CN102355007A - 基于psasp的并网光伏电源的建模方法 - Google Patents

基于psasp的并网光伏电源的建模方法 Download PDF

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CN102355007A CN2011102971162A CN201110297116A CN102355007A CN 102355007 A CN102355007 A CN 102355007A CN 2011102971162 A CN2011102971162 A CN 2011102971162A CN 201110297116 A CN201110297116 A CN 201110297116A CN 102355007 A CN102355007 A CN 102355007A
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王晓蔚
范辉
夏天
石振刚
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Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种基于PSASP的并网光伏电源的建模方法。其具体步骤如下：（1）首先搭建三相光伏电源仿真系统并利用常规的仿真验证方法进行仿真验证；（2）然后在PSASP中搭建光伏电源的UD模型：a.建立光伏电源各部分的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，即建立了光伏电源的UD模型；b.对所述UD模型进行初值平衡；c.将所述UD模型固化到PSASP中。本发明的优点是可对光伏电源并网运行后的整个电网安全稳定运行情况进行较为详细的分析和研究，从而为光伏发电并网后可能产生的稳定性问题提供预见性的解决措施，提高电网接入光伏发电的能力以及接入后系统稳定运行的能力。

Description

基于PSASP的并网光伏电源的建模方法
技术领域
本发明涉及一种基于PSASP（Power System Analysis Software Package）的并网光伏电源的建模方法。适用于对光伏电源并网运行后的整个电网安全稳定运行情况进行详细的分析和研究。
背景技术
目前，现有的电力系统分析程序中均没有光伏电源的仿真系统，因此对光伏电源并网运行后的整个电网安全稳定运行情况缺乏分析手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PSASP的并网光伏电源的建模方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
基于PSASP的并网光伏电源的建模方法的具体步骤如下：
（1）首先搭建三相光伏电源仿真系统并利用常规的仿真验证方法进行仿真验证：
利用Matlab / Simulink工具软件搭建一个三相并网光伏电源仿真系统，所述三相并网光伏电源仿真系统包括光伏阵列、DC/DC升压电路、逆变器、并网滤波器、最大功率跟踪控制器和内外环控制器；所述光伏阵列的输出端依次经DC/DC升压电路、逆变器、并网滤波器、接入电网；所述光伏阵列的输出端经最大功率跟踪器接DC/DC升压电路的控制端；所述内外环控制器的两个输入端分别接DC/DC升压电路和并网滤波器的输出端；所述内外环控制器的输出端接逆变器的控制端；所述内外环控制器的外环为电压控制环，内环为电流控制环，即电压电流双闭环控制算法；
（2）然后在PSASP中搭建光伏电源的UD模型：
a. 建立光伏电源各部分的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，即建立了光伏电源的UD模型；
b. 对所述UD模型进行初值平衡：
当所述UD模型的初始输出与稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理的框和所述UD模型的平衡条件，根据这一平衡条件对所述UD模型进行处理，使其初值平衡；具体处理方法如下：
①单一平衡条件、单一平衡点，全模型一次平衡：
针对一个输出不合理的框，列出一个平衡条件，在所述UD模型的一个地方叠加一个常数，使所述UD模型的所有初值不合理的功能框的输出合理化，即一次实现全模型的初值平衡；所述平衡点为所述UD模型的某一部分；
②多个平衡条件，多个平衡点，全模型分段平衡：
针对多个初始输出不合理的框，列出多个平衡条件，在所述UD模型的不同位置选择多个平衡点，对所述UD模型进行分段平衡；
c. 将所述UD模型固化到PSASP中：
根据所述各功能框图和所述传递函数，在PSASP中增加所述光伏电源的UD模型。
所述最大功率跟踪器由功率跟踪模块MPPT、第一比较器和脉宽调制器PWM组成；所述功率跟踪模块MPPT的一个输入端接光伏阵列的输出电流IPV的采样电流，其另一个输入端接光伏阵列的输出电压UPV的采样电压Uref，其输出端接第一加法器的一个输入端，第一加法器的另一个输入端接光伏阵列的输出电压UPV的采样电压Uref，第一加法器的输出端经脉宽调制器PWM接DC/DC升压电路的控制端。
所述内外环控制器由第二至第四加法器、第一至第三PI调节器、锁相环PLL、空间矢量相位角计算模块SVPC、park变换模块、dq/abc变换模块和空间矢量脉宽调制模块SVPWM组成；
所述第二加法器的一个输入端接DC/DC升压电路的输出端，其另一个输入端接直流侧输出指定电压                                                
Figure 653441DEST_PATH_IMAGE001
，其输出端经第一PI调节器接第三加法器的一个输入端；
所述锁相环PLL的输入端接并网滤波器的输出端，其输出端经空间矢量相位角计算模块SVPC接所述park变换模块的一个输入端；park变换模块另一个输入端接并网滤波器的输出端，park变换模块的一个输出端接第三加法器的另一个输入端，park变换器的另一个输出端接第四加法器的一个输入端；第四加法器的另一个输入端接无功电流分量
Figure 766891DEST_PATH_IMAGE002
；第四加法器的输出端经第三PI调节器接所述dq/abc变换模块的一个输入端；所述无功电流分量
Figure 754438DEST_PATH_IMAGE002
由无功功率或功率因数换算所得；
所述第三加法器的另一个输入端接park变换模块的另一个输出端，第三加法器的输出端经第二PI调节器接dq/abc变换模块的另一个输入端；
所述dq/abc变换模块的输出端经空间矢量脉宽调制模块SVPWM接逆变器的控制端。
所述dq/abc变换模块的输出端经空间矢量脉宽调制模块SVPWM接逆变器的控制端。
本发明的有益效果如下：
利用本方法建立的光伏电源的UD模型，可对光伏电源并网运行后的整个电网安全稳定运行情况进行较为详细的分析和研究，从而为光伏发电并网后可能产生的稳定性问题提供预见性的解决措施，提高电网接入光伏发电的能力以及接入后系统稳定运行的能力，适应我国电网大力开发利用太阳能资源进行发电并网的发展需要，为加快进行智能电网的建设起到积极的作用。
附图说明
图1为三相并网光伏电源仿真系统的原理框图。
图2为三相并网光伏电源仿真系统的拓扑结构图。
图3为DC/DC升压电路阻控变换示意图。
图4为光伏电源并网母线设置的屏幕截图。
图5为光伏电源设置的屏幕截图。
图6为日照强度突变曲线图。
图7为光伏电站出力特性变换曲线图。
图8-1为故障情况下光伏电源并网点V4电压曲线图。
图8-2为故障情况下光伏电源并网电流曲线图。
具体实施方式
一种基于PSASP的并网光伏电源的建模方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先搭建三相光伏电源仿真系统并利用常规的仿真验证方法进行仿真验证：
利用Matlab / Simulink工具软件搭建一个三相并网光伏电源仿真系统，所述三相并网光伏电源仿真系统包括光伏阵列1、DC/DC升压电路2、逆变器3、并网滤波器4、最大功率跟踪控制器6和内外环控制器7；所述光伏阵列1的输出端依次经DC/DC升压电路2、逆变器3、并网滤波器4、接入电网5；所述光伏阵列1的输出端经最大功率跟踪器6接DC/DC升压电路2的控制端；所述内外环控制器7的两个输入端分别接DC/DC升压电路2和并网滤波器4的输出端；所述内外环控制器7的输出端接逆变器3的控制端；所述内外环控制器7的外环为电压控制环，内环为电流控制环，即电压电流双闭环控制算法；
（2）然后在PSASP中搭建光伏电源的UD模型：
a. 建立光伏电源各部分的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，即建立了光伏电源的UD模型；
b. 对所述UD模型进行初值平衡：
当所述UD模型的初始输出与稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理的框和所述UD模型的平衡条件，根据这一平衡条件对所述UD模型进行处理，使其初值平衡；具体处理方法如下：
①单一平衡条件、单一平衡点，全模型一次平衡：
针对一个输出不合理的框，列出一个平衡条件，在所述UD模型的一个地方叠加一个常数，使所述UD模型的所有初值不合理的功能框的输出合理化，即一次实现全模型的初值平衡；所述平衡点为所述UD模型的某一部分；
②多个平衡条件，多个平衡点，全模型分段平衡：
针对多个初始输出不合理的框，列出多个平衡条件，在所述UD模型的不同位置选择多个平衡点，对所述UD模型进行分段平衡；
搭建UD模型即为自定义建模，所谓自定义建模是在无需了解程序内部结构和编程设计的条件下，用户可按自己计算分析的需要，用工程技术人员熟悉的概念和容易掌握的方法，设计各种模型，使其在原则上可以灵活模拟任何系统元件、自动装置和控制功能。
c. 将所述UD模型固化到PSASP中：
根据所述各功能框图和所述传递函数，在PSASP中增加所述光伏电源的UD模型。
所述光伏电源的UD模型（以下简称所述UD模型）可作为公共资源为其它电网或计算所应用。通过填写所述UD模型的调用数据，即可实现对所述UD模型的调用。所述调用数据，就是指明所述UD模型的应用地点，给出所述UD模型应用的具体母线和具体支路，以便应用所述UD模型进行电网计算。在“基础数据”的“母线数据”中设置光伏电源的并网母线，如图4所示。在“基础数据”的“发电机及其调节器数据”中设置光伏电源，如图5所示。同步机的模型采用所述UD模型，通过点击“编辑参数”填入和修改光伏电源的各参数值。完成调用数据的录入和编辑后，即可进行实际的电网运算。先在潮流计算中刷新潮流数据库，将所述UD模型引入电网计算中，对潮流数据进行适当修改后，即可进行潮流计算。潮流计算完毕后，转入暂态稳定计算，刷新暂稳作业基于的潮流作业，即可进行各种暂态稳定计算分析，如设置网络故障、节点扰动，或调用其他的UD模型等等。运算结束后，通过查看方式实现所述UD模型的变量输出。
在本实施例中，所述最大功率跟踪器6由功率跟踪模块MPPT 6-1、第一比较器6-2和脉宽调制器PWM6-3组成；所述功率跟踪模块MPPT 6-1的一个输入端接光伏阵列1的输出电流IPV的采样电流，其另一个输入端接光伏阵列1的输出电压UPV的采样电压Uref，其输出端接第一加法器6-2的一个输入端，第一加法器6-2的另一个输入端接光伏阵列1的输出电压UPV的采样电压Uref，第一加法器6-2的输出端经脉宽调制器PWM 6-3接DC/DC升压电路2的控制端。
在本实施例中，所述内外环控制器7由第二加法器7-1、第三加法器7-3、第四加法器7-8、第一PI调节器7-2、第二PI调节器7-4、第三PI调节器7-9、锁相环PLL 7-5、空间矢量相位角计算模块SVPC 7-6、park变换模块7-7、dq/abc变换模块7-10和空间矢量脉宽调制模块SVPWM 7-11组成；
所述第二加法器7-1的一个输入端接DC/DC升压电路2的输出端，其另一个输入端接直流侧输出指定电压，其输出端经第一PI调节器7-2接第三加法器7-3的一个输入端；
所述锁相环PLL 7-5的输入端接并网滤波器4的输出端，其输出端经空间矢量相位角计算模块SVPC7-6接所述park变换模块7-7的一个输入端；park变换模块7-7另一个输入端接并网滤波器4的输出端，park变换模块7-7的一个输出端接第三加法器7-3的另一个输入端，park变换器7-7的另一个输出端接第四加法器7-8的一个输入端；第四加法器7-8的另一个输入端接无功电流分量；第四加法器7-8的输出端经第三PI调节器7-9接所述dq/abc变换模块7-10的一个输入端；所述无功电流分量
Figure 386911DEST_PATH_IMAGE002
由无功功率或功率因数换算所得；
所述第三加法器7-3的另一个输入端接park变换模块7-7的另一个输出端，第三加法器7-3的输出端经第二PI调节器7-4接dq/abc变换模块7-10的另一个输入端；
所述dq/abc变换模块7-10的输出端经空间矢量脉宽调制模块SVPWM 7-11接逆变器3的控制端。
在本实施例中，最大功率跟踪和内外环控制的工作原理如下：
1）最大功率跟踪控制
光伏阵列由于受太阳光照强度和环境温度变化的影响，输出电压和输出电流在不断地变化，等效内阻也在不断地变化，在光伏阵列与逆变器之间加上DC/DC升压电路，通过调节DC/DC升压电路中功率开关器件S的占空比，来调节等效输入阻抗的大小，使外接负载和光伏阵列等效输入阻抗相等，使外接负载获得最大功率，从而达到对光伏阵列最大功率点跟踪的目的。光伏阵列的MPPT控制一般都是通过DC/DC升压电路来完成的， DC/DC升压电路由功率元件S、储能电感L1、二极管D1以及电容C1-C2组成，如图2所示。DC/DC升压电路的工作分为两个阶段，S导通时为电感L1的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C2的能量维持工作。S关断时，光伏阵列和电感L1共同向负载供电，此时还给电容C2充电。DC/DC升压电路阻抗变换如图3所示。在忽略所述电感L1的自身电阻的情况下，DC/DC升压电路的等效输入阻抗可用下述公式表示：
Figure 858825DEST_PATH_IMAGE003
其中R′为DC/DC升压电路的等效输入阻抗，D为开关占空比，RL为负载阻抗。从上述公式可以看出，D越大，DC/DC升压电路输入阻抗R′就越小。当改变DC/DC升压电路开关占空比时，使得其等效输入阻抗与光伏输出阻抗相匹配，则光伏阵列将输出最大功率。
2）内外环控制：
所述电压控制环利用第一PI调节器7-2控制DC/DC升压电路的输出电压跟踪直流侧输出给定电压
Figure 949141DEST_PATH_IMAGE001
；所述电流控制环跟踪系统侧交流电流。应用电流控制的逆变器3，在与电网电压同步的旋转坐标系下，利用第二和第三PI调节器对并网d-q轴电流分别进行解耦控制。其中d轴电流调节逆变器的有功输出，使光伏阵列工作在最大功率工作点，而q轴电流调节逆变器无功输出，对并网功率因数进行控制。若设置q轴参考电流为0，可使逆变器输出电流与电网电压相位完全相同，功率因数为1。
现详细说明如下：
所述电压控制环以直流输出电压信号作为电压反馈量，以直流侧输出给定电压为恒值目标，在第二加法器7-1中进行比较，经第一PI调节器7-2进行比例-积分处理，其输出控制电流
Figure 382713DEST_PATH_IMAGE004
；内环控制分为d轴第二PI调节器7-4和q轴第三PI调节器7-9,其过程是先将三相并网交流电流iA 、iB 、iC 经Park变换模块7-7，解耦得到与电压合成矢量同方向的直流电流分量id、与电压合成矢量方向垂直的直流电流分量iq；由于id与电压合成矢量同方向，因此称为电流有功分量，控制id可调节逆变器3的有功功率；由于iq与电压合成矢量垂直，因此称为电流无功分量，控制iq可调节逆变器3的无功功率。取并网三相电压ugA 、ugB 、ugC接入锁相环PLL 7-5和空间矢量相位角计算模块7-6，空间矢量相位角计算模块7-6输出正弦量至Park变换模块7-7。Park变换模块7-7有两路输出信号，其中iq信号作为第四加法器7-8的反馈信号，以无功功率或功率因数换算的无功电流分量
Figure 282536DEST_PATH_IMAGE002
作为q轴第三PI调节器7-9的给定参数，无功电流分量
Figure 910964DEST_PATH_IMAGE002
与交流电流解耦得到的直流分量iq经第四加法器7-9输出
Figure 212632DEST_PATH_IMAGE005
，再经q轴第三PI调节器7-9比例积分运算输出uq；id信号作为第三加法器7-3的反馈信号，以第一PI调节器7-2的输出
Figure 635523DEST_PATH_IMAGE006
作为第三加法器7-3的给定参数，
Figure 22642DEST_PATH_IMAGE006
与交流电流解耦得到的直流分量id经第三加法器7-3输出
Figure 454760DEST_PATH_IMAGE007
，再经d轴第二PI调节器7-4比例积分运算输出ud；经dq/abc变换模块7-10实现dq同步旋转坐标系至abc三相静止坐标系的变换，将同步旋转坐标系下d轴第二PI调节器7-4输出的控制电压ud、q轴第三PI调节器7-9输出的控制电压uq变换为三相静止坐标系下的正弦分量ua、ub、uc。再通过空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM) 7-11脉宽调制后，输出逆变器3的控制信号。
申请人对本实施例进行了调试和验证试验，试验过程和结果如下：
1）验证三相并网电源仿真系统实现最大功率跟踪控制，如图2所示，以光伏阵列为输入电源，通过DC/DC升压电路升压向逆变器供电。电网电压为380V。利用S-Function编写了改进电导法MPPT控制模块，最大功率点电压为348V,最大功率为4780W, 在图2中，C1=1000μF，L1=2.5mH，C2=2600μF，交流滤波电感L2=10H，等效电阻R=0.1Ω。
通过仿真波形可以看出光伏阵列电压经过约0.02s的过渡过程后达到稳态348V左右，且电压很稳定，由以上仿真可知通过最大功率跟踪控制可实现对光伏阵列最大功率点电压的良好的动态跟踪；利用锁相环经过几个周波后并网电流与电网电压达到同频同相，由此仿真可知采用电压电流双闭环控制算法即内外环控制，可以保证所述仿真系统并网电流同电网电压保持同步。
2）在建立了三相并网光伏电源仿真系统的基础上，在PSASP中搭建光伏电源的UD模型，使之具有一定的光伏发电仿真能力。根据光伏发电的原理对所述UD模型进行仿真测试，验证所述UD模型的正确性。
a.进行所述UD模型的动态特性的仿真试验：
日照强度是影响光伏电站出力的决定性因素，以下对不同日照条件下的光伏电站出力进行仿真，旨在验证所述UD模型动态响应的特性及MPPT控制的效果。选择日照强度为600W/m2为起点，模拟其后1分钟内出现云层时光照突变的情况，并绘制了日照强度突变曲线如图6所示。光伏电源出力特性变化曲线如图7所示。
由图6-7可见，光伏电源的出力特性变化趋势与全天日照强度变化趋势基本一致，体现了最大功率点跟踪(MPPT)控制原则。
b.所述UD模型在故障下的响应特性的仿真：
设置网络故障，1秒时在算例系统的母线2上发生三相短路接地故障，接地阻抗为0.0+j0.2pu，故障持续时间0.1秒。仿真计算结果如图8-1和图8-2所示。
由图8-1和图8-2可见，所述UD模型发生三相短路故障情况下，光伏电站并网点母线电压下降，同时并网电流上升，符合网络故障时系统变量的变化趋势。
通过对所述UD模型的调试和验证，所述UD模型在网络故障情况下其动态特性符合理论分析结果，其动态响应特性符合理论分析结果和实际运行效果，并体现了最大功率点跟踪MPPT）控制的原则，仿真结果较准确，所述UD模型调用方便合理，可用于工程实际中的光伏发电仿真计算。

Claims (3)

1.一种基于PSASP的并网光伏电源的建模方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先搭建三相光伏电源仿真系统并利用常规的仿真验证方法进行仿真验证：
利用Matlab / Simulink工具软件搭建一个三相并网光伏电源仿真系统，所述三相并网光伏电源仿真系统包括光伏阵列（1）、DC/DC升压电路（2）、逆变器（3）、并网滤波器（4）、最大功率跟踪控制器（6）和内外环控制器（7）；所述光伏阵列（1）的输出端依次经DC/DC升压电路（2）、逆变器（3）、并网滤波器（4）接入电网（5）；所述光伏阵列（1）的输出端经最大功率跟踪器（6）接DC/DC升压电路（2）的控制端；所述内外环控制器（7）的两个输入端分别接DC/DC升压电路（2）和并网滤波器（4）的输出端；所述内外环控制器（7）的输出端接逆变器（3）的控制端；所述内外环控制器（7）的外环为电压控制环，内环为电流控制环，即电压电流双闭环控制算法；
（2）然后在PSASP中搭建光伏电源的UD模型：
a. 建立光伏电源各部分的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，即建立了光伏电源的UD模型；
b. 对所述UD模型进行初值平衡：
当所述UD模型的初始输出与稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理的框和所述UD模型的平衡条件，根据这一平衡条件对所述UD模型进行处理，使其初值平衡；具体处理方法如下：
①单一平衡条件、单一平衡点，全模型一次平衡：
针对一个输出不合理的框，列出一个平衡条件，在所述UD模型的一个地方叠加一个常数，使所述UD模型的所有初值不合理的功能框的输出合理化，即一次实现全模型的初值平衡；所述平衡点为所述UD模型的某一部分；
②多个平衡条件，多个平衡点，全模型分段平衡：
针对多个初始输出不合理的框，列出多个平衡条件，在所述UD模型的不同位置选择多个平衡点，对所述UD模型进行分段平衡；
c. 将所述UD模型固化到PSASP中：
根据所述各功能框图和所述传递函数，在PSASP中增加所述光伏电源的UD模型。
2.根据权利要求1所述的基于PSASP的并网光伏电源的建模方法，其特征在于所述最大功率跟踪器（6）由功率跟踪模块MPPT（6-1）、第一比较器（6-2）和脉宽调制器PWM（6-3）组成；所述功率跟踪模块MPPT（6-1）的一个输入端接光伏阵列（1）的输出电流IPV的采样电流，其另一个输入端接光伏阵列（1）的输出电压UPV的采样电压Uref，其输出端接第一加法器（6-2）的一个输入端，第一加法器（6-2）的另一个输入端接光伏阵列（1）的输出电压UPV的采样电压Uref，第一加法器（6-2）的输出端经脉宽调制器PWM（6-3）接DC/DC升压电路（2）的控制端。
3.根据权利要求2所述的基于PSASP的并网光伏电源的建模方法，其特征在于所述内外环控制器（7）由第二至第四加法器（7-1、7-3、7-8）、第一至第三PI调节器（7-2、7-4、7-9）、锁相环PLL（7-5）、空间矢量相位角计算模块SVPC（7-6）、park变换模块（7-7）、dq/abc变换模块（7-10）和空间矢量脉宽调制模块SVPWM（7-11）组成；
所述第二加法器（7-1）的一个输入端接DC/DC升压电路（2）的输出端，其另一个输入端接直流侧输出指定电压                                                
Figure 2011102971162100001DEST_PATH_IMAGE001
，其输出端经第一PI调节器（7-2）接第三加法器（7-3）的一个输入端；
所述锁相环PLL（7-5）的输入端接并网滤波器（4）的输出端，其输出端经空间矢量相位角计算模块SVPC（7-6）接所述park变换模块（7-7）的一个输入端；park变换模块（7-7）另一个输入端接并网滤波器（4）的输出端，park变换模块（7-7）的一个输出端接第三加法器（7-3）的另一个输入端，park变换器（7-7）的另一个输出端接第四加法器（7-8）的一个输入端；第四加法器（7-8）的另一个输入端接无功电流分量
Figure 748554DEST_PATH_IMAGE002
；第四加法器（7-8）的输出端经第三PI调节器（7-9）接所述dq/abc变换模块（7-10）的一个输入端；所述无功电流分量
Figure 607926DEST_PATH_IMAGE002
由无功功率或功率因数换算所得；
所述第三加法器（7-3）的另一个输入端接park变换模块（7-7）的另一个输出端，第三加法器（7-3）的输出端经第二PI调节器（7-4）接dq/abc变换模块（7-10）的另一个输入端；
所述dq/abc变换模块（7-10）的输出端经空间矢量脉宽调制模块SVPWM（7-11）接逆变器（3）的控制端。
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