吳紅斌,陶曉峰

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引言

EM TDC(Electro-Magnetic T ransient in DC system)是目前國際上應(yīng)用較為廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序,具有完整而準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計算內(nèi)核、友好的界面和良好的開放性等特點,是進行電力系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具[1-2]。該軟件不僅能用于電力系統(tǒng)及相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計與科研,還可用于高等學(xué)校電氣工程及相關(guān)專業(yè)的仿真教學(xué)[3-4]。

太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù),是減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑,可以有效地解決集中電網(wǎng)的許多潛在問題。因此,分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為目前的研究熱點。

本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例,詳細(xì)闡述了利用PSCAD/EMTDC仿真軟件在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的建模與仿真分析,可以為電氣工程類的仿真教學(xué)提供參考。

1 PSCAD/EMTDC的功能特點

EMTDC最初是由加拿大曼尼托巴水電局(Manitoba Hydro)的D.Woodford博士在 1976年為研究高壓直流輸電系統(tǒng)開發(fā)完成的仿真軟件,經(jīng)過曼尼托巴大學(xué)高壓直流輸電研究中心的不斷完善,特別是PSCAD圖形界面(GUI)的開發(fā)成功,使之成為既可研究交直流電力系統(tǒng)問題,又能完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具。

PSCAD/EMTDC提供的元件模型庫幾乎涵蓋了電力系統(tǒng)輸配變電及繼電保護的所有元件,還包含有大量測量、控制用模型元件、邏輯電路模型庫和時序控制模型庫等。同時,系統(tǒng)中還有大量的電力電子模型庫,包括二極管、晶閘管、GTO和IGBT等器件。

此外,PSCAD還提供方便的自定義模型功能和完善的建模工具,用戶通過圖形編輯器、參數(shù)欄定義、Fortran語言編程,可以將構(gòu)建好的模型庫添加到系統(tǒng)中,與現(xiàn)有的模型庫元件一樣使用。

2 EMTDC中光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電具有規(guī)模靈活、無污染和維護簡單等優(yōu)點。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括三個部分:光伏陣列模型、最大功率點跟蹤控制模型和逆變器及其控制模型。為了準(zhǔn)確建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,需要在PSCAD/EMTDC中采取用戶自定義的方式建立相關(guān)的元件模型,以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真。

2.1 光伏陣列模型

光伏陣列模型為發(fā)電單元,通過太陽光照射到光伏陣列面板上產(chǎn)生電能。在PSCAD/EMTDC的自定義模塊中,建立一個3信號輸入2信號輸出的模塊;利用腳本功能,根據(jù)光伏陣列模型編寫程序;通過視圖功能定義輸入輸出量的類型與符號,同時利用畫圖功能自由設(shè)計光伏陣列視圖;利用參數(shù)功能,建立光伏陣列的參數(shù)對話框,通過對話框可以設(shè)置光伏陣列數(shù)學(xué)模型中不同的參數(shù)。

圖1為光伏陣列外觀,三個輸入量 T、R和V分別對應(yīng)環(huán)境溫度、日照強度和光伏陣列的實際工作電壓,兩個輸出量I和Um分別對應(yīng)輸出電流和最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)的理論值。圖2為光伏陣列參數(shù)設(shè)置對話框,根據(jù)不同的光伏陣列電池特性,可以輸入相應(yīng)參數(shù)。

2.2 最大功率點跟蹤模型

圖1 光伏陣列外觀

圖2 光伏陣列參數(shù)設(shè)置對話框

為充分利用太陽能,光伏陣列都采取MPPT功能,使得光伏陣列在不同的日照強度和溫度下均能輸出最大功率。本模型仿真求解MPPT電壓時采用了實時優(yōu)化迭代算法[5],其特點是能夠快速精確的求解出MPPT的工作電壓。利用EMTDC中自定義模塊的腳本功能以及相關(guān)語句,可以編寫出求取最大功率點跟蹤的算法程序,與圖1的光伏陣列模塊整合在一起。

2.3 逆變器及其控制模型

光伏陣列輸出的能量必須通過逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流,輸送到電網(wǎng)中。目前光伏并網(wǎng)中廣泛采用三相橋式逆變電路,如圖3所示。在EMTDC中利用元件庫中的元件,可以方便地搭建三相橋式逆變電路。其中 T1、T2為 IGBT,D1、D2為二極管,g1～g6為脈沖信號。

圖3 逆變電路模塊

PWM控制方法采用正弦脈寬調(diào)制SPWM法,該法產(chǎn)生脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等。SPWM法在PSCAD/EMTDC中的結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括三角波模塊、比較模塊和延遲模塊等。Uarms、Ubrms和Ucrms為正選波參考量與三角波比較后得到三個脈沖量。這三個量分別取反后,共得到6個觸發(fā)脈沖(g1～g6)用來控制IGBT的通斷。

圖4 脈沖波調(diào)制模塊

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析

光伏陣列PV逆變后經(jīng)過LC濾波器濾除高次諧波,再通過線路、變壓器連接到配電網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)接線如圖5所示。

圖5 算例系統(tǒng)圖

光伏陣列額定功率為10kW,線路1和2的參數(shù) R1=R2=0.641Ψ/km,X1=X2=0.101Ψ/km,線路 3 的參數(shù) R3=0.347Ψ/km,X3=0.234Ψ/km,負(fù)荷1為純有功負(fù)荷,P=6kW,負(fù)荷2為P=6kW,Q=1.5kVar。變壓器變比為0.4/10kV。光伏陣列的環(huán)境溫度保持 30℃不變,初始的日照強度為600W/m2。設(shè)日照強度在5～10秒時由600W/m2漸變到1200W/m2,此時的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 日照強度變化時的仿真結(jié)果

從圖6(a)可以看出,光伏陣列的輸出電流隨日照強度的增加而增加。在此過程中,圖6(b)則表明光伏陣列的工作電壓隨著日照強度的增加而減小,圖中MPPT計算出的理論值(實線)和光伏陣列的實際工作電壓(虛線)在控制策略下相一致。相對來說,并網(wǎng)電流的增加幅度大于電壓減少的程度,因此,圖6(c)中光伏陣列的總輸出功率仍然隨著日照強度的增加而增加。

從以上仿真可以看出,EMTDC仿真軟件能夠有效的建立光伏發(fā)電的仿真模型,仿真結(jié)果符合光伏陣列輸出特性,并且仿真速度快,精度高,完全滿足電氣工程類學(xué)校仿真教學(xué)的要求。

4 結(jié)語

PSCAD/EMTDC仿真軟件在分布式發(fā)電建模與仿真方面具有良好的實用性。其功能設(shè)置完備,元件種類齊全,并且含有自定義模塊及Fortran語言功能,具有良好的開放性。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,利用PSCAD/EM TDC對分布式發(fā)電進行建模及仿真研究,將會對研究分布式發(fā)電系統(tǒng)起到積極的作用。本文闡述的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真,可以為高等學(xué)校電氣工程類的仿真教學(xué)提供參考。

[1] 林良真,葉林.電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMT DC[J].北京:電網(wǎng)技術(shù).2000,24(1):65-66

[2] 石訪.電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EM TDC的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].上海:華東電力.2008,36(12):36-38

[3] 鄂志君,房大中,王立偉,等.基于EM TDC的混合仿真算法研究[J].許昌:繼電器.2005,33(8):47-51

[4] 張小青,楊大晟.基于PSCAD/EM TDC軟件的過電壓保護教學(xué)仿真[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008,30(2):84-86

[5] 茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有 MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].北京:系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005,17(5):1248-1251