CN102437571B - 一种风光储的模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光储的模拟系统，该系统基于风力发电、光伏发电以及储能系统的功率输出特性，利用变流系统来模拟风光储发电系统，系统由上层管理模块、风力发电模拟模块、光伏发电模拟模块、储能模拟模块和模拟配电网络模块五部分组成。风光模拟模块可以根据设定的环境参数模拟风电场和光伏电站的功率潮流，储能模拟模块采用一组反接的变流器进行模拟，既可以模拟蓄电池充放电特性，也可以接受上层管理模块的指令，根据实际需要发送或吸收有功无功功率，以平抑模拟配电网模块的电压或频率波动。本发明利用逆变器建立物理模型，很好地解决了风光储联合发电研究无法在实验室物理系统实现的瓶颈问题。

Description

一种风光储的模拟系统

技术领域

本发明属于电力电子变流技术和计算机控制技术相结合的风力发电、光伏发电、储能系统互补发电系统领域，具体涉及一种风光储的模拟系统。

背景技术

分布式电源及储能装置等新能源设备大量接入，是“低碳”经济发展模式下配网发展的必然之路，我国配电网建设相对落后，配网的发展进程与其需求相比存在较大的差距。当前的配电网络，无论在一次结构还是二次监控等方面，对上述新能源设备的接入还缺乏系统的考虑，基本不具备相关技术条件或缺少技术手段全面评估上述新设备大规模接入对电网的影响。为此，有必要尽快体系化地开展新能源设备仿真技术研究，为解决未来配电网的发展提供技术支撑系统。

新能源系统建模技术在基于DIgSILENT、EMTDC等软件系统上进行建模的方法已经比较成熟。中国专利CN2723723公布了风、光、柴互补系统控制逆变一体机。该发明采用可充电蓄电池作为储能装置的风光互补系统，光伏发电系统发出的电能通过最大功率跟踪后，经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，风力发电系统产生的电能通过整流以后经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，蓄电池充电控制回路根据预设的电池温度不断调整充电的截止电压。蓄电池和直流母线连接，蓄电池通过逆变器给负载提供交流电力，当直流母线电压低于预设值时，启动柴油机备用电源，这时逆变器处于整流工作模式，柴油机的一部分电力通过整流以后给蓄电池充电，当母线电压恢复到预设值后，切断备用电源，逆变器处于逆变工作状态，由蓄电池向负载供电。系统的运行情况由中央处理单元进行实时检测和控制。在日本专利2002-325368公布的风光互补系统电池充电装置中，为了给蓄电池充放电，该专利提出了利用超级电容器作为储能装置的设计方法。风力发电与光伏发电通过不控整流装置给超级电容器组充电，超级电容器组通过DC/DC降压变换器给蓄电池负载充电，该发明中的风力发电机组和光伏发电的输出量是不可控的，不能进行最大功率跟踪。中国专利CN101286655公布了基于超级电容器储能的风力发电、光伏发电互补供电系统；该发明用于风光互补供电系统的超级电容器储能装置，提出因风光条件的改变而导致母线电压波动提供功率缓冲，以维持母线电压稳定，并可以在系统发电不足或出现故障情况下提供短时能量支撑，以保障移动油机或其他外部供电系统顺利启动供电。

以上几项发明在构建风光互补系统方面各有特点，但主要体现在储能系统的储能介质和充放电控制方面的方法不同，共同的不足是无法用其发明的系统在实验室灵活的模拟各种状态开展新设备大规模接入对电网的各种研究。

发明内容

本发明的目的是通过对光伏发电、风力发电、储能设备等模块的建模方法进行优化设计，构建贴近实际的风光储物理模拟系统，研究多类型新能源系统物理模拟集成技术，为风光储设备端口特性的研究、技术规范的制定等提供仿真研究系统，为深入研究新能源接入对系统的影响提供技术支持。

本发明提供一种风光储的模拟系统，包括：

风力发电模拟模块，该模块用于模拟风电场发出功率潮流；

光伏发电模拟模块，该模块用于模拟光伏电站发出功率潮流；

储能模拟模块，该模块用于平抑配电网系统电压或频率波动；

模拟配电网络模块，该模块用以模拟实际配电网络；

上层管理模块，该模块用于实现能量调度及监控；即上层管理模块预测风电场发电功率和太阳能电池组件发电功率，并将功率曲线下发给风力发电模拟模块和光伏发电模拟模块；上层管理模块还检测模拟配电网络模块的电压、频率和功率，对储能系统模拟系统进行调度。

所述风力发电模拟模块包括第一DC/AC逆变器、第一升压变压器、第一不控整流直流电源和风力发电模拟系统控制系统；

第一不控整流直流电源给第一DC/AC逆变器提供直流电，经第一DC/AC逆变器输出的交流电通过第一升压变压器升压，风力发电模拟系统控制系统控制第一DC/AC逆变器的功率输出。

其中第一不控整流直流电源为第一DC/AC逆变器提供稳定的直流侧电压；第一DC/AC逆变器单向输出110V交流电压，输出功率波动曲线由上层管理模块根据气象条件预测值大小指令给定；风力发电模拟系统控制系统根据上层管理模块的指令，对逆变器输出的有功和无功功率进行独立控制，使其严格按照风电场发电功率曲线进行调节；第一升压变压器在模块中起隔离和升压作用，第一升压变压器输出电压并入配电网，从而模拟风力发电系统的发电特性。

所述光伏发电模拟模块包括第二DC/AC逆变器、第二升压变压器、第二不控整流直流电源和光伏发电模拟系统控制系统；

第二不控整流直流电源给第二DC/AC逆变器提供直流电，经第二DC/AC逆变器输出的交流电通过第二升压变压器升压，光伏发电模拟系统控制系统控制第二DC/AC逆变器的功率输出。

其中第二不控整流直流电源为第二DC/AC逆变器提供稳定的直流侧电压；第二DC/AC逆变器单向输出110V交流电压，输出功率波动曲线由上层管理模块根据气象条件预测值大小指令给定；光伏发电模拟系统控制系统根据上层管理模块的指令，对逆变器输出的有功和无功功率进行独立控制，使其严格按照风电场发电功率曲线进行调节；第二升压变压器在模块中起隔离和升压作用，第二升压变压器输出电压并入配电网，从而模拟光伏发电系统的发电特性。

所述储能模拟模块主要包括模拟蓄电池单元、储能逆变单元；模拟蓄电池单元由第三DC/AC逆变器，第一隔离变压器和第一控制及驱动单元组成，第三DC/AC逆变器输出通过第一隔离变压器并入市电网，第一控制及驱动单元控制第三DC/AC逆变器；储能逆变单元由第四DC/AC逆变器、第二隔离变压器和第二控制及驱动单元组成，第四DC/AC逆变器输出通过第二隔离变压器并入配电网，第二控制及驱动单元控制第四DC/AC逆变器；

所述第三DC/AC逆变器与第四DC/AC逆变器反接。

其中第一控制及驱动单元接收上层管理模块的调度，可以模拟实际中蓄电池的充放电特性。功第二控制及驱动单元接收上层管理模块调度，可以实现能量的双向流动，从而平抑模拟电网的电压频率波动。

所述模拟配电网络模块包括无穷大电源组或动模机组。

其中模拟配电网络模块中无穷大电源组或动模机组可以通过上层管理模块进行切换，两种电源可以模拟实际电网中的无穷大电网和弱电网。当采用无穷大电网时，表示风、光等新能源发电容量所占比重较低，对电网的冲击能力有限，一般负载的投切也不会引起电压和频率的波动，储能系统只是起到蓄能和短期的功率平抑作用。但用动模机组作为配电网电源时，新能源并网接入和负载的投切都会引起配电网潮流波动，表现为配电网的电压和频率波动，其自身恢复能力有限且时间较长，会严重影响电网的电能质量，此时储能模拟模块将起到平抑电网电压和频率波动的作用。

所述储能模拟模块在检测到PCC点潮流变化或接收上层管理模块指令时，启动对模拟蓄电池单元的充放电。

本发明具有如下优点：

(1)能够实现能量的双向流动，平抑模拟电网的电压与频率，。

(2)为风光储设备端口特性的研究、技术规范的制定等提供仿真研究平台，为深入研究新能源接入对系统的影响提供技术支持。

附图说明：

图1是本发明风光储系统物理模型集成示意图。

图2是本发明风力发电系统模拟系统示意图。

图3是本发明光伏发电系统模拟系统示意图。

图4是本发明储能模拟模块示意图。

图5是本发明储能模拟模块模拟蓄电池充电特性。

图6是本发明储能模拟模块模拟蓄电池放电特性。

图7是本发明储能模拟模块控制策略实现框图。

图8（a)是本发明在不带储能系统时投入电力负荷时的系统电压电流波形图。

图8（b)是本发明在不带储能系统时投入电力负荷时的系统频率变化曲线。

图9（a)是本发明在带储能系统时投入电力负荷时的系统电压电流波形图。

图9（b)是本发明在带储能系统时投入电力负荷时的系统频率变化曲线。

具体实施方式

下面说明结合说明书附图进行分析。

如图1所示：本发明包括风力发电模拟模块10、光伏发电模拟模块20、储能模拟模块、模拟配电网络模块50、上层管理模块60。其中：

风力发电模拟模块10，该模块用于模拟风电场发出功率潮流；

光伏发电模拟模块20，该模块用于模拟光伏电站发出功率潮流；

储能模拟模块，该模块用于平抑配电网系统电压或频率波动；

模拟配电网络模块50，该模块用以模拟实际配电网络；

上层管理模块60，该模块用于实现能量调度及监控；即上层管理模块60预测风电场发电功率和太阳能电池组件发电功率，并将功率曲线下发给风力发电模拟模块10和光伏发电模拟模块20；上层管理模块60还检测模拟配电网络模块50的电压、频率和功率，对储能系统模拟系统进行调度。

如图2所示：风力发电模拟模块10包括第一DC/AC逆变器101、第一升压变压器102、第一不控整流直流电源103和风力发电模拟系统控制系统104；

第一不控整流直流电源103给第一DC/AC逆变器101提供直流电，经第一DC/AC逆变器101输出的交流电通过第一升压变压器102升压，风力发电模拟系统控制系统104控制第一DC/AC逆变器101的功率输出。

其中第一不控整流直流电源103为第一DC/AC逆变器101提供稳定的直流侧电压；第一DC/AC逆变器101单向输出110V交流电压，输出功率波动曲线由上层管理模块60根据气象条件预测值大小指令给定；风力发电模拟系统控制系统104根据上层管理模块60的指令，对逆变器输出的有功和无功功率进行独立控制，使其严格按照风电场发电功率曲线进行调节；第一升压变压器102的变比为1：4，在模块中起隔离和升压作用，第一升压变压器102输出电压并入配电网，从而模拟风力发电系统的发电特性。

风力发电模拟模块的功率输出是采用风电场的历史风速作为输入数据，则可根据系统辨识的原理建立风电场的出力预测模型。采用国际IEA组织推荐的比恩法（Bins Method）得到典型的风频曲线。

设某风电场的风速序列（v1、v2、…、vN）服从双参数Weibull分布，则其累积概率函数为：

$F\left(v\right)=p(x<v)=1-\exp [-{\left(\frac{v}{C}\right)}^K]---\left(1\right)$

式中，v为给定风速；K为形状参数；C为尺度参数。

可以根据风机制造商的功率特性曲线或直接利用下面的公式推算出特定风速下所对应的风机有功出力：

式中，v_r、P_r是风轮机的额定风速和额定功率；v_ci、v_co是风轮机的切入和切出风速。常系数a、b分别为：

$a=\frac{P_r{v}_{\mathrm{ci}}}{v_{\mathrm{ci}}-v_r},b=\frac{P_r}{v_r-v_{\mathrm{ci}}}---\left(3\right)$

亦可在v_ci<v<v_r区间采用二次曲线模型，具体如下：

式中系数A、B、C的计算如下：

$A=\frac{1}{{(v_{\mathrm{ci}}-v_r)}^2}[v_{\mathrm{ci}}(v_{\mathrm{ci}}+v_r)-4\left(v_{\mathrm{ci}}{v}_r\right){\left(\frac{v_{\mathrm{ci}}+v_r}{2v_r}\right)}^3]---\left(5\right)$

$B=\frac{1}{{(v_{\mathrm{ci}}-v_r)}^2}[4(v_{\mathrm{ci}}+v_r){\left(\frac{v_{\mathrm{ci}}+v_r}{2v_r}\right)}^3-(3v_{\mathrm{ci}}+v_r)]---\left(6\right)$

$C=\frac{1}{{(v_{\mathrm{ci}}-v_r)}^2}[2-4{\left(\frac{v_{\mathrm{ci}}+v_r}{2v_r}\right)}^3]---\left(7\right)$

如图3所示：光伏发电模拟模块20包括第二DC/AC逆变器201、第二升压变压器202、第二不控整流直流电源203和光伏发电模拟系统控制系统204；

第二不控整流直流电源203给第二DC/AC逆变器201提供直流电，经第二DC/AC逆变器201输出的交流电通过第二升压变压器202升压，光伏发电模拟系统控制系统204控制第二DC/AC逆变器201的功率输出。

其中第二不控整流直流电源203为第二DC/AC逆变器201提供稳定的直流侧电压；第二DC/AC逆变器201单向输出110V交流电压，输出功率波动曲线由上层管理模块60根据气象条件预测值大小指令给定；光伏发电模拟系统控制系统204根据上层管理模块60的指令，对逆变器输出的有功和无功功率进行独立控制，使其严格按照风电场发电功率曲线进行调节；第二升压变压器202的变比为1：4，在模块中起隔离和升压作用，第二升压变压器202输出电压并入配电网，从而模拟光伏发电系统的发电特性。

光伏发电模拟模块20输出并网的功率同样取决于光伏组件及其日照等气象条件，并在一定的最大功率跟踪等控制策略下实现最大能量的输出。光伏发电输出功率单位面积的光伏电源发电量预测可以采用P_s＝ηSI(1-(t₀-25))，式中，η为光伏电源转换效率；S为光伏电源的面积；I为光照强度；t₀为环境温度。

光照强度、发电量和温度的数值差异很大，因此，为了更好的体现出三者之间的关系，对它们进行归一化处理，使数据位于[0,1]之间。归一化公式为：

$P^{*}\left(t\right)=\frac{p\left(t\right)-p_{\min }\left(t\right)}{p_{\max }\left(t\right)-p_{\min }\left(t\right)}---\left(8\right)$

式中，p(t)表示t时刻数据；p_min(t)和p_max(t)表示t时刻数据的最小值和最大值；p^*(t)为归一化后的数据。

如图3所示：储能模拟模块主要包括模拟蓄电池单元30、储能逆变单元40；模拟蓄电池单元30由第三DC/AC逆变器301，第一隔离变压器302和第一控制及驱动单元303组成，第三DC/AC逆变器301输出通过第一隔离变压器302并入市电网，第一控制及驱动单元303控制第三DC/AC逆变器301；储能逆变单元40由第四DC/AC逆变器401、第二隔离变压器402和第二控制及驱动单元403组成，第四DC/AC逆变器401输出通过第二隔离变压器402并入配电网，第二控制及驱动单元403控制第四DC/AC逆变器401；

第三DC/AC逆变器301与第四DC/AC逆变器401反接。

其中第一控制及驱动单元303接收上层管理模块60的调度，可以模拟实际中蓄电池的充放电特性。第二控制及驱动单元403接收上层管理模块60调度，可以实现能量的双向流动，从而平抑模拟电网的电压频率波动。

模拟太阳能光伏阵列的模型并预测其一天的输出功率，一般的做法是将此系统分为2个模型：太阳辐射模型和光伏系统逆变模型。光伏电池接收到的太阳能辐射量包括直接辐射、扩散辐射和球体辐射，即

E_o＝E_bc+E_d+E_gr

式中：E_o是光伏电池板斜面接收的所有太阳能辐射量；E_bc是光线直接照射的辐射部分(direct beam contribution)；E_d是扩散(天空中散射的)能量(diffuseenergy)；E_gr是地表反射的能量(ground reflectenergy)。在气候情况变化很小、地区不变的情况下，上式的E_bc、E_d均能由直接正常太阳辐射E_dn(direct normalradiation)线性表示；而E_gr又是E_dn和扩散水平辐射量E_dh(diffuse horizontalradiation)的函数。则E_o是E_dn和E_dh的函数。所以，可以通过对E_dn和E_dh的建模来研究E_o的变化规律。通过马尔科夫链的模拟完成太阳能辐射在研究时段的预测后，就可以将生成的太阳辐射量代入光伏系统逆变模型。

图5、图6分别是本发明储能模拟模块模拟蓄电池充电特性与本发明储能模拟模块模拟蓄电池放电特性。

本发明储能模拟模块配电网侧逆变器的控制策略如图7所示，DC/AC逆变器可以实现两种控制方式，即主动控制方式和接受上层能量管理系统调度工作方式。在主动检测工作模式下，可以采用典型的三环控结构，即电网电压/频率外环、有功/无功中环和电流内环。通过检测PCC点电压、频率状态达到期望的稳定电压u^*和频率f^*，控制系统采用具体方式是：首先检测PCC点实际的u和f与给定的电压u^*和频率f^*相比较并经PI调节控制后，产生有功、无功的给定量，再与瞬时反馈的有功、无功相比较以实现功率的控制，经PI调制后分别得到内环电流的有功分量给定和无功分量经PI调制后经过同步旋转坐标（q、d）变换后，得到相应的q轴及d轴分量，再经过空间矢量调制即得到逆变器PWM驱动的调制波信号。以实现对电网电压和频率进行快速补偿。

本发明的实验波形如图8和图9所示，图8示出未接入储能模拟模块时，模拟配电网络模块投入电阻负载后输出线电压、相电流波形以及频率变化曲线。图8（a）示出，投入电阻负载后，系统输出电压开始下降，600ms后下降至780V左右不再变化。图8（b）示出模拟微电网频率随着电阻接入也逐渐变化，由50Hz最低降至43.86Hz，之后又上升至45.5Hz后便不再变化。图9（a）和图9（b）分别示出接入储能装置后，模拟配电网投切6KW电阻负载时电网端电压、相电流波形以及频率变化曲线，与图8未接入储能装置时投入电阻负载电压波形以及频率变化曲线对比可见，加入储能系统后，可以明显地平抑投切负载对模拟配电网电压和频率的影响。

本发明提供了可以采用计算机系统与电力电子变换装置相结合的物理建模仿真系统，可以低成本、高精度、灵活、快捷的仿真任何地区、任何机型和组件构成的风光储系统实现方案和控制策略，很好地解决了风光储联合发电研究无法在实验室物理系统实现的瓶颈问题。

Claims (4)

1.一种风光储的模拟系统，其特征在于包括：

风力发电模拟模块（10），该模块用于模拟风电场发出功率潮流；

光伏发电模拟模块（20），该模块用于模拟光伏电站发出功率潮流；

储能模拟模块，该模块用于平抑配电网系统电压或频率波动；

模拟配电网络模块（50），该模块用以模拟实际配电网络；

上层管理模块（60），该模块实现能量调度、监控；

所述风力发电模拟模块（10）包括第一DC/AC逆变器（101）、第一升压变压器（102）、第一不控整流直流电源（103）和风力发电模拟系统控制系统（104）；

第一不控整流直流电源（103）给第一DC/AC逆变器（101）提供直流电，经第一DC/AC逆变器（101）输出的交流电通过第一升压变压器（102）升压，风力发电模拟系统控制系统（104）控制第一DC/AC逆变器（101）的功率输出。

2.根据权利要求1所述风光储的模拟系统，其特征在于所述光伏发电模拟模块（20）包括第二DC/AC逆变器（201）、第二升压变压器（202）、第二不控整流直流电源（203）和光伏发电模拟系统控制系统（204）；

第二不控整流直流电源（203）给第二DC/AC逆变器（201）提供直流电，经第二DC/AC逆变器（201）输出的交流电通过第二升压变压器（202）升压，光伏发电模拟系统控制系统（204）控制第二DC/AC逆变器（201）的功率输出。

3.根据权利要求1所述风光储的模拟系统，其特征在于所述储能模拟模块主要包括模拟蓄电池单元（30）、储能逆变单元（40）；模拟蓄电池单元（30）由第三DC/AC逆变器（301），第一隔离变压器（302）和第一控制及驱动单元（303）组成，第三DC/AC逆变器（301）输出通过第一隔离变压器（302）并入市电网，第一控制及驱动单元（303）控制第三DC/AC逆变器（301）；储能逆变单元（40）由第四DC/AC逆变器（401）、第二隔离变压器（402）和第二控制及驱动单元（403）组成，第四DC/AC逆变器（401）输出通过第二隔离变压器（402）并入配电网，第二控制及驱动单元（403）控制第四DC/AC逆变器（401）；

所述第三DC/AC逆变器（301）与第四DC/AC逆变器（401）反接。

4.根据权利要求1所述风光储的模拟系统，其特征在于所述模拟配电网络模块（50）包括无穷大电源组或动模机组。