虽， 提岀光伏电站送出线路可按装机容量80%进行导线截面 选择，节约了

7、投资。最后通过mailab/simulink对江苏某 光伏站运行特性进行仿真计算和试验研究，验证/分析的 主要结论。关键词，光伏电站；逆变器；运行特性；仿真研究0引言随着化石能源的枯竭和全球变暖、雾霾等环 境问题日益突出，为提高能源效率，改变能源结 构对我国而言具有重要意义。近年来，太阳能等 可再生能源迅猛发展，太阳能作为间歇式电源并 网发电技术受到高度关注。目前，光伏电站建模分析主要集中对光伏组 件及并网逆变器元件进行分析，鲜有针对大中型 光伏电站丄程系统研究分析的模型，在综述的基 础了建立光伏阵列工程模型及逆变器选型原则： 由于光资源分布及太阳光照强度、环境温度的不 均衡性、随机性、波动性

8、、间歇性，光伏阵列输 出电流i、输出电压u、输出功率p呈现波动性 大，可调可控性差的特点，光伏阵列为新型非线 性电源，同时并网核心器件为电力电子逆变器， 由于缺乏旋转部分，无惯性无阻尼，克服扰动性 能差，电压调节和控制方式与常规方式不同。其 次对光伏电站的运行特性进行监测研究分析，总 结出光伏电站随季节天气变化运行规律，指导调 度部门合理安排调度容量，根据光伏电站最大出 力特性，提岀光伏电站送出线路可按装机容量 80%进行导线截面选择，节约了投资，提高了资 产利用效率。最后结合工程实例，进行仿真测试, 验证了主要结论。1并网光伏电站数学模型并网光伏电站主要由光伏阵列、汇流箱、逆变器、升压变及并

9、网线路等组成。并网光伏电站 仿真建模的难点主要集中在光伏阵列和逆变器。a流配电柜控5mjb 1j图1光伏组件ui仿真曲线图1并网光伏电站系统结构图光伏阵列通过吸收太阳辐射能量，将太阳能 转化为电能，输岀为直流电形式：逆变器将直流 电变换为交流电，跟踪光伏阵列最大功率点，跟 踪电网电压频率相位。1.1光伏阵列数学模型光伏阵列由若t光伏电池串并联组成，针对 光伏阵列建模首先要对光伏阵列的最小单元光 伏电池进行建模，然后进行串并联等效即可得到 光伏阵列模型。光伏阵列的电气特性一般用i-u> p-u曲线表示。图2光伏组件up仿真曲线1.1.1光伏电池数学建模 光伏电池工程模型：/=zjcl-c2

10、exp(-)-lju*ug1jcj)(2)(3)(4)(5)严仏ar = t-298az = aat + (g/1000-1)/心/jl-g(內-1) + a/(6)利用简化工程模型建模时，只需输入光伏电 池厂家资料的技术参数中的开路电压uoc、工作 电压um、短路电流isc、工作电流im、开路电压 温度系数、短路电流温度系数这六个参数量，前 4个参数可确定光伏电池u-i曲线。由图13可知，在一定的温度条件下，随着 太阳光照强度的增加，光伏阵列输出电流及输出 功率增加加大，输出电压变化较小，光照强度与 输岀电流及输出功率具有正特性；在相同的光照 强度条件下，随着温度的增加，光伏阵列输出电 压减

11、小，输出电流加大，输出功率减小，温度与 输岀功率具有负特性。图3光伏组件u4m三维仿真曲线1.1.2光伏阵列数学建模光伏阵列由多个光伏电池串并联组成，假定 光伏阵列串接的光伏组件个数为n, m串光伏并 联，则光伏阵列输出特性如下：uamud-irj1近51(7)匕 光伏阵列是一非线性电源，建模关键在于充 分利用其ui, up等外特性进行等效，既能抓住 问题本质，又能提高仿真精度和效率，准确反映 光伏电源的工作状况。1.2光伏逆变器数学模型光伏阵列输岀的电能为直流，光伏电站并网 的一个重要元件是逆变器，逆变器主要功能除了 将直流电能经三相桥式逆变电路转换为交流电 能，同时经lcl滤波电路滤除交流

12、电中的谐波成 分，将清洁电能送入电网，同时另一重要功能实 现光伏阵列mppt控制，逆变器的拓扑结构和控 制策略是光伏并网的核心问题。并网逆变器通过采用mppt(最大功率点跟 踪)、spwm (正弦波脉宽调制)、并网控制等技 术将光伏阵列发出的直流电逆变成交流电输送系 统电网。并网逆变器按照直流侧电源的不同形式 分为电压源逆变器和电流源逆变器，以电流源为 输入的逆变器，其直流侧需串一大容量电感提供 较为稳定的宜流电流输入，以电压源为输入的逆 变器，其直流侧需并联一大容量电容提供较为稳 定的直流电压输入。1.2.1并网逆变器拓扑结构光伏并网逆变器一般采用电压型三相桥式逆 变器结构，根据逆变器是否含

13、有dc/dc环节， 可分为单级式并网系统和双级式并网系统。单级式并网系统仅含dc/ac环节逆变器， 通过dc/ac环节实现mppt控制及并网控制， 其电路结构简单，稳定，可靠性高，效率高；但 逆变器直流侧电压变化范围大，控制算法复朵。 一般应用在大型光伏并网电站。双级式并网系统除了含有dc/ac环节逆变 器，还在逆变器前直流回路含有dcqc变换器, 通过dc/dc变换器，可将逆变器直流电压稳定 在一个恒定值.在dc/dc环节实现mppt控制, 在dc/ac环节实现逆变及并网控制，两个环节 相对独立。其有点是提高了最大功率点跟踪精度, 控制算法简单；但由于增加了一级变换，电路结 构复杂，整体造价

14、商，可靠性及整体效率有所降 低。一般应用在中小型光伏并网电站。本文根据工程实例给出了大型光伏电站中 1mw光伏单元并网系统拓扑及控制系统结构图,图4光伏井网系统拓扑及控制结构图1.2.2并网逆变器控制策略光伏并网逆变器并网运行必须满足：其输出 电压与电网电压同频同幅伯l,其输出电流与电网 电压同频同相。目前主要广泛采用的是双环控制，在双环控 制系统中，在双环控制系统中，内环控制器主要 进行精细的调节，提高逆变器输出的电能质崑， 一般动态响应较快；外环控制器主要针对不同的 控制目的，产生内环参考信号，一般动态响应较 慢叫常见的光伏并网逆变器双环控制方法； 恒功率控制（又称pq控制），适用于并网

15、模式，电压和频率由电网提供； 恒压恒频控制（又称v/f控制）：主要适用 光伏电源的孤岛运行模式，相当于平衡节点； 下垂控制（又称droop控制），主要用于微 网孤岛运行模式；1.2.3 mppt控制策略光伏阵列输出受光照强度、温度和负载特性 影响很大，具有强非线性特性，使光伏阵列始终 工作在最大功率点是提高发电效率的有效途径， 最大功率点跟踪（mppt）技术是光伏逆变器控 制的一个重要策略。冃前常用的mppt算法有定电压跟踪（cv） 法、扰动观察（po或爬山）法、电导增量（ic） 法、最优梯度法、间歇扫描法、滞环比较法、模 糊控制法、神经网络控制法等，核心控制思想是 通过直流电压（或者是输出功

16、率）的扰动，判断 直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。cv方法具有控制简单、可靠性高、成本低 等优点，但由于忽略温度影响，误差大，精度低: p0优点是方法简单，对硬件要求低，缺点在mpp 点振荡运行，导致功率损失，无法兼顾响应速度 和精度，可能会误判：ic法优点控制辅确，响应 速度快，缺点成本较髙。本文mppt算法采用ic 法。2光伏电站并网运行特性太阳能发电的出力取决于以下几方面的因 素：环境温度：大致的规律是温度越高，出力 越低光照强度：强度越大，出力越高入射角度：人射角越大，出力越小由于上述几个参数都是不断变动的，导致太 阳能发电系统岀力波动较大。下面分析结合江苏已投运光伏电站工程对长

17、 达9个月的运行数据进行统计分析，为使统计结 果具有可借鉴性，所有光伏电站出力折算到光伏电站装机容量的百分数。根据图x给岀的光伏电站典型日出力，查询 历史天气情况，其中1月日和3月1日为晴天，5 月1日天气为晴/多云，9月15日天气为阴/多云, 11月丨日天气为阴南。由图5相关曲线分析可知:（1）光伏发电出力在晴朗、无云的气象条件 下较有规律性，日出力曲线基本成正态分布，类 似正弦半波，非常光滑，出力时间集中6： 00-18： 00,中午在13： 00-14： 00间出力达到讎值，夜 间光伏电站出力为零：（2）多云及降雨情况下，随机性较大，缺乏 规律性；（3）夏季光伏电站运行时间较长，冬季光伏

18、 电站运行时间较短，要受太阳位置和光伏电站 位置影响；根据图6分析，春夏季平均出力高于其它季 节。这主要和光伏电站当地气彖情况密切相关。根据图7分析，光伏电站出力具有间歇性、 随机性和明显周期性的特点。根据图8分析，光伏发电在80%的有效工作 时间内每小时出力变幅能保持在额定容量的 15%15%范围内。根据图9、图10分析，光伏电站最大出力约 为其装机容承的80%,光伏发电日最大出力变幅 较大，日出力曲线呈锯齿型：在有效工作时间内 出力水平分布比较平均，持续出力小时曲线近乎 直线。100%:2$« *伏站出力-图7光伏电站一周岀力特性图8光伏电站单位小时出力变幅尢伏电站出力%9 月

19、15b11h1b1r1b3a1b尢伏电站出力;尢伏电站岀力-% )64%56%一竽7冃4尢代电站出力%-图6光伏电站日平均岀力图10光伏电站发电持续岀力小时曲线综上所述，由于光伏电站出力具有间歇性、 随机性和明显周期性的特点，有功出力基本不可 控制，且不稳定，加大了系统运行的备用压力， 可将光伏电站出力视为负的负荷。光伏电站运行特性对规划设计及调度运行的 彩响：（1）根据江苏光伏电站出力最大为装机容虽 的80%,送出线路输送容量可按其装机容量80% 进行选择，对新建线路可节约投资20%45%,对 已建成光伏变电站扩建项目，可利用进行扩容， 提高资产利用效率：（2）调度运行部门可根据天气变化及光

20、伏发 电预测系统，对光伏岀力进行预测，根据苴季节、天气变化等因索，判断其出力变化范围，安排系 统备用容量。3仿真试验分析江苏某大型地面并网光伏电站项目，总装机 容m 10.368mwp,总占地约300亩，光伏组件选 用 suntech 公司 hiperfbrma pluto 240-wdm 型 号光伏组件，共配置240w的多晶硅组件43200 块，200个直流防雷汇流箱，20台500kw并网逆 变器，采用sungrow公司的sg500ktl型号逆变器，10台1mva升压变压器，经iokv/35kv并 网高压配电装祝及送出线路接入系统，其中每组 光伏阵列采用18块240w光伏组件串联，12个 阵

21、列并联接入1个直流防宙汇流箱，形成1个直 流回路，10个直流回路汇集经直流配电柜接入1 表 1 hiperforma pluto 240-wdm 光伏组件 参数一览表开路电压(uoc)36.9v工作电压(u+)29.6v短路电流8.46a'漁工作电減(17&i1a绘大输出功申(pmpp)242.7w输出功辜温度系数o.4o%/r开路电压温度系数-0.33%/r短路电流温度系数0.05%/r光伏组件并联电阻阳400q光伏组件串联电瞅&0.068q光伏等效二极讦饱和电流(i。)67na注：stc标准测试条件:光照强度looow/n?,组件温度25c,大气质購1.5<表

22、2 sg500ktl逆变器主要参数最大氏流输入功率(kwp)550kw厳大h流输入电压(vdc)900v帰大输入电流6oox2a1输入mppt电压范fb (vdc)450-820自流输入回数10额定输出功* (kw)500最大输岀功率(kw)550験定输出电滅(a)930綸出电压范国(vac)380±15%允许电网频(hz)47.5-51.5hz电流畸变率(thd)<3%功0.991输出相线三相四线蝦大效率洌.7%mppt效率>99.9%台500kw并网逆变器，每个1 mwp光伏发电子 系统方阵旁设两台额定容重500kw并网型逆变 器，经1台1mva三圈变压器升压至35k

23、v,其 中3个或4个1mva单元经电缆分支箱形成1个 回路，接入开关站后至公用电网。光伏电站系统配置图详见图11。) 11 1hft)浚x x该&氓图11光伏电站系统配置图518.4kw光伏阵列采用240w光伏组件18 串，12并，10个直流回路汇流，光伏阵列输出特 性详见图16图18,根据光伏阵列输出特性曲线 与光伏组件输出特性曲线对比分析，可知光伏阵 列输出变化规律与光伏组件完全相同，主要因为 光伏阵列由光伏组件串并联而成，抓住光伏阵列 输出特性，也就抓住了光伏阵列建模的本质。图14光伏阵列upi三维仿真曲线（不同光照强度）图15 500kw光伏并网单元仿真电路图图16光照强度随时

24、间变化曲线图17光伏单元输岀电压电流变化曲线 （随着光照强度变化）500kw光伏逆变器输出特性测试结果详见 图18、图19：根据测试结果分析：（1）并网光伏逆变器输岀侧及0.27kv网侧 的主导谐波电压与谐波电流次数为25次以下和 60-70次【叫（2）0.27kv网侧的主导谐波电压低于逆变 器输岀侧，0.27kv网侧的主导谐波电压低于逆变图18逆变器输岀侧波形与频谱90wo50moso图19 0.27kv侧波形与频谱器输出侧；（3）并网光伏逆变器的入口 lcl滤波器有良好 的滤波效果：4结论光伏并网发电技术是目前研究热点，根据光 伏电站系统结构、对核心器件一光伏阵列、逆变 器进行建模分析，分

25、析总结出光伏阵列iu、p-u 曲线及工作点随光照强度、温度变化规律。结合 具体工程，对并网逆变器产品拓扑结构、mppt 跟踪策略、并网控制策略进行细致剖析。对江苏 已投运光伏电站工程长达9个月运行数据进行统 计分析，总结出光伏电站随季节、天气变化的运 行特性，统计出光伏电站最大出力约为装机容量 的80%,提出按照装机容量80%选择导线截面， 节约投资，根据光伏电站运行特性进行预测安排 系统备用容量。放后针对江苏具体工程进行建模 分析，测试评估，验证了光伏电站运行特性及逆 变器频谱特性，得出光伏电站建模仿真分析关键 抓住光伏阵列输出外特性，根据uip输出外特 性，可简化模型，逆变器建模分析重点是根据其 拓扑结构、mppt跟踪策略及并网控制策略建模， 分析光伏电站系统特性。参考文献1 杨明，周林，张东璇，张密.考虔电网阻抗影响的大 型光伏电站并网稳定性分析(