100 kW グリッド接続 PV アレイの平均モデル

この例では、DC-DC 昇圧コンバーターおよび三相 3 レベル VSC を介して 25 kV グリッドに接続された 100 kW アレイの平均モデルを説明します。

Pierre Giroux, Gilbert Sybille (Hydro-Quebec, IREQ) Carlos Osorio, Shripad Chandrachood (The MathWorks)

説明

100 kW PV アレイは、DC-DC 昇圧コンバーターおよび三相 3 レベル電圧源コンバーター (VSC) を介して 25 kV グリッドに接続されています。最大電力点追従 (MPPT) は、'Perturb & Observe' 手法を用いた Simulink® モデルによって昇圧コンバーターに実装されています。

別の例 (PVArrayGrid モデルを参照) では、DC_DC および VSC コンバーターの詳細モデルを使用します。この詳細モデルでは、MPPT コントローラーは 'Incremental Conductance (INC) + Integral Regulator' 手法に基づいています。

平均モデルには次のコンポーネントが含まれています。

PV Array は 1000 W/m^2 太陽放射照度において最大 100 kW を供給します。
DC-DC Boost Converter (オレンジ色のブロック)。
3 レベル三相 VSC (青いブロック)。
100-kVA 260V/25kV three-phase coupling transformer。
Utility grid

PV アレイ、コンバーター、グリッドへの接続の詳細説明は、PVArrayGrid モデルを参照してください。

詳細モデルとこの平均モデルの主な違いは、DC-DC 昇圧コンバーターと三相 VSC をモデル化する方法です。この平均モデルでは、昇圧コンバーターと VSC コンバーターは、スイッチング周波数の 1 サイクル全体で平均した AC 電圧を生成する等価電圧電源によって表されます。このようなモデルでは高調波は表現されませんが、制御システムと電力システムの相互作用から生ずるダイナミクスは保持されます。このモデルでは、詳細モデルよりもはるかに大きなタイムステップを使用できるので (50 マイクロ秒と 1 マイクロ秒)、非常に高速なシミュレーションが可能になります。平均モデルでは、PV アレイモデルに代数ループが含まれていることに注意してください。この代数ループは、大きなサンプル時間が使用されるときに PV モデルの反復的かつ正確な解を得るために必要になります。この代数ループは Simulink で簡単に解くことができます。

'Perturb and Observe' MPPT アルゴリズムは MPPT Control MATLAB® Function ブロックに実装されています。

100 kW PV array は、5 つの直列接続された 305.2 W モジュールをもつ 66 個の並列接続されたストリングで構成されます (66*5*305.2 W= 100.7 kW)。選択されたモジュールの製造元による仕様は次のとおりです。

Number of series-connected cells : 96
Open-circuit voltage: Voc= 64.2 V
Short-circuit current: Isc = 5.96 A
Voltage and current at maximum power : Vmp =54.7 V、Imp= 5.58 A

PV Array ブロックには、太陽放射照度 (入力 1、W/m^2 単位) と温度 (入力 2、℃単位) を変えることができる 2 つの入力があります。放射照度と温度のプロファイルは、PV アレイの入力に接続される Signal Builder ブロックで定義されます。

シミュレーション

モデルを実行し、Scope ブロックで次の一連のイベントを観察します。

標準テスト条件 (25℃、1000 W/m^2) でシミュレーションを開始します。

t=0 秒～ t= 0.3 秒では、昇圧コンバーターのデューティ比は固定されます (PV スコープに示されるとおり D= 0.5)。その結果、PV 電圧は V= (1-D)*Vdc= (1-0.5)*500=250 V になります (PV スコープの V_PV トレースを参照)。1000 W/m^2 放射照度で指定された最大電力は 100.7 kW ですが PV array の出力電力は 96 kW (Pmean トレースを参照)。Grid スコープで 25 kV 母線における A 相の電圧と電流が同相にあることを観察します (一定の力率)。

t=0.3 秒で MPPT が有効になります。MPPT 制御器は、最大電力を引き出すために、デューティ比を変動させることによって PV 電圧の制御を開始します。デューティ比が D=0.453 のときに、最大電力 (100.7 kW) が得られます。

t=0.3 秒から t=0.5 秒まで、PV array は標準テスト条件 (25℃、1000 W/m^2) でシミュレーションを開始します。デューティ比 D は 0.450 ～ 0.459 間で変動します。PV 電圧 = 273.5 V (Nser*Vmp=5*54.7= 273.5 V) および平均電力 = 100.7 kW になります。これは PV モジュールの仕様で想定されるとおりです。

t=0.5 秒～ t=1.0 秒では、太陽放射照度は 1000 W/m^2 から 250 W/m^2 に減少します。このタイプの MPPT コントローラーは、放射照度が一定に保たれているときにのみ最大電力を監視することが確認されます。

t=1.0 秒～ t=1.5 秒では、放射照度が 250 W/m^2 で一定に保たれているときに、デューティ比 D が 0.466 ～ 0.474 間で変動します。対応する PV 電圧と電力は V_PV= 265 V と Pmean=24.4 kW です。

t=1.5 秒～ t=6.0 秒で太陽放射照度を 1000 W/m^2 に回復させ、その後は温度を 50℃～ 0℃で変化させて、温度上昇の影響を観察します。最大 PV 出力電力 (107.5 kW) は、最低温度 (0℃) で得られることがわかります。

参考文献

各種 MPPT 手法の詳細は、次の文献を参照してください。

Moacyr A. G. de Brito, Leonardo P. Sampaio, Luigi G. Jr., Guilherme A. e Melo, Carlos A. Canesin "Comparative Analysis of MPPT Techniques for PV Applications", 2011 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP).

モジュールの特性は NREL System Advisor Model (https://sam.nrel.gov/) から抜粋したものです。