CN102385654B - 一种基于vsc并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统，涉及基于VSC并网的光伏电站、电池储能电站的一种基于VSC并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法。针对基于VSC并网的新能源发电设备越来越多的开发形式，考虑大型电力系统机电暂态仿真的计算特点，采用各种装置组合建模的方法，结合VSC本身的运行特性，实现了一种扩展性高、实用性强的基于VSC并网的新能源发电设备的建模方法，以在大型电力系统仿真计算中快速、准确建模的目的。

Description

一种基于VSC并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法

技术领域

本发明属于电力系统，具体涉及一种基于VSC并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法。

背景技术

随着国家新的能源战略的发展，光伏、储能等新能源的开发得到了高度重视和大力支持，电网中光伏电站、储能电站的容量所占比例越来越高，影响越来越大。因此，迫切需要开发适合大型大力系统仿真的光伏电站、储能电站的机电暂态模型，作为新的电网规划、运行分析的基础，从而开展大容量光伏电站、储能电站并网对电力系统运行的影响问题研究，确保它们并网后电网的可靠运行。

现有的光伏电站、储能电站机电暂态建模方法中，都是独立的对光伏电站、储能电站的设备进行分析，根据各自的设备特点分析运行特性，建立独立的光伏电站、储能电站的仿真模型，然后嵌入大型电力系统的仿真中，形成含光伏电站、储能电站的大型电力系统分析软件。

现有技术中采用这种建模的基本过程如下：

(1)独立分析光伏电站、储能电站的动态特性；

(2)针对光伏电站、储能电站各自的特点独立建立反映其控制系统和物理装置的详细模型；

(3)对详细模型进行简化或修正，得到适合大型电力系统分析计算的机电暂态模型；

(4)在相应的大型电力系统分析仿真软件中增加独立的仿真模型；

(5)通过多种方法验证或修正仿真模型。

现有技术方案的缺点：

(1)目前，基于VSC并网的各种发电装置都是独立建模，如光伏电站、储能电站。但是，它们对电网反映的外特性都主要反映在VSC装置上。每种发电设备的独立建模和实现都需要对VSC装置重新进行处理，使得工作量变大。

(2)现有光伏电站、储能电站的建模都相对独立，可扩展性和兼容性较差。

发明内容

本发明针对基于VSC并网的新能源发电设备越来越多的开发形式，考虑大型电力系统机电暂态仿真的计算特点，采用各种装置组合建模的方法，结合VSC本身的运行特性，实现了一种扩展性高、实用性强的基于VSC并网的新能源发电设备(主要为光伏电站、储能电站)的建模方法，以在大型电力系统仿真计算中快速、准确建模的目的。

本发明提供了基于VSC并网的光伏电站、电池储能电站的一种基于VSC并网光伏、储能电站的机电暂态建模方法，包括两个部分，即VSC的机电暂态建模和VSC与光伏电池、储能电池的接口处理。

依据本发明的一种基于VSC并网光伏、储能电站机电暂态建模方法，包括：

(1)通过造作人员的基本要求和参数输入，识别电压源换流器VSC的并网控制模式和各控制环节的基本参数；

(2)通过输入参数确定直流侧发电设备的类型和拓扑结构，利用数据接口方法将直流侧设备和电压源换流器VSC组合在一起形成电站总体模型结构；

(3)利用潮流计算结果和输入的基本参数完成电站模型的初始化过程；

(4)进入暂态计算迭代过程，根据网络方程：

I＝YU

计算电网状态量，其中I为各动态元件注入电流，Y为网架导纳矩阵，U为各节点电压；

(5)将电网侧的相关状态量作为输入量和上一次迭代的直流侧设备的输出一起计入电压源换流器VSC中，利用数值计算方法和电压源换流器VSC的机电暂态模型计算装置的并网注入电流；

(6)利用数据接口方法，将步骤(5)中计算得到的电压源换流器VSC直流侧的信息传递给直流侧发电设备，根据设备的机电暂态模型计算光伏电池、储能电池或光伏+储能电池组的输出功率和电流；

(7)判断机电暂态仿真迭代过程是否收敛，若是，则进入步骤(7)；若否，则回到步骤(3)

(8)判断计算是够达到截止时间，若是，则结束；若否，开始下一步迭代，回到步骤(4)。

其中，所述步骤(5)进一步包括：

(5-1)电压源换流器VSC外环控制部分的机电暂态仿真

根据并网VSC的外特性和外环控制策略，将VSC分为电压源并网模式和电流源并网模式；当电网发生扰动或故障时，上述两种并网模式将使基于VSC并网的电力设备表现出不同的响应；

电压源换流器VSC的并网控制模式通过不同的控制环节和控制目标实现，将不同控制模式的模型通过控制环节之间组合与一定的选择标志组合在一起，使模型能够通过参数的调整和部分标志的选择快速方便地实现VSC并网控制模式之间的切换，同时能够准确反映各控制模式下的VSC外特性，具体包括以下两种控制模型：

(A)有功类外环控制模型

首先，根据直流侧电气设备的性能选择有功类外环控制模型的控制目标，然后模型将自动选择两种控制框图的一种：第一种控制框图以非功率信号为控制目标，通过设定参考值和实测值的偏差信号，然后通过PI控制形成主控环节，再考虑测量环节、校正环节和输出延迟环节，得到输出值，即电流控制内环的有功电流输入值；第二种控制框图以功率信号为控制目标，并网点电压为输入量，用功率信号除以电压值作为主控环节，再考虑测量环节和延迟环节，得到输出值，即电流控制内环的有功电流输入值；

(B)无功类外环控制模型

首先，根据工程需要选择无功类外环控制模型的控制目标，然后模型将自动选择两种控制框图的一种：第一种控制框图以电压为控制目标，通过电压参考值和实测值的偏差信号，然后通过PI控制形成主控环节，再考虑测量环节、校正环节和输出延迟环节，得到输出值，即电流控制内环无功电流的输入值；第二种控制框图以功率信号为控制目标，并网点电压为输入量，用功率信号除以电压值作为主控环节，再考虑测量环节和延迟环节，得到输出值，即电流控制内环无功电流的输入值；

(5-2)电压源换流器VSC内环控制和电力电子装置的机电暂态仿真

VSC内环控制采用电流环的控制模式，通过VSC的并网电流实际值和目标值之间的偏差信号，与电力电子装置之间实现控制器设计与物理装置的优化组合，计算VSC的并网电流值，最后并入步骤(4)的机电暂态求解的网络方程I＝YU。

其中，步骤(6)进一步包括：

(6-1)光伏阵列的机电暂态模型

光伏阵列模型可表示为一数学方程式组，如下：

$I_L=I_{sc}\[1-A_1(\exp \frac{V}{A_2{V}_{oc}}-1)\]---(3-1)$

$A_1=(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\exp (-\frac{V_m}{A_2{V}_{oc}})---\left(3-2\right)$

$A_2=(\frac{V_m}{V_{oc}}-1){\[ln(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\]}^{-1}---\left(3-3\right)$

其中，I_L为光伏阵列的输出电流，V为光伏阵列的输出电压，I_sc为光伏阵列的短路电流、V_oc为光伏阵列的开路电压、I_m为光伏阵列的最大功率点的负载电流、V_m为光伏阵列的最大功率点的负载电压。A₁、A₂为中间数值变量，无具体物理意义；

(6-2)储能电池组的机电暂态模型

储能电池组的机电暂态模型表示为下面的数学方程式组：

U_BE＝E₀-I_BER_b-U_C      (3-4)

$R_{r}C\frac{{\mathrm{dU}}_C}{dt}=I_{BE}{R}_r-U_C---(3-5)$

其中，U_BE、I_BE分别为储能电池组的端电压、端电流，E₀为储能电池组的额定电压或静置电压，R_b为储能电池组的固有欧姆电阻，R_r为储能电池组的极化电阻，U_C为电容电压，C为储能电池组的暂态极化等效电容值。

其中，所述的方法实现其中步骤(2)和步骤(6)中的电压源换流器VSC与光伏阵列、储能电池组之间数据接口的方法，其包括：

(4-1)根据网络方程：

I＝YU

计算电网状态量，其中I为各动态元件注入电流，Y为网架导纳矩阵，U为各节点电压；

(4-2)将电网侧信息和直流侧发电设备信息一起计入VSC电压源换流器中，利用数值计算方法和VSC的机电暂态模型计算得到电网的接口数据，并网注入电流；

(4-3)将计算得到的VSC直流侧的信息数据传递给直流侧发电设备，根据实际设备拓扑结构的机电暂态模型计算光伏电池、储能电池或光伏+储能电池组的输出功率和电流，完成直流侧的一次计算。

本发明的有益效果是：

光伏电站、储能电站在其并网运行过程中将对系统潮流、无功电压、系统稳定性、电能质量等造成影响。随着国内并网光伏电站规模越来越大，储能电站应用越来越多，迫切需要开展光伏电站、储能电站对电力系统运行的影响问题研究，确保它们并网后电网的可靠运行和对其本身的最优利用。光伏电站、储能电站的建模奠定了开展这些研究的基础，为开展光伏电站的并网分析提供了研究工具，是整个研究工作的前提条件。

本方法将VSC电压源换流器、光伏阵列、储能电池组等进行分别建模，通过建立VSC电压源换流器与其它设备之间的数据接口和拓扑结构，可直接形成光伏电站、储能电站模型，以及更多的装置模型结构(如直流侧光伏+储能结构)。这很大程度上减轻了建模方法上的复杂性，并增加了此建模方法的可扩展性，对于节省计算资源、增加计算效率有重要的意义。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了VSC有功类外环控制模型。

图2示出了VSC无功类外环控制模型。

图3示出了简化VSC内环控制和电力电子装置机电暂态模型。

图4示出了考虑前馈解耦的VSC内环控制和电力电子装置机电暂态模型。

图5示出了储能电池组机电暂态模型。

图6示出了VSC与光伏阵列、储能电池组之间的数据接口处理示意图。

图7示出了风光储电站示意图。

图8(a)-(c)示出了依据本发明的方法的仿真结果图。

具体实施方式

在某典型的风光储电站应用了本发明的建模方法。光伏电站、储能电站均属于风光储电站的一部分。单台机组容量为光伏1MW/台，储能1MW/台。图7示出了风光储电站示意图，表1示出了光伏电站、储能电站主要参数。

表1 光伏电站、储能电站主要参数

故障设置：送端至受端的Ι回线路1s时在受端变压器侧发生三相金属性短路故障，1.08s跳开线路故障侧，1.1s跳开线路非故障侧。仿真结果如图8(a)-(c)所示。

由图8可以看出，故障发生后由于送端侧电压迅速跌落，导致光伏电站和储能电站在故障期间的功率无法送出(如图8(a)所示)，只能通过自身设备和控制系统来吸收这一部分不平衡功率。光伏电站故障期间的不平衡功率只能由其直流侧的电容吸收，由于电容的储能作用很小，不平衡功率直接导致直流侧电压的迅速上升，如图8(b)所示。但光伏电站的并网功率主要由换流器的控制特性决定，当故障消失和电压恢复后，换流器可以在很短的时间内将光伏电站的并网功率恢复到故障前水平。储能电站故障期间由于功率无法输出，电池组的输出电压会上升到接近静置电压的水平，电流会出现大幅降低，如图8(c)所示，因此，光伏电站、储能电站事故后的响应曲线都符合其运行特性，证明了本专利建模方法的正确性。

缩略语和关键术语定义：

VSC：英文全名Voltage Source Converter,称电压源换流器。通过使用全控型电力电子器件，在保证直流侧电压不变的基础上，利用改变直流侧电流方向和大小实现交流——直流转换的电气设备。

光伏电站：又称太阳能光伏电站，是指通过太阳能光伏电池阵列将太阳能辐射能转换为电能的发电站。

电池储能电站：利用高能量密度的蓄电池(如钠硫电池、锂电池等)作为储能元件，根据电网实际需求将电能与电池化学能相互转换的电站。

本发明的方法在全国电力系统广泛应用的电力系统分析软件包中PSD-BPA暂态稳定程序中得到了实现，其实现流程如下：

(1)识别VSC电压源换流器的并网控制模式；

(2)确定直流侧发电设备的类型和拓扑结构，如光伏阵列，储能电池组，光伏+储能电池组等，完成初始化过程；

(3)根据网络方程计算电网状态量，如电压、电流等；

(4)将电网侧的相关状态量作为输入量和上一次迭代的直流侧设备(光伏阵列、储能电池等)的输出(如输出功率、电流等)一起计入VSC电压源换流器中，利用数值计算方法和电压源换流器VSC的机电暂态模型计算装置的并网注入电流；

(5)将步骤(4)中计算得到的VSC直流侧的信息传递给直流侧发电设备，如光伏电池、储能电池等，根据2.2.1中设备的机电暂态模型计算光伏电池、储能电池或其它发电设备新的相关状态量，如输出功率、电流等。

(6)判断机电暂态仿真迭代过程是否收敛。若是，则进入步骤(6)；若否，则回到步骤(3)

(7)判断计算是够达到截止时间。若是，则结束；若否，开始下一步迭代，回到步骤(4)。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (4)

1.一种基于VSC并网光伏、储能电站机电暂态建模方法，其特征在于包括：

(1)通过操作人员的基本要求和参数输入，识别电压源换流器VSC的并网控制模式和控制环节的基本参数；

(2)通过输入参数确定直流侧发电设备的类型和拓扑结构，利用数据接口方法将直流侧设备和电压源换流器VSC组合在一起形成电站总体模型结构；

(3)利用潮流计算结果和输入的基本参数完成电站模型的初始化过程；

(4)进入暂态计算迭代过程，根据网络方程：

I＝YU

计算电网状态量，其中I为各动态元件注入电流，Y为网架导纳矩阵，U为各节点电压；

(5)将电网侧的相关状态量作为输入量和上一次迭代的直流侧设备的输出一起计入电压源换流器VSC中，利用数值计算方法和电压源换流器VSC的机电暂态模型计算装置的并网注入电流；

(6)利用数据接口方法，将步骤(5)中计算得到的电压源换流器VSC直流侧的信息传递给直流侧发电设备，根据设备的机电暂态模型计算光伏电池、储能电池或光伏+储能电池组的输出功率和电流；

(7)判断机电暂态仿真迭代过程是否收敛，若是，则进入步骤(8)；若否，则回到步骤(4)；

(8)判断计算是够达到截止时间，若是，则结束；若否，开始下一步迭代，回到步骤(4)。

2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于所述步骤(5)进一步包括：

(5-1)电压源换流器VSC外环控制部分的机电暂态仿真

具体包括以下两种控制模型：

(A)有功类外环控制模型

首先，根据直流侧电气设备的性能选择有功类外环控制模型的控制目标，然后模型将自动选择两种控制框图的一种：第一种控制框图以非功率信号为控制目标，通过设定参考值和实测值的偏差信号，然后通过PI控制形成主控环节，再通过测量环节、校正环节和输出延迟环节，得到输出值，即电流控制内环的有功电流输入值；第二种控制框图以功率信号为控制目标，并网点电压为输入量，用功率信号除以电压值作为主控环节，再通过测量环节和延迟环节，得到输出值，即电流控制内环的有功电流输入值；

(B)无功类外环控制模型

首先，根据工程需要选择无功类外环控制模型的控制目标，然后模型将自动选择两种控制框图的一种：第一种控制框图以电压为控制目标，通过电压参考值和实测值的偏差信号，然后通过PI控制形成主控环节，再通过测量环节、校正环节和输出延迟环节，得到输出值，即电流控制内环无功电流的输入值；第二种控制框图以功率信号为控制目标，并网点电压为输入量，用功率信号除以电压值作为主控环节，再通过测量环节和延迟环节，得到输出值，即电流控制内环无功电流的输入值；

(5-2)电压源换流器VSC内环控制和电力电子装置的机电暂态仿真

VSC内环控制采用电流环的控制模式，通过VSC的并网电流实际值和目标值之间的偏差信号，与电力电子装置之间实现控制器设计与物理装置的优化组合，计算VSC的并网电流值，最后并入步骤(4)的机电暂态求解的网络方程I＝YU。

3.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于步骤(6)进一步包括：

(6-1)光伏阵列的机电暂态模型

光伏阵列模型可表示为一数学方程式组，如下：

$I_L-I_{sc}\[1-A_1(\exp \frac{V}{A_2{V}_{oc}}-1)\]---(3-1)$

$A_1=(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\exp (-\frac{V_m}{A_2{V}_{oc}})---(3-2)$

$A_2=(\frac{V_m}{V_{oc}}-1){\[ln(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\]}^{-1}---(3-3)$

其中，I_L为光伏阵列的输出电流，V为光伏阵列的输出电压，I_sc为光伏阵列的短路电流、V_oc为光伏阵列的开路电压、I_m为光伏阵列的最大功率点的负载电流、V_m为光伏阵列的最大功率点的负载电压、A₁、A₂为中间数值变量，无具体物理意义；

(6-2)储能电池组的机电暂态模型

储能电池组的机电暂态模型表示为下面的数学方程式组：

U_BE＝E₀-I_BER_b-U_C   (3-4)

$R_{r}C\frac{{\mathrm{dU}}_C}{dt}=I_{BE}{R}_r-U_C---(3-5)$

其中，U_BE、I_BE分别为储能电池组的端电压、端电流，E₀为储能电池组的额定电压或静置电压，R_b为储能电池组的固有欧姆电阻，R_r为储能电池组的极化电阻，U_C为电容电压，C为储能电池组的暂态极化等效电容值。

4.如权利要求1所述的建模方法，实现电压源换流器VSC与光伏阵列、储能电池组之间数据接口的方法，其特征在于包括：

(4-1)根据网络方程：

I＝YU

计算电网状态量，其中I为各动态元件注入电流，Y为网架导纳矩阵，U为各节点电压；

(4-2)将电网侧信息和直流侧发电设备信息一起计入VSC电压源换流器中，利用数值计算方法和VSC的机电暂态模型计算得到电网的接口数据，并网注入电流；

(4-3)将计算得到的VSC直流侧的信息数据传递给直流侧发电设备，根据实际设备拓扑结构的机电暂态模型计算光伏电池、储能电池或光伏+储能电池组的输出功率和电流，完成直流侧的一次计算。