光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的全局优化设计

光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的全局优化设计

甘强强

（徐州协鑫光伏电力有限公司江苏省徐州市221000）

摘要：在传统的太阳能电池组件模型中，由于其中存在对数，对小信号模型进行求导计算十分麻烦，并且在双闭环控制模式下，其中的各项参数存在相互耦合的情况，致使很难精确选择控制器参数。对光伏发电系统的暂态稳定性进行研究课更好地了解太阳能发电与电力系统之间的交互式影响规律。本文在对光伏发电系统中各重要环节的详细模型进行充分分析的基础上，进行适用于暂态稳定分析的全系统小信号模型的建立，并依据相关数据和资料对光伏发电系统的小干扰稳定性和低频振荡特性进行相应的分析和研究。系统的特征值受到光伏逆变器的电压外环以及有功电流内环的影响较大，并且系统的稳定性也深受其影响。电压外环的积分系数过大，或者有功电流内环比例系数过大都会负面影响系统阻尼。

关键词：光伏发电；控制器参数；小信号建模

作为一种可再生、清洁的能源，太阳能在国际能源战略中都深受重视和关注。随着大规模太阳能光伏发电技术的研发和普及应用，为大规模光伏并网发电提供了良好的环境和基础。在光伏发电比例不断增加的情况下，光伏发电对传统电网造成的影响不再局限于谐波污染、局部电压波动、输出功率不稳定，还会对电力系统全局稳定和调峰调频、经济调度等造成严重的影响。因此需要加强对整个电力系统接入大规模光伏后稳定性的研究。现阶段，主要研究风力发电方面探究新能源接入对电力系统稳定性的影响，并且在相关方面已经取得了良好的成果。但是在电力系统中有大规模光伏接入的影响研究还相对较少，一些研究还停留在建立单个组件的模型和设计控制策略方面。下文在原有研究的基础上，全面细致分析光伏发电系统中各个重要环节的详细模型，探究提高系统稳定性全局优化控制器参数的设计方法。

1光伏发电系统的结构模型

储能电容器、光伏电池组件、滤波器、逆变器及其控制器、输电线路、升压变压器构成了光伏发电系统，如上图。其中直流滤波电容用Cdc表示；直流电容电压用Udc表示；交换器交流侧输出电压用Uk表示；输出滤波器电感用Lf表示；折算至变压器高压侧电抗用XT表示；节点g的电压幅值和相位用Ug和£g表示；输出电流用ig表示，输电线的电阻电抗分别用Rline和Xline表示；电力系统的戴维宁等效电阻电抗分别用Rgrid和Xgrid表示；无穷大母线用b表示。

2光伏发电系统的小信号模型

2.1光伏电池组件建模

依据电子学理论可以建立光伏电池组件的精确模型，但是比较复杂和麻烦，其中的一些参数无法直接测量，在研究和应用的过程中十分麻烦。在相关研究和文献中应用的有一种实用化工程模型，这种模型主要应用开路电压Uocref、光伏电池获得最大功率时的电压Umref和电流Imref、短路电流Iscref四个出厂电气参数，这种参数是在标准条件下测试得出。其中非标准条件下U-I方程为：

I=Isc[1-C1（eU/（C2Uoc）-1）]

其中C1=（1-Imref/Iscref）e-Umref/（C2Uocref）

C2=（Umref/Uocref-1）/[ln（1-Imref/Iscref）]

T=Tair+kS

Isc=Iscref[1+a（T-Tref）]•S/Sref

Uoc=Uocref[1-c（T-Tref）]•ln[e+b（S/Sref-1）]

Im=Imref[1+a（T-Tref）]•S/Sref

Um=Umref[1-c（T-Tref）]•ln[e+b（S/Sref-1）]

上述中的两个公式可以精确地描述光伏电池模型，但是计算过程十分复杂，分析小信号建模及暂态稳定性十分不方便，因此可以对上式中的对数项实施多项式拟合处理。

即：ln[e+b（S/Sref-1）]=y+1

y=ln[1+（S/Sref）•b/e]=ln（1+x）

通过仿真软件对上述中三种模型进行仿真，得到U-I曲线如下图：

通过仿真结果可以得知，上述中三种模型都不会导致太大的误差，并且也不会明显地影响到暂态稳定分析结果，但是将数学模型可以显著简化，方面全系统小信号建模。

2.2逆变器及其控制器建模

在光伏发电系统中，电压型三相PWM逆变器由正弦脉宽调制控制，相应的拓扑图如下所示：

相应的控制方程在以往的资料和文献都可以查阅，这里不再赘述。另外，直流侧电容方程和光伏发电机组与电网连接模型、光伏发电系统整体模型也可以在以往的前人的文献中查阅得到，下文主要分析光伏发电系统的特征值。

3光伏发电系统的特征值分析

3.1特征值和参与因子分析

分析光伏发电系统小干扰稳定性算例模型参数

系统状态矩阵的特征值表

4光伏发电系统控制器参数的全局优化设计方法

在实际控制中，可以依据特征值轨迹进行控制器参数的设计，从而提高光伏发电系统的稳定性和稳定裕度。依据特征值对系统暂态特性的影响规律可知，在选择控制器参数时应该使得特征值实部的绝对值最大，从而将暂态过程缩短，促使其最快恢复至稳态。另外，需要各个模态具备较大的阻尼才能降低振荡周期数。

在参数设计一般规则的基础上，在选取控制参数时要时特征值的实部为负，还要确保其绝对值足够大，并且要使其虚部绝对值较小。

5结束语

系统的特征值受到光伏逆变器的电压外环以及有功电流内环影响较大，并且系统稳定性也会深受影响，其他的控制参数对系统稳定性的影响较小，不过为提升系统的稳定裕度还是需要对其进行合理取值。传统的设计方法缺乏一定的合理性，需要应用合理的方法克服控制器参数和振荡模态之间的耦合特性。

参考文献：

[1]熊连松，刘小康，卓放，等.光伏发电系统的小信号建模及其控制器参数的全局优化设计方法[J].电网技术，2014，38（5）：1234-1241.

[2]赵德建，杨秀.光伏并网发电系统的小信号建模与分析[J].上海电力学院学报，2014，30（1）：27-31.

[3]谢亦丰，祝明华，熊连松，等.光伏发电系统建模及其控制器参数的全局优化设计方法研究[C]//全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛.2013.