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PSCAD/EMTDC的光伏发电系统封装模块(二)

2019-02-19 17:15阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/6693711818

光伏并网逆变器设计与控制策略研究

1. 背景技术
光伏并网逆变器（grid-connected photovoltaic inverter）是光伏电源并网的关键设备，对于光伏系统的可靠、稳定和经济运行具有重要意义。光伏逆变器的工业样机如图9所示。光伏并网逆变器的多采用电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）拓扑，一般经过变压器升压后与交流电网相连。
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图9光伏逆变器工业样机

2. 基于PSCAD的
光伏逆变器设计
适用于光伏并网发电系统的逆变器应当具备以下基本技术特点：
 （1）具有最大功率跟踪MPPT功能；
（2）输出电流的相位、频率与电网同步；
（3）具有低电压穿越能力及孤岛检测保护功能；
（4）逆变效率满足要求；
（5）谐波畸变率满足要求；
（6）支持并列运行。
以上述基本性能为目标，PSCAD软件可为并网逆变器的拓扑设计、设备规范计算及控制策略的制定提供有效的仿真验证手段。
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图10光伏逆变器单级拓扑结构

3. 基于PSCAD的控制策略研究
并网逆变器控制策略直接影响到并入电网的稳定性及电能质量。PSCAD在控制模块的搭建与仿真方面具有优越性能，可开展无差拍控制、重复控制、滑模控制、双闭环控等在内的多种控制策略的研究工作。图11给出的为双闭环控制策略中比较常见的外环电压、内环电流控制模式。
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图11光伏逆变器双闭环控制示意图

在光伏逆变器拓扑结构及控制流程框图确定后，即可在PSCAD中搭建电路及控制模块，验证拓扑设计和控制策略的有效性。图12(a)、(b)分别给出了光伏逆变器的电压电流输出波形。
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(a)
PSCAD/EMTDC的光伏发电系统封装模块(二)
(b)
图12光伏逆变器电压电流输出波形

光伏电站运行技术研究

1. 基于PSCAD/EMTDC的MPPT策略研究
太阳能光伏输出功率受光照强度、环境温度以及输出电压影响较大，因此为充分利用能源，保证光伏时刻工作在最大功率状态，光伏发电系统通常进行最大功率点跟踪( MPPT) ，如图13所示。在此种运行模式下，光伏出力由当前光照和温度决定，并维持在当前可发最大功率点。完整的控制目标通常包括：输出功率快速跟踪光照强度等变量的变化、直流母线稳定、网侧有功输出跟踪光伏电源输出、网侧无功功率跟踪参考值等。
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图13 MPPT的控制策略示意图
在PSCAD环境下，经过MPPT控制策略研究，得到的装置性能特性如图14所示，由波形可以看出，光伏电源在MPPT的控制下，输出功率跟踪光照强度的阶跃变化，且保持直流电压及无功功率的稳定。
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图14 MPPT的控制效果示意图

2. 光伏电源接入对并网系统影响研究
随着不少地区中配电网的光伏电源越来越多，光伏电源的接入使得配电网中增加了若干供电点，进而影响了系统中的潮流分布，甚至出现了潮流的反向。光伏电源出力的随机性、波动性和间歇性等特点使得光伏电源对系统潮流影响更加复杂。为了提升光伏电源及其接入系统运行的安全性和经济性，掌握光伏电源接入对配电网潮流的影响规律是十分必要的。可在PSCAD软件支持下开展上述研究。
如图15所示，光伏电源接入配电网10kV侧，其接入位置、接入容量都会对系统的潮流、电压及损耗等运行状态产生影响。在PSCAD环境下搭建该系统可以开展定量分析。
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图15 光伏系统接入配电网示意图
光伏出力以按15%的步长变化时，母线电压的变压如图16所示。可见在光伏出力变化时，由于改变了配电系统中的潮流分布，各节点的电压水平也会发生相应变化。这可为光伏系统的运行方式制定提供参考和依据。
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图16 光伏电源容量对母线电压影响

微网系统中的光储协调控制技术研究
1. 技术简介
由于光伏发电固有的波动性、间歇性等特点，在工程应用中多采用了与储能系统相配合实现能量缓冲的策略。当前业内广泛关注的光储微网系统、光储充一体化系统等，代表了未来光伏技术发展的方向。图17所示为光储微电网的基本结构，通过光伏、储能的协调控制，能够在微网功率匹配、过剩及缺额等不同工况下，实现并网/并网状态的切换，并确保清洁能源的充分利用，可控负荷的智能控制，达成效益最大化。
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图17 光储微电网结构图
光储充一体化解决方案如图18所示，该技术有望解决在有限的土地资源里通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，可根据需要与公共电网灵活互动且相对独立运行，尽可能地使用新能源，缓解了充电桩用电对电网的冲击。
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图18 光储充一体化概念图

2. PSCAD/EMTDC软件在光储（充）工程领域中的应用
由于光照强度等因素的变化特性，导致光伏功率输出呈现波动性，带来可靠供电的隐患。光储的协调控制则能够有效地平抑光伏电站的功率输出波动，为负荷提供稳定、可靠的电力供应。PSCAD/EMTDC能够帮助工程技术人员开展下述研究（包括但不限于）：
（1）光伏逆变器的控制策略研究；
（2）储能逆变器的协调控制策略研究；
（3）储能系统类型及容量的优化配置研究；
（4）光储（充）一体化系统的运行安全性及供电可靠性评估。
如图19所示的案例，在PSCAD中完成了光照强度随机性的建模后，光伏输出功率呈现典型的波动性（蓝色曲线），通过储能系统的功率协调控制（绿色曲线），能够在光伏功率充足时充电、光伏功率不足时放电，确保对负荷的功率输出基本稳定（红色曲线）。当然，为确保微网的安全、稳定运行，还需要进行电池状态的实时控制（SOC曲线）、电压控制及频率控制等，不再赘述。
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图19 光储协调控制策略下的功率输出

总结
 风能、光伏等新能源等因其清洁、可再生等优势得到了业内的青睐。然而，由于波动性、随机性等特征，电网对这些能源的消纳成为重要的技术问题。PSCAD在不断推出新的仿真模块的基础上，大大提升了对新能源接入及其控制和检测技术的研究水平。可以预见，PSCAD软件将随着新能源技术的发展将在行业内获得更广泛的应用。
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