光伏發電并入電網系統仿真技術探析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了光伏發電并入電網系統仿真技術探析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

當前，在實現碳達峰、碳中和目標過程中，光伏發電等新能源發電系統成為關鍵。光伏發電系統因具有能量的無污染、可持續、可靠、獲取方便等特點受到了重點關注，成為當代最具潛力的新能源之一。本文針對光伏發電并入電網系統進行仿真分析，介紹了光伏發電系統的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發電并入電網系統的仿真模型，并針對標準工況進行仿真分析，為實際光伏發電系統并網參數分析提供仿真方法。隨著雙碳目標的制定，分布式發電成為受到廣泛國際關注的一種能源發電利用方式，它主要是使用可再生能源，例如太陽能、風能和潮汐能等，產生電能并入電力系統中。通過這種發電技術，可以有效節約能源，保護環境，實現各種自然能源的綜合利用。光伏發電作為太陽能利用的一種重要形式，發展勢頭迅猛，特別是在各類供配電系統中的應用也越來越廣。從長遠來看，光伏發電是代替傳統電網發電形式的最佳選擇。積極建設光伏發電項目符合國家綠色發展的理念，耗能低、效能高，也能促進該項目的不斷進步；同時光伏發電設備多為模塊安裝，安裝地點靈活，可以有效提高土地資源利用率，推動城市空間布局優化提升。光伏發電項目充分利用太陽能這種可再生資源去代替以往煤炭，石油等傳統能源，有效助力綠色低碳發展。在2021年第一季度國家能源局的新聞發布會上，發布了有關2020年我國新增光伏發電裝機量的具體數據，新增裝機量為48.2GW，其中集中式光伏發電裝機量為32.68GW，分體式光伏發電裝機量為15.52GW。光伏發電迅速發展的同時，光伏并網系統帶來的問題也逐漸顯現出來，比如分布式光伏并網會給電網的電能質量帶來問題。光伏發電易受溫度和光照強度等環境因素的影響，而一天中不可避免的會產生溫度的波動以及光照強度的強弱變化，從而導致輸出功率的不穩定性和間歇性，更是引發電壓和頻率波動、諧波污染等電能質量問題。同時，并網光伏發電是通過電力電子器件來實現直流到交流的逆變，功率器件高頻次的通斷過程必然會產生大量諧波。本文分析了光伏發電并入電網系統的結構，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發電并入電網系統的仿真模型，并進行仿真分析，為實際光伏系統的運行規律分析提供仿真方法。

一、光伏發電并網系統仿真模型建立

光伏發電系統其組成一般包括：光伏電池組件（光伏陣列）、DC/DC變換器、控制器、逆變器、濾波穩壓電路、變壓器、電網系統等。其拓撲結構如圖1所示：光伏電池組件：光伏電池組件由多個光伏電池板按照串聯、并聯的方式組成，是光伏發電系統中的關鍵組成，根據光伏特效應將太陽能轉換為電能。光伏電池一般由單晶硅、多晶硅、砷化鎵等具有特殊晶體結構的材料構成。光伏電池在太陽光照射下，產生光伏效應。這種能量轉換包括電荷產生、分離、輸運三個步驟。產生的電能為直流形式，且存在一定的波動性，無法直接并入當前的交流電力系統。DC/DC變換器：可以升高光伏電池所輸出的直流電壓，同時保證光伏發電系統的輸出功率能一直接近最大輸出功率。光伏電池具有隨機波動性，易受外界溫度和光照強度的影響，為了保證光伏發電系統一直工作在最大輸出功率點上，需要采用最大功率點跟蹤技術。控制器：該部分可以對整個光伏發電系統的工作狀態進行控制。逆變器：光伏電池組件經過轉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，通過逆變產生交流電從而實現并網。濾波穩壓電路：濾波器可以處理諧波，抑制諧波污染，提高系統的電能質量，起到穩定電壓的作用。隔離變壓器：隔離變壓器的主要起到減少系統對配電網絡的影響，保護系統安全的功能。通過調節系統參數，隔離變壓器能夠很好地阻礙直流電進入電網，并且大量抑制電網中的諧波。當光伏并網產生故障時，隔離變壓器能夠限制短路電流，并進行自我保護。光伏并網系統整體電路模型如圖2所示：光伏電池模塊采用仿真平臺已有的模塊，可以根據實際仿真需要，設置模塊的輸入光照、環境溫度、光伏電池板型號及參數等內容。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行變換，并進行最大功率追蹤控制，實現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。為了保證光伏發電的能源利用率最大化，一般運用PQ控制，即圖2中的“VSCControl”模塊。PQ控制的主要原理是調節有功、無功電流來對參考電流進行跟蹤，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。本文并網光伏發電系統中的電網仿真模型如圖3所示。該電力系統模型由一路120kV電源提供電能，經過降壓變壓器，將120kV電壓等級降壓至25kV電壓等級，為-30MW+2Mvar和2MW的負載供電。與此同時，光伏發電功率并網后設置了一段5km的數顯線路，輸電線路采用π型等值電路。

二、仿真分析

根據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度條件下光伏電池的特性曲線變化：在不同光照強度、不同端口電壓下，電池模型輸出的電流和功率差值區別明顯。在相同電壓下，隨著光照強度的增加，電池模型的輸出電流基本呈現線性增加的規律。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。整個光伏電池輸出功率也隨著光照和端口電壓的不同而發生改變。在同一光照條件下端口電壓調節到合適值時會產生最大的光伏輸出功率。圖5所示的即為標況下光伏電池的相關特性。由圖5（a）可以看到，根據設置，光照強度始終保持在1000W/m2。由圖（b）可以看到光伏電池在約0.35s時達到最大功率點，在0s至0.35s時間段，控制系統不斷調節，尋找最大輸出功率點，在此之后，便一直保持穩定的功率輸出，因此系統能夠實現最大功率跟蹤控制。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Boost電路后的輸出電壓曲線，可以看到系統不僅實現了MPPT控制，輸出電壓也被放大了約2倍。圖5仿真結果表明，所搭建的模型較好地實現了最大功率追蹤。圖6為三相光伏并網系統中有功功率跟蹤的仿真結果。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間內就追蹤到光伏電池的最大功率，并且在達到最大輸出功率后能一直保持穩定的輸出。與此同時，光伏電池產生的功率經過電壓變換、整流等環節，產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況下，逆變器的輸出電流。可以看出三相光伏并網輸出電流能夠在很短的時間內穩定，并滿足并網要求。通過上述仿真分析，驗證了本文仿真模型的效果，同時為實際現場光伏并網分析提供了基礎仿真方法。

三、總結

本文針對光伏發電并入電網系統進行仿真分析，介紹了光伏發電系統的原理，基于MATLAB/Simulink搭建了光伏發電并入電網系統的仿真模型，分析了光伏電池組件、DCDC變換器、控制器、逆變器、濾波穩壓電路、變壓器等結構仿真模型，并進行仿真分析。仿真結果表明，本文所建立的光伏發電并入電網系統的仿真模型可以有效仿真光伏發電并網參數變化規律。

作者:陳熙昊 單位:寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司