光伏发电系统模型综述韩立刚

光伏发电系统模型综述韩立刚

韩立刚

（北京京能新能源有限公司内蒙古分公司内蒙古自治区呼和浩特市010070）

摘要：为了对含光伏电源的电力系统进行各种仿真研究，必须建立准确的光伏发电系统数学模型。全面综述了包括光伏组件、逆变器及其控制系统的光伏系统数学模型，对整个光伏发电系统模型的研究现状进行了论述，总结了利用各元件模型建立系统模型的方法以及孤岛保护的研究现状及其建模方法，并对光伏发电系统模型的研究前景进行了展望。

关键词：光伏发电系统；孤岛保护；光伏系统模型；

一、光伏发电系统等效模型设计

根据分析，对于给定的光伏发电系统，稳态情况下，光伏发电系统的输出电流取决于光照强度和电池温度；短路后，稳态短路电流还取决于短路点以及短路类型；暂态过程中的短路电流变化曲线取决于系统降阶后的阻尼比和自然振荡频率，主要由PI参数决定。因此，等效模型可以设计为如图所示的电路。包括输入变量、函数模块、受控电压源、滤波阻抗和隔离变压器几部分。经过对输入变量的计算得出对受控电压源的控制信号，调节其输出电压的幅值和相角，经过滤波阻抗的滤波环节，

图等效模型主电路结构

将光伏发电系统的电流经隔离变压器输送到电网。隔离变压器的作用主要是提供安全的电压并起到保护和滤波的作用。等效模型中的函数模块以光照强度和温度作为输入量，根据式（4）和式（5）计算出不同自然条件下光伏发电系统的出力，同时根据式（7）和式（8）得到受控电压源的输出电压和与原详细模型相同的稳态输出电流。当电网故障时，以故障信息为输入量，并根据式（14）或式（17）计算出短路后的稳态短路电流，再与短路前的稳态输出电流一起，根据模型降阶的原理，通过三要素法便可计算出暂态过程中任意时刻的短路电流。最后，根据电压和电流的关系计算出对应的等效模型的输出电压。图为函数模块的控制计算流程。所以，等效模型需要函数模块和接受其控制的受控电压源，还有与原电路相同的滤波电路和隔离变压器。这样就能使等效模型模拟出与原来详细模型相同的输出特性，使其对电网的影响也达到相同的效果。

图函数模块的计算流程

二、光伏发电系统逆变器和MPPT控制部分的建模

1.光伏发电系统逆变器的结构。根据逆变桥的相数不同，光伏发电系统用逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器：一般使用单相逆变器的多为小型分布式光伏发电系统；而三相逆变器多用于大型光伏发电系统。根据逆变器功率变换的级数又可将其分为单级式和多级式逆变器。单级逆变器只通过一个逆变过程就同时完成逆变、电压变换以及控制功能；多级逆变器通常是由前级DC／DC和后级DC／AC组成的，前级DC／DC可以实现MPPT控制和直流母线稳压功能，后级DC／AC用于实现逆变及其他控制功能。根据逆变器的输入、输出方式又可分为电压源逆变器和电流源逆变器。电压源逆变器直流侧采用电容滤波，交流侧采用缓冲电抗器，电流源逆变器则相反。逆变器建模时如果不考虑损耗，则与逆变器的具体结构无关，只需仿真其控制过程，即仿真逆变器对其输入输出变量的处理过程。逆变器的相数与其控制过程的仿真无关，而其级数和输入输出方式对控制过程会有一定的影响。无论是单级式还是两级式光伏发电系统，其控制对象都是输出的有功和无功功率，有功功率通常采用MPPT控制方式，以保证输出功率最大，而无功功率则需逆变器的脉宽调制控制对逆变器输出电压和电流相位进行控制。

2.逆变器控制部分建模。（1）模型控制方式分类.逆变器控制环节的模型通常以控制框图形式给出，其输入量为电网侧和阵列侧电量，输出量为PWM控制环节的调制比和移向角或逆变器的输出电量。由于对逆变器控制环节建模的目的通常是仿真验证各种控制方法，因此现有控制模型的框图各有不同，除采用通常的比例、积分、微分控制方法外，还可采用一些新的控制方法。（2）恒功率因数控制方式.当逆变器输出电流和电网电压不同步，即存在相位差时，逆变器就会输出无功功率。由于逆变器产生无功功率的成本较高，因此需控制逆变器固定输出功率因数为1，保证其不产生无功功率。逆变器恒功率因数控制方式的输入量可以是电网侧的电压或电流，通过监视电流和电压的相位差，可保证输出功率因数恒定，也可采用重复控制、电压前馈等方法提高控制的精确度。（3）恒电压控制方式.对于接入交流系统供电的光伏发电系统，若需要对电力系统提供一定的无功功率支持，则要采用恒电压控制方式。实现交流侧电压恒定的控制方法没有技术难度，只需对逆变器的控制目标进行修改即可。（4）输出功率解耦控制方式。逆变器的输出功率控制是通过控制其PWM信号实现的。直接对逆变器PWM控制信号的调制比或移相角等参数进行调整，会同时影响逆变器输出的有功和无功功率，因此需要寻找可以对光伏发电系统输出有功和无功功率进行解耦控制的方法。

3.MPPT控制部分建模。（1）MPPT数学模型的分类.光伏发电系统MPPT控制的作用是保证光伏组件始终工作在当前环境下的最大功率点。MPPT数学模型根据其追踪方法不同分为2类：一类是在已知光伏电池U-I特性的基础上，通过求解dP／dU=0找到最大功率点；另一类是通过不断调整、测量，逐步寻找最大功率点。(2)直接求解最大功率点的模型.这类模型是直接通过求解dP／dU=0找到最大功率点对应的光伏阵列电压U和输出功率P的计算式，从而构造MPPT模型。由已知的光伏电池U-I特性可以得到光伏电池的P-U关系，对P-U关系式进行dP／dU=0的计算即可得到最大功率点对应的U-I关系式。对此式进行迭代，即可解出最大功率点对应的光伏模块端电压。根据此求解过程进行编程即可得到MPPT模型。

三、光伏发电系统建模

1.光伏发电系统的潮流计算模型。光伏电源多采用定功率因数控制，如果不需要计算光伏发电系统内部的参数，在潮流计算中可以把光伏电源等效为PQ节点。如果需要在计算潮流的同时计算光伏发电系统内部参数值，可以建立包括光伏阵列、逆变桥、含变压器和滤波器的交流电路等各部分潮流方程的光伏发电系统潮流计算模型。交替迭代求解此方程组和电网潮流，最终可得到含光伏发电系统的电力系统潮流和光伏发电系统内部参数。光伏电源出力具有随机性，可以采用随机潮流的方法计算光照变化对系统潮流的影响，由此可将光照强度和光伏发电系统的出力变化用贝塔分布的概率函数表示，得到如下模型[1]：

式中：α和β为贝塔分布的形状参数；PM为光伏阵列输出的总功率；RM为光伏阵列能输出的最大功率。

2.光伏发电系统的暂态稳定计算模型。（1）基于受控源法的系统模型，光伏发电系统暂态模型的基础是上述光伏电池和逆变器模型，其建模的关键在于采用合适的方法将光伏电池、逆变器、变压器、滤波器、稳压电容等元件模型连接起来得到整个系统模型。具体方法包括受控源法、电流电压量法以及方程组法。这种方法将系统分为光伏阵列、逆变器和交流并网环节3个部分，3者通过逆变器和变压器联系起来，根据此模型即可得到系统的状态方程，之后假设所有交流量都为基波正弦量，即可得到系统的动态方程。(2)基于电流电压量法的模型.根据光伏发电系统各部分之间的电压电流量的联系建立系统模型是较直接的方法。光伏电池的模型基于其物理特性。MPPT控制器采集光伏电池侧的电压、电流，并网与无功功率控制器采集电网侧的电压、电流，二者同时控制SPWM发生器。逆变器采用前馈与反馈相结合的控制方式，并加入前级抗干扰、升压滤波部分的模型。(3)基于方程组法的模型.采用方程组法首先建立光伏发电系统中各组成部分的状态方程，并将逆变器和MPPT控制环节的控制框图转换为状态方程，通过联立得到状态方程组，即整个光伏发电系统的模型。

模型既有电路形式的，也有状态方程组形式的，但其中MPPT控制以及逆变控制环节在某些控制策略下需要进行迭代计算，控制过程较复杂，难以用电路或状态方程表示，此时用一段程序段表示此控制过程，并嵌入整个系统模型中是较为简明的方法，也适用于大部分仿真软件。

参考文献

[1]杨武．光伏并网发电系统控制方法的研究．西安理工大学，2013．

[2]万勇，杨超，光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究．电力电子技术，2012.

[3]夏岚．独立光伏发电系统及其MPPT的研究．南京航空航天大学，2015.