光伏发电系统的PSCAD-EMTDC仿真建模及孤岛检测研究-万礼嵩

2016.7Vol.40No.7研究与设计收稿日期：2015-12-04基金项目：国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2011AA0-5A107)；国家自然科学基金资助项目(51177036)作者简介：万礼嵩(1988—)，男，安徽省人，硕士生，主要研究方向为分布式发电技术。1458光伏发电系统的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤岛检测研究万礼嵩1，2(1.合肥工业大学光伏系统工程研究中心，安徽合肥230009；2.国网安徽省电力公司检修公司，安徽合肥230061)摘要：基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了并网光伏发电系统模型，分析了并网光伏发电系统的孤岛效应现象。并网逆变器采用最大功率点跟踪(MPPT)-电压控制策略，孤岛效应识别方法采用基于频率-无功电流反馈的孤岛检测方法。通过光伏发电系统输出特性仿真及孤岛检测仿真，验证了所提模型和方法的正确性。关键词：光伏发电系统；最大功率点跟踪；孤岛检测；PSCAD/EMTDC中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1002-087X(2016)07-1458-02SimulationandislandingdetectionofphotovoltaicpowergenerationsystembasedonPSCAD/EMTDCWANLi-song1，2Abstract:Asimulationmodelofgrid-connectedphotovoltaicgenerationsystembasedonPSCAD/EMTDCwasestablished，andtheislandingofgrid-connectedgenerationsystemwasanalyzed.Thegrid-connectedinverteradoptedmaximumpowerpointtracking(MPPT)-voltagecontrolstrategy，andanislandingdetectionmethodusingthepositivefeedbackbetweenfrequencyandreactivecurrentwasadoptedtoidentifytheislanding.Throughtheoutputcharacteristicsimulationofphotovoltaicpowergenerationsystemanditsislandingdetectionresearch，it’sverifiedthevalidityoftheproposedmodelandmethod.Keywords:photovoltaicpowergenerationsystem;maximumpowerpointtracking;islandingdetection;PSCAD/EMTDC随着经济的不断发展，新能源应用正成为研究的热点。太阳能是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，无污染，是公认的理想替代能源[1]。光伏并网发电是太阳能利用的一个重要途径[2]，充分利用太阳能资源，大力发展光伏并网发电技术具有重要意义。孤岛效应是指电网因故障事故或停电维修而跳闸后，分布式发电系统未能及时检测出停电状态从而将自身与电网断开，最终形成由分布式并网发电系统和本地负载组成的不可控的自给供电的孤岛发电系统[3]。孤岛效应不仅会影响用户的用电质量，而且会危害电力维修人员的生命安全。因此，对并网光伏发电系统进行孤岛效应检测十分必要。本文首先基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了并网光伏发电系统模型，包括光伏阵列模型、并网逆变器及其控制系统模型。然后，研究了光照强度及温度变化时并网光伏发电系统的输出特性，验证了所搭建模型的正确性。最后，采用一种基于频率-无功电流反馈的孤岛检测方法，对并网光伏发电系统孤岛效应进行仿真，研究表明该方法可有效地检测出孤岛效应。1光伏发电系统建模1.1光伏阵列模型光伏电池的发电原理是基于半导体的“光生伏打效应”将太阳的辐射能转化为电能，其等效电路图如图1所示[4]。由图1可知，光伏电池输出电流与电压的关系为：(1)式中：pv、pv分别为光伏电池的输出电流、电压；d0为反向饱和Iph+-IdIshIpvRsRshUpv()pvpvspvpvspvphd0shexp1qUIRUIRIIIAKTRìüéù++ïï=---êúíýêúïïëûîþ图1光伏电池等效电路图(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomationHefeiUniversityofTechnologyHefeiAnhui230009China;2.MaintenanceBranchofStateGrideAnhuiElectricCompanyHefeiAnhui230061China)2016.7Vol.40No.7研究与设计1459电流，A；为电子电11.6×10－19C；为二极管因子；为玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/K；为温度，℃；s为串联电阻，赘；sh为并联电阻，赘。在实际应用中，一般采用简化模型。设参考条件下，光伏阵列的短路电流为sc，开路电压为oc，最大功率点电压为m，最大功率点电流为m；则在任意日照强度和环境温度下，光伏阵列的输出电压、电流的关系可描述为:(2)式中：为参考条件下电流温度系数，A/℃；为电压温度系数，V/℃；驻为温度的变化量；驻为日照强度的变化量[5]。1.2光伏阵列的MPPT跟踪控制光伏阵列的输出功率为：(3)本文求解最大功率点电流和电压时采用了牛顿迭代算法[5]。在该算法中，当日照强度和环境温度变化时，光伏阵列输出的最大功率随之改变，对应最大功率点的电压m也随之改变。牛顿迭代法具有实时更新优化的能力，能够快速精确地求解出最大功率点的工作电压。在PSCAD/EMTDC仿真软件中，采取用户自定义的方式，根据上述数学模型搭建光伏阵列模块、最大功率点跟踪控制模块，如图2所示。1.3光伏并网逆变器控制策略通常情况下，光伏系统的并网功率因数取为1，光伏并网逆变器采用单位功率因数控制策略。为了维持光伏系统并网接入点的电压稳定，本文采用文献[6]提出的MPPT-电压的控制策略，光伏并网逆变器的控制策略如图3所示。图3中，d、q分别为并网电流的直轴分量、交轴分量；dref、qref分别为并网电流的直轴分量参考值、交轴分量参考值；ref、分别为设定的无功输出参考值和实际无功输出。控制过程如下：(1)将MPPT跟踪模块的输出值m与光伏阵列的实际工作电压pv进行比较，其偏差经过PI调节后得到dref；将ref与进行比较，其偏差经过PI调节后得到qref；(2)将d、q分别与参考量dref、qref比较后的差值，经过比例环节PI调节及dq0/abc反变换，得到调制波abc，实现光伏并网从直流到交流的逆变。1.4光伏发电系统孤岛检测孤岛检测的常用方法有很多，本文采用一种基于频率-无功电流反馈的孤岛检测方法[7]，其核心思想是设计了频率到无功电流的反馈，比例关系如下式所示：(4)式中：*qref为加入反馈后的并网电流的直轴分量参考值；棕0为电网额定角频率，棕为并网接入点的角频率；为增益[8]。光伏并网运行时，棕与棕0相等，反馈对并网逆变器的控制无影响；断网时，光伏发电系统会因微小的功率差额产生频率变化，频率的微小扰动又通过反馈，使得棕迅速朝一个方向变化直至频率越限，频率-无功电流反馈的原理如图4所示。2算例分析在PSCAD/EMTDC仿真软件中，搭建三相并网光伏发电系统。负载采用RLC并联负载，其中为222.12赘，为0.283H，为36.7滋F[9]。负载品质因数为2.5，假定电网系统的频率为50Hz，电压为380V。2.1光伏发电系统输出特性仿真设初始时刻光伏阵列表层温度=20℃，光照强度=800W/m2。当系统运行到5s时，温度开始上升，到6s时温度为60℃，之后一直稳定。当系统运行到10s时，光照强度开始增加，在11s时增加到1100W/m2，然后系统稳定在1100W/m2运行。从图5可见，温度和光照强度的变化影响了光伏阵列的输出。当光照强度不变，温度升高时，最大功率点电压m降低，而光伏输出功率pv和输出电流pv小幅升高；当温度不变，光照强度增加时，最大功率点电压m升高，光伏输出功率pv和输出电流pv也相应的增加。仿真结果说明了本文所提的光伏阵列数学模型的正确性。图6中光伏的实际工作电压pv曲线与MPPT计算出的最大功率点电压m的曲线相一致，验证了本文所采用的基于牛顿迭代法的MPPT控制策略的准确性。2.2孤岛检测仿真设初始时刻光伏阵列表层温度=20℃，光照强度=1000W/m2，在4s时孤岛发生，电网断开。我国的光伏系统并网技术要求[10]规定光伏发电系统并网后的频率允许偏差值为±0.5Hz，当超过该范围时，保护应在0.2s内动作。对本文()()pvpvsc12ocmm1sc2ocmoc2mscsrefsc1exp11exp/1ln1//UUIICICUIUCICUUUCIIUbTRIIaRRTRIéùæö-Dæö=--+Dêúç÷ç÷ç÷êúèøèøëûæöæö-=-ç÷ç÷èøèø-=-D=-D-DD=D+Dìïïïïïïíïïïïïïîpvpvpvpvpvsc12oc1exp1URPUIUICICUìüéù-Dæöïï==--+Díýêúç÷èøïïëûîþTRVICellArrayPVTRUmCalculateMPPT图2光伏阵列及MPPT控制模块PIPIÄÄ-pvUdidv+PIÄ+qiqv++fLwfLwÄÄmU+-----MPPT计算pvI+qrefiÄ-QrefQ+PIdrefiabcUdq0abcabcdq0abcI_cosSin_cosSin图3并网逆变器控制策略图()*qref0qrefiKiww=-+二阶低通滤波器K限制器*qrefiw0w2pqi++2p图4孤岛检测等效电路图(下转第1535页)综述2016.7Vol.40No.71535变器[J].高电压技术，2006，32(11)：103-106.[14]DAHERS，SCHMIDJ，FERNANDOLMA.Multilevelinvertertopologiesforstand-alonePVsystems[J].IndustrialElectronics，IEEETransactionson，2008，55(7)：2703-2712.[15]KOUTRE，KALAITZK.Novelbatterychargingregulationsys-temforphotovoltaicapplications[J].IEEProceedingsofElectricPowerApplications，2004，151(2)：191-197.[16]曹卫华，李明杨，陈鑫，等．独立光伏发电系统高效充电控制器设计[J].浙江大学学报：工学版，2010，44(7)：1260-1265．[17]许爱国，谢少军．电容电流瞬时值反馈控制逆变器的数字控制技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25(1)：49-53．[18]廖志凌，阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29(21)：46-52．[19]袁建华，高峰，高厚磊，等.独立光伏发电系统统一能量控制策略[J].电工技术学报，2011，26(1)：247-252.[20]王海波，杨秀，张美霞.平抑光伏系统波动的混合储能控制策略[J].电网技术，2013，37(9)：2452-2458.[21]桑丙玉，陶以彬，郑高，等.超级电容-蓄电池混合储能拓扑结构和控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2014，42(2)：1-6.搭建的三相光伏并网发电系统的孤岛检测性能进行仿真，仿真结果如图7和图8所示。从图7和图8可见，未加孤岛检测时，系统频率只有轻微波动，并没有产生明显的变化，在4～4.2s这一期间，频率波动一直在允许的偏差值以内，未能检测出孤岛。而加入基于频率-无功电流反馈的孤岛检