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CN111666658B - 大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法 - Google Patents

大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法 Download PDF

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Abstract

一种大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法，将光伏并网发电系统中开关动作频繁的变流器模型用受控电源代替，并简化控制系统中的控制环，首先建立基于单台光伏发电装置的详细电磁暂态模型所对应的单台简化模型，然后将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中；步骤为：构建单台光伏发电装置等效电路；构建单台光伏发电装置控制模型；构建单台光伏发电装置最大功率点跟踪模型；构建大型光伏发电系统。它通过受控电源代替变流器及简化控制环，使单台光伏发电装置电磁暂态仿真模型简化，在外界光照强度与温度恒定和变动工况下，均能与对应的详细电磁暂态模型响应特性保持较高的一致性，相对误差均在5％以内，且明显缩短了仿真耗时。

Description

大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法
技术领域
本发明属于电磁暂态仿真在光伏发电研究中的应用领域，尤其涉及一种大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法。
背景技术
太阳能具有清洁、可再生等优势，因而得到了高度重视。目前对光伏并网系统模型的研究主要基于包含光伏阵列的数学模型、MPPT算法模块、逆变器模型和控制策略等的电磁暂态模型。电磁暂态仿真模型详细地建立了光伏电池、电力电子装置模型及系统控制方法，虽然可以全面地反映研究对象的响应特性，但是系统复杂程度高，仅仅适用于小规模系统研究。当研究大型光伏发电系统的响应特性时，仿真平台无法对系统中的所有光伏发电装置都建立详尽的电磁暂态模型，因此需要一种快速且准确的仿真模型应用于大型光伏发电系统的研究。
电磁暂态模型仿真简化方法有多种；太阳能学报，第37卷第3期出版有“光伏发电系统等效简化模型研究”，该技术将光伏阵列与MPPT环节等效简化为最大出力计算模型，通过有功无功解耦控制得到控制量，将系统组成由控制模块与受控电压源及滤波电路结合的模型。但是由于简化为最大出力模型，因此缺少了部分端点的输出参数。中国电机工程学报，第33卷第16期出版的“一种非线性多时间尺度系统模型降阶方法”，推导出忽略快动态降阶前后，非线性多时间尺度系统稳定性的一般规律，提出一种系统模型降阶方法，保证了系统的一致稳定性，但是推导过程际计算复杂。
发明内容
针对现有电力系统软件难以实现对大型光伏发电系统建模，本发明的目的在于，提供一种缩短仿真耗时，提高仿真速度的大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法，用于大型光伏发电系统电磁暂态建模研究。
为了实现上述目的，一种大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法，其特征在于将光伏并网发电系统中开关动作频繁的变流器模型用受控电源代替，并简化控制系统中的控制环，首先建立基于单台光伏发电装置的详细电磁暂态模型所对应的单台简化模型，然后将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中；具体包括以下步骤：
步骤(1)、构建单台光伏发电装置等效电路；
步骤(2)、构建单台光伏发电装置控制模型；
步骤(3)、构建单台光伏发电装置最大功率点跟踪模型；
步骤(4)：构建大型光伏发电系统。
所述步骤(1)中，将光伏发电装置中开关动作频繁的变流器模型用受控电压源和受控电流源代替；针对单台单级式光伏发电装置，光伏阵列端口接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧是一个受控电流源接入电网；针对单台双级式光伏发电装置，光伏阵列端口首先接入一个电容，然后接入一个受控电压源与一个受控电流源，之后接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧则是通过一个受控电流源接入电网。
所述步骤(2)中，光伏发电装置控制模型将双环控制简化为单环控制，即忽略了响应速度快、电磁时间常数小的电流内环的动态过程，认为电流内环的输入信号等于输出信号。
所述步骤(2)中光伏发电装置控制模型，包含电压控制、无功功率控制；电压参考信号Udcref和无功功率参考信号Qgref分别于其对应的实际值Udc和Qgrid比较后，经过比例积分调节器控制，且由于忽略变流器的电流内环动态过程，认为内环的输入等于输出；经比例积分调节器输出电流内环的控制指令idref/iqref，即等效为电流内环输出值id/iq，经过计算得到受控电流源的控制信号，并入电网；其中，并网无功功率参考信号Qgref设置为0。
所述步骤(3)中，光伏发电装置最大功率点跟踪控制模型根据照度和温度大小为变流器模型提供控制信号；光伏发电装置最大功率点跟踪(MPPT)控制模型输入信号是照度R和温度Tem，输出信号是在当前照度R和温度Tem情况下，光伏阵列输出最大功率点Pref所对应的参考电压，单级式为Udcref，双级式为Upvref。
所述步骤(3)中光伏发电装置最大功率点跟踪模型，包含照度R和温度Tem模型，其表达式如下：
Figure GDA0004210952880000021
其中：Rstart为起始照度值，t为时间变量，Tstart1为照度起始时刻，Tchange1为照度开始变化时刻，k1为照度变化斜率，Rsteady为照度稳定值，Tsteady1为照度停止变化时刻。
Figure GDA0004210952880000022
其中：Temstart为起始温度值，t为时间变量，Tstart2为温度起始时刻，Tchange2为温度开始变化时刻，k2为温度变化斜率，Temsteady为温度稳定值，Tsteady2为温度停止变化时刻。
所述步骤(4)构建大型光伏发电系统，是将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中，通过将每个单台简化模型中电网侧的受控电流源并入同一个电网中，构成大型光伏发电系统。
本发明提出的技术方案，考虑了大型光伏发电系统研究只关注系统输出特性，首先建立基于单台光伏发电装置的详细电磁暂态模型所对应的单台简化模型，然后将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中。
本发明通过受控电源代替变流器及简化控制环，使单台光伏发电装置电磁暂态仿真模型简化，其模型与方法和其他情况不同。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法，在外界光照强度与温度恒定和变动工况下，均能与对应的详细电磁暂态模型响应特性保持较高的一致性，相对误差均在5％以内，且明显缩短了仿真耗时。通过单台光伏发电装置电磁暂态仿真简化模型建模，应用于大型光伏发电系统仿真，其系统输出特性也与期望值保持较高的一致性，并且缩短仿真耗时效果更为明显。
附图说明
图1为本发明的单台单级式光伏发电装置简化模型结构示意图；
图2为本发明的单台双级式光伏发电装置简化模型结构示意图；
图3为本发明的单台单级式、双级式光伏发电装置动态特性对比图；
图4为本发明的包含50台单级式及50个双级式光伏发电装置的大型光伏发电系统结构图；
图5为本发明的多台装置简化模型动态输出特性波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
步骤(1)：构建单台光伏发电装置等效电路，保证了其与简化之前的模型输出特性的一致性。针对单台单级式光伏发电装置，光伏阵列端口接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧则是一个受控电流源接入电网表示。针对单台双级式光伏发电装置，光伏阵列端口首先接入一个电容，然后接入一个受控电压源与一个受控电流源，之后接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧是通过一个受控电流源接入电网。
步骤(2)：构建单台光伏发电装置控制模型。光伏发电装置控制模型将双环控制简化为单环控制，即忽略了响应速度快、电磁时间常数小的电流内环的动态过程，认为电流内环的输入信号等于输出信号。
步骤(2)中光伏发电装置控制模型，包含电压控制、无功功率控制。电压参考信号Udcref和无功功率参考信号Qgref分别于其对应的实际值Udc和Qgrid比较后，经过比例积分控制，且由于忽略变流器的电流内环动态过程，认为内环的输入等于输出。经PI调节器输出电流内环的控制指令idref/iqref，即等效为电流内环输出值id/iq，经过计算得到受控电流源的控制信号，并入电网。其中，并网无功功率参考信号Qgref设置为0。
步骤(3)、构建单台光伏发电装置最大功率点跟踪模型；该跟踪模型，包含照度R和温度Tem模型。其表达式如下：
Figure GDA0004210952880000031
其中，Rstart为起始照度值，t为时间变量，Tstart1为照度起始时刻，Tchange1为照度开始变化时刻，k1为照度变化斜率，Rsteady为照度稳定值，Tsteady1为照度停止变化时刻。
Figure GDA0004210952880000032
其中，Temstart为起始温度值，t为时间变量，Tstart2为温度起始时刻，Tchange2为温度开始变化时刻，k2为温度变化斜率，Temsteady为温度稳定值，Tsteady2为温度停止变化时刻。
步骤(4)：构建大型光伏发电系统；将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中，通过将每个单台简化模型中电网侧的受控电流源并入同一个电网中，构成大型光伏发电系统。
图1为本发明的单台单级式光伏发电装置简化模型结构示意图，光伏阵列输出电压Udc和输出电流Ipv经过MPPT算法模块得到直流电压参考信号Udcref,电压参考信号Udcref和无功功率参考信号Qref分别与实际直流电压Udc和无功功率Qgrid比较后，经过PI调节器输出电流内环参考信号idref和iqref。简化内环后，内环电流参数id和iq实际值等于参考值，经过坐标反变换后作为指令信号isource输入受控电流源，逆变侧变流器简化为受控电流源，电流id经过比例系数K变换后得到指令信号Ic_s输入受控电流源。
图2为本发明的单台双级式光伏发电装置简化模型结构示意图，Boost斩波电路用一个受控电压源和一个受控电流源等效，逆变器则用受控电流源表示。MPPT模块得到直流参考电压Upvref，其与光伏阵列最大功率点对应，经过一个一阶滞后环节得到受控电压源的指令信号Upv_s；光伏阵列输出电流Ipv经过比例系数1-D变换得到直流侧参考电流Idcref，经过一阶滞后环节得到受控电源的指令信号Idc_s；以上过程模拟Boost斩波电路对两侧电压电流幅值的变换。逆变器直流参考电压Udcref为另一给定常数，其余受控源控制方法与单级式光伏发电装置简化模型同理。
图3为本发明的单台单级式、双级式光伏发电装置动态特性对比图，令两种类型的光伏发电装置模型运行在光照强度和温度变动工况下，光照强度(R)设置为在20s时由600W·m-2以每秒20W·m-2速率，持续3s增加到660W·m-2后稳定；温度(T)设置为在20s时由50℃以每秒2℃速率，持续3s增加到56℃,后稳定。单台单级式光伏发电装置详细模型的电流从50.31A经过7s稳定至55.63A,简化模型的电流由50.34A经过7s稳定至55.55A；单台双级式光伏发电装置详细模型的电流从50.32A经过5s稳定至55.45A,简化模型的电流由50.35A经过5s稳定至55.58A。两类装置的简化模型实现了最大风能跟踪，并且与详细模型的运行特性保持良好的一致性。
图4为本发明的包含50个单级式及50个双级式光伏发电装置的大型光伏发电系统结构图。通过将每个单台简化模型中电网侧的受控电流源并入同一个电网中，构成大型光伏发电系统。
图5为本发明的多台装置简化模型动态输出特性波形图，多台装置简化模型运行在照度与温度变动工况下(与上一段内容中设置一致)，输出电流从5.0353kA(期望值：5.0315kA，误差：0.08％)经过7s稳定至5.5577kA(期望值：5.5565kA，误差：0.02％)。当外界条件变动时，该多台装置简化模型也与详细模型的动态输出特性保持良好的一致性。

Claims (1)

1.一种大型光伏发电系统中多台光伏发电装置简化模型建模方法，其特征在于将光伏并网发电系统中开关动作频繁的变流器模型用受控电源代替，并简化控制系统中的控制环，首先建立基于单台光伏发电装置的详细电磁暂态模型所对应的单台简化模型，然后将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中；具体包括以下步骤：
步骤(1)、构建单台光伏发电装置等效电路；
步骤(2)、构建单台光伏发电装置控制模型；
步骤(3)、构建单台光伏发电装置最大功率点跟踪模型；
步骤(4)：构建大型光伏发电系统；
步骤(1)中，将光伏发电装置中开关动作频繁的变流器模型用受控电压源和受控电流源代替；
针对单台单级式光伏发电装置，光伏阵列端口接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧则是一个受控电流源接入电网；针对单台双级式光伏发电装置，光伏阵列端口首先接入一个电容，然后接入一个受控电压源与一个受控电流源，之后接入一个电容并联一个受控电流源，电网侧是一个受控电流源接入电网；
步骤(2)中，光伏发电装置控制模型将双环控制简化为单环控制，忽略响应速度快、电磁时间常数小的电流内环的动态过程，认为电流内环的输入信号等于输出信号；
步骤(2)中光伏发电装置控制模型，包含电压控制、无功功率控制；电压参考信号Udcref和无功功率参考信号Qgref分别于其对应的实际值Udc和Qgrid比较后，经过比例积分调节器控制，忽略变流器的电流内环动态过程，认为内环的输入等于输出；经比例积分调节器输出电流内环的控制指令idref/iqref，等效为电流内环输出值id/iq，经过计算得到受控电流源的控制信号，并入电网；其中，并网无功功率参考信号Qgref设置为0；
步骤(3)中，光伏发电装置最大功率点跟踪控制模型根据照度和温度大小为变流器模型提供控制信号；光伏发电装置最大功率点跟踪(MPPT)控制模型输入信号是照度R和温度Tem，输出信号是在当前照度R和温度Tem情况下，光伏阵列输出最大功率点Pref所对应的参考电压，单级式为Udcref，双级式为Upvref；
步骤(3)中光伏发电装置最大功率点跟踪模型，包含照度R和温度Tem模型，其表达式如下：
Figure FDA0004111558030000021
其中：Rstart为起始照度值，t为时间变量，Tstart1为照度起始时刻，Tchange1为照度开始变化时刻，k1为照度变化斜率，Rsteady为照度稳定值，Tsteady1为照度停止变化时刻；
Figure FDA0004111558030000022
其中：Temstart为起始温度值，t为时间变量，Tstart2为温度起始时刻，Tchange2为温度开始变化时刻，k2为温度变化斜率，Temsteady为温度稳定值，Tsteady2为温度停止变化时刻；
步骤(4)的构建大型光伏发电系统，是将单台简化模型应用到大型光伏发电系统中，通过将每个单台简化模型中电网侧的受控电流源并入同一个电网中，构成大型光伏发电系统。
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Al Ameen Hassan，et.Simulation and modelling of micro-grid with energy storage system.Materials Today: Proceedings.2020,第33卷(第33期),第4536-4541页. *
刘兴杰 ; 郭栋 ; .光伏发电系统等效简化模型研究.太阳能学报.2016,(第03期),第237-242页. *

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