光伏发电并入电网系统仿真技术探析

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当前，在实现碳达峰、碳中和目标过程中，光伏发电等新能源发电系统成为关键。光伏发电系统因具有能量的无污染、可持续、可靠、获取方便等特点受到了重点关注，成为当代最具潜力的新能源之一。本文针对光伏发电并入电网系统进行仿真分析，介绍了光伏发电系统的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏发电并入电网系统的仿真模型，并针对标准工况进行仿真分析，为实际光伏发电系统并网参数分析提供仿真方法。随着双碳目标的制定，分布式发电成为受到广泛国际关注的一种能源发电利用方式，它主要是使用可再生能源，例如太阳能、风能和潮汐能等，产生电能并入电力系统中。通过这种发电技术，可以有效节约能源，保护环境，实现各种自然能源的综合利用。光伏发电作为太阳能利用的一种重要形式，发展势头迅猛，特别是在各类供配电系统中的应用也越来越广。从长远来看，光伏发电是代替传统电网发电形式的最佳选择。积极建设光伏发电项目符合国家绿色发展的理念，耗能低、效能高，也能促进该项目的不断进步；同时光伏发电设备多为模块安装，安装地点灵活，可以有效提高土地资源利用率，推动城市空间布局优化提升。光伏发电项目充分利用太阳能这种可再生资源去代替以往煤炭，石油等传统能源，有效助力绿色低碳发展。在2021年第一季度国家能源局的新闻发布会上，发布了有关2020年我国新增光伏发电装机量的具体数据，新增装机量为48.2GW，其中集中式光伏发电装机量为32.68GW，分体式光伏发电装机量为15.52GW。光伏发电迅速发展的同时，光伏并网系统带来的问题也逐渐显现出来，比如分布式光伏并网会给电网的电能质量带来问题。光伏发电易受温度和光照强度等环境因素的影响，而一天中不可避免的会产生温度的波动以及光照强度的强弱变化，从而导致输出功率的不稳定性和间歇性，更是引发电压和频率波动、谐波污染等电能质量问题。同时，并网光伏发电是通过电力电子器件来实现直流到交流的逆变，功率器件高频次的通断过程必然会产生大量谐波。本文分析了光伏发电并入电网系统的结构，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏发电并入电网系统的仿真模型，并进行仿真分析，为实际光伏系统的运行规律分析提供仿真方法。

一、光伏发电并网系统仿真模型建立

光伏发电系统其组成一般包括：光伏电池组件（光伏阵列）、DC/DC变换器、控制器、逆变器、滤波稳压电路、变压器、电网系统等。其拓扑结构如图1所示：光伏电池组件：光伏电池组件由多个光伏电池板按照串联、并联的方式组成，是光伏发电系统中的关键组成，根据光伏特效应将太阳能转换为电能。光伏电池一般由单晶硅、多晶硅、砷化镓等具有特殊晶体结构的材料构成。光伏电池在太阳光照射下，产生光伏效应。这种能量转换包括电荷产生、分离、输运三个步骤。产生的电能为直流形式，且存在一定的波动性，无法直接并入当前的交流电力系统。DC/DC变换器：可以升高光伏电池所输出的直流电压，同时保证光伏发电系统的输出功率能一直接近最大输出功率。光伏电池具有随机波动性，易受外界温度和光照强度的影响，为了保证光伏发电系统一直工作在最大输出功率点上，需要采用最大功率点跟踪技术。控制器：该部分可以对整个光伏发电系统的工作状态进行控制。逆变器：光伏电池组件经过转换输出的电能一般都是直流电，为向电器提供电能，需要DC/AC逆变器，通过逆变产生交流电从而实现并网。滤波稳压电路：滤波器可以处理谐波，抑制谐波污染，提高系统的电能质量，起到稳定电压的作用。隔离变压器：隔离变压器的主要起到减少系统对配电网络的影响，保护系统安全的功能。通过调节系统参数，隔离变压器能够很好地阻碍直流电进入电网，并且大量抑制电网中的谐波。当光伏并网产生故障时，隔离变压器能够限制短路电流，并进行自我保护。光伏并网系统整体电路模型如图2所示：光伏电池模块采用仿真平台已有的模块，可以根据实际仿真需要，设置模块的输入光照、环境温度、光伏电池板型号及参数等内容。光伏电池后段连接DC/DC变换器，目的是为了对电池板输出的直流电压进行变换，并进行最大功率追踪控制，实现电池板输出功率的最大化。仿真模型中VSC部分是三相逆变器的仿真模型封块，采用了3桥臂的“UniversalBridge”模块。为了保证光伏发电的能源利用率最大化，一般运用PQ控制，即图2中的“VSCControl”模块。PQ控制的主要原理是调节有功、无功电流来对参考电流进行跟踪，以保证恒功率输出。LC滤波器为逆变器输出波形的滤波，所取电感值为0.00025H，电阻取值为约0.001Ω。并网隔离变压器一共有四种常见的接线方法，分别为Y0-△接法、Y0-Y0接法、△-△接法、△-Y0接法。本文中采用的接线方法是Y0-△接法。本文并网光伏发电系统中的电网仿真模型如图3所示。该电力系统模型由一路120kV电源提供电能，经过降压变压器，将120kV电压等级降压至25kV电压等级，为-30MW+2Mvar和2MW的负载供电。与此同时，光伏发电功率并网后设置了一段5km的数显线路，输电线路采用π型等值电路。

二、仿真分析

根据本文建立的光伏电池仿真模型得出其电流端口的电压及其功率变化曲线如图4所示。仿真中所用的光伏电池型号为：SunPowerSPR-305E-WHT-D，其参数为：Pm=305.266A、Voc=64.2V、Vm=54.7V、Isc=5.96A、Im=5.58A。下面分析不同温度和光照强度条件下光伏电池的特性曲线变化：在不同光照强度、不同端口电压下，电池模型输出的电流和功率差值区别明显。在相同电压下，随着光照强度的增加，电池模型的输出电流基本呈现线性增加的规律。在同一光照条件下，端口电压逐渐增加，输出电流也会受到影响。整个光伏电池输出功率也随着光照和端口电压的不同而发生改变。在同一光照条件下端口电压调节到合适值时会产生最大的光伏输出功率。图5所示的即为标况下光伏电池的相关特性。由图5（a）可以看到，根据设置，光照强度始终保持在1000W/m2。由图（b）可以看到光伏电池在约0.35s时达到最大功率点，在0s至0.35s时间段，控制系统不断调节，寻找最大输出功率点，在此之后，便一直保持稳定的功率输出，因此系统能够实现最大功率跟踪控制。图5（c）、图5（d）为光伏电池输出电压和输出电流变化曲线，可以看到其波动范围较小，符合扰动观察法的条件。图（e）是经Boost电路后的输出电压曲线，可以看到系统不仅实现了MPPT控制，输出电压也被放大了约2倍。图5仿真结果表明，所搭建的模型较好地实现了最大功率追踪。图6为三相光伏并网系统中有功功率跟踪的仿真结果。由图6可知光伏电池最大输出功率约为106kW，可以看出逆变器输出的有功功率在很短的时间内就追踪到光伏电池的最大功率，并且在达到最大输出功率后能一直保持稳定的输出。与此同时，光伏电池产生的功率经过电压变换、整流等环节，产生了一定的功率损耗，逆变器输出功率有一定的降低。图7所示为本文的仿真标况下，逆变器的输出电流。可以看出三相光伏并网输出电流能够在很短的时间内稳定，并满足并网要求。通过上述仿真分析，验证了本文仿真模型的效果，同时为实际现场光伏并网分析提供了基础仿真方法。

三、总结

本文针对光伏发电并入电网系统进行仿真分析，介绍了光伏发电系统的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏发电并入电网系统的仿真模型，分析了光伏电池组件、DCDC变换器、控制器、逆变器、滤波稳压电路、变压器等结构仿真模型，并进行仿真分析。仿真结果表明，本文所建立的光伏发电并入电网系统的仿真模型可以有效仿真光伏发电并网参数变化规律。

作者:陈熙昊 单位:宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司