李鋼，慈建斌，李洪星，姜奇，姜威達(dá)

（大連供電公司，遼寧大連116033）

基于PSCAD/EMTDC的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

李鋼，慈建斌，李洪星，姜奇，姜威達(dá)

（大連供電公司，遼寧大連116033）

針對(duì)太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)性，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套包括小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能的Boost斬波換流器和定電壓控制逆變器在內(nèi)的完整、統(tǒng)一的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，針對(duì)西藏地區(qū)全年的實(shí)際太陽輻射情況和風(fēng)況進(jìn)行仿真分析，以模擬該地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行工況。仿真結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用于我國西部地區(qū)的可行性和有效性，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)力發(fā)電；光伏陣列；最大功率跟蹤；風(fēng)光互補(bǔ)；PSCAD/EMTDC；動(dòng)態(tài)仿真

從環(huán)境和能源方面考慮，風(fēng)能、太陽能等新能源由于其資源充足、無污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)得到了世界各國的高度重視。在我國很多地區(qū)，太陽能和風(fēng)能具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，特別是西部地區(qū)，如青藏高原每年的4～9月太陽輻射最強(qiáng)，而風(fēng)能資源最豐富的月份則從當(dāng)年的10月到次年的4月。夏秋季太陽輻射強(qiáng)而風(fēng)能弱，冬春季太陽輻射弱而風(fēng)能強(qiáng)，這為該地區(qū)實(shí)現(xiàn)太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)發(fā)電提供了良好的基礎(chǔ)。此外，太陽能光伏發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電的成本接近火電成本。因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是比單一的風(fēng)力或太陽能發(fā)電更有效的方式。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)能、太陽能等新能源領(lǐng)域的研究主要集中于大型并網(wǎng)發(fā)電場(chǎng)及單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電[1]和單獨(dú)太陽能光伏發(fā)電[2]的控制，而對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方面的研究尤其是對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體建模和仿真實(shí)驗(yàn)的研究較少[3-5]。對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于以下幾個(gè)方面：一是系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立多目標(biāo)函數(shù)[6]，設(shè)計(jì)智能的優(yōu)化算法來提高整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性；二是系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)的研究[7]，隨著半導(dǎo)體功率器件和數(shù)字控制器的迅速發(fā)展，人們將MPPT控制與DC/DC變換器連接起來，結(jié)合各種先進(jìn)的控制算法[8]，通過硬件和軟件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出；三是儲(chǔ)能的研究，其重點(diǎn)在儲(chǔ)能裝置的維護(hù)、充放電控制和容量預(yù)測(cè)方面[9-10]。

本文從風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的原理出發(fā)，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了包括小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、實(shí)現(xiàn)MPPT功能的Boost斬波換流器和定電壓控制逆變器在內(nèi)的完整、統(tǒng)一的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并針對(duì)西藏地區(qū)全年的實(shí)際太陽輻射情況和風(fēng)況進(jìn)行仿真分析，模擬該地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

1 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文建立的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏陣列、阻塞二極管、整流電路、Boost斬波電路、逆變電路、配電網(wǎng)及交流負(fù)載組成。在具有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行，可以省去儲(chǔ)能裝置，大幅度降低造價(jià)，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。阻塞二極管串聯(lián)在太陽能光伏陣列電路中，起單向?qū)ǖ淖饔谩?/p>

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文通過擾動(dòng)Boost斬波電路的占空比跟蹤光伏輸出電流來實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率跟蹤，而小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則通過定葉尖速比控制實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。逆變電路采用定電壓控制策略，保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)輸送，交流負(fù)載由風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)況條件下捕獲的風(fēng)能、光伏陣列在不同光照條件下轉(zhuǎn)化的太陽能和主網(wǎng)共同供給，風(fēng)力機(jī)和光伏陣列供給不足的部分由主網(wǎng)補(bǔ)充，多余的部分則向主網(wǎng)輸送。

2 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)中的貝茲(Betz)理論，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性方程為：

為表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比，即葉尖速比λ來衡量，定義如下：

由圖2可知，對(duì)于任一槳距角β，總有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最佳的風(fēng)能利用系數(shù)max和最佳葉尖速比λ，這時(shí)風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最高。如圖所示，當(dāng)β=0時(shí)，葉尖速比為λ=8.1，此時(shí)風(fēng)能的利用系數(shù)最大max=0.48。

圖2 風(fēng)力機(jī)的-λ曲線

風(fēng)力機(jī)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械傳動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)方程可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示：

本文的風(fēng)力機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 光伏電池模型

根據(jù)電子學(xué)理論，光伏電池可看作P-N結(jié)型二極管，在光照下產(chǎn)生正向偏壓，因此在理想情況下，可等效為電流源和一個(gè)理想二極管的并聯(lián)電路。但實(shí)際上存在損耗和漏電等現(xiàn)象，在等效電路中將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電阻來表示。光伏電池的等效電路如圖4所示。

圖4 光伏電池等效電路

光伏電池的輸出特性方程為：

其中：

本文基于以上數(shù)學(xué)模型[11]，應(yīng)用Fortran語言建立光伏電池的發(fā)電模塊，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)日照條件下電池板的參數(shù)=3.35A、=21.7V、=3.05A、=17.4V，得到光伏電池模型的I-V和P-V曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 不同光照下的I-V和P-V曲線

2.3 電力電子換流器模型

2.3.1 Boost換流器模型

圖7為Boost換流器的基本電路。假設(shè)電路中所有元件均為理想元件，電路輸入到輸出的過程無功率損耗。圖7所示的斬波系統(tǒng)中，由于逆變系統(tǒng)的控制策略為定直流電壓控制，因此Boost換流器的輸出電壓dc2將被鉗位于逆變器控制電壓設(shè)定值。

Boost電路輸入與輸出電壓的關(guān)系為：

由式(10)可知，系統(tǒng)可以通過擾動(dòng)調(diào)整Boost換流器占空比，檢測(cè)輸出電流的波動(dòng)方向[12]，并以此作為PWM的控制信號(hào)，不斷調(diào)節(jié)占空比的擾動(dòng)方向，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池輸出電壓dc1的調(diào)整，使其與光伏陣列最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓相匹配，從而使光伏陣列始終輸出最大功率。

圖6 不同溫度下的I-V和P-V曲線

圖7 Boost變換器及其控制電路

2.3.2 逆變器控制模型

并網(wǎng)逆變器采用定電壓控制策略，其基本要求是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池陣列發(fā)出的功率由負(fù)載和系統(tǒng)接收，并通過電壓反饋保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定[13]，而輸送至交流負(fù)載的功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)況條件下捕獲的風(fēng)能、光伏陣列在不同光照條件下轉(zhuǎn)化的太陽能和主網(wǎng)共同供給，風(fēng)力機(jī)和光伏陣列供給不足的部分由主網(wǎng)補(bǔ)充，多余的部分則向主網(wǎng)輸送。控制模型如圖8所示。

圖8 并網(wǎng)逆變器控制框圖

從圖8中可以看出，在定電壓控制策略中，直流側(cè)電壓設(shè)定的控制參考值與實(shí)際電壓的偏差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器為電流控制提供參考，最終電流誤差信號(hào)在PI調(diào)節(jié)器的作用下為逆變器提供脈寬調(diào)制信號(hào)，PWM采用理想開關(guān)模型，應(yīng)用三相鎖相環(huán)PLL跟蹤主網(wǎng)電壓的相角，為控制系統(tǒng)提供頻率支撐。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要性能參數(shù)為：額定輸出功率100 kW，額定風(fēng)速10.35m/s，葉片半徑10m，風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)（無需齒輪箱）。單節(jié)光伏電池的運(yùn)行參數(shù)為：oc=21.7V，sc=3.35A，=17.4V，=3.05A，本算例中的光伏陣列由并聯(lián)20組、每組串聯(lián)50個(gè)單體的光伏電池組成，在標(biāo)準(zhǔn)條件（輻照度1000 W/m2，光伏電池板絕對(duì)溫度298 K）下的輸出功率為53.07 kW。交流負(fù)載容量70 kW。

使用該系統(tǒng)對(duì)我國西藏地區(qū)全年的風(fēng)光互補(bǔ)情況進(jìn)行仿真分析，該地區(qū)太陽輻射及風(fēng)況見表1。

表1 西藏地區(qū)各月太陽輻射及平均風(fēng)速

3.2 仿真結(jié)果

忽略光伏陣列和風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)的暫態(tài)過程，我國西藏地區(qū)全年的風(fēng)光互補(bǔ)仿真結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 光伏和風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)輸出電壓、電流波形

圖10 占空比調(diào)整曲線

圖11 光伏陣列的輸出伏安特性

圖12 光伏陣列、風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)的輸出功率

圖9所示的是光伏陣列和小型永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)輸出的電流及電壓情況，可以看到，在換流電路的有效控制下，母線側(cè)負(fù)載電壓有效值穩(wěn)定在0.38 kV。而當(dāng)光照條件和風(fēng)況發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的變化是通過控制輸出的電流來實(shí)現(xiàn)的。

從圖10和圖11中可以看到，光伏陣列通過擾動(dòng)Boost換流器占空比跟蹤輸出電流，實(shí)現(xiàn)了光伏陣列的最大功率跟蹤。當(dāng)光照條件發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整占空比使得光伏陣列輸出電壓能夠始終保持在P-V曲線最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)。

由圖12(a)和(b)所示，該地區(qū)全年的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出具有很好的互補(bǔ)關(guān)系，從電網(wǎng)輸入輸出的功率曲線(c)來看，該地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站的輸出功率曲線波動(dòng)明顯小于單獨(dú)的風(fēng)力或光伏發(fā)電站的輸出波動(dòng)，極大地改善了電網(wǎng)接納光伏電站和風(fēng)力發(fā)電站的能力。

4 結(jié)論

本文從風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，應(yīng)用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC設(shè)計(jì)并建立了一套風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，針對(duì)西藏地區(qū)全年實(shí)際氣象狀況進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組件相關(guān)特性的基礎(chǔ)上，分別建立其數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Fortran語言描述光伏陣列特性并封裝形成二端口電源，研究出一套切實(shí)可行的運(yùn)行策略和運(yùn)行結(jié)構(gòu)。

（2）西藏地區(qū)全年的風(fēng)資源變化和太陽能變化具有很好的互補(bǔ)關(guān)系，針對(duì)該地區(qū)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。從電網(wǎng)的功率曲線來看，該地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站的輸出功率曲線波動(dòng)明顯小于單獨(dú)的風(fēng)力或光伏發(fā)電站的輸出波動(dòng)，極大地改善了電網(wǎng)接納光伏電站和風(fēng)力發(fā)電站的能力，對(duì)該地區(qū)大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)力和太陽能資源具有一定的指導(dǎo)意義。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在我國的發(fā)展才剛剛起步，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為合理的電源系統(tǒng)，開創(chuàng)了一條綜合開發(fā)風(fēng)能和太陽能資源的新途徑。2005年，我國第一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在華能南澳風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)成功并入當(dāng)?shù)?0 kV電網(wǎng)。國家電網(wǎng)公司在河北省張北縣建設(shè)的風(fēng)光儲(chǔ)輸聯(lián)合一期示范工程也于2011年12月25日建成并網(wǎng)發(fā)電。2012年3月19日，中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司所屬電力顧問集團(tuán)東北院與亞洲新能源集團(tuán)簽訂安白高速大安新荒風(fēng)光儲(chǔ)試驗(yàn)項(xiàng)目總承包合同，成為目前國內(nèi)最大規(guī)模的風(fēng)光互補(bǔ)工程，這標(biāo)志著我國對(duì)太陽能、風(fēng)能等清潔能源的開發(fā)利用邁入了新的階段。

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Modelling and simulation of grid-connectedhybrid wind/PV generation system based on PSCAD/EMTDC

LI Gang，CI Jian-bin，LI Hong-xing，JIANG Qi，JIANG Wei-da

As wind power and solar energy were complemented in resource conditions and technology applications,a completemathematichybrid wind/PVmodel was developed.The system was a grid-connectedhybrid wind/PV generation system simulation,including the permanent-magnetic direct-drive wind power generator,the photovoltaic array,a Boost DC/DC converter which was applied tomaximum power point tracking(MPPT)and a DC toAC inverter with constant DC voltage controlmethod.The complementary characteristic between wind and solar power in Tibet area was simulated using the local weather data to check the feasibility and effectiveness in west China,so this workhas important theoretical signification and utility value.

wind power generation；photovoltaic array；maximum power point tracking；wind/PVhybrid power；PSCAD/EMTDC；dynamic simulation

TM 61

A

1002-087 X(2014)10-1893-05

2014-03-03

李鋼(1985—)，男，上海市人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。