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摘要：电磁暂态仿真建模是研究光伏电站并网运行特性的关键环节。论文基于全数字实时仿真装置ADPSS，建立了光伏电站的通用仿真模型。模型采用最大功率点跟踪策略对光伏阵列的输出功率进行控制，并采用双闭环控制策略对并网逆变器进行控制。基于该模型，对光照强度、环境温度发生变化的场景进行了模拟，仿真结果验证了模型的合理性和有效性。
关键词：ADPSS; 光伏电站; 模型; 仿真
0 引言
光伏发电已经成为解决全球变暖、能源短缺和环境污染问题的一种主要方法，发展迅猛。随着越来越多的光伏电站接入电网，有必要利用电磁暂态仿真建模工具，建立光伏电站的仿真模型，进而深入分析它们的运行性能及其对电网的影响。目前，国内外在开展仿真建模时，主要采用MATLAB、PSCAD/EMTDC等软件[1-3]，而基于国内自主研发的仿真平台/软件来开展光伏电站建模研究的文献鲜见报道。
近年来，中国电力科学研究院开发的全数字实时仿真装置（advanced digital power system simulator，ADPSS）在电力系统仿真技术上取得了一系列突破。论文基于ADPSS，对光伏电站的电磁暂态仿真建模开展研究，开发了相应的通用仿真模型。
1 基于ADPSS的光伏电站电磁暂态模型
在ADPSS中，將光伏电站模型封装在1个子电路中，该模型图符如图1所示。该子电路有1个电气连接端口，用于和外部电网的三相母线相连。需要说明的是，这个子电路可以被重复使用，若要对不同的光伏发电工程进行建模，只需拷贝这个子电路并修改相应的模型参数即可。
双击光伏电站子电路的图符，即可进入其内部电路的编辑页面，如图2所示。可见，这是一个单级式的光伏逆变系统，光伏阵列发出的直流电由逆变器变换成交流电，经过滤波、升压，然后送至公共电网。另外，依据功能划分清晰、模块耦合度低的原则，建立了4个自定义模块，包括：光伏阵列及最大功率点跟踪（Maximum power point tracking， MPPT）、逆变器控制、基准量设置和测量模块。这些模块实现了相应的控制、测量等功能。下面，对具体的模型开发情况进行介绍。
1.1 光伏阵列仿真模型
光伏模块通常采用串并联的方式，组合成光伏阵列。仿真电路中，一般采用等效电流源串接1个等效电阻的方式来模拟光伏阵列，如图2所示。其中，等效电阻代表光伏阵列的损耗;等效电流源的输出电流由光照强度、环境温度、光伏阵列等效电路两端的电压决定，其数学模型详见文献[1]。利用ADPSS提供的自定义插件功能，通过编程的方式，建立了用于控制光伏阵列等效电流源输出电流的功能框插件，其图符如图3所示。它包括3个输入端口、1个输出端口。其中，输入端口被依次命名为S、T、V，分别表示光照强度、环境温度、光伏阵列等效电路两端的电压;输出端口被命名为I，表示光伏阵列等效电流源的输出电流。双击插件图符，选择“参数信息”标签，可通过参数对话框输入相应的模型参数。
1.2 最大功率点跟踪模型
为让光伏阵列充分发挥其光电转换能力，需要采取MPPT策略来实时控制光伏阵列的工作点，从而获得最大功率。目前，常用的MPPT策略有多种，本文采用扰动观察法，它是目前应用最为广泛的一种控制算法。在建模的过程中发现，在ADPSS中，通过基本元件搭建电路的方式来实现扰动观察法较为困难，而如果采用编程的方式，则较为简单。因此，利用ADPSS提供的自定义插件功能，通过编程的方式，建立了扰动观察法的功能框插件，其图符如图4所示。它包括3个输入端口、1个输出端口。其中，输入端口被依次命名为On、V、I，分别表示是否开启MPPT功能、光伏阵列等效电路端口电压、光伏阵列等效电流源输出电流;输出端口被命名为Vref，表示光伏阵列等效电路端口电压参考值。
1.3 逆变器及其控制模型
逆变器被建模为1个由IGBT构成的三相桥式电路。其模型图符已展示在图2中，它有5个电气联络端口，其中，标识为“A”、“B”、“C”的端口依序与三相电网相连，标识为“+”、“-”的端口与光伏阵列等效电路的端口相连。
逆变器采用典型的电压外环、电流内环的双闭环控制策略[2]。电压外环的作用是稳定直流母线电压，它通过PI调节器进行控制，其给定为MPPT输出的直流电压参考值。电流内环分为有功电流内环和无功电流内环，均引入PI调节器进行控制。
2 仿真分析
利用先前建立的光伏电站子电路，搭建1个1 MW光伏电站的并网仿真模型。其通过1个0.27 kV/10 kV的升压变接入10 kV电网。仿真时，控制电站以单位功率因数运行。
首先，模拟环境温度保持为25℃而光照强度发生变化的场景。假设光照强度在5秒时由800W/m2跃升至1000W/m2，然后在7秒时又跃降至800W/m2，相应地，光伏电站并网点处有功和无功测量值的仿真波形如图5所示。可见：① 随着光照强度发生跃升，光伏电站并网点处有功测量值由0.80 MW跃升至约0.92 MW;② 随着光照强度跃降回初值，光伏电站并网点处有功又恢复至最初的出力水平;③ 并网点无功在光照强度发生跃变时会出现波动，但会逐步趋于稳定，其稳态值约为0 Mvar。
其次，模拟光照强度保持为1000W/m2而环境温度发生变化的场景。假设环境温度在5秒时由25℃跃升至30℃，相应地，光伏电站并网点处有功和无功测量值的仿真波形如图6所示。可见：① 随着环境温度发生跃升，光伏电站并网点有功由0.92 MW跃降至约0.89 MW;②并网点无功在环境温度发生跃变时会出现较小幅度的波动，但会很快趋于稳定，其稳态值约为0 Mvar。
3 结论
论文基于ADPSS提供的子电路构建功能以及自定义功能框插件开发功能，首先通过编程以及元件搭建的方式，开发了光伏电站的通用仿真模型;然后通过模拟光照强度、环境温度发生变化的场景，对模型进行了仿真验证。仿真结果表明，上述模型可以动态跟踪光照强度、环境温度等参数的变化，并且可以有效地控制光伏电站发出的有功功率和无功功率。
参考文献：
[1] 茆美琴， 余世杰， 苏建徽. 带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J]. 系统仿真学报， 2005， 17（5）： 1248-1251.
[2] 万礼嵩. 光伏发电系统的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤岛检测研究[J]. 电源技术， 2016， 40（7）： 1458-1459， 1535.
[3] 张桦， 谢开贵. 基于PSCAD的光伏电站仿真与分析[J]. 电网技术， 2014， 38（7）： 1848-1852.
作者简介：宋子强（1988-）， 男， 安徽亳州人， 工程师， 主要从事电网调度工作，单位： 广东电网有限责任公司阳江供电局。
关键词：ADPSS; 光伏电站; 模型; 仿真
0 引言
光伏发电已经成为解决全球变暖、能源短缺和环境污染问题的一种主要方法，发展迅猛。随着越来越多的光伏电站接入电网，有必要利用电磁暂态仿真建模工具，建立光伏电站的仿真模型，进而深入分析它们的运行性能及其对电网的影响。目前，国内外在开展仿真建模时，主要采用MATLAB、PSCAD/EMTDC等软件[1-3]，而基于国内自主研发的仿真平台/软件来开展光伏电站建模研究的文献鲜见报道。
近年来，中国电力科学研究院开发的全数字实时仿真装置（advanced digital power system simulator，ADPSS）在电力系统仿真技术上取得了一系列突破。论文基于ADPSS，对光伏电站的电磁暂态仿真建模开展研究，开发了相应的通用仿真模型。
1 基于ADPSS的光伏电站电磁暂态模型
在ADPSS中，將光伏电站模型封装在1个子电路中，该模型图符如图1所示。该子电路有1个电气连接端口，用于和外部电网的三相母线相连。需要说明的是，这个子电路可以被重复使用，若要对不同的光伏发电工程进行建模，只需拷贝这个子电路并修改相应的模型参数即可。
双击光伏电站子电路的图符，即可进入其内部电路的编辑页面，如图2所示。可见，这是一个单级式的光伏逆变系统，光伏阵列发出的直流电由逆变器变换成交流电，经过滤波、升压，然后送至公共电网。另外，依据功能划分清晰、模块耦合度低的原则，建立了4个自定义模块，包括：光伏阵列及最大功率点跟踪（Maximum power point tracking， MPPT）、逆变器控制、基准量设置和测量模块。这些模块实现了相应的控制、测量等功能。下面，对具体的模型开发情况进行介绍。
1.1 光伏阵列仿真模型
光伏模块通常采用串并联的方式，组合成光伏阵列。仿真电路中，一般采用等效电流源串接1个等效电阻的方式来模拟光伏阵列，如图2所示。其中，等效电阻代表光伏阵列的损耗;等效电流源的输出电流由光照强度、环境温度、光伏阵列等效电路两端的电压决定，其数学模型详见文献[1]。利用ADPSS提供的自定义插件功能，通过编程的方式，建立了用于控制光伏阵列等效电流源输出电流的功能框插件，其图符如图3所示。它包括3个输入端口、1个输出端口。其中，输入端口被依次命名为S、T、V，分别表示光照强度、环境温度、光伏阵列等效电路两端的电压;输出端口被命名为I，表示光伏阵列等效电流源的输出电流。双击插件图符，选择“参数信息”标签，可通过参数对话框输入相应的模型参数。
1.2 最大功率点跟踪模型
为让光伏阵列充分发挥其光电转换能力，需要采取MPPT策略来实时控制光伏阵列的工作点，从而获得最大功率。目前，常用的MPPT策略有多种，本文采用扰动观察法，它是目前应用最为广泛的一种控制算法。在建模的过程中发现，在ADPSS中，通过基本元件搭建电路的方式来实现扰动观察法较为困难，而如果采用编程的方式，则较为简单。因此，利用ADPSS提供的自定义插件功能，通过编程的方式，建立了扰动观察法的功能框插件，其图符如图4所示。它包括3个输入端口、1个输出端口。其中，输入端口被依次命名为On、V、I，分别表示是否开启MPPT功能、光伏阵列等效电路端口电压、光伏阵列等效电流源输出电流;输出端口被命名为Vref，表示光伏阵列等效电路端口电压参考值。
1.3 逆变器及其控制模型
逆变器被建模为1个由IGBT构成的三相桥式电路。其模型图符已展示在图2中，它有5个电气联络端口，其中，标识为“A”、“B”、“C”的端口依序与三相电网相连，标识为“+”、“-”的端口与光伏阵列等效电路的端口相连。
逆变器采用典型的电压外环、电流内环的双闭环控制策略[2]。电压外环的作用是稳定直流母线电压，它通过PI调节器进行控制，其给定为MPPT输出的直流电压参考值。电流内环分为有功电流内环和无功电流内环，均引入PI调节器进行控制。
2 仿真分析
利用先前建立的光伏电站子电路，搭建1个1 MW光伏电站的并网仿真模型。其通过1个0.27 kV/10 kV的升压变接入10 kV电网。仿真时，控制电站以单位功率因数运行。
首先，模拟环境温度保持为25℃而光照强度发生变化的场景。假设光照强度在5秒时由800W/m2跃升至1000W/m2，然后在7秒时又跃降至800W/m2，相应地，光伏电站并网点处有功和无功测量值的仿真波形如图5所示。可见：① 随着光照强度发生跃升，光伏电站并网点处有功测量值由0.80 MW跃升至约0.92 MW;② 随着光照强度跃降回初值，光伏电站并网点处有功又恢复至最初的出力水平;③ 并网点无功在光照强度发生跃变时会出现波动，但会逐步趋于稳定，其稳态值约为0 Mvar。
其次，模拟光照强度保持为1000W/m2而环境温度发生变化的场景。假设环境温度在5秒时由25℃跃升至30℃，相应地，光伏电站并网点处有功和无功测量值的仿真波形如图6所示。可见：① 随着环境温度发生跃升，光伏电站并网点有功由0.92 MW跃降至约0.89 MW;②并网点无功在环境温度发生跃变时会出现较小幅度的波动，但会很快趋于稳定，其稳态值约为0 Mvar。
3 结论
论文基于ADPSS提供的子电路构建功能以及自定义功能框插件开发功能，首先通过编程以及元件搭建的方式，开发了光伏电站的通用仿真模型;然后通过模拟光照强度、环境温度发生变化的场景，对模型进行了仿真验证。仿真结果表明，上述模型可以动态跟踪光照强度、环境温度等参数的变化，并且可以有效地控制光伏电站发出的有功功率和无功功率。
参考文献：
[1] 茆美琴， 余世杰， 苏建徽. 带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J]. 系统仿真学报， 2005， 17（5）： 1248-1251.
[2] 万礼嵩. 光伏发电系统的PSCAD/EMTDC仿真建模及孤岛检测研究[J]. 电源技术， 2016， 40（7）： 1458-1459， 1535.
[3] 张桦， 谢开贵. 基于PSCAD的光伏电站仿真与分析[J]. 电网技术， 2014， 38（7）： 1848-1852.
作者简介：宋子强（1988-）， 男， 安徽亳州人， 工程师， 主要从事电网调度工作，单位： 广东电网有限责任公司阳江供电局。