光伏阵列建模

的光伏阵列建模钱海艇河海大学电气工程学院，南京市（210098)E-mail：[e-mail]摘要：根据常用的光伏电池数学模型、光伏电池与温度和光强数值函数关系以及光伏阵列输出特性与光伏电池串－并联函数关系等原理，在PSCAD环境下，采用新方法构建了光伏阵列仿真模型。文中通过引入不同厂家的光伏电池参数和动态气象数据，进行了光伏电池特性曲线拟合、光伏阵列耦合负载发电以及并网发电等仿真试验。同时给出相关仿真试验结果，经分析表明该模型适合光伏发电系统的仿真试验。关键词：光伏电池特性；光伏阵列；PSCAD；动态气象数据；光伏发电；中图分类号：TK5140.引言随着光伏发电技术的发展，大规模光伏发电正面向全球化、商业化的发展。由于变化的气象环境对光伏电池电力输出的影响，在设计光伏发电系统过程中，进行仿真分析、寻求可靠的运行参数是必须的。从而，在理论研究的基础上，构建可靠实用的光伏阵列仿真模型，进而分析光伏发电系统的可行性、可靠性、经济效益最优化以及运行效率最高化等，都是非常必要的研究。目前，国内外有很多文献是关于光伏发电系统仿真建模，但多数是根据电子学原理，给出复杂的数值仿真模型[1～3]。而且，大多数文献都是按照稳态理论来建模的，能够充分考虑光强和温度因素的据少。且多数在构建光伏阵列模型时都是简单的串、并联，没有考虑其对输出的影响。本文提出的光伏阵列仿真模型不仅考虑到串－并联对输出的影响，还可以根据不同的气象数据和运行环境数据，模拟光伏电池在不同环境下的运行模式和状况。而且，可以根据不同种类光伏电池的特性参数，设定运行模式。仿真试验的结果表明，该模型便于工程应用，能满足多数工程项目物理模拟的精度要求。1.光伏电池及光伏阵列模型1.1光伏电池特性及模型针对光伏电池特性的研究和文献国内外有很多[1～5]，理论和技术均已成熟。根据光电学原理，光伏电池数学模型可分为单指数模型和双指数模型，文献[3、4]中已经有详细的说明。按照文献[5]对光伏电池等值电路模型的分类有三种，其中最为精确，应用最广的是第三种，如式（1）所列。()0exp1ssLshVIRqVIRIIIRAKT++=−−−⎧⎫⎡⎤⎪⎪⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭（1）根据工程应用要求实用性和精确性相结合的特点，根据文献[6]的近似方法可以得到式（2）。其中有两个近似系数K1、K2可以由式（3）和（4）确定。(){}12exp1scscocIIKIVKV=−×−⎡⎤⎣⎦（2）()()12m1I/exp/scmocKIVKV=−−⎡⎤⎣⎦（3）()()21mln1I//1scmocIKVV−−=−⎡⎤⎣⎦（4）由于光伏电池的特性与光强和温度有关，所以式中Vm、Voc、Im、Isc是随温度和光强变化的。按标准取参考光强Sref=1000W/m2，取参考温度Tref=25℃，实时的温度、光强与参考值的差表示为ΔT=（Tref-T），ΔS=(Sref-S)。根据文献[6]中的方法，已知实时光强和温度与参考值的差值，可以推算出新的光强和温度下的电池I-V曲线。根据文献[6]中给出的典型工程参数可以得到式（5）～（7），这就得到了完整的光伏电池模型。文献[6]的仿真结果表明（2）～（7）表示的太阳能电池模型，对光伏电池特性的拟合精度可以满足通常的工程要求。本文也对其精度进行仿真比较，结果符合世界上多数光伏电池厂商提供光伏电池参数要求。(10.0028)ln(1)2ocrefrefocSVVTSΔ=+Δ−（5）(10.0028)ln(1)2mrefrefmSVVTSΔ=+Δ−（6）mI(10.0025)/refscISTS==−Δ（7）1.2光伏阵列模型因为单个光伏电池产生的电压很小,所以在实际中很少应用单个光伏电池,而是将许多光伏电池相互串联形成一个具有一定程度的抗冲击力、耐腐蚀的光伏模块。相应地,再将许多模块集中到一起通过串联增加电压,并联增加输出电流,以便向负载提供更大的功率,从而形成光伏阵列。当若干个光伏电池串、并联在一起时,因受到光强、温度以及连接阻抗等因素的影响，输出的电流和电压已经不能简单的用电源串、并联原理来计算，必须考虑到光强、温度系数以及串、并联因素等。本文应用文献[7]中确定温度和光强对输出电压和电流的影响系数的方法和相关工程参数，经过推导得出工程实用的光强和温度同时对光伏电池输出电压或电流的影响系数关系式Kv和Ki。再将这些系数关系与文献[8]中给出的光伏阵列与串、并联光伏电池函数关系相结合，得出构建能实时采集环境数据的光伏阵列模型。其中，文献[8]中有关光伏电池I-V曲线拟合部分是采用经验值拟合的，不适合工程应用。本文将1.1节中提出的拟合模型与文献[8]中方法相结合，得出光伏电池动态拟合模型。推导过程如下：如果按标准取参考光强和温度，光伏电池的运行光强和温度与参考值的差有以上定义为ΔS、ΔT。那么变化的环境温度对光伏电池输出电压和电流的影响系数分别由式（8）和（9）表示。其中系数β、λ是根据不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定，如果取标准参考温度和光强时，通常取值范围为：β＝0.003～0.004，λ＝0.06～0.07。由于变化的光强促使光伏电池的光伏电流和运行温度发生变化，从而引起输出电压的变化。当光强变化时，其对输出电压和电流的影响系数可以由式（10）和（11）表示。其中系数α也是根据不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定的。这里给出标准参数下的工程实用计算公式α＝ΔT/ΔS,本文取文献参数0.2。β=+Δ（8）1/TIrefCTSλ=−Δ（9）1SVCSαβ=−Δ（10）1/SIrefCSS=−Δ（11）如果综合规算光强和温度同时对电压或电流的影响，可以定义影响系数为Kv＝CTVCSV和Ki=CTICSI，那么它们的取值公式可由式（12）和（13）表示。从而可以得到光伏电池运行电压和电流的输出值与参考值间的关系函数式见式（14）和（15）。4361843.2101010vKSTST−−−=−×Δ+×Δ−×ΔΔ（12）2461166101010iKSTST−−−=−×Δ−×Δ+×ΔΔ（13）outrefvVKV=（14）0outrefiIKII=−（15）考虑到串、并联因素等对光伏电池输出电压和电流的影响，根据（Sandia）IV跟踪程序[8]原理给出串、并联因素对输出电压和电流的影响系数Av、Ai的公式，见式（16）和（17）。由式（14）～（17）可以推导出式（18）和（19）。/1refoutvAVV=−（16）outrefiAII=−（17）1/1vvAK=−（18）0(1)refiiAKII=−−（19）光伏阵列由众多光伏电池模块串、并联而成，如果定义串联模块数为NS,并联模块数为NP，可以根据以上给出的串、并联因素的算法，以及文献[8]中给出的光伏阵列外电路特性，得出完整的光伏阵列模型。定义VBO为光伏阵列输出电压，IC为光伏模块输出电流，Id为采集光伏阵列外电路负载电流，那么光伏阵列模型可以由式（20）～（23）表示。其中式（22）是光伏电池I-V曲线拟合模型，是根据1.1节中给出的式（2）～（7）所得，在仿真时由底层语言编辑的运算模块来实现。1[()]BOPPcdVNIIdtC=×−∫（20）(1)/BOSvVVAN=+（21）()IfV=（22）ciIIA=+（23）2.PSCAD中光伏阵列模型构建2.1PSCAD仿真平台是目前世界上使用最为广泛的电力系统仿真软件之一。EMTDC是一种多用途的用于电力系统仿真的时域仿真程序，PSCAD图形用户界面（GUI）可以广泛地应用于电力系统仿真的各个领域。除此以外，EMTDC主程序具有良好的开放性，可以方便地实行与其他语言，如C、FORTRAN、Matlab等的接口功能，从而为用户提供了方便的二次开发功能。PSCAD仿真软件中，实现自定义仿真模块的方式有两种：第一种是通过（CREATEMODULE）控件来实现模块编辑；第二种是通过（NEWCOMPONENT）控件来实现模块编辑的。这种方法实用于对仿真时间要求高的仿真系统，特别是将系统中大型计算、运算部分模块化后，非常节省仿真时间，能很好地提高仿真效率。通过PSCAD仿真平台中（NEWCOMPONENT）控件来实现模块编辑时，需要向编辑窗口中写入源代码，用户代码写入EMTDC程序中也有两种方法：（1）将源程序代码直接写入定义模块的程序段中去，如：FORTRAN、DSDYN、DSOUT、COMPUTATIONS等程序段。（2）将源代码写成子程序或函数格式，提供给EMTDC程序调用。2.2仿真模型的实现通常构建光伏阵列模型时，很多研究人员只是将单个的光伏电池模型进行简单的串、并联。但随着构建的系统越来越庞大、复杂，简单的串、并联电池阵列模型已经不适合用来进行大系统的仿真分析。本文在PSCAD环境下构建的光伏阵列仿真模型，不需要试验人员了解电池阵列的内部构建原理就可以应用。该模型提供用户光伏电池规模输入窗口，试验人员只要将系统配置的光伏电池串、并联数目输入该窗口，即可完成光伏阵列的配置。该模型还提供了环境和气象数据输入窗口，可以满足用户根据不同的地域环境进行仿真。另外，不同的光伏电池厂家生产的电池性质不同，该模型也提供用户光伏电池特性参数输入窗口，以满足对不同光伏电池构建的光伏电站进行仿真的要求。在PSCAD软件仿真平台下构建光伏阵列模型，其原理图如图（1）所示。图（1）光伏阵列构建原理图在光伏阵列构建原理图中，气象数据和环境数据都是通过数据读取模块取得的。这部分的数据在系统仿真时可以是现场采集的传感器数据，也可以是气象中心提供的经验数据文件。对于原理图中的参数设定部分，是在定义模块时给用户预留了参数设定属性窗口，用户可以直接输入相关参数，因而非常方便实用。原理图中的数值运算和拟合部分，则是模型构建的核心，是通过自定义模块、编写源代码的方式实现的。光伏发电系统需要新颖的光伏电池仿真方案，因为光伏电池必须具有等效电压和电流特性，不只是单一的仿真电压源或电流源。这种能同时表现光伏电池的等效电压和电流特性的仿真模型构建原理在文献[9,10]中已经详细说明。本文在光伏阵列构建原理图中，光伏阵列输出部分必须要进行数值特性到电气特性的转换，就应用了这一原理。在PSCAD/EMTDC编程中，参考PSCAD仿真软件中数控电压源或电流源的原理，编写相应代码，构建光伏阵列仿真模型输出模块。光伏阵列输出模块外特性还要根据等效电路原理反映在仿真系统中，PSCAD中是通过图形用户界面（GUI）实现的。3.仿真结果为了说明构建的光伏电池阵列仿真模型的实用性和有效性，选择了三种光伏电池参数进行仿真比较。这三种电池分别来自三个不同厂家的不同型号，它们分别为：BP公司的SX3200、GE公司的GEPV-030和Schott公司的ASE-165-GT-FT/MC。同时，对构建的模型进行了不同负载的仿真试验和并网仿真试验。根据电池厂商提供的标准测试环境下的电池参数，用构建的光伏阵列仿真模型，可以仿真标准静态环境下光伏电池的特性曲线。如图（2）中就给出了三种电池的I-V特性曲线图。其中（Ⅰ）代表BP公司的SX3200的特性曲线，（Ⅱ）代表GE公司的GEPV-030的特性曲线，（Ⅲ）代表ASE-165-GT-FT/MC的特性曲线。在图（3）中同样给出了三种电池的P-V特性曲线。将图（2）和图（3）的仿真结果与各电池厂家提供的光伏电池特性参数进行比较可以发现，其精度可以控制在6％的范围内。这样的精度能满足通常的工程要求，并能符合世界上大多数光伏电池厂商提出的波动要求。图（2）三种电池I-V特性曲线图（3）三种电池P-V特性曲线为了测试构建的光伏阵列模型的动态性能和效率，本文以B