基于StarSim的光伏發電系統并網控制的半實物仿真研究

張文福，張癸濱，李昌松

(三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

光伏發電由于其自身具備特征，諸如成本極低、無污染以及能源供給無限量等，有著極為顯著的優勢[1]。在光伏發電技術中，光伏逆變器的穩定性和效率影響著整個光伏發電系統[2]。但光伏逆變器存在現場調試比較麻煩、數字仿真過于抽象等問題，因此針對光伏并網的穩定性和抗干擾性的仿真研究就具有重要意義。

已有一些學者對光伏發電系統進行了仿真研究。文獻[3－4]采用現場調試的方式，其計算結果精準，但成本較高，且受天氣情況限制，在條件不好的情況下，會產生極大的不便。文獻[5－7]使用仿真軟件建立數學建模，進行了仿真研究。該方法成本低廉，效率高，易于實現，但純數學模型過于抽象，很多細節難以展示。結合這兩種方法的優點，文獻[8－11]提出將這兩種方法相結合，搭建半實物仿真平臺，用于光伏、風電等新能源發電的研究。目前，大部分的小擾動測試和暫態故障測試都使用數學仿真實現，無法完整的體現系統的動態過程，因此針對新能源系統穩定問題的半實物仿真研究仍需完善。

本文基于StarSim的平臺搭建了光伏并網發電的半實物仿真系統。對光伏系統并網控制的小干擾響應和暫態響應進行了仿真測試，節省了調試的時間和成本，結果具有較高的可信度。

2 基于StarSim的半實物仿真平臺原理

基于StarSim的實時仿真系統，上位機主要由PC機承擔，用來完成編輯、編譯、下載、信號觀測等任務；下位機主要由實時仿真機和原型控制器組成，用于實時計算?；赟tarSim的實時仿真系統整體結構如圖1所示。

圖1 StarSim整體結構示意圖

3 基于StarSim的光伏發電系統半實物仿真分析與測試

3.1 光伏發電系統穩態運行下的半實物仿真分析

在StarSim的平臺中搭建光伏并網發電系統的半實物仿真模型，在光照強度為1000W/m2、溫度為25℃的情況下，半實物仿真波形如圖2～圖3所示。

圖2 直流母線電壓

圖3 逆變側交流電壓、電流

通過圖2～圖3可以看出，直流母線電壓穩定，說明光伏系統持續輸送有功功率給大電網。逆變器交流側電壓、電流同相位，說明系統工作在單位功率因數下，更有利于并網。

3.2 光伏發電系統受到小干擾下的半實物仿真分析

為分析光照強度對光伏系統的影響，本文在光照強度為1000W/m2的情況下，突增200W/m2，觀察在不同電網強度下，光伏系統直流母線電壓的變化情況。仿真波形如圖4～圖6所示?？梢钥闯?，在光照強度的小擾動下，電網強度越強，光伏直流母線電壓越穩定，當電網強度很弱時，微小的擾動可以會導致光伏系統崩潰。

圖4 強電網下的直流母線電壓

圖5 中等強度電網下的直流母線電壓

圖6 弱電網下的直流母線電壓

3.3 光伏發電系統暫態故障下的半實物仿真分析

電網系統并不是時刻都能正常運行的，所以有必要觀測電網故障情況下光伏系統的狀態。當電網發生各種短路故障時，光伏系統直流母線電壓如圖7～圖10所示。

圖7 單相接地短路

圖8 兩相相間短路

圖9 兩相接地短路

圖10 三相接地短路

通過對電網暫態故障模擬仿真，可以看出光伏系統直流母線電壓最終會趨于穩定。其中在單相和三相短路這兩種情況下，光伏并網系統的暫態特性有比較大的反應，對電網的擾動也比較大。

4 總結

本文研究了基于StarSim的半實物仿真系統的光伏并網系統的實時仿真和調試。利用StarSim的實時仿真機和原型控制器，實現了光伏并網的半實物仿真平臺的搭建。進行穩態、小擾動和電網暫態故障下的測試，得到了真實可信的實時仿真結果。該研究有利于提高測試效率和降低實驗成本。