光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)探析

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當(dāng)前，在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)過程中，光伏發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)成為關(guān)鍵。光伏發(fā)電系統(tǒng)因具有能量的無污染、可持續(xù)、可靠、獲取方便等特點(diǎn)受到了重點(diǎn)關(guān)注，成為當(dāng)代最具潛力的新能源之一。本文針對光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并針對標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行仿真分析，為實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)參數(shù)分析提供仿真方法。隨著雙碳目標(biāo)的制定，分布式發(fā)電成為受到廣泛國際關(guān)注的一種能源發(fā)電利用方式，它主要是使用可再生能源，例如太陽能、風(fēng)能和潮汐能等，產(chǎn)生電能并入電力系統(tǒng)中。通過這種發(fā)電技術(shù)，可以有效節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各種自然能源的綜合利用。光伏發(fā)電作為太陽能利用的一種重要形式，發(fā)展勢頭迅猛，特別是在各類供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣。從長遠(yuǎn)來看，光伏發(fā)電是代替?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電形式的最佳選擇。積極建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目符合國家綠色發(fā)展的理念，耗能低、效能高，也能促進(jìn)該項(xiàng)目的不斷進(jìn)步；同時(shí)光伏發(fā)電設(shè)備多為模塊安裝，安裝地點(diǎn)靈活，可以有效提高土地資源利用率，推動城市空間布局優(yōu)化提升。光伏發(fā)電項(xiàng)目充分利用太陽能這種可再生資源去代替以往煤炭，石油等傳統(tǒng)能源，有效助力綠色低碳發(fā)展。在2021年第一季度國家能源局的新聞發(fā)布會上，發(fā)布了有關(guān)2020年我國新增光伏發(fā)電裝機(jī)量的具體數(shù)據(jù)，新增裝機(jī)量為48.2GW，其中集中式光伏發(fā)電裝機(jī)量為32.68GW，分體式光伏發(fā)電裝機(jī)量為15.52GW。光伏發(fā)電迅速發(fā)展的同時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)帶來的問題也逐漸顯現(xiàn)出來，比如分布式光伏并網(wǎng)會給電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來問題。光伏發(fā)電易受溫度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的影響，而一天中不可避免的會產(chǎn)生溫度的波動以及光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化，從而導(dǎo)致輸出功率的不穩(wěn)定性和間歇性，更是引發(fā)電壓和頻率波動、諧波污染等電能質(zhì)量問題。同時(shí)，并網(wǎng)光伏發(fā)電是通過電力電子器件來實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變，功率器件高頻次的通斷過程必然會產(chǎn)生大量諧波。本文分析了光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，為實(shí)際光伏系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律分析提供仿真方法。

一、光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型建立

光伏發(fā)電系統(tǒng)其組成一般包括：光伏電池組件（光伏陣列）、DC/DC變換器、控制器、逆變器、濾波穩(wěn)壓電路、變壓器、電網(wǎng)系統(tǒng)等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：光伏電池組件：光伏電池組件由多個(gè)光伏電池板按照串聯(lián)、并聯(lián)的方式組成，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成，根據(jù)光伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池一般由單晶硅、多晶硅、砷化鎵等具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。光伏電池在太陽光照射下，產(chǎn)生光伏效應(yīng)。這種能量轉(zhuǎn)換包括電荷產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)三個(gè)步驟。產(chǎn)生的電能為直流形式，且存在一定的波動性，無法直接并入當(dāng)前的交流電力系統(tǒng)。DC/DC變換器：可以升高光伏電池所輸出的直流電壓，同時(shí)保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率能一直接近最大輸出功率。光伏電池具有隨機(jī)波動性，易受外界溫度和光照強(qiáng)度的影響，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)一直工作在最大輸出功率點(diǎn)上，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。控制器：該部分可以對整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。逆變器：光伏電池組件經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出的電能一般都是直流電，為向電器提供電能，需要DC/AC逆變器，通過逆變產(chǎn)生交流電從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。濾波穩(wěn)壓電路：濾波器可以處理諧波，抑制諧波污染，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，起到穩(wěn)定電壓的作用。隔離變壓器：隔離變壓器的主要起到減少系統(tǒng)對配電網(wǎng)絡(luò)的影響，保護(hù)系統(tǒng)安全的功能。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，隔離變壓器能夠很好地阻礙直流電進(jìn)入電網(wǎng)，并且大量抑制電網(wǎng)中的諧波。當(dāng)光伏并網(wǎng)產(chǎn)生故障時(shí)，隔離變壓器能夠限制短路電流，并進(jìn)行自我保護(hù)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)整體電路模型如圖2所示：光伏電池模塊采用仿真平臺已有的模塊，可以根據(jù)實(shí)際仿真需要，設(shè)置模塊的輸入光照、環(huán)境溫度、光伏電池板型號及參數(shù)等內(nèi)容。光伏電池后段連接DC/DC變換器，目的是為了對電池板輸出的直流電壓進(jìn)行變換，并進(jìn)行最大功率追蹤控制，實(shí)現(xiàn)電池板輸出功率的最大化。仿真模型中VSC部分是三相逆變器的仿真模型封塊，采用了3橋臂的“UniversalBridge”模塊。為了保證光伏發(fā)電的能源利用率最大化，一般運(yùn)用PQ控制，即圖2中的“VSCControl”模塊。PQ控制的主要原理是調(diào)節(jié)有功、無功電流來對參考電流進(jìn)行跟蹤，以保證恒功率輸出。LC濾波器為逆變器輸出波形的濾波，所取電感值為0.00025H，電阻取值為約0.001Ω。并網(wǎng)隔離變壓器一共有四種常見的接線方法，分別為Y0-△接法、Y0-Y0接法、△-△接法、△-Y0接法。本文中采用的接線方法是Y0-△接法。本文并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電網(wǎng)仿真模型如圖3所示。該電力系統(tǒng)模型由一路120kV電源提供電能，經(jīng)過降壓變壓器，將120kV電壓等級降壓至25kV電壓等級，為-30MW+2Mvar和2MW的負(fù)載供電。與此同時(shí)，光伏發(fā)電功率并網(wǎng)后設(shè)置了一段5km的數(shù)顯線路，輸電線路采用π型等值電路。

二、仿真分析

根據(jù)本文建立的光伏電池仿真模型得出其電流端口的電壓及其功率變化曲線如圖4所示。仿真中所用的光伏電池型號為：SunPowerSPR-305E-WHT-D，其參數(shù)為：Pm=305.266A、Voc=64.2V、Vm=54.7V、Isc=5.96A、Im=5.58A。下面分析不同溫度和光照強(qiáng)度條件下光伏電池的特性曲線變化：在不同光照強(qiáng)度、不同端口電壓下，電池模型輸出的電流和功率差值區(qū)別明顯。在相同電壓下，隨著光照強(qiáng)度的增加，電池模型的輸出電流基本呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。在同一光照條件下，端口電壓逐漸增加，輸出電流也會受到影響。整個(gè)光伏電池輸出功率也隨著光照和端口電壓的不同而發(fā)生改變。在同一光照條件下端口電壓調(diào)節(jié)到合適值時(shí)會產(chǎn)生最大的光伏輸出功率。圖5所示的即為標(biāo)況下光伏電池的相關(guān)特性。由圖5（a）可以看到，根據(jù)設(shè)置，光照強(qiáng)度始終保持在1000W/m2。由圖（b）可以看到光伏電池在約0.35s時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)，在0s至0.35s時(shí)間段，控制系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)，尋找最大輸出功率點(diǎn)，在此之后，便一直保持穩(wěn)定的功率輸出，因此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤控制。圖5（c）、圖5（d）為光伏電池輸出電壓和輸出電流變化曲線，可以看到其波動范圍較小，符合擾動觀察法的條件。圖（e）是經(jīng)Boost電路后的輸出電壓曲線，可以看到系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了MPPT控制，輸出電壓也被放大了約2倍。圖5仿真結(jié)果表明，所搭建的模型較好地實(shí)現(xiàn)了最大功率追蹤。圖6為三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中有功功率跟蹤的仿真結(jié)果。由圖6可知光伏電池最大輸出功率約為106kW，可以看出逆變器輸出的有功功率在很短的時(shí)間內(nèi)就追蹤到光伏電池的最大功率，并且在達(dá)到最大輸出功率后能一直保持穩(wěn)定的輸出。與此同時(shí)，光伏電池產(chǎn)生的功率經(jīng)過電壓變換、整流等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生了一定的功率損耗，逆變器輸出功率有一定的降低。圖7所示為本文的仿真標(biāo)況下，逆變器的輸出電流。可以看出三相光伏并網(wǎng)輸出電流能夠在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，并滿足并網(wǎng)要求。通過上述仿真分析，驗(yàn)證了本文仿真模型的效果，同時(shí)為實(shí)際現(xiàn)場光伏并網(wǎng)分析提供了基礎(chǔ)仿真方法。

三、總結(jié)

本文針對光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，分析了光伏電池組件、DCDC變換器、控制器、逆變器、濾波穩(wěn)壓電路、變壓器等結(jié)構(gòu)仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，本文所建立的光伏發(fā)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型可以有效仿真光伏發(fā)電并網(wǎng)參數(shù)變化規(guī)律。

作者:陳熙昊 單位:寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司