并网光伏电站的无功电压控制研究.pdf

摘要Y2856869摘要大规模光伏电站的开发和利用可以有效的缓解现有能源危机，降低能源使用 的环境成本。然而，随着光伏并网容量的增加，光伏发电出力的随机波动特性对 电网稳定运行的影响已不容忽视。其中，电压稳定问题是最受关注的问题之一，有必要对并网光伏电站的无功电压控制问题展开深入研究。首先，本文阐述了光伏电站的主要组成及结构，对其进行仿真建模研究。搭 建了光伏组件的模型，研究了辐照度、环境温度对光伏组件出力的影响；搭建了 光伏逆变器模型，实现了有功/无功解耦控制；在此基础上，搭建了并网光伏电 站的等值模型，分析其动态响应特性，为后续研究提供了理论基础。其次,针对光伏发电接入配电网的情况，详细分析了光伏发电对配电网潮流、电压分布以及网损的影响。搭建了 IEEE33节点系统模型，分析光伏电站接入位 置、接入容量及运行方式的差异对配电网潮流、电压分布以及网损的变化情况，基于此，提出了一种具有良好电压适应性的光伏电站工程化选址方法。最后，提出了一种考虑辐照度的光伏电站无功控制策略。该策略根据控制点 电压选择相应的无功电压控制模式；根据电压控制点的无功/电压灵敏度信息，整定出光伏电站无功需求；根据辐照度对光伏电站出力的影响，确定光伏逆变器 实际可调无功量；再通过无功出力整定环节，确定光伏电站的无功输出参考值，进而分配到各光伏逆变器。仿真算例表明，该策略充分利用了光伏逆变器无功调 节能力，实现了光伏电站输出无功的精细化控制，对维持系统电压稳定起到积极 作用。关键词：光伏发电，逆变器，无功控制，电压稳定，电力系统AbstractAbstractThe development and utilization of large-scale photovoltaic(PV)power station can effectively relieve the energy crisis and reduce the environmental costs caused by energy exploitation.However,with the increase of the capacity of grid-connected PV power station,the negative influence on the power system reliability due to its output random fluctuating nature should be not ignored.Amongst,the most noteworthy problem is the voltage stability for the power system.Therefore,it is necessary to study the reactive voltage control policy of grid-connected PV power station.Firstly,the core component and structure of PV power station is introduced and simulation model is built up,in which the influence of irradiance,ambient temperature on the output capacity of PV module is analyzed by establishing the PV module model,and the decoupling control policy of active power/reactive power is proposed,upon the established inverter model.Furthermore,the equivalent model of grid-connected PV power station is built up and the dynamic response characteristics of PV power station are investigated,which provides a theoretical basis for further research.Secondly,the influence of PV power station on power flow,voltage profile and network loss is analyzed,by concerning the condition of PV power station connecting to the distribution network.By modeling the IEEE33 node,the variations of power flow,voltage profile and network loss are analyzed,on basis of the different interconnected positions,capacity and operating states.As a result,an engineering method about siting of PV power station is proposed,which can meet the requirements of voltage regulation.Finally,a reactive power control strategy for PV power station is proposed,by considering the influence of irradiance on output capacity of PV power station.The proposed strategy can select proper reactive voltage control mode,according to the control point voltage.The reactive power requirement of PV power station is determined,according to the sensitivity index of control point voltage.The actual output reactive power of PV inverter is calculated,according to the influence of irradiance on the output capacity of PV power station.Furthermore,the output reactive power reference for the PV power station is also calculated by setting reactive power link and then distributed to each PV inverter.The above simulation results show that the reactive power output ability of PV inverter is fully utilized and caniiAbstractrealize precise control on output reactive power of PV power station,which can effectively improve voltage stability of the power system.Keyword:photovoltaic,inverter,reactive power control,voltage stability,power systemin目录目录摘要.IAbstract.II目录.I第1章绪论.11.1 研究背景与意义.11.2 本课题的研究现状.21.3 本课题的主要工作.5第2章并网光伏发电系统建模.62.1 光伏发电系统的组成.62.2 光伏组件的特性及建模.62.2.1 光伏组件的建模与仿真.62.2.2 光伏组件的输出特性.9223光伏组件的最大功率点控制.1223光伏逆变器的建模.13231光伏逆变器拓扑结构.132.3.2 光伏逆变器并网控制.142.3.3 并网光伏逆变器建模.152.4 并网光伏电站的建模.212.5 本章小结.23第3章 并网光伏电站对配电网无功电压影响.243.1 弓 I 言.243.2 光伏电站并网对配电网影响分析.243.2.1 光伏电站并网对配电网潮流影响.243.2.2 光伏电站并网对配电网电压影响.253.23光 伏电站并网对配电网网损影响.283.3 基于电气距离的光伏电站工程化选址.303.4 算例分析.313.4.1 光伏电站并网对配电网潮流影响.313.4.2 光伏电站并网对配电网电压影响.323.4.3 光伏电站并网对配电网网损影响.373.4.4 IEEE33系统光伏电站工程化选址.413.5 本章小结.42I目录第4章 考虑辐照度的光伏电站无功电压控制.434.1 引言.434.2 光伏电站无功电压控制策略的基本思想.434.2.1 控制原则及模式.434.2.2 光伏逆变器的无功调节能力分析.44423光伏电站无功电压控制架构.454.3 考虑辐照度的光伏电站无功控制模型.474.3.1 光伏电站电压点整定.474.3.2 电压/无功灵敏度求取.49433考虑辐照度的光伏电站发电系统模型.504.4 算例分析.514.4.1 算例背景.514.4.2 算例仿真.514.5 本章小结.54第5章 总结与展望.555.1 总结.555.2 展望.55参考文献.57在读期间发表的学术论文及研究成果.63致谢.64第1章绪论第1章结论1.1 研究背景与意义随着化石能源的日趋枯竭以及使用对环境造成的破坏，新能源替代传统化石 能源，从辅助能源转变成主导能源是一个必然的趋势，能源结构调整势在必行。光伏发电与传统能源相比安全可靠，无燃料价格风险，发电成本稳定，也没 有碳排放等环境成本问题。同时，技术相对成熟，有大量实际运行经验，是具有 大规模开发条件和商业发展前景的一种理想型新能源。根据EPIA数据，2014全 年装机量达到38.4GW,同比增长17.2%。由于欧洲主要国家削减了光伏补贴，欧洲全年光伏新增装机量仅约为10.5GW,下滑幅度达到40%。在全球新增装机 量的占比也从2012年的57%大幅降至28%,减少了 30%。美国仍保持较快增长 势头，2013年新增光伏装机量再创记录。由于中日光伏应用市场的快速发展，全球装机市场重心向亚洲转移。从装机容量上看，中国装机容量达到12.9GW,跃升至全球首位。日本装机容量达到6.8GW,位于全球第二，同比增长300%。美国装机容量为4.8GW,位居全球第三。欧盟联合研究中心对21世纪能源结构进行了预测评估，如图1.1所示。从 图中可见，到21世纪末，可再生能源占能源结构的比重将达到80%,其中，60%是光伏发电。(p、s)咖韶芟聪器彘塔回地热其他新能源 国I光热口光伏2030 2040 2050 2i G0年数二十一世纪世界能源预测图2620图1.1一：能能 I.M力 风生生水气能然炭油 核天煤石代统 现传我国土地辽阔，有着丰富的太阳能资源,光伏发电有很大的发展空间和前景。根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，我国太阳能资源地区分为五类,如表1.1所示。从表中可以看出，我国一、二、三类地区约占全国总面积的2/3 以上，年日照时数大于2000h。四、五类地区太阳能资源条件较差，但仍具有一 定的利用价值。所以，我国的太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积 和建筑物受光面积也很大，具有开发太阳能的有利条件。1第1章绪论表1.1中国的太阳能资源分区情况表区域类别主要地区辐射等级年辐射量(MJ/m2)全年日照时数(h)一类地区西藏西部、青海西部、新疆 东部、甘肃北部、宁夏北部最好6680-84003200-3300新疆南部、西藏东南部、青二类地区海东部、甘肃中部、内蒙古 南部、山西北部、河北西北 部、宁夏南部山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、好15852-66803000-3200三类地区辽宁、云南、陕西北部、甘 肃东南部、广东南部、福建 南部、江苏北部、安徽北部、台湾西南部湖南、湖北、广西、浙江、福建北部、广东北部、陕西一般5016-58522200-3000四类地区南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江、四川西部、台湾东 北部较差4190-50161400-2200五类地区四川东部、贵州很差3344-41901000-1400根据国家能源总局数据显示，截止2014年,我国光伏发电累计装机容量2805 万千瓦，同比增长60%,其中，光伏电站2338万千瓦，分布式光伏467万千瓦。年发电量约250亿千瓦时，同比增长超过200%。2014年新增装机容量1060万 千瓦，约占全球新增装机的五分之一。由前述可知，我国具有大力发展光伏发电的条件和优势，近年来光伏产业发 展迅速，光伏发电装机容量急剧增加，大比例光伏并网对电网稳定运行的影响将 成为制约光伏发展的一个重要因素。因此，有必要对光伏电站并网的无功电压控 制问题展开深入研究。1.2 本课题的研究现状通过对光伏发电技术的探索，光伏发电并网运行已成为今后发展的主要方 向。光伏发电出力与辐照度存在直接联系，导致其出力具体周期性、波动性及不 确定性，其并网运行会对电力系统稳定运行造成影响。当光伏发电占电网比重较 大时，其影响更为显著。相较于火电厂可控的稳定输出，大规模光伏并网运行，其输出功率会有较大的波动，对并网点及相邻节点的电压产生影晌。特别是，当 并网运行条件比较恶劣(电压水平较低)或发生故障时，会导致光伏电站大面积 脱网，影响电网稳定运行，甚至引发连锁反应导致大面积停电事故。因此，光伏 并网的无功电压问题已成为制约光伏并网运行的一个重要因素。为此，国内外学 者也展开了相应的研究,取得了一些有益的研究成果,主要表现在以下几个方面:2第1章绪论(1)针对光伏逆变器无功特性的研究。并网光伏发电系统的核心是并网光伏逆 变器，其性能决定了光伏电站输出电能质量、无功补偿能力等。文献18对逆变 器的结构和控制方式展开研究，并建立逆变器的模型，使其实现MPPT跟踪的同 时，具备无功补偿的能力，为光伏逆变器参与系统无功调节提供了理论基础和技 术支撑。文献9-10对光伏逆变器的无功调节能力进行分析，给出了无功调节能 力的约束条件和计算方法，使得光伏逆变器可以利用自身无功调节能力进行无功 补偿，减少了无功补偿设备的投入。文献口112将有源滤波、无功补偿以及光伏 并网发电三者进行统一控制，实现一举多得的效果：光伏电站输出有功功率的同 时，还可以对系统进行无功补偿，且对逆变过程中产生的谐波进行抑制，节省了 设备投资，改善了供电质量。文献13重点研究了光伏逆变器的无功输出能力，提出了一种光伏电站低电压穿越时的无功控制策略。利用光伏逆变器自身无功输 出能力，向电网输出无功，在电网发生故障时保持光伏电站不脱网运行，维持并 网点电压稳定。(2)针对分布式光伏电站对配电网无功电压影响的研究。文献对分布式 光伏接入配电网后系统网络潮流、无功电压及电能质量等的变化进行了分析。文 献16分析了不同规模的光伏发电系统对配电网的影响，搭建含光伏电站的系统 模型。通过仿真验算得出：光伏发电系统的规模越大，辐照度发生变化或发生故 障时，电力系统受到的影响就越大。文献1刀基于线路所接不同负荷情况，从电 力系统电压降角度出发，分析了单个光伏电源接入配电网对系统电压影响的机 理，并给出了保证系统电压不越限的光伏并网容量确定方法。文献18分析了单 个和多个分布式光伏电站接入对配电网电压的影响，确定了影响电压分布的因 素，给出了解决分布式光伏发电并网后节点电压越限的措施。文献19研究了分 布式光伏电源作为不同类型的节点接入配电网后，其静态电压稳定指标的变化情 况。分析结果说明分布式光伏作为PV节点接入配电网的薄弱支路末端最有利于 维持系统的静态电压稳定。文献20在文献19的基础上，对分布式光伏接入配 电网导致系统电压升高的机理进行了深入研究，给出了系统中可接纳最大容量发 电系统的计算方法，如果超过这一容量将会导致系统电压崩溃。文献21分析了 分布式光伏电源接入配电网不同位置后，系统电压变化情况，并对不同位置可接 纳的分布式光伏容量进行分析，提出了增大系统接纳分布式光伏容量的措施。文 献22在不改变现有配电网网络结构的条件下，提出了一种考虑电压约束条件的 多个分布式电源接入系统容量的计算模型，仿真结果表明所提的计算模型有效可 用，对系统电压调整和保护配置都起到积极的作用。文献23利用有载调压变压 器的无功调节能力改善分布式光伏接入配电网产生的电压波动。基于分布式光伏 接入配电网的影响，诸如压波动、损耗问题进行了研究，通过建立相应的分布式 3第1章绪论光伏电源无功优化模型，实现无功调整、降低网损及稳定电压等效果。文献24 研究了含有光伏电站的配电网无功优化问题，以系统有功损耗最小为目标函数，基于机会约束条件，建立了含光伏电站的配电网无功优化模型，仿真结果表明该 优化模型，大大降低了系统网损，降低了节点电压越限的概率，提高了系统稳定 性。文献25分析了并网光伏电站的有功/无功功率出力概率分布，在保证光伏电 站实现最大有功出力的同时，利用其无功调节能力，建立以全寿命周期净收益现 值为目标函数的配电网无功规划模型,在满足配电网无功需求的同时，减少了光 伏电站无功补偿装置的投资。文献26考虑分布式光伏的无功调节能力，结合传 统的无功调压方法，提出了一种基于聚类和竞争克隆机制的多智能体免疫算法，用于解决含分布式光伏电源的配电网无功优化问题，通过仿真验证，该算法可以 有效的降低系统有功损耗。文献27引入网损、电容器以及发电费用等因素，并 考虑电压质量和无功补偿容量，建立了一种以综合经济性为目标函数的无功优化 模型，并采用改进PSO算法进行求解，仿真结果显示，该算法对配电网稳定运 行和经济效益都起到积极作用。(3)针光伏电站无功控制策略的研究。由于风电和光伏在无功电压控制上具有 同源性，且对风电场无功控制策略的研究更早、更深入，因此风电场的无功电压 控制研究对光伏电站的无功电压控制研究具有借鉴意义。光伏电站最常规的无功 电压控制方式为加装无功补偿装置。文献28给出了光伏电站无功补偿容量的计 算方法。文献29分析了两种常用于光伏电站的无功补偿装置SVC和SVG的无 功调节特性和响应速度等性能指标，给出了光伏电站无功补偿装置的电气接线方 式以及运行中常见的故障问题。文献(30基于光伏电站内各无功源的无功出力情 况和剩余可调裕度，给出了光伏电站无功补偿装置和光伏逆变器优化协调控制系 统及相应控制方法。有效利用光伏逆变器的无功调节能力，降低无功补偿装置出 力。文献31研究了风电场多个无功源的动态响应特性及物理分布特性，提出了 一种考虑风电场升压站集中无功补偿装置和风电机组的无功电压协调控制策略。文献32基于风电场静、动态无功补偿装置的调节特性，建立风电场多层静态电 压协调控制模型，利用静态无功补偿装置对风电场的无功电压进行大幅调节；利 用动态调节设备补偿小幅波动，并在暂态过程中提供电压支撑，实现各类无功补 偿的协调控制。关于厂站级别的无功控制策略研究，文献33基于分层控制原理，提出了光伏电站内的无功控制方法。根据并网点电压确定系统的无功需求量，计 算光伏逆变器无功输出极限值，将无功需求量分配到每台光伏逆变器，充分利用 光伏逆变器的无功调节能力。文献34以光伏电站有充分的无功调节容量为前 提，基于分层控制原理，提出了一种考虑光伏发电单元之间、光伏逆变器之间以 及光伏发电单元与光伏逆变器之间无功输出的光伏电站三层协调无功控制策略。4第1章绪论仿真结果表明，该控制策略可以提高光伏电站对电网电压的支撑能力。文献35 在风电场无功功率整定时引入区域电网灵敏度信息，根据相关灵敏度信息动态调 节风电场的输出无功功率，以改善接入地区的电压稳定性。文献36以风电场群 的汇入母线为电压中枢点，以各风电场升压变压器高压侧电压为约束，提出了一 种基于遗传算法的风电场群无功电压协调控制策略。文献37基于风电功率预测 数据波动特征与时段划分，设计了两层多阶段风电场电压协调控制模型。文献38 提出了一种兼顾区域电网无功需求/电压的风电场无功控制策略。对风电场无功 控制区域划分，根据不同控制区域给出相应的控制模式，从而合理调整风电场无 功出力，快速调节电网电压。文献39提出了一种并网风电场静态无功/电压支 撑能力的评估方法。基于雅克比矩阵求出风电场接入点电压关于本地无功功率以 及风电场无功功率的灵敏度指标，进而求出风电场对接入局部区域的电压支撑能 力指标。由前述可知，已有的研究成果中，关于厂站级别的无功电压控制研究多大以 风电为主，研究开展的较早，也要深入许多，为光伏电站无功电压控制策略研究 提供了有益经验。1.3 本课题的主要工作本文针对光伏发电并网对配电网电压影响展开研究，提出了一种具有良好电 压适应性的光伏电站工程化选址方法和满足电压控制要求的无功控制策略。具体 包括以下内容：（1）光伏发电系统的建模仿真。针对光伏组件和光伏逆变器做了重点研究。详细分析光伏组件的工作原理,搭建了光伏组件的模型，仿真出其输出特性曲线。阐述了光伏逆变器的结构及控制方法，构建了光伏逆变器控制模型。基于以上的 分析，在DIgSILENT软件中搭建了并网光伏电站的模型，研究辐照度条件变化 下，光伏电站动态响应特性及系统关键节点电压变化情况，为后续研究提供了理 论基础。（2）研究了光伏电站并网对配电网潮流、电压以及网损的影响。针对光伏 电站不同接入位置、不同接入容量以及不同运行方式下，配电网潮流、电压及网 损变化情况进行了研究。基于光伏电站并网对配电网的影响，提出了一种具有良 好电压适应性的光伏电站工程化选址方法。最后用IEEE33节点系统模型进行仿 真验证。（3）提出了一种考虑辐照度的光伏电站无功控制策略。该策略从光伏电站 级出发，充分考虑光伏电站辐照度条件，有效利用光伏逆变器的无功调节能力，根据电压控制点的无功/电压灵敏度信息，确定光伏电站的无功需求，实现了光 伏电站输出无功的精细化控制，对系统电压起到支撑的作用。5建4章声网光伏发电系统建模第2章并网光伏发电系统建模2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统主要有独立运行和并网运行两种方式，分别称为独立型光伏发 电系统和并网型光伏发电系统。独立型光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统，是不与电力系统相连接，与储能装置配套运行的发电系统,主要用于交通不便，电力难以供应的偏远地区,以及作为电讯、卫星电视等的电源。其结构如图2.1所示。-j直流负载光伏列阵t光伏控制器4 逆变器_交流负载储能装置I图2.1独立型光伏发电系统结构图并网型光伏发电系统是与电力系统相连接的光伏发电系统，可以向电力系统 提供有功/无功功率支持，不需要配合储能装置运行。其结构如图2.2所示。相比 于独立型并网光伏发电系统有很大优势，具体如下：(1)即发即上网，减少储能装置的投资，降低系统的造价，间接因防止废 旧储能装置处理不当而造成的环境污染；(2)通过调整光伏逆变器，不仅可以向电网输送有功功率，还可以向电网 提供无功支撑；(3)并网光伏发电系统通常运行在最大功率输出状态，发电效率高，经济 效益好。结合并网运行的诸多优点，可以看出光伏发电系统的并网运行是较为合理的 选择方向。r 电网光伏列阵门光伏控制器一逆变器一、负载 图2.2并网型光伏发电系统结构图2.2 光伏组件的特性及建模2.2.1 光伏组件的建模与仿真光伏电池是利用半导体PN结的光生伏打效应实现光电转换的一种固态器 件。半导体内部为一个PN结，电子和空穴在动态平衡下形成的内电场，其方向 6第2章并网光伏发电系统建模由N结指向P结。当太阳照射到PN结时，半导体势垒区处于非平衡状态下的载 流子便会受到影响而发生定向移动，空穴流向P区，电子流向N区。导致P区 电势升高，N区电势降低，形成电势差，称为光生电动势。由于载流子的移动，半导体的PN结内部有电流产生，称为光生电流，方向由N区指向P区。当半导 体与外围电路相连接时，便有电流流过，实现光电转换。光伏电池的复杂物理特性可用如图2.3所示的等效电路进行描述：图2.3光伏电池等效电路模型根据图2.3所示的光伏电池等效电路，其电路关系方程为4。】：I=/ph _-（2.1）其中：Id-I0 exp-1 （2.2）因此，由式（2.1）、（2.2）、（2.3）可得光伏电池的IV输出特性方程：一 夕（。+中）1 J U+RJ/、J/ph-Ajexp”,-U（2.4）V nkT R曲式中：1光伏电池的输出电流（A）；1Ph一一光生电流（A）；Ish流过旁路电阻的电流（A）；Id-二极管漏电流（A）；Io二极管的反相饱和电流（A）；n-二极管因子，取值范围：15；K玻尔兹曼（Boltzman）常数（1.38e-23J/K）；q电荷常数（1.6021892x10人-19）；T绝对温度（K）；7第2章并网光伏发电系统建模&-光伏方阵串联电阻（Q）；凡力一一旁路电阻（Q）；Rl-负载（Q）；U光伏电池的输出电压（V）。通常，旁路电阻凡力的值为几千欧姆，光伏方阵串联电阻凡的值小于1欧姆。因此,在光照较强的情况下，（U+Rs，）/Kh较小，可以忽略不计，所以对公式（2.4）进行简化可得到理想条件下光伏电池I-V输出特性方程：/=4h-4exp 端-1J 2.5）利用厂家提供的光伏电池技术参数以及考虑外界环境对光伏电池的影响，对 公式（2.5）做相应的近似，得到光伏电池的工程简化数学模型:V-dV/=%l-G exp（）-1+以、L JJ（r、&C i-Zm eGLI几）c 二嗫/一-12 皿1-4）(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)(2.11)dV=-/3dT-R5dI dT=TT.式中：S光伏电池斜面上的辐照度；Tc一 光伏电池的表面温度；S一光伏电池斜面上辐照度的参考值，通常取1000W/n?；Tref 一一光伏电池表面温度的参考值，通常取25。；（、嗫光伏电池最大功率输出点的电流和电压；乙、Voc一光伏电池的短路电流和开路电压；a电流变化温度系数（Amps/。）；P电压变化温度系数（V/。单个光伏电池不能直接作为电源使用，需将若干个单体电池串并联,再经过 严密封装，形成光伏组件后才能使用。假设各个光伏组件的特性相同，在同一环 境下，光伏组件经串并联后形成光伏组件方阵。那么，将M个光伏组件串联成 光伏子串，N个光伏子串并联成一个光伏方阵后，其表达式为：8第2章并网光伏发电系统建模I=N,晨 j-CiyiM-dvx y+dl(2.12)基于光伏组件的工程简化数学模型，搭建仿真模型进行研究，如图2.4和图 2.5所示。根据光伏组件厂家参数：匕=34.8V；4=7.47A；%=43.6V；4=8.35A；S=1000W/m2；7=25；a=0.0025；40.00288。替SIH-肘图2.5光伏组件子模块222光伏组件的输出特性光伏组件主要的电气特性为伏安特性(I-V)和功率电压(PU)特性，根据搭 建的光伏组件模型，模拟不同辐照度S和环境温度T下的I-V特性曲线和P-U 特性曲线，得到光伏组件输出特性。(1)光伏组件处于标准温度(T=25()下，改变辐照度，由800W/m2增 加到llOOW/m2,观察光伏组件输出特性。标准温度下，辐照度为800W/m2时，光伏组件的I-V特性曲线和P-U特性 曲线如图26所示。9第2章并网光伏发电系统建模图2.6光伏组件I-V及P-U曲线图标准温度下，辐照度为lOOOW/mz时，光伏组件的特性曲线和P-U特 性曲线如图2.7所示。图2.7光伏组件I-V及PU曲线图标准温度下，辐照度为HOOW/n?时，光伏组件的pv特性曲线和P-U特 性曲线如图2.8所示。图2.8光伏组件IV及PU曲线图分析图262.8可知：当环境温度不变时，根据I-V特性曲线，随着辐照度第2章并网光伏发电系统建模的增强，光伏组件的短路电流增大，从7A增加到10A。开路电压出现小幅增长。根据PU特性曲线，随着辐照度的增加，光伏组件的最大输出功率增大。最大功 率点对应的输出电压为。皿，当。皿时，输出功率随着电压上升呈线性上升 趋势；当时，输出功率随电压上升呈下降趋势，且下降速度远大于上升 速度。当温度不变，辐照度增加时，以 基本保持不变。(2)光伏组件处于相同辐照度(lOOOW/m?)下，改变环境温度，由10 增加到50,观察光伏组件输出特性。辐照度为lOOOW/mz,温度T=1(TC,光伏组件的I-V特性曲线和PU特性 曲线如图2.9所示。50 6020 30 40 50 60;0 10 20 30 40电压/V 电压/v图2.9光伏组件IV及PU曲线图辐照度为lOOOW/m2,温度T=25C,光伏组件的I-V特性曲线和P-U特性 曲线如图2.10所示。辐照度为1000 W/n?,温度T=50。，光伏组件的IV特性曲线和P-U特性 曲线如图2.11所示。11第2章并网光伏发电系统建模图2.11光伏组件I-V及P-U曲线图分析图2.92.11可知：当辐照度不变时，根据I-V特性曲线，随着环境温度 的上升，光伏组件的短路电流大小相对稳定，开路电压变化较大。根据P-U特性 曲线,最大功率点对应的心 随着温度的上升而下降,最大输出功率值基本不变,其变化趋势，与相同温度不同辐照度下模拟的结果相同。根据上述分析结果可知，辐照度S和温度T的变化会对光伏组件的输出特 性产生极大的影响，温度变化会影响光伏组件的光电转换效率，辐照度变化会影 响光伏电站输出的有功功率，进而影响整个光伏发电系统的运行效率。2.23 光伏组件的最大功率点控制通过前述的研究，可以发现光伏组件的输出特性是非线性的，输出功率会随 着辐照度和温度的改变而改变，且存在一个工作点，当工作在该点时光伏组件输 出的功率最大，效率最高，这个点称为最大功率点(Maximum Power Point)。因 此，为了提高光伏发电系统的运行效率，需要实现最大功率的跟踪。最大功率点跟踪(MPPT)本质是一个动态寻优的过程，其基本原理如图2.12 所示，先测量出当前时刻光伏组件的输出电压和输出电流，计算输出功率，然后 与前一时刻保存的输出功率进行对比，取较大值保存。当下一时刻来临时，再通 过测量比较取较大值保存，如此周而复始的检测，以保证光伏组件始终运行在最 大功率输出状态。但实际应用时，很难精准到达最大功率输出并加以保持。图2.12 MPPT控制原理框图目前，实现最大功率点跟踪的方法有很多，其中比较典型的有基于参数选择12第2章并网光伏发电系统建模方式的恒定电压法、基于电压电流检测的干扰观测法和电导增量法。(1)恒定电压法(Constant Voltage Tracking)】。CVT是较早提出的一种 MPPT控制方法。通过对光伏组件PU特性分析可知，当环境温度不变时，即使 辐照度发生变化，光伏组件输出最大功率时所对应的电压值41ax也基本保持不 变。根据这一特性，把光伏组件的电压控制在a11ax处，即可实现最大功率输出。该方法的优势在于控制简单易实现，且可靠性高。但由于该方法受温度影响较大,因此只适用于温度变化较小的地区。(2)扰动观察法(Perturb And Observe Algorithms)附：常用的 MPPT 控制 方法之一。该方法主要通过对光伏组件工作点进行扰动，观察其输出功率的变化 情况，以此来确定下一步的控制信号，从而维持最大功率输出。该方法最大的优 点是可以实现自追踪，在辐照度变化不剧烈时效果最好。该方法对传感器精度要 求低，控制回路易实现，但耗能严重，当系统已经追踪到最大功率点周围时，它 的扰动仍会继续，会在最大功率点附近左右震荡，造成能量损耗；(3)电导增量法(Incremental Conductance)43-44：常用的 MPPT 控制方法 之一。通过调节光伏组件的工作电压，使其向最大功率点对应的电压值乙,处无 限靠近，以实现MPPT控制。该方法不需要知道MPP的位置，通过判断当前的 工作电压值。在。111ax的哪一侧，进而对参考电压作出相应调整。同时，当从系 统一个稳态过渡到另外一个稳态时，该方法可以根据电流的变化进行相应的判 断，不会出现误判断的过程。该方法不仅可以实现优良的控制，还可以减少控制 中的能量损耗，但控制相对复杂，对系统性能要求较高，需采用高速处理器。2.3光 伏逆变器的建模光伏逆变器作为光伏发电系统中最核心的部件，其性能直接影响输出电能的 质量和光伏电站的无功调节能力，进而影响整个系统安全、稳定以及高效的运行。23.1光伏逆变能拓扑结构不同光伏逆变器的拓扑结构之间存在很大区别，其性能和实现的功能也有所 不同。按照功率转化的次数进行分类，可以分为以下两类：(1)单级并网结构：只采用一级逆变，将光伏组件产生的直流电转换为交 流电，然后并网运行，其拓扑结构如图2.13所示。其结构简单、成本低、效率 高，且通过对光伏逆变器输出功率的控制即可实现MPPT控制。采用该结构对光 伏逆变器要求较高，需要其能实现电能转化和功率控制等多个方面的要求。13第2章并网光伏发电系统建模图2.13单级式光伏并网系统拓扑结构(2)双级并网结构：分别为DC/DC级和DC/AC级。光伏组件方阵将太阳 能转化为直流电,通过第一级DC/DC变换器升压或降压到逆变器所在电压等级,再通过DC/AC逆变器将直流电变换成交流电后输入电网。其拓扑结构如图2.14 所示。第一级DC/DC变换器实现光伏方阵的最大功率点跟踪，第二级DC/AC 逆变器将直流电逆变为交流电，同时实现对并网点电压控制的功能。该结构每一 级均独立进行控制，控制器相对简单。但逆变器结构相对复杂，带来的损耗也较 大。图2.14双级式光伏并网系统拓扑结构根据市场调研，目前大型光伏电站多采用单级式逆变器，因此本文的分析仿 真均以单级式逆变器为基础。按照输入直流电源的类型，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器：(1)电流源型逆变器：直流侧串联了一个大电感，保证输出的电流值不变。交流侧输出的电流不会受所接负载的情况而改变。电感可以在负载需要时为其提 供无功功率，不需要时进行无功的存储。(2)电压源型逆变器：直流侧并联了一个大电容，保证电压稳定，形成平 稳的直流电压。电容可以在负载需要时为其提供无功，同时需要为开关器件反向 连接一个二极管，为无功功率的传输提供通路。输出的电压不会受负载的影响，可以一直保持为矩形波。2.3.2光伏逆变器并网控制光伏发电系统要想进行并网运行，需要满足相应的并网规范要求。输出的电 压/电流需要与电力系统的电压/电流同频同相同幅，并达到相关电能质量的标准。光伏发电系统要实现并网运行这一目标，就需要对光伏逆变器采取有效的控制。14第2章并网光伏发电系统建模光伏逆变器的控制策略，按照输出类型分为电流控制和电压控制。电流控制 是以输出电流为控制对象，当输出电流发生变化时，通过反馈信号对输入进行控 制，从而保证输出与系统电压同频、同相、同幅的电流信号。此控制模式中，整 个控制系统相当于一个受控电流源。电压控制是以输出电压为控制对象，当输出 电压发生变化时，通过反馈实现电压控制，进而实现对输出电流和功率因数的控 制。本质上是一种间接的电流控制方法。采用电压控制需要配套采用锁相控制环 节，才能使电压大小、相位及频率满足并网条件，实现并网运行。针对光伏逆变器的控制方法，已有许多研究，主要有：PI控制、双闭环控 制、状态反馈控制、重复控制、滞环控制、智能控制等。（1）PI控制MS较早提出的一种电流控制方法，应用广泛