摘要：为了对含光伏电源的电力系统进行各种仿真研究，必须建立准确的光伏发电系统数学模型。全面综述了包括光伏组件、逆变器及其控制系统的光伏系统数学模型，对整个光伏发电系统模型的研究现状进行了论述，总结了利用各元件模型建立系统模型的方法以及孤岛保护的研究现状及其建模方法，并对光伏发电系统模型的研究前景进行了展望。
关键词：光伏阵列；逆变器控制；最大功率点追踪；光伏发电系统
引言
准确的元件模型是进行电力系统仿真分析的基础。随着光伏电源接入系统比例的不断增加，光伏发电对电力系统的影响日益显现。因此，研究光伏发电对电力系统的影响日益迫切，建立能够准确反映并网光伏电源动态响应的模型是开展相关研究的基础。MPPT 控制的作用是保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，而逆变控制的目的是保证逆变器输出与电网电压同相的电流并尽量减小谐波输出。并网光伏发电系统出现孤岛状态时，即出现脱离了电网但仍可以向周围负载供电的状态，电网需令孤岛中的光伏发电系统退出运行，这就需要能够准确检测孤岛状态的保护系统。本文分别对光伏阵列、MPPT 控制、孤岛保护、逆变器控制以及整个光伏发电系统的模型进行分析，并对光伏发电系统模型研究进行展望。
1光伏阵列的建模
1.1 光伏电池 U-I 特性模型
光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管 PN 结的结构。当光照射在电池上，PN 结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，所以光伏发电系统要将大量的光伏电池串并联，以构成光伏阵列。因此，在得到光伏电池的模型后，进行串并联等效可得到光伏阵列的模型。光伏电池模型主要分为光伏电池基本 U-I 特性模型、简化工程用模型及考虑雪崩效应的模型等。
1.2 考虑雪崩击穿的光伏电池模型
当光照不均匀时，由于光伏电池的光生电流本身很小，光伏阵列中的一部分光伏电池接受光照不足，有可能在其他电池作用下两端出现负电压，则会体现出二极管的负载特性，当电压低于一定值时，会出现雪崩效应。针对此效应，建立光伏电池的模型时，应在原有模型基础上加上雪崩电压段，组成新的电池模型，由此得到光照不均匀情况下出现雪崩击穿的光伏电池模型[1]。
2 风速建模
2.1风速模型简介
风能作为一种可再生能量，密度较低，稳定性差。在自然界中，风速是易变的、不可控制的。虽然不能够从成因和理论上证明它是服从于哪一种分布，但是，从长期的统计结果来看，在一定的时间和空间范围内，风速的变化和分布仍然有一定的规律[2]。
随着对风力发电技术的研究，国内外学者对风速的模拟和预测提出了比较多的方法。主要的方法概括起来有以下几种：1）组合风速法也就是组合风速模型；2）基于统计规律分布的风速分布模型；3）基于功率谱密度的风速模型。
2.2光伏发电系统逆变器和 MPPT 控制部分的建模
根据逆变桥的相数不同，光伏发电系统用逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器：一般使用单相逆变器的多为小型分布式光伏发电系统；而三相逆变器多用于大型光伏发电系统。根据逆变器功率变换的级数又可将其分为单级式和多级式逆变器。单级逆变器只通过一个逆变过程就同时完成逆变、电压变换以及控制功能；多级逆变器通常是由前级DC/DC 和后级 DC/AC 组成的，前级 DC/DC 可以实现 MPPT 控制和直流母线稳压功能，后级 DC/AC用于实现逆变及其他控制功能。根据逆变器的输入、输出方式又可分为电压源逆变器和电流源逆变器。电压源逆变器直流侧采用电容滤波，交流侧采用缓冲电抗器，电流源逆变器则相反。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
逆变器建模时如果不考虑损耗，则与逆变器的具体结构无关，只需仿真其控制过程，即仿真逆变器对其输入输出变量的处理过程。逆变器的相数与其控制过程的仿真无关，而其级数和输入输出方式对控制过程会有一定的影响。
3 光伏发电系统建模
3.1光伏发电系统的潮流计算模型
光伏电源多采用定功率因数控制，如果不需要计算光伏发电系统内部的参数，在潮流计算中可以把光伏电源等效为PQ节点。
如果需要在计算潮流的同时计算光伏发电系统内部参数值，可以建立包括光伏阵列、逆变桥、含变压器和滤波器的交流电路等各部分潮流方程的光伏发电系统潮流计算模型[3]。交替迭代求解此方程组和电网潮流，最终可得到含光伏发电系统的电力系统潮流和光伏发电系统内部参数。光伏电源出力具有随机性，可以采用随机潮流的方法计算光照变化对系统潮流的影响，由此可将光照强度和光伏发电系统的出力变化用贝塔分布的概率函数表示。
光伏发电系统暂态模型的基础是上述光伏电池和逆变器模型，其建模的关键在于采用合适的方法将光伏电池、逆变器、变压器、滤波器、稳压电容等元件模型连接起来得到整个系统模型。具体方法包括受控源法、电流电压量法以及方程组法。
3.2光伏发电系统孤岛保护的建模
光伏发电系统的孤岛保护分为主动保护和被动保护。主动保护通过定期向电网注入扰动并观察电网对于扰动的响应，以检测孤岛。主动保护的定期扰动会对电网带来不利影响，且真正需要主动保护检测到的孤岛状态往往很难发生。被动保护就是通过检测电压、频率、过零点、相位等系统变量来检测是否存在孤岛，但当光伏系统发电功率和负载基本匹配时有可能无法检出孤岛状态。无论采取哪种孤岛保护，只有在研究孤岛保护在孤岛状态和电网其他冲击下是否能够正确动作，才会对其建模，并嵌入系统模型中进行仿真。由于存在逻辑判断的环节，孤岛保护通常会以程序的形式出现在整个系统模型中。
4 总结
1）MPPT 控制模型通常以程序的形式给出，而逆变器控制的模型通常以方程组的形式给出，2 者都是光伏发电系统逆变控制模型的一部分，且具体的模型与其控制流程有关。2）光伏发电系统的潮流模型较简单，而暂态模型有多种建立方法。暂态模型建模是在各部分模型的基础上通过各种电路关系组合得到电路模型，或在各部分方程的基础上进行联立得到代表系统模型的方程组。3）对孤岛保护的建模通常是为了研究保护策略，其模型通常以程序的形式出现。4）光照不均匀的光伏阵列模型研究尚不成熟，更精确的光照不均匀的光伏阵列模型可能成为今后的研究方向。5）由于MPPT控制、逆变器和孤岛保护模型都是基于其控制或保护策略，因此控制或保护新方法的研究决定了模型的发展方向。
参考文献：
[1] 肖鑫鑫，刘东．分布式供能系统接入电网模型研究综述[J]．华东电力，2008，36（2）：76-81．
[2] 郭勇，孙超，陈新．光伏系统中最大功率点跟踪方法的研究[J]．电力电子技术，2009，43（11）：21-23．
[3] 李炜，朱新坚．光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J]．计算机仿真，2006，23（6）：239-243．
[4] 赵为．太阳光伏并网发电系统的研究[D]．合肥：合肥工业大学，2003．
[5] 张东，吴俊娟，潘蕾．光伏并网逆变器孤岛检测技术研究[J]．中国测试技术，2007，33（4）：67-70．
作者简介：
张瑞云（1992.02-），女，汉族，甘肃白银，硕士，（助理工程师），主要研究方向：（风光储交直流混合微电网）
论文作者:张瑞云
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/18
标签：光伏论文; 模型论文; 逆变器论文; 系统论文; 孤岛论文; 电池论文; 建模论文; 《基层建设》2019年第27期论文;