張榮海，陳志峰，張紫凡，李巖

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026；2. 廣州城市理工學(xué)院，廣州 510080；3.廣東云舜綜合能源科技有限公司，韶關(guān) 512026）

引言

隨著化石能源逐漸枯竭以及“雙碳”目標(biāo)的提出，可再生能源的發(fā)展成為重要課題。光伏發(fā)電以其無噪聲、擴(kuò)容方便等諸多優(yōu)點(diǎn)成為最為重要的開再生能源形式之一[1,2]。光伏系統(tǒng)各個(gè)發(fā)電設(shè)備相互獨(dú)立，發(fā)電方式靈活，可以因地制宜安裝光伏發(fā)電設(shè)備。光伏系統(tǒng)的運(yùn)行形式也較為靈活，不但可以孤島運(yùn)行滿足用戶需求還可以通過PCC（公共耦合點(diǎn)）接入公共電網(wǎng)，提高配電網(wǎng)運(yùn)行效率、提升配網(wǎng)線路電壓水平[3-5]。

光伏系統(tǒng)主要由光伏電池板、控制環(huán)節(jié)、DC/DC變流器、逆變器以及能量監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)單一可控的有源配電單元。光伏系統(tǒng)可以通過公共能耦合點(diǎn)接入電網(wǎng)保持并網(wǎng)運(yùn)行模式，可以與本地負(fù)載組成微電網(wǎng)孤島運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在功率控制模式下，可實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)處功率潮流調(diào)節(jié)。合理的安排光伏電源的并網(wǎng)點(diǎn)位置，可以縮短發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)荷之間的距離，減小電網(wǎng)的傳輸損耗，對(duì)于提高發(fā)電的消納和降低網(wǎng)絡(luò)損耗有重要意義。通過合理的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式的切換。當(dāng)公共電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)荷可切換至孤島運(yùn)行，保證下對(duì)重要負(fù)荷的供電。

光伏發(fā)電受到輻照度、溫度等諸多因素的擾動(dòng)[6,7]，輻照度則受到云層經(jīng)過、霧霾[8]等氣候因素的影響。其中云層經(jīng)過造成的輻照度的大幅波動(dòng)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響尤為突出。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以從電網(wǎng)側(cè)得到電壓和功率的支持，但離網(wǎng)運(yùn)行的孤島光伏微電網(wǎng)由于缺乏大電網(wǎng)的支持，其運(yùn)行狀態(tài)更容易受到云層經(jīng)過造成的干擾。因此探索云層經(jīng)過時(shí)輻照度較大程度跌落時(shí)，對(duì)孤島光伏系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響具有較高的研究價(jià)值。基于此本文基于電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)建立離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)仿真模型，模型包括光伏發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、逆變器、交流變壓器、交流負(fù)載、直流變流器及各變流器控制環(huán)節(jié)。仿真模型基于實(shí)際光伏設(shè)備設(shè)置光伏元件以及光伏組件參數(shù)，并采用一天之內(nèi)典型日的溫度變化以及疊加有運(yùn)行經(jīng)過時(shí)的輻照度變化作為環(huán)境變量。

1 離網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)主要的組成部分包括光伏電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載三部分，光伏電源和儲(chǔ)能設(shè)備由DC/CD變換器接入直流母線側(cè)。光伏電池板為功率輸出的設(shè)備，因此采用Boost變換器接入直流母線，儲(chǔ)能設(shè)備可輸出功率也可吸收功率，因此采用雙向DC/DC設(shè)備接入直流母線。光伏系統(tǒng)為交流負(fù)荷供電以及并入配電網(wǎng)，則需要將直流轉(zhuǎn)為交流，因此光伏系統(tǒng)通常配備有DC/AC變流器。離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)主要設(shè)備包括光伏電源、DC/DC變換器、逆變器、濾波電路、升壓變壓器和等效負(fù)荷，如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)主電路圖

離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行需要合適的控制系統(tǒng)。在整體的控制系統(tǒng)中設(shè)備的控制功能主要在各個(gè)變流器環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。光伏電源采用基于擾動(dòng)觀察法最大功率點(diǎn)追蹤控制，儲(chǔ)能設(shè)備采用穩(wěn)壓控制、逆變器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制，在生成相應(yīng)的控制參考信號(hào)后，由SPWM技術(shù)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅的開關(guān)信號(hào)。

從大氣層照射而來的太陽光激發(fā)硅材料發(fā)射電子產(chǎn)生直流電，直流電利用升壓斬波電路的電感的增反減同特性得以升壓。與此同時(shí)，進(jìn)行平抑電壓波動(dòng)的蓄電池采用雙向DC-DC實(shí)現(xiàn)升降壓，平緩的直流電經(jīng)過逆變器合適的通斷產(chǎn)生矩形交流電，矩形交流電經(jīng)過合適的濾波電路抑制高頻諧波后得到平滑的交流電，交流電再經(jīng)過變壓器升壓送到輸電網(wǎng)或者降壓送進(jìn)用電區(qū)域。

對(duì)于斬波電路的電容電感以及逆變器的濾波電容電感計(jì)算方法在第二章里面波紋系數(shù)法有詳細(xì)的介紹，通過電感電容的隨時(shí)間變化情況以及提高電感和電容值來降低波紋系數(shù)值來得到合適的數(shù)值。

2 光伏組件參數(shù)選擇

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽光的照射時(shí)候，如果入射光的能量大于或者等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛形成自由電子?？梢杂晒剑?）描述，其中為光子能量；

式中：

h—普朗克常量；

f—光波頻率；

Eg—半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

光波頻率等于光速除以光波波長，即f=c/λ，式（1）改寫為光波波長的表達(dá)式，式（2）。

式中：

λ—光波波長；

c—光速。

光子波長恰好激發(fā)電子的波長稱為截止波長，若光子波長小于截止波長，那么能量用于電子在晶格附近振動(dòng)產(chǎn)生熱能。若光子波長大于截止波長，電子可以獲得動(dòng)能，進(jìn)而產(chǎn)生有電勢(shì)差的PN結(jié)，即光生伏特效應(yīng)。

本文仿真工作中采用PSCAD仿真平臺(tái)中內(nèi)置的光伏電池仿真模型，元件參數(shù)具體參數(shù)如表1所示。

光伏發(fā)電板組件的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)光伏發(fā)電板的功能和效率有較大影響。本文采用Suntech公司的某一型號(hào)模塊來參照作為光伏電池的參數(shù)選擇依據(jù)，本文仿真模型具體光伏電池板的參數(shù)選擇如表1所示。仿真模型采用單個(gè)功率為236 W的太陽能電池得到1 MWp的太陽能陣列，然后16個(gè)陣列構(gòu)成16 MWp大容量光伏電站。

為衡量光伏電池板的性能是否達(dá)標(biāo)、參數(shù)設(shè)置是否合理，可通過太陽能電池的填充因子來判斷。填充因子的表達(dá)式如式（3）所示。

式中：

FF—光伏電池板的填充因子，是表征太陽電池優(yōu)劣的重要參數(shù)；

Isc—參考短路電流；

Uoc—太陽能電池單元開路電壓；

Im—太陽能電池單元最大功率點(diǎn)電流；

Um—太陽能電池單元最大功率點(diǎn)電壓。

把表2中cell值代入式（3），計(jì)算可到FF值為0.8，符合優(yōu)質(zhì)多晶硅標(biāo)準(zhǔn)。

表2 太陽能電池組件參數(shù)

光伏在發(fā)電過程中不可避免的受到輻照度以及溫度變化的影響。光伏電池板的輻照度會(huì)因?yàn)樵茖拥牧鲃?dòng)而產(chǎn)生降低（50～80）%的劇烈變化，同時(shí)一天中的環(huán)境溫度也在不斷產(chǎn)生變化，因此為了最大程度提升光伏電池發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，光伏電源通常采用最大功率點(diǎn)控制。

常見的最大功率點(diǎn)追蹤方法有電壓反饋法（電壓恒定法）、擾動(dòng)與觀察法（爬山法）、電導(dǎo)增量法（incCond）。恒定電壓法實(shí)現(xiàn)簡單，但在遭遇云層經(jīng)過導(dǎo)致輻照度變化較大時(shí)，產(chǎn)生的誤差較大。擾動(dòng)觀察法適合擾動(dòng)觀察法的尋優(yōu)精度更高，但尋優(yōu)速度較慢。如果云層經(jīng)過導(dǎo)致輻照度下降，將需要較長時(shí)間尋優(yōu)，且經(jīng)受擾動(dòng)后會(huì)在最大功率點(diǎn)附近振蕩，從而產(chǎn)生能量損失。綜上本文采用電導(dǎo)增量法最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)，該方法采用調(diào)壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率，所以對(duì)功率P的電壓U進(jìn)行微分，如式（6）所示。

由于最大功率點(diǎn)曲線具有拐點(diǎn)，可用通過求導(dǎo)判斷最大功率點(diǎn)的位置以及變化趨勢(shì)來得到下一步該如何調(diào)壓。當(dāng)最大功率點(diǎn)在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)左邊和右邊時(shí)可以通過增加或減小參考電壓值來追蹤最大功率點(diǎn)，如式（7）所示。

3 云層經(jīng)過對(duì)光伏系統(tǒng)影響

光伏系統(tǒng)在一天內(nèi)的出力受到輻照度和溫度的影響。為研究云層經(jīng)過對(duì)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的影響。本文選取典型日的輻照度以及溫度作為輸出參數(shù)。在一天之中輻照度和溫度均隨時(shí)間變化，云層經(jīng)過則會(huì)使輻照度有較大的下降。選擇典型日的環(huán)境溫度以及輻照度為基礎(chǔ)，輻照度再疊加云層經(jīng)過造成輻照度下降，一天內(nèi)6點(diǎn)至18點(diǎn)的溫度和輻照度數(shù)據(jù)如圖2所示。圖2中綠色曲線表示晴天日輻照度變化，藍(lán)色曲線表示疊加云層經(jīng)過后一天內(nèi)的輻照度變化。由圖可觀察得知一天之中輻照度在6點(diǎn)到12點(diǎn)逐漸升高并達(dá)到最大值1 200 W/m2，12點(diǎn)到18點(diǎn)逐漸下降，并且在正午時(shí)候輻照度最高達(dá)到1 200 W/m2由于高于參考值1 000 W/m2。

圖2 6點(diǎn)到18點(diǎn)之間的輻照度和溫度變化

在光伏系統(tǒng)的參數(shù)選擇環(huán)節(jié)，設(shè)置光伏組件在1 000 W/m2為輻照度和25 ℃條件下，光伏電站裝機(jī)容量為16 MW。在12點(diǎn)左右，輻照度較高且溫度較高的時(shí)候，光儲(chǔ)系統(tǒng)的有功輸出也達(dá)到了最高值17 MW。較厚云層的經(jīng)過時(shí)，輻照度大幅下降，光儲(chǔ)系統(tǒng)的輸出功率隨輻照度的下降而下降。由于光儲(chǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備容量配置較小，因此光儲(chǔ)系統(tǒng)主要的功率輸出為光伏的功率輸出。儲(chǔ)能設(shè)備在其中起到了一定對(duì)沖光伏功率變化的作用。即當(dāng)光伏電源在輻照度較低而輸出功率較小的時(shí)候，儲(chǔ)能設(shè)備會(huì)釋放功率，當(dāng)光伏系統(tǒng)在輻照度高輸出功率較大的時(shí)候，儲(chǔ)能設(shè)備的輸出功率則逐漸降低。由于儲(chǔ)能設(shè)備的容量占系統(tǒng)總?cè)萘枯^小，并不能完全彌補(bǔ)因云層經(jīng)過造成的系統(tǒng)整體功率輸出的下降。光儲(chǔ)系統(tǒng)功率輸出如圖3所示。

圖3 光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出的功率波形圖

為了使光伏電源能夠以最大的功率輸出，對(duì)光伏電源采用了MPPT控制。圖4為光伏電源側(cè)電壓電流波形圖。對(duì)于光伏電源側(cè)，由于端口沒有加裝電容，此時(shí)端口電壓和電流波動(dòng)較大。但總體的變化規(guī)律與輻照度變化相符合，整體電壓電流也呈現(xiàn)凸的形態(tài)。當(dāng)有云層經(jīng)過，輻照度大幅下降時(shí)，電壓和電流在MPPT控制的作用下會(huì)發(fā)生較大變化，基本呈現(xiàn)電壓升高電流降低的趨勢(shì)。

圖4 光伏電源側(cè)電壓電流波形圖

在MPPT的作用下，當(dāng)輻照度、負(fù)載功率變化等原因造成光伏電池板輸出電壓電流變化時(shí)，最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)將會(huì)尋找新的最大功率點(diǎn)輸出的電壓電流值。將圖4中截取一段波形放大來做觀察，通過波形可以觀察到，電壓和電流總體的變化方向是相反的，即電壓上升電流下降、電壓下降電流上升。在反復(fù)變化調(diào)整的過程中，尋找輸出功率最大的工作點(diǎn)。

蓄電池電壓電流趨勢(shì)和光伏電源一致，得益于蓄電池升降壓的判斷準(zhǔn)則是光伏電源的電壓的延時(shí)跟蹤效果，在電壓下降時(shí)候，電流上升，呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)壓效果，如圖5所示。

圖5 蓄電池側(cè)電壓電流波形圖

由于光伏等分布式電源的有功輸出通常具有一定的隨機(jī)性，因此為穩(wěn)定系統(tǒng)輸出功率以及穩(wěn)定分布式電源輸出電壓的角度，通常會(huì)為分布式電源配備一定容量的儲(chǔ)能設(shè)備。在分布式電源出力降低的時(shí)候，儲(chǔ)能設(shè)備則需要增加功率輸出，當(dāng)分布式電源發(fā)電功率較高的時(shí)候，則可以吸收部分功率。儲(chǔ)能設(shè)備的控制方式是采用穩(wěn)壓控制，當(dāng)直流側(cè)電壓降低時(shí)，其輸出電流將會(huì)增加，本文研究的光儲(chǔ)系統(tǒng)中，光伏電源的容量較大，相對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電容量在總體發(fā)電容量中占比較小。

孤島光儲(chǔ)系統(tǒng)所帶負(fù)載類型為交流負(fù)載，因此其負(fù)載側(cè)三相交流電壓是一個(gè)較為重要的參考指標(biāo)。在云層經(jīng)過造成輻照度下降時(shí)，由于功率輸出降低，交流側(cè)電壓也出線了電壓下降的現(xiàn)象。交流側(cè)電壓波形以及交流電壓下降波段的放大圖如圖6所示。

由圖6可知云層經(jīng)過會(huì)使交流側(cè)電壓下降，但交流側(cè)負(fù)載電壓仍保持三相對(duì)稱，且波形形態(tài)較好，可見諧波含量不高。

圖6 有云層經(jīng)時(shí)交流側(cè)輸出電壓波形圖

4 結(jié)論

本文研究了16 MW容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏元件的物理參數(shù)配置以及光伏組件的參數(shù)配置。由于光伏系統(tǒng)的發(fā)電容量受到光照以及溫度影響，其有功輸出并不是穩(wěn)定的。在諸多影響因素當(dāng)中，云層遮擋通常是影響光伏電源出力的主要因素。為研究云層經(jīng)過對(duì)孤島運(yùn)行的光儲(chǔ)系統(tǒng)的有功輸出、電壓波形、光伏單元MPPT的跟蹤效果等方面產(chǎn)生的影響。本文基于電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)搭建了光儲(chǔ)系統(tǒng)的仿真模型，并得到結(jié)論：云層經(jīng)過造成的輻照度下降會(huì)很大程度上影響光伏電源的有功功率，繼而造成交流側(cè)負(fù)載電壓跌落。配備一定容量的儲(chǔ)能設(shè)備能夠使獨(dú)立光儲(chǔ)系統(tǒng)的有功輸出更加平緩，從而降低云層經(jīng)過對(duì)光儲(chǔ)系統(tǒng)的影響，但儲(chǔ)能設(shè)備成本較高，儲(chǔ)能設(shè)備的配置容量則需要綜合考慮技術(shù)指標(biāo)與成本兩個(gè)因素。