风光互补并网发电系统的PSCAD仿真设计

2024年3月13日发(作者：别克英朗价格多少钱一辆)

I

ENERGY SAVING AND NEW ENERGY

风光互补并网发电系统的

PSCAD

仿真设计

Design

of

PSCAD

Simulation

System

for

Wind-PV

Hybrid

Generation

System

大连交通大学龙泰旭

（Long Taixu)

刘文生

（Liu Wensheng)

节能与新能源

摘要

:

针对目前单一式离网型新能源发电系统的发电不稳定性及能源溢出浪费等问题，提出了一种风电与光电相结合的互补式并网

发电系统的设计理念。利用风能与太阳能二者较强的互补性，解决传统单一式发电系统昼夜间歇性供电问题。同时，该发电系统采

用并网式结构，可以将溢出的多余能源回馈给电网系统，实现系统发电量的有效利用，保证供电系统的长期稳定性供电。最后釆用

著名的电力系统计算机辅助设计软件

PSCAD

对该风光互补并网发电系统进行仿真验证，结果表明该方案可有效实现发电系统的稳

定性，完成

10kV

中压城市配电网络的并网，对改善区域经济发展有着重大意义。

关键

词：风力发电系统；光伏发电系统；并网技术

；PSCAD

Abstract: In view of the instability of power generation and the waste of energy spillover in the single off grid

new energy generation system, this paper proposes a design concept of complementary grid connected power

generation system which combines wind power and photoelectricity. Using the strong complementarity of wind and

solar energy, the problem of intermittent power supply in the day and night of traditional single gen Ation system is

solved. At the same time, the grid connected structure is adopted in the power generation system, which can feed

back the excess energy to the power grid system, realize the effective utilization of the power generation capacity

of the system, and ensure the long-term stability of the power supply system. Finally, the famous power system

CAD software PSCAD is used to simulate and verify the wind solar complementary grid connected power generation

system. The results show that the scheme can effectively achieve the stability of the power generation system and

complete the grid connection of 10kV medium voltage urban distribution network, which is of great significance to

improve regional economic development.

Key words: Wind power generation; Photovoltaic power system; Grid technology; Power systems computer aided

design

【中图分类号】

TM315

【文献标识码】

B

【文章编号】

1561-0330(2021)01-0068-07

1引言

随着传统以化石能源为基础的能源系统正在日益枯

竭，世界能源发展面临能源需求加大，后备资源不足，

环境污染恶化等问题。为了响应和协调政府可持续发展

战略，保证能源与社会环境、生态文明的绿色健康发展,

可再生能源的大力推广与研究是当前各国经济发展的首

要选择。其中，太阳能与风能作为储量最大、分布最广

的能源是目前人类所能利用的较理想型清洁能源。

然而，风能资源和太阳能资源不仅存在着昼夜性差

异，在某些地区两者资源还存在着季节性差异，使用风

能或太阳能这种单一式能源发电不能实现发电效益的最

大化。对此，于上世纪七十年代，国外学者

N

.

E

.

Busch

首次提出了将太阳能、风能混合利用进行互补发电的概

念。经过半个世纪的研究与发展，风光互补发电作为一

68

THE WORLD OF INVERTERS

种新能源发电方式，已经得到了越来越广泛的应用。但

就目前绝大多数的风光互补发电系统，多是离网型孤岛

式发电站，主要应用于海岛、边防哨所、通讯基站等人

烟稀少地区。本文就上述新能源发电的种种缺陷与不足，

通过阅读大量文献对比多种电路后，设计了一种风光互

补并网式发电系统，实现风能与太阳能的最大化利用。

2风光互补分布式发电系统结构组成

由图1可知，风光互补分布式发电系统整体结构较

为简单，主要由三部分构成，分别是能量产生环节、能

量存储环节和能量消耗环节[12]〇

光伏发电组件

直流负载

控

制

蓄电池

器

风力发电机组

-逆变器

交流负载

公共电网

图

1

风光互朴发电结构图

能量产生环节由风力发电系统和光伏发电系统两部

分组成，将风能和太阳能转化为髙品质的电能；能量存

贮环节是将可再生能源转化而来的电力能源储存起来，

防止由于天气等自然因素影响导致风能和太阳能不能正

常转换或者过量供应，造成用户电力不稳、断电或者电

压过高，如果并网的话还会造成电力网的波动。能量消

耗环节是指电能的消耗，具体指直流负载和交流负载。

一般风能太阳能转化成的电能先要变成直流电，若接交

流负载，需要在接入负载前进行DC/AC逆变，通常由

逆变器来完成。此外，为了防止供电的中断，保证供电

的连续性，有些地区根据自身地理，气候条件，适当的

引入了不同功率的柴油机发电系统，作为其后备发电系

统。但是通过增大风力机的功率、扩大光伏阵列板或者

加大蓄电池容量都可以有效避免供电中断问题[34]。

2.1风力发电子系统结构建模

风光互补分布式发电系统的重要组成部分之一便是

风力发电系统。风力发电系统主要负责将风能转换成电

能。大体可以分为两大部分：

(1) 风能-机械能转化系统

风能到机械能的转变主要是通过风力机来实现。通

过风吹动风力机的叶轮带动其轴转动从而产生机械能。

(2) 机械能-电能转化系统

机械能到电能的转变是通过发电机来实现的。

由流体力学相关知识我们可以得到流体的动能：

THE WORLD OF INVERTERS

《变频器世界》

Janua「y<2021

E

(

1

)

2

■

V

2

式（1)中：m- -气体的质量，kg; V-

-气流速

度，m/s〇

气体的质量公式为：

m

=

P

\'

S-V

(2)

式（2)中

：p

----空气密度，kg/m2; S----流过物

体的横截面积，m2。

风力机并不是百分之百的吸收利用风能，假设叶轮

从风能中吸收能量的大小用风能利用系数—Cp表示，

则风力机实际获得的轴功率P为：

i

> = -^

Cp

-/)-5

r

3 (3)

风力机的工作风速、输出功率和风能的关系如图3

所示，纵坐标表示输出功率，单位W/m2，横坐标表示

风能大小，单位m/s。

19nn

W

/

m

2

4 8 ^ 12 16 20 m/s

图

2

风速与功率关系

由图2可以得知，A—风能理论曲线；B—折

扣空气动力损失后风力机吸收功率；C—机械传动损

失后的功率曲线；D—风力机实际输出功率。曲线D

为最终所需要的凤力机实际输出功率曲线，我们可以用

一分段函数来表示风力机实际输出功率与不同风速之间

的关系。风力机输出功率\'可以表示为：

〇

vf

<

vfBiB

p

ar

；+

bV

}+

cV

；+

drf+e

vf^

(4)

w_ ^ W/-

〇

yf

>

y

f^

式（4)中

：

—工作风速，m/s;

V

Min~~起动

风速，m/s} ----截止风速，m/s;

VT

----额定风速，

m/s;

Pe

—额定输出功率，W/m2〇

2.2光伏发电子系雠构建模

由于光伏阵列工作受光照强度和溫度两种因素的影

响，因此我们需到搭建数学模型来分析光伏阵列的工作

特性。

69

劳能与新能源

ENERGY SAVING AND NEW ENERGY

光伏电池等效电路如图3所示。该模型由光伏电源，

二极管和电阻组成。电路中，左边电流源电流

I

g称为光

生电流，其大小主要受光照强度和温度的影响。

I

d为反

向二极管中的饱和电流，位于光伏电池板的内部[5_7]。

因为电池板长期暴露在外，为了模拟因电池板老化以及

电池磨损所造成的漏电现象，因此引入并联电阻

R

sh，

其阻值比较大，通常为几百甚至几千欧姆。

R

sv用来模

拟电池板和导线中的电阻率。

I

为光伏电池输出电流，

从图7中可以得到：

图

3

光伏电池等效电路

I

=

Ig

-

Id

~

Ish

(5)

其中，

Ig

=

IscR

^^^{

Tc

-

T

E)]

(6)

式（6)中：

1

SCR

一一参考光照强度

h

与参考电

池温度1^时的短路电流；

一一

光电流的温度系数

(不同半导体材料的系数不同，常见的硅光电池系数为

0.0017

A

/

K

) ；

G

一一是实际光照强度；

Tc

—一为实际

电池板温度。

(7)

式（7)中：

V

—一为光伏电源端口输出电压；

RJr

为光伏电池等效串联电阻；

R

sv为其等效并联

电阻。

!〇-!〇■

V

n

k

+

T

R

Jq

,

(

8

)

式（8)中：

n

—一发射系数，其值与

PN

节的大小，

材料及其通过电流的强弱有关，一般为1?2之间（对于

典型的硅材料，其值为1.3) ;

k

一一

玻尔兹曼常数（有

关温度和能量的一个物理常数）；

q

一一电子电荷常数；

Tc

一一已确定温度来表示的实际电池温度；

10

一一光伏

电池板内反向饱和电流值，其表达式为：

式（9)中：

IoR

一一参考温度下的饱和电流;

一一光电池材料的带隙能量。

70

THE WORLD OF INVERTERS

如图4所示，该图为光伏电池

I

-

V

特性曲线，从图

中可得，光伏电池的输出电压和电流，功率间的关系[8]。

分析图像可得，光伏电池产生的电压与电流并不恒定，

呈现出非线性，输出电流4在0?18

V

左右的工作电压

范围内呈水平直线，十分稳定；当电压超出某一特定值

后，电压和电流几乎同时下降，且下降速度十分快速，

直至到0。

图

4

光伏电池

I-V

特性曲线

由光伏发电的工作特性和原理得知，光伏效应主要

受日照强度和温度影响。因此，采用控制变量法来寻找

光伏电池最大输出功率。

如图5所示。在温度一定的条件下，通过改变光

照强度可以发现：短路电流几乎和光照强度成线

性关系，但是开路电压

C

/随光照强度减少变化十分缓

慢，且二者呈对数关系曲线[8]。即以及

c

oc

G

〇

c

ln

<

s

，式中

S

表示光照强度，单位

W

/

m

2。

如图6所示。在光照强度一定的条件下，通过改

变温度我们可以发现其特性和改变过光照强度是恰恰相

反：开路电压

U

几乎与温度成线性关系，而短路电流

ISCR

随温度降低几乎不变化或者说是略微变化。需要特

别指出的是，这里所说的温度，并不是指环境温度，而

是指光照下光伏电池板的温度。但是二者之间的关系都

与光照强度相关。

图

5

光照强度对光伏电池的影响

THE WORLD OF INVERTERS

《变频器世界》

January, 2021

可以自行调节转速使发电机转速恒定。仿真中，通过调

节按钮（如图8所示）来改变风速大小，实现模拟现实

风能的不稳定性。

整流电路采用电容滤波的三相不可控整流电路，这

可以保证直流侧输出电压始终与交流侧输入电压的最大

值保持一致，达到电能的最大化利用。

输出直流电压经逆变器后直接与配电网或者交流负

载相连。

风力发电子系统

PSCAD

仿真建模图如图9所示。

10给出光伏发电系统的

3.2光伏发电系统的

PSCAD

模型

类似于风力发电系统，图

流程框图。

3风光互补分布式发电系统

PSCAD

模型

3.1风力发电系统的

PSCAD

模型

风力发电系统的流程框图，如图7所示。

根据上述流程图，我们可以得出，光伏发电子系统

主要由光伏阵列、阻塞二极管、

Boosts

升压斩波电路以

及逆变电路组成。与风力发电子系统不同的是，光伏电

池输出的为直流电，所以不需要整流电路。本设计是不

可调度式并网系统，流程框图中无需加入蓄电池，电压

经逆变电路输出后可以直接与电力网相连[12_15]。

光伏阵列采用

PVshading

光伏电池模块，其优点

图

7

风力发电系统流程图

根据上述流程图，可以得出，风力发电子系统主要

是由风力机、整流电路、逆变电路组成。由于本设计是

不可调度式并网系统，因此流程框图中无需加入蓄电池，

电压经逆变电路输出后可以直接与电力网相连[9_11]。

本设计风力机采用的是恒速恒频风机模型，实际中

恒速恒频风机对风的适应力强，根据风速的不同，叶轮

是用户可以自行调试光照强度和溫度来进行模拟现实环

境；光伏阵列后接一组阻塞二极管，目的是利用二极管

的单向导通性防止电流逆流；由于光伏电池产生的电压

极小（单片太阳板产生的电压约为0.07

串联升压电路，本文采用的是

V

)，因此需要

Boost

直流升压电路，其

优点是结构简单，稳定性好，是一种常见的直流升压电

路。后经逆变电路直接与电网或者交流负载相连[16]。

图

8

风力调节按钮

公共电网

光伏阵列阻塞二极管

Boost

逆变电路

交流负载

图

10

光伏发电流程框图

71

节能与新能源

ENERGY SAVING AND NEW ENERGY

I

%

(

一

Lr

n

o

o

s

o

大

0

0

【

彐

1

图

11

光伏发电系统

PSCAD

建模图

图

12

三相并网逆变电路

V

I

一

电

謂

0.00005 [ohmip [miH]

0.00005 [oh mp [mH]

0.00005 [ohmip [mH]-

n

ur

n

l

n

一

光伏系统

Photovoltaic Generation System

Main : Gram

P-133.i

Q-5S.65

>4ali :L-3ad_Co?rrote

a

交

s

爷

s

啵

m-

P--7i.S2

Q --?2 J7

风力发电系统

WindTurbine Generation System

l

|

P-207.5

Q- 119

■|]—

MAINGRID

P-U7.6

主网

Ltgri^—1 IPgrt

igrl

^

Main :Load_Cciiraote

GgS

图

13

风光互朴分布式发电系统整体

PSCAD

建模图

72

THE WORLD OF INVERTERS

PSCAD电力仿真软件下光伏发电子系统建模如图11 〇

3.3风光互补分布式发电系统

PSCAD

模型

由于二者发电量的不一致性，很难实现统一并网。

因此，将上述的两种发电系统采用图12所示电路进行

逆变，实现三相380V电压的统一。

风光互补分布式发电系统整体PSCAD建模图如图

13所示。

4仿真结果及分析

4.1风力发电系统仿真结果

图14表示风机输入风速和输出力矩波形。由图14

可知，系统风速并不稳定，风速在6.5m/s到10m/s间

变化，以此来模拟现实风能的不稳定性。风力机出力曲

线起初并不稳定，经过一段时间调整后，其大体可以稳

定在100N左右。

图

15

整流器输出直流电压

图15表示整流电路输出直流电压波形。由图15可

知，整流器输出直流电压从〇开始呈直线迅速增加，经

过一段时间后，达到最大值约1.3kV后，电压开始略微

下降，最终稳定在lkV左右，实现了直流电压的稳定

输出。

图16表示逆变器输出交流电压波形。由图16可知，

直流电压经逆变器逆变升压后输出交流电压稳步提升，

THE WORLD OF INVERTERS

《变频器世界》」3

nua

「

y

, 2021

最终达到300V后，波形稳定。

图

16

逆变器输出交流电压波形

4.2光伏发电子系统仿真结果

图

17

升压电路两侧直流电压波形

图17表示升压电路两侧的直流电压波形。由图17

可知，升压斩波电路输出与输入电压从0开始升高，电

压稳定下来，输出与输入电压相差lkV左右。

图18表示逆变器输出的交流电压波形。由图18可

知，光伏发电系统经逆变器后输出交流电压最后稳定在

300V。

4.3电力网侧仿真结果

图19表示电力网输入侧的电压波形，即风光互补

发电系统主母线输出电压波形；图20表示经变压器后

并网输出电压的有效值。图21表示经变压后电压的有

功与无功功率。

73

节能与新能源

ENERGY SAVING AND NEW ENERGY

Main : Graphs

-0.40

图19母线输出电压波形

0.00

4

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

I I I

*

图21经变压并网后输出电压的有功与无功功率

光伏发电系统和风力发电系统经母线合并后，输出

300

V

的交流电压且波形稳定，后流经变压器升压，并

入10

kV

公共电网。

5结论

本设计就新能源中最为常见的风能和太阳能展开讨

论研究，提出了风光互补分布式发电系统，分别对风力

发电子系统和光伏发电子系统的原理、工作特性和电路

结构进行了研究与分析，结合地理学、空气动力学、电

力电子学等，通过计算使其达到最大功率输出，并搭建

了

PSCAD

仿真模型，给出了仿真结果，证明了风光互

补并网发电系统实施的可能性。对于能源、环境问题给

出了一个较为可行的解决方案。

74

THE WORLD OF INVERTERS

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ea

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C

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The

2

nd

International

Conference

on

Advances

in

Energy

Engineering

,

December

27-28, 2011,

Bangkok

，

Thailand

, 2012,

14:1760-1765.

作者简介：

龙泰旭（

1991

年-)男苗族吉林省四平市大连交通大学

硕士研究生在读研究方向为电力电子与电力传动