光伏电站运行特性及仿真试验分析

1、第五届电能质量及柔性输电技术研讨会光伏电站运行特性及仿真试验分析宁玉宝1，郑建勇1，夏俪萌1，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，江苏省南京市210036)The Research About the Effect of Photovoltaic Power station Connected toElectrical P0wer SystemNing YU-ba01，Zheng Jianyon91，Xia Limen91，Chen Zhifei2 (1Soume船t Universi劬N锄jing in Ji蛐g叭Province，2l0096；2Ji锄g

2、姒Keneng Power Engineering consulting co，Ltd，Nanjing iIl Ji粕gsu Province，210036)ABSII认Clj PhOtOV0l诅lc gnd。cO皿ected pOwer system ls主要结论。Very popular in tem of the utility of solar ene增弘and more关键词：光伏电站；逆变器；运行特性；仿真研究and more photoVoltaic powcr stations are pm in useThispaper firstly intrt)duces the mam

3、ematical model photoVOltaic 0 引言gridco皿ectcd power system，and pr叩oses the model of a随着化石能源的枯竭和全球变暖、雾霾等环PV aW蛐d invenor in practice111it analyzes the境问题日益突出，为提高能源效率，改变能源结outside characteristics of a PV amyIn me b鹊e of me构对我国而言具有重要意义。近年来，太阳能等research of inVertorstopology and con由rol s仃ategyttleprincip

4、le Ofle inVertors applied to medium and big 可再生能源迅猛开展，太阳能作为间歇式电源并photovoltaic power stations comes out For statistics网发电技术受到高度关注。analysis of opemtion data tllat photovoltaic power station in目前，光伏电站建模分析主要集中对光伏组 Ji粗gsu has be锄put ho operation for 9 months锄d 件及并网逆变器元件进行分析，鲜有针对大中型 characteristics of PV鲥

5、d-coIlllected system，t11e law of the光伏电站工程系统研究分析的模型，在综述的基 V撕e哆of phot0Voltajc power station due to me change of础了建立光伏阵列工程模型及逆变器选型原那么；se勰0n 蹰d weatller is su舢mrized， so Scheduling由于光资源分布及太阳光照强度、环境温度的不d印蝴t can arrange the m鹕in capacity of system均衡性、随机性、波动性、间歇性，光伏阵列输re嬲ona_bly and save tlle inves缸nentF

6、iIlally the simulationcalculati孤d exp耐mental stlldy of a PV station in Jiangsu出电流I、输出电压U、输出功率P呈现波动性by MatlabSimulink，the main conclusions is verified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，KEY woIms； photovoltaic power station； invcrtor；由于缺乏旋转局部，无惯性无阻尼，克服扰动性Opemting characteristic；simulation resea

7、rch能差，电压调节和控制方式与常规方式不同。其摘要：太阳能光伏并网是太阳能利用的主要开展趋势，国 次对光伏电站的运行特性进行监测研究分析，总内越来越多的光伏电站投入使用。本文首先对并网光伏电结出光伏电站随季节天气变化运行规律，指导调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 度部门合理安排调度容量，根据光伏电站最大出 策略的研根底上，提出大中型性光伏电站适用的逆变器选 力特性，提出光伏电站送出线路可按装机容量 项原那么。针对江苏已投运光伏电站长达9个月的运行数据 80进行导线截面选择，节约了投资，提高了资进行统计分析得出光伏并网运行特性

8、，得出光伏电站随季 产利用效率。最后结合工程实例，进行仿真测试，节、天气变化规律，调度部门可合理安排系统备用容量， 验证了主要结论。提出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。最后通过Matl a_b，Si姗llink对江苏某 1 并网光伏电站数学模型光伏站运行特性进行仿真计算和试验研究，验证了分析的并网光伏电站主要由光伏阵列、汇流箱、逆532第五届电能质量及柔性输电技术研讨会变器、升压变及并网线路等组成。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。图l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，输出为直流

9、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。图2光伏组件uP仿真曲线11光伏阵列数学模型光伏阵列由假设干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IU、 PU曲线表示。111光伏电池数学建模图3光伏组件UP-I三维仿真曲线光伏电池工程模型：112光伏阵列数学建模，=k1一QeXp(寿)一1】)r，光伏阵列由多个光伏电池串并联组成，假定 (1)乙lU光伏阵列串接的光伏组件个数为n，m串光伏并ljTCl=(挚一1)lIl(1-子)(2)联，那么光伏阵

10、列输出特性如下：Uoc即=玎(一，R，)(6)TT TC2_(1一芒Xp卜意o=m(7)只=L=玎m(一，R，)(8)丁=丁一298(4)光伏阵列是一非线性电源，建模关键在于充=口丁+(G10001)t。(5)分利用其UI，UP等外特性进行等效，既能抓住U一y问题本质，又能提高仿真精度和效率，准确反映，=L。1一C2(eq“一1)+(6)光伏电源的工作状况。利用简化工程模型建模时，只需输入光伏电 12光伏逆变器数学模型 池厂家资料的技术参数中的开路电压U。、工作光伏阵列输出的电能为直流，光伏电站并网 电压Um、短路电流I。、工作电流Im、开路电压的一个重要元件是逆变器，逆变器主要功能除了 温度

11、系数、短路电流温度系数这六个参数量，前将直流电能经三相桥式逆变电路转换为交流电 4个参数可确定光伏电池UI曲线。 能，同时经LCL滤波电路滤除交流电中的谐波成由图l3可知，在一定的温度条件下，随着 分，将清洁电能送入电网，同时另一重要功能实太阳光照强度的增加，光伏阵列输出电流及输出现光伏阵列MPPT控制，逆变器的拓扑结构和控 功率增加加大，输出电压变化较小，光照强度与 制策略是光伏并网的核心问题。 输出电流及输出功率具有正特性；在相同的光照并网逆变器通过采用MPPT(最大功率点跟 强度条件下，随着温度的增加，光伏阵列输出电 踪)、sPwM(正弦波脉宽调制)、并网控制等技 压减小，输出电流加大，

12、输出功率减小，温度与 术将光伏阵列发出的直流电逆变成交流电输送系 输出功率具有负特性。 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，以电流源为第五届电能质量及柔性输电技术研讨会 533输入的逆变器，其直流侧需串一大容量电感提供进行精细的调节，提高逆变器输出的电能质量， 较为稳定的直流电流输入，以电压源为输入的逆一般动态响应较快；外环控制器主要针对不同的 变器，其直流侧需并联一大容量电容提供较为稳控制目的，产生内环参考信号，一般动态响应较 定的直流电压输入。慢41。121并网逆变器拓扑结构常见的光伏并网逆变器双环控制方法： 光伏并网逆变器一般采用电压型三相桥式逆恒功

13、率控制(又称PQ控制)，适用于并网变器结构，根据逆变器是否含有DCDC环节，模式，电压和频率由电网提供： 可分为单级式并网系统和双级式并网系统。恒压恒频控制(又称vf控制)；主要适用单级式并网系统仅含DCAC环节逆变器，光伏电源的孤岛运行模式，相当于平衡节点； 通过DCAC环节实现MPPT控制及并网控制，下垂控制(又称Droop控制)，主要用于微 其电路结构简单，稳定，可靠性高，效率高；但网孤岛运行模式；逆变器直流侧电压变化范围大，控制算法复杂。123 MPPT控制策略一般应用在大型光伏并网电站。光伏阵列输出受光照强度、温度和负载特性 双级式并网系统除了含有DcAC环节逆变影响很大，具有强非线

14、性特性，使光伏阵列始终器，还在逆变器前直流回路含有DCDC变换器， 工作在摄大功率点是提高发电效率的有效途径， 通过DCDC变换器，可将逆变器直流电压稳定最大功率点跟踪(PT)技术是光伏逆变器控 在一个恒定值，在DcDc环节实现MPPT控制， 制的一个重要策略。 在DCAC环节实现逆变及并网控制，两个环节目前常用的MPPT算法有定电压跟踪(CV) 相对独立。其有点是提高了最大功率点跟踪精度，法、扰动观察(PO或爬山)法、电导增量(Ic) 控制算法简单；但由于增加了级变换，电路结法、最优梯度法、间歇扫描法、滞环比拟法、模 构复杂，整体造价高，可靠性及整体效率有所降 糊控制法、神经网络控制法等，核

15、心控制思想是 低。一般应用在中小型光伏并网电站。 通过直流电压(或者是输出功率)的扰动，判断本文根据工程实例给出了大型光伏电站中直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。 IMW光伏单元并网系统拓扑及控制系统结构图，CV方法具有控制简单、可靠性高、本钱低 详见图4。等优点，但由于忽略温度影响，误差大，精度低：PO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法优点控制精确，响应 速度快，缺点本钱较高。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：一环境温度：大致的规律是温度越高，出力越低

16、一光照强度：强度越大，出力越高图4光伏并网系统拓扑及控制结构图一入射角度：人射角越大，出力越小122并网逆变器控制策略由于上述几个参数都是不断变动的，导致太 光伏并网逆变器并网运行必须满足：其输出阳能发电系统出力波动较大。电压与电网电压同频同幅值，其输出电流与电网下面分析结合江苏已投运光伏电站工程对长 电压同频同相。达9个月的运行数据进行统计分析，为使统计结 目前主要广泛采用的是双环控制，在双环控果具有可借鉴性，所有光伏电站出力折算到光伏制系统中，在双环控制系统中，内环控制器主要第五届电能质量及柔性输电技术研讨会 535天气变化等因素，判断其出力变化范围，安排系台500kw并网逆变器，每个1M

17、wp光伏发电子 统备用容量。 系统方阵旁设两台额定容量500kw并网型逆变3仿真试验分析器，经1台1MVA三圈变压器升压至35kV，其 中3个或4个1MVA单元经电缆分支箱形成1个江苏某大型地面并网光伏电站工程，总装机回路，接入开关站后至公用电网。 容量10368Mwp，总占地约300亩，光伏组件选光伏电站系统配置图详见图1l。 用Suntech公司HiPerfonna PLUTO 240一Wdm型E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Sun2row公司的SG500KTL型号逆变器，10台1MVA升压变压器，经10kv

18、35kV并网高压配电装置及送出线路接入系统，其中每组评料谮：光伏阵列采用18块240W光伏组件串联，12个矗矗矗矗鑫矗同节，占壁；l 同下由嚣； 同书占殛；，一 一同下窟 n占鼹r 同】_l霹；，一 同节占嚣黔 同下l霹l一 同节占毯iI 同下J矗；I n下，占髓；， 同下l鸯 同叶占嚣r n下占鲤；， 篓薯：篓篓篓阵列并联接入1个直流防雷汇流箱，形成1个直流回路，10个直流回路聚集经直流配电柜接入l图11光伏电站系统配置图表l HiPerforma PLuTo 240wdm光伏组件参数一览表5184kw光伏阵列采用240w光伏组件18 串，12并，10个直流回路汇流，光伏阵列输出特开路电压(

19、U0c)性详见图16一图18，根据光伏阵列输出特性曲线与光伏组件输出特性曲线比照分析，可知光伏阵短路电流(Isc)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。开路电压温度系数光伏组件并联电阻R“光伏等效二极管饱和电流(Io)67n A注：sTC标准测试条件：光照强度1000wm2，组件温度25 大气质量15。表2 SG500KTL逆变器主要参数最大直流输入功率(kwp)550kw最大输入电流图12光伏阵列UI仿真曲线(不同光照强度)直流输入回数lO最大输出功率(kw)输出电压范围(Vac)电流畸变率(THD)3

20、输出相线三相四线图13光伏阵列uP仿真曲线(不同光照强度)MPPT效率536第五届电能质量及柔性输电技术研讨会；。艮?董夕?季挝二q鼍正五。啪卜_布暑1广十亩；。p番：夕x：聋厂一rfr狮卜靠著一；广古1F一鼍【i五五【图14光伏阵列uPI三维仿真曲线图18逆变器输出侧波形与频谱 (不同光照强度)，删卜靠_亩毛广占一1葛【五工E；ob多毒x：歹：J二q；。p吣笺愧吣：$淞铂?，删卜奇-_亩矗广占名图15 500kw光伏并网单元仿真电路图图19 O27kV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，根据光图16光照强度随

21、时间变化曲线伏电站系统结构、对核心器件一光伏阵列、逆变器进行建模分析，分析总结出光伏阵列IU、PU 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m_“mm行特性，统计出光伏电站最大出力约为装机容量图17光伏单元输出电压电流变化曲线的80，提出按照装机容量80选择导线截面，(随着光照强度变化) 节约投资，根据光伏电站运行特性进行预测安排 500kW光伏逆变器输出特性测试结果详见 系统备用容量。最后针对江苏具体工程进行建模

22、图18、图19：分析，测试评估，验证了光伏电站运行特性及逆 根据测试结果分析：变器频谱特性，得出光伏电站建模仿真分析关键 (1)并网光伏逆变器输出侧及O27kV网侧抓住光伏阵列输出外特性，根据UIP输出外特 的主导谐波电压与谐波电流次数为25次以下和性，可简化模型，逆变器建模分析重点是根据其6070次【13J；拓扑结构、MPPT跟踪策略及并网控制策略建模，(2)027kV网侧的主导谐波电压低于逆变分析光伏电站系统特性。 器输出侧，027kV网侧的主导谐波电压低于逆变第五届电能质量及柔性输电技术研讨会 537参考文献2005，l7(5)： 1248一1251【】杨明，周林，张东霞，张密考虑电网阻抗影响的大 【9】周林，武剑，栗秋华，郭珂光伏阵列最大功率点跟 型