一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)詳細(xì)模型的復(fù)雜性，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了分塊等值，以每條集電線支路對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電單元作為一個(gè)模塊進(jìn)行等值，然后再將各等值模塊進(jìn)行匯總，完成最終的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值建模。本發(fā)明通過所提分層等值方法可簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值過程，縮短等值建模周期，且在每層等值過程中都可進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證，提高了等值模型的準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建模領(lǐng)域，特別涉及一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于傳統(tǒng)化石能源的快速消耗及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)新能源的開發(fā)日益關(guān)注。光伏發(fā)電作為一種清潔能源發(fā)電技術(shù)，具有低碳、綠色和環(huán)保的特點(diǎn)，越來越受到國(guó)家的重視，多個(gè)兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示范工程已相應(yīng)開工或建成。伴隨光伏發(fā)電的快速發(fā)展，光伏發(fā)電的大型化、規(guī)?；l(fā)展將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電容量和規(guī)模的增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響也逐漸顯現(xiàn)。由于光伏發(fā)電具有不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點(diǎn)，其接入對(duì)接入點(diǎn)區(qū)域電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。
[0003]為了較好的研究大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的并網(wǎng)特性，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響，需要建立光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由若干光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、變壓器和集電線路等組成，如果要建立包含以上各模塊的光伏電站詳細(xì)模型，將會(huì)極大地增加仿真的復(fù)雜度，導(dǎo)致系統(tǒng)仿真速度變慢，消耗計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，從而降低了系統(tǒng)仿真的效率，因此建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值模型具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)上述方法存在的不足，提供一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，通過所提分層等值方法可簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值過程，縮短等值建模周期，且在每層等值過程中都可進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證，提高了等值模型的準(zhǔn)確性。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007](I)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分層處理，分為底層、中間層和頂層，共3層；
[0008](2)建立底層的詳細(xì)模型，底層為光伏陣列發(fā)電單元層，包括光伏陣列模型、并網(wǎng)逆變器模型、集電線路模型；
[0009](3)對(duì)底層詳細(xì)模型進(jìn)行等值處理，建立光伏陣列發(fā)電單元等值模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，包括光伏陣列等值、逆變器參數(shù)等值和變壓器參數(shù)等值；
[0010](4)建立中間層的詳細(xì)模型，中間層由各光伏陣列發(fā)電單元組成，包括光伏陣列發(fā)電單元模型、各發(fā)電單元間的連接線模型；
[0011](5)對(duì)中間層進(jìn)行等值建模，完成光伏發(fā)電單元等值和連接線路等值，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證；
[0012](6)建立頂層的詳細(xì)模型，頂層由各并網(wǎng)支路模型組成，包括各支路等值模型和集電線路等值模型；
[0013](7)對(duì)頂層進(jìn)行等值建模，完成整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值模型，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
[0014]進(jìn)一步的，等值模型額定容量等于各光伏陣列發(fā)電單元模型額定容量之和，即

η
[0015]Seq=YjSi

i=\
[0016]式中，η為光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列發(fā)電子單元的數(shù)量；Seq為等值模型額定容量；Si為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元的額定容量。
[0017]進(jìn)一步的，等值模型的并網(wǎng)有功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)有功功率之和，即

η
[0018]Pv = Σ ^

i=l
[0019]式中，Prai為等值模型并網(wǎng)有功功率A為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)有功功率；
[0020]等值模型的并網(wǎng)無功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)無功功率之和，即

η
[0021]Qeq=YjQi

i=l
[0022]式中，Qeq為等值模型并網(wǎng)無功功率；Qi為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)無功功率。
[0023]進(jìn)一步的，并網(wǎng)逆變器參數(shù)主要包括直流側(cè)電容和交流側(cè)濾波電感，其聚合參數(shù)計(jì)算公式為
Qceq =QcXW
[0024]ij /
L =V
etI Zn
[0025]式中，Cdc eq為等值模型直流側(cè)電容；Cd。為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元直流側(cè)電容；Leq為等值模型交流側(cè)濾波電感山為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元交流側(cè)濾波電感。
[0026]進(jìn)一步的，變壓器等值參數(shù)為
iST—eq = STxn
[0027]彳F /
X = t'/
(eq /n
[0028]式中，ST eq為等值模型變壓器額定容量，St為變壓器額定容量，Xtr eq為等值模型變壓器阻抗，XtaS變壓器阻抗。
[0029]進(jìn)一步的，集電線路等值阻抗為
「 ?Χ+22Χ+-..+ ?2Χ,
[0030]X =—^-2-γ-^
叫η2
[0031]式中，ΧρΧ2、…、X5為對(duì)應(yīng)集電線路阻抗。
[0032]當(dāng)電壓恒定時(shí)，無功功率與電容成正比，在集電線路中，線路電壓恒定，線路等值電容值為
[0033]Ceq = ^+-+Cn
[0034]式中，Ceq為線路等值電容，Cp C2、…、Cn為相應(yīng)線路段電容。
[0035]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為，所提出的方法可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值過程，縮短等值建模周期，且在每層等值過程中都可進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證，提高了等值模型的準(zhǔn)確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明的流程示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中光伏發(fā)電系統(tǒng)集電線路結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中光伏陣列發(fā)電單元等值圖；
[0039]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中集電線路等值圖；
[0040]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中光伏發(fā)電系統(tǒng)等值結(jié)果圖；
[0041]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中光伏發(fā)電系統(tǒng)等值模型隨光照變化動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果圖；
[0042]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中光伏發(fā)電系統(tǒng)等值模型三相接地短路故障時(shí)仿真結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0044]如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，具體步驟如下:
[0045](I)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分層處理，主要分為底層、中間層和頂層，共3層；
[0046](2)建立底層的詳細(xì)模型，底層為光伏陣列發(fā)電單元層，主要包括光伏陣列模型、并網(wǎng)逆變器模型、集電線路模型；
[0047](3)對(duì)底層詳細(xì)模型進(jìn)行等值處理，建立光伏陣列發(fā)電單元等值模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括光伏陣列等值、逆變器參數(shù)等值和變壓器參數(shù)等值；
[0048](4)建立中間層的詳細(xì)模型，中間層由各光伏陣列發(fā)電單元組成，主要包括光伏陣列發(fā)電單元模型、各發(fā)電單元間的連接線模型；
[0049](5)對(duì)中間層進(jìn)行等值建模，完成光伏發(fā)電單元等值和連接線路等值，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證；
[0050](6)建立頂層的詳細(xì)模型，頂層由各并網(wǎng)支路模型組成，主要包括各支路等值模型和集電線路等值模型；
[0051](7)對(duì)頂層進(jìn)行等值建模，完成整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值模型，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
[0052]進(jìn)一步的，等值模型額定容量等于各光伏陣列發(fā)電單元模型額定容量之和，即

η
[0053]Seq=YuSi

?=\
[0054]式中，η為光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列發(fā)電子單元的數(shù)量；Se(1為等值模型額定容量；Si為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元的額定容量。
[0055]進(jìn)一步的，等值模型的并網(wǎng)有功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)有功功率之和，即

η
[0056]Peq -^jPi

/=1
[0057]式中，Peq為等值模型并網(wǎng)有功功率A為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)有功功率；
[0058]等值模型的并網(wǎng)無功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)無功功率之和，即

η
[0059]Qcq =Χβ

仁I
[0060]式中，Qeq為等值模型并網(wǎng)無功功率；Qi為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)無功功率。
[0061]進(jìn)一步的，并網(wǎng)逆變器參數(shù)主要包括直流側(cè)電容和交流側(cè)濾波電感，其聚合參數(shù)計(jì)算公式為
Qc
[0062]{ τ /
\L^ = /n
[0063]式中，Cdc eq為等值模型直流側(cè)電容；Cd。為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元直流側(cè)電容；Leq為等值模型交流側(cè)濾波電感山為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元交流側(cè)濾波電感。
[0064]進(jìn)一步的，變壓器等值參數(shù)為
*^T_eq -SjXli
[0065]iv /
X = V
、tr—叫 /n
[0066]式中，St 為等值模型變壓器額定容量，St為變壓器額定容量，Xfe 為等值模型變壓器阻抗，XtaS變壓器阻抗。
[0067]進(jìn)一步的，集電線路等值阻抗為「 ? V Χ+22Χ,+?+?2Ζ5
[0068]X =^

η2
[0069]式中，ΧρΧ2、…、X5為對(duì)應(yīng)集電線路阻抗。
[0070]當(dāng)電壓恒定時(shí)，無功功率與電容成正比，在集電線路中，線路電壓恒定，線路等值電容值為
[0071]Ceq = C^C2+-..+Cn
[0072]式中，Ceq為線路等值電容，Q、C2、…、Cn為相應(yīng)線路段電容。
[0073]下面列舉一實(shí)施例。
[0074]所設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量為20麗，共由20個(gè)容量為1麗的光伏陣列發(fā)電單元組成，而每個(gè)光伏陣列發(fā)電單元包括2個(gè)額定容量為500kWp的子單元，共有40個(gè)額定容量為500kW并網(wǎng)逆變器。在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，光伏陣列通過4條集電線路并入電網(wǎng)，每條集電線路包含5個(gè)IMWp光伏陣列發(fā)電單元，如圖2所示。在RTDS建模時(shí)，先將2個(gè)額定容量為500kW的并網(wǎng)逆變器聚合為I個(gè)IMWp的光伏陣列發(fā)電單元，然后再根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)，將每條集電線路中5個(gè)IMWp的光伏陣列發(fā)電單元聚合為一個(gè)5MWp的光伏發(fā)電單元，最后，將整個(gè)光伏電站聚合為一臺(tái)20MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，過程如圖3、圖4和圖5所
/Jn ο
[0075]為了驗(yàn)證所建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真儀等值模型的正確性，采用詳細(xì)模型跟等值模型進(jìn)行了比較分析，下面主要從光照變化時(shí)和電網(wǎng)發(fā)生三相短路接地故障時(shí)詳細(xì)模型和等值模型的外特性響應(yīng)是否一致來判斷等值模型是否正確。
[0076]圖6光伏發(fā)電系統(tǒng)等值模型隨光照變化動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果圖。圖6(a)為光照強(qiáng)度的變化情況，光照開始為1000W/m2，一段時(shí)間后斜坡下降到50W/m2，最后突變?yōu)?00W/m2。圖6(b)為光照變化條件下光伏電站的并網(wǎng)有功功率，由圖可知，隨著光照的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)也隨之改變，有功功率的變化趨勢(shì)與光照變化的趨勢(shì)一致。圖6 (c)為光照變化條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的消耗的無功功率，無功功率的消耗主要由線路損耗和變壓器損耗引起，當(dāng)并網(wǎng)功率大時(shí)，電流也相應(yīng)變動(dòng)，引起的無功消耗也變大。圖6(d)為光照變化條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的變壓器高壓側(cè)電流有效值，其隨著光照強(qiáng)度的改變而相應(yīng)變化。圖6(e)為光照變化條件下并網(wǎng)點(diǎn)的電壓標(biāo)么值，光照的變化引起了系統(tǒng)輸出功率的變化，從而進(jìn)一步引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化。在圖6中，隨著光照強(qiáng)度的變化，詳細(xì)模型和等值模型的電壓、電流、有功功率、無功功率等基本一致，即等值模型和詳細(xì)模型具有相近的外特性，證明了光伏發(fā)電系統(tǒng)等值建模的正確性。
[0077]圖7是光伏發(fā)電系統(tǒng)等值模型三相接地短路故障時(shí)仿真結(jié)果圖。開始時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定工作，光照強(qiáng)度為1000W/m2，在0.1s時(shí)，發(fā)生三相接地故障，短路故障持續(xù)時(shí)間為0.1s。當(dāng)三相接地短路故障發(fā)生時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓急劇下降，使光伏電站輸出功率變小，并網(wǎng)逆變器直流側(cè)輸入功率和交流側(cè)輸出功率失衡，使得直流電壓快速上升，0.1s后，電網(wǎng)恢復(fù)正常，光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過短暫調(diào)整后，使得并網(wǎng)逆變器直流側(cè)輸入功率和交流側(cè)輸出功率再次平衡，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在短路過程中，系統(tǒng)輸出有功功率變化如圖7(a)所示。由于光伏并網(wǎng)逆變器工作于單位功率因素控制下，不具備無功補(bǔ)償?shù)哪芰?，系統(tǒng)無功消耗主要由變壓器和線路損耗引起，變化不是很大，如圖7(b)所示。由圖7(c)知，在接地短路故障發(fā)生期間，并網(wǎng)電流變化約為1.6倍，這是由光伏固有1-V特性決定的。圖7(d)為三相接地短路期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化情況。由圖7響應(yīng)可知，在三相接地短路故障期間，等值模型和詳細(xì)模型的外特性響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，即故障期間，等值模型的有功功率響應(yīng)、無功功率響應(yīng)、電流響應(yīng)和電壓響應(yīng)都基本與詳細(xì)模型保持一致，從而證明了等值模型的正確性。
[0078]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上【具體實(shí)施方式】?jī)H用于以上實(shí)施例，僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照上述實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分層處理，分為底層、中間層和頂層； (2)建立底層的詳細(xì)模型，底層為光伏陣列發(fā)電單元層，包括光伏陣列模型、并網(wǎng)逆變器模型、集電線路模型； (3)對(duì)底層詳細(xì)模型進(jìn)行等值處理，建立光伏陣列發(fā)電單元等值模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，包括光伏陣列等值、逆變器參數(shù)等值和變壓器參數(shù)等值； (4)建立中間層的詳細(xì)模型，中間層由各光伏陣列發(fā)電單元組成，包括光伏陣列發(fā)電單元模型、各發(fā)電單元間的連接線模型； (5)對(duì)中間層進(jìn)行等值建模，完成光伏發(fā)電單元等值和連接線路等值，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證； (6)建立頂層的詳細(xì)模型，頂層由各并網(wǎng)支路模型組成，包括各支路等值模型和集電線路等值丨吳型； (7)對(duì)頂層進(jìn)行等值建模，完成整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值模型，并進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，等值模型額定容量等于各光伏陣列發(fā)電單元模型額定容量之和，即
i=\ 式中，η為光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列發(fā)電子單元的數(shù)量；Se(1為等值模型額定容量A為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元的額定容量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，等值模型的并網(wǎng)有功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)有功功率之和，即
η ρ =Σ^
i=\ 式中，Pw為等值模型并網(wǎng)有功功率；Pi為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)有功功率； 等值模型的并網(wǎng)無功功率等于各光伏陣列發(fā)電單元的并網(wǎng)無功功率之和，即 ?) =?
/=1 式中，Qw為等值模型并網(wǎng)無功功率；Qi為光伏發(fā)電系統(tǒng)中第i個(gè)發(fā)電單元并網(wǎng)無功功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，并網(wǎng)逆變器參數(shù)包括直流側(cè)電容和交流側(cè)濾波電感，其聚合參數(shù)計(jì)算公式為
eq=Cdcx? < l =y 、eq /η 式中，Cdc_eq為等值模型直流側(cè)電容；cd。為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元直流側(cè)電容山⑶為等值模型交流側(cè)濾波電感山為單個(gè)光伏陣列發(fā)電單元交流側(cè)濾波電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，變壓器等值參數(shù)為
^T_eq —又丨' X n ^ χ = V 、tr—eq/n 式中，sT J為等值模型變壓器額定容量，ST為變壓器額定容量，Xtu,為等值模型變壓器阻抗，變壓器阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的光伏發(fā)電系統(tǒng)等值方法，其特征在于，集電線路等值模型阻抗為
_Z1+22X2+- + nX ?~η2 式中，X1、X2、…、&為對(duì)應(yīng)集電線路阻抗； 當(dāng)電壓恒定時(shí)，無功功率與電容成正比，在集電線路中，線路電壓恒定，線路等值電容值為 Ceq = ^+-+^ 式中，Ceq為線路等值電容，CpC2、...、(；為相應(yīng)線路段電容。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK104269883SQ201410509768
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】李鵬, 郭曉斌, 許愛東, 雷金勇, 黃燾, 楊蘋 申請(qǐng)人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 華南理工大學(xué)