CN103124080A - 一种光伏发电系统模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏发电系统模型的建模方法，包括以下步骤：选取并计算光伏发电系统计算基值，且将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值；进行光伏发电系统暂态初值计算；建立光伏方阵模型；建立并网光伏逆变器模型。该建模方法为针对光伏发电系统正序分量建模，可扩展为包含正序、负序分量的建模方法，且模型应用于光伏接入电网的暂态稳定分析计算，为光伏接入电网规划设计及其与电网交互影响关系的研究提供基础模型平台支持。

Description

一种光伏发电系统模型的建模方法

技术领域

本发明属于电力系统分析计算领域，具体涉及一种用于光伏接入电网暂态计算的光伏发电系统模型的建模方法。

背景技术

光伏发电具有间歇性、波动性、随机性的特点，大规模的光伏接入给电网安全稳定分析、调度控制、系统电压调节和安全保护配置等带来了新的挑战。研究并网光伏系统建模方法，建立精度和可信度满足光伏并网安全稳定运行分析的并网光伏模型，为光伏接入电网规划设计及其与电网交互影响关系的研究提供基础模型平台支持，具有十分重要的意义。

电力系统机电暂态仿真主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能，需要联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以获得物理量的时域解。电力系统常规设备已有较为完善的机电暂态仿真模型，而以电力电子设备为核心的光伏发电系统作为规模不断增加的新能源接入电网，其对应电力系统机电暂态仿真的模型尚未成熟。

目前，有的光伏发电系统模型建立了包含光伏电池、包含电力电子器件的逆变器详细模型，该方法适用于设备研发，而对于电力系统机电暂态分析则过于详细。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于光伏接入电网暂态计算的光伏发电系统模型的建模方法，该方法为针对光伏发电系统正序分量建模，可扩展为包含正序、负序分量的建模方法，且模型应用于光伏接入电网的暂态稳定分析计算，为光伏接入电网规划设计及其与电网交互影响关系的研究提供基础模型平台支持。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种光伏发电系统模型的建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选取并计算光伏发电系统计算基值，且将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值；

步骤2：进行光伏发电系统暂态初值计算；

步骤3：建立光伏方阵模型；

步骤4：建立并网光伏逆变器模型。

所述光伏发电系统模型包括光伏方阵模型和并网光伏逆变器模型。

所述步骤1中，光伏发电系统计算基值包括功率基值、电压基值和电流基值；所述功率基值包括交流侧功率基值

和直流侧功率基值

所述电压基值包括直流侧电压基值和交流侧电压基值

所述电流基值包括交流侧电压基值

和直流侧电流基值

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：选取光伏发电系统的额定容量S_n为功率基值，即

选取光伏发电系统并网点线电压正序分量为交流侧电压基值

则光伏发电系统的交流侧电流基值为 $I_{\tilde{B}}=\frac{S_n}{\sqrt{3}{V}_{\tilde{B}}};$

步骤1-2：选取标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电压U_m为直流侧电压基值即其中，标准测试环境指太阳辐照度S_ref=1000W/m²，环境温度T_ref=25℃；则光伏发电系统的直流侧电流基值为

其中，I_m为标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电流；

步骤1-3：定义交流侧电压基值和直流侧电压基值关系：有

且 $I_{\stackrel{\‾}{B}}=I_{\tilde{B}};$

步骤1-4：将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值，其中，所述电网潮流计算标幺值包括电网电压标幺值、电网电流标幺值和电网功率标幺值，所述光伏发电系统计算标幺值包括光伏发电系统电压标幺值、光伏发电系统电流标幺值和光伏发电系统功率标幺值。

所述步骤1-4包括以下步骤：

A)将电网电流标幺值折算成光伏发电系统电流标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出电流计算电网电流有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电流有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统电流标幺值；

B)将电网功率标幺值折算成光伏发电系统功率标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出有功功率和光伏发电系统输出无功功率计算电网有功功率有名值和电网无功功率有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电网有功功率有名值和电网无功功率有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统有功功率标幺值和光伏发电系统无功功率标幺值。

所述步骤2中，光伏发电系统暂态初值包括太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0、电流有功分量初值I_d0、电流无功分量初值I_q0；根据所述光伏发电系统输出有功功率计算太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0，根据光伏发电系统输出无功功率计算电流无功分量初值I_q0。

以下计算均为标幺值计算，无特殊注明字母均表示各电气量标幺值。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：计算太阳辐照度初值S₀；

光伏发电系统输出有功功率为光伏逆变器输出有功功率P₀，光伏逆变器的转换效率为η，则光伏方阵输出功率为P₀/η；其次，设定光伏方阵环境温度初值T₀为标准测试环境条件下环境温度T_ref，即T₀=T_ref，光伏方阵工作在最大功率点位置；

则有：

$\frac{P_0}{\mathrm{\η}}=U_{m0}\·I_{m0}$

$=[U_m\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))\·c(T_0-T_{\mathrm{ref}})]\·[I_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T_0-T_{\mathrm{ref}}))]$

(1)

$=U_m{I}_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

$=S_n\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

其中，I_m0为光伏方阵最大功率点电流初值，U_m0为光伏方阵最大功率点电压初值，光伏发电系统的额定容量S_n=U_mI_m，S_ref为标准测试环境条件下太阳辐照度，a、b和c分别为光伏方阵模型系数；e是自然常数；

步骤2-2：计算光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0；

光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0表示为

U_dc0=U_m·ln(e+b(S₀-S_ref))·c(T₀-T_ref)    (2)

电流有功分量初值I_d0表示为

$I_{d0}=\frac{P_0}{V_{G0}}---\left(3\right)$

其中，V_G0为光伏发电系统交流侧电压初值；

步骤2-3：计算电流无功分量初值I_q0；

$I_{q0}=-\frac{Q_0}{V_{G0}}---\left(4\right)$

其中，Q₀为光伏发电系统无功功率初值。

所述步骤3中，根据光伏方阵当前工作的太阳辐照度S和环境温度T建立光伏方阵模型，为并网光伏逆变器提供直流参考电压和输入电流；

$I_{\mathrm{array}}=I_{\mathrm{sc}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T-T_{\mathrm{ref}}))[1-\mathrm{\α}(\exp \left(\mathrm{\β}\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{oc}}(1-c(T-T_{\mathrm{ref}}))\ln (e+b(S-S_{\mathrm{ref}}))}\right)-1)]---\left(5\right)$

其中，I_array为光伏方阵输出电流；S、T分别为光伏方阵当前工作的太阳辐照度和环境温度；I_sc和U_oc分别为标准测试环境条件下光伏方阵的短路电流和开路电压；U_dc为光伏方阵与并网光伏逆变器的接口电压，其由并网光伏逆变器控制；参数α、β定义如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={\left(\frac{I_{\mathrm{sc}}-I_m}{I_{\mathrm{sc}}}\right)}^{\frac{U_{\mathrm{oc}}}{U_{\mathrm{oc}}-U_m}}\\ \mathrm{\β}=\ln \left(\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)\end{array}\right.---\left(6\right).$

所述步骤4中，建立并网光伏逆变器主电路模型和并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型的并网光伏逆变器模型，作为光伏发电系统与电网的接口。

所述步骤4包括如下步骤：

步骤4-1：在同步旋转坐标系下，定义电网电压d轴分量和q轴分量：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Gd}}=V_G\\ V_{\mathrm{Gq}}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，V_G为电网电压矢量；V_Gd和V_Gq分别为电网电压矢量的d轴分量和电网电压矢量的q轴分量；

步骤4-2：在同步旋转坐标系下，建立并网光伏逆变器主电路模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=u_d-V_{\mathrm{Gd}}+{\mathrm{\ωLi}}_q\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=u_q-V_{\mathrm{Gq}}-{\mathrm{\ωLi}}_d\\ C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=I_{\mathrm{array}}-I_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，i_d和i_q分别为并网光伏逆变器输出电流d轴分量和q轴分量；u_d和u_q分别为并网光伏逆变器桥臂输出电压d轴分量和q轴分量；I_dc为并网光伏逆变器逆变桥输入电流；C和L分别为并网光伏逆变器直流滤波电容和交流滤波电感；ω为电网角频率；

步骤4-3：建立并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=(k_{p\_\mathrm{id}}+\frac{k_{i\_\mathrm{id}}}{s})[(k_{p\_p}+\frac{k_{i\_p}}{s})(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}})-i_d]+V_{\mathrm{Gd}}-{\mathrm{\ωLi}}_q\\ u_q=(k_{p\_\mathrm{iq}}+\frac{k_{i\_\mathrm{iq}}}{s})[(k_{p\_q}+\frac{k_{i\_q}}{s})(Q_{\mathrm{ref}}-Q)-i_q]+V_{\mathrm{Gq}}+{\mathrm{\ωLi}}_d\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，U_{dc_ref}和Q_ref分别为并网光伏逆变器控制器有功控制目标和无功控制目标，且U_{dc_ref}=U_m；Q为光伏发电系统的无功功率；k_{p_id}和k_{i_id}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_p}和k_{i_p}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制外环调节比例系数和积分系数；k_{p_iq}和k_{i_iq}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_q}和k_{i_q}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制外环调节比例系数和积分系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）该发明以电网暂态稳定性分析的时间尺度建立光伏发电系统的模型，忽略电力电子器件的快速开关特征，简化模型的同时能客观反映光伏发电系统的暂态响应特性；

2）该本发明将光伏发电系统的直流侧与交流侧标幺值统一折算，系统参数易调整，便于计算；

3）本发明将并网光伏逆变器的功率部分与控制器环节看成整体处理建模，忽略了采样、信号处理等环节，模型的分析计算更能突出分析重点；

4）本建模方法可普遍应用于光伏发电系统接入电网暂态分析计算，具有普遍适用性。

附图说明

图1是光伏发电系统结构图；

图2是并网光伏逆变器模型示意图；

图3是本发明实施例中仿真电网模型示意图；

图4是光伏发电系统辐照度变化时引起的I_array、U_dc、光伏发电系统的有功功率P和无功功率Q示意图；

图5是光伏发电系统送出线路功率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种适用于光伏接入电网暂态计算的光伏发电系统建模方法，该建模方法在研究构成光伏发电系统的光伏电池、逆变器等设备电气特性的基础上，根据电网暂态计算的需求，提出光伏发电系统的建模方法。该建模方法以潮流计算结果计算光伏发电系统暂态计算的辐照度初值；将光伏发电系统的直流侧与交流侧、功率部分与控制部分集合为一个整体，按照电网暂态计算的精度要求对光伏发电系统模型进行适当的简化，建立适用于光伏并网安全稳定分析计算的光伏发电系统暂态模型，为光伏接入电网规划设计及其与电网交互影响关系的研究提供基础模型平台支持。

提供一种光伏发电系统模型的建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选取并计算光伏发电系统计算基值，且将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值；

步骤2：进行光伏发电系统暂态初值计算；

步骤3：建立光伏方阵模型；

步骤4：建立并网光伏逆变器模型。

如图1，所述光伏发电系统模型包括光伏方阵模型和并网光伏逆变器模型。

所述步骤1中，光伏发电系统计算基值包括功率基值、电压基值和电流基值；所述功率基值包括交流侧功率基值

和直流侧功率基值所述电压基值包括直流侧电压基值

和交流侧电压基值

所述电流基值包括交流侧电压基值

和直流侧电流基值

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：选取光伏发电系统的额定容量S_n为功率基值，即

选取光伏发电系统并网点线电压正序分量为交流侧电压基值

则光伏发电系统的交流侧电流基值为 $I_{\tilde{B}}=\frac{S_n}{\sqrt{3}{V}_{\tilde{B}}};$

步骤1-2：选取标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电压U_m为直流侧电压基值即

其中，标准测试环境指太阳辐照度S_ref=1000W/m²，环境温度T_ref=25℃；则光伏发电系统的直流侧电流基值为其中，I_m为标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电流；

步骤1-3：定义交流侧电压基值

和直流侧电压基值

关系：有

且 $I_{\stackrel{\‾}{B}}=I_{\tilde{B}};$

步骤1-4：将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值，其中，所述电网潮流计算标幺值包括电网电压标幺值、电网电流标幺值和电网功率标幺值，所述光伏发电系统计算标幺值包括光伏发电系统电压标幺值、光伏发电系统电流标幺值和光伏发电系统功率标幺值。

所述步骤1-4包括以下步骤：

A)将电网电流标幺值折算成光伏发电系统电流标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出电流计算电网电流有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电流有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统电流标幺值；

B)将电网功率标幺值折算成光伏发电系统功率标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出有功功率和光伏发电系统输出无功功率计算电网有功功率有名值和电网无功功率有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电网有功功率有名值和电网无功功率有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统有功功率标幺值和光伏发电系统无功功率标幺值。

所述步骤2中，光伏发电系统暂态初值包括太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0、电流有功分量初值I_d0、电流无功分量初值I_q0；根据所述光伏发电系统输出有功功率计算太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0，根据光伏发电系统输出无功功率计算电流无功分量初值I_q0。

以下计算均为标幺值计算，无特殊注明字母均表示各电气量标幺值。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：计算太阳辐照度初值S₀；

光伏发电系统输出有功功率为光伏逆变器输出有功功率P₀，光伏逆变器的转换效率为η，则光伏方阵输出功率为P₀/η；其次，设定光伏方阵环境温度初值T₀为标准测试环境条件下环境温度T_ref，即T₀=T_ref，光伏方阵工作在最大功率点位置；

则有：

$\frac{P_0}{\mathrm{\η}}=U_{m0}\·I_{m0}$

$=[U_m\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))\·c(T_0-T_{\mathrm{ref}})]\·[I_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T_0-T_{\mathrm{ref}}))]$

(1)

$=U_m{I}_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

$=S_n\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

其中，I_m0为光伏方阵最大功率点电流初值，U_m0为光伏方阵最大功率点电压初值，光伏发电系统的额定容量S_n=U_mI_m，S_ref为标准测试环境条件下太阳辐照度，a、b和c分别为光伏方阵模型系数，a、b和c典型推荐值为0.0025、0.0005、0.00288；e是自然常数；

步骤2-2：计算光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0；

光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0表示为

U_dc0=U_m·ln(e+b(S₀-S_ref))·c(T₀-T_ref)    (2)

电流有功分量初值I_d0表示为

$I_{d0}=\frac{P_0}{V_{G0}}---\left(3\right)$

其中，V_G0为光伏发电系统交流侧电压初值；

步骤2-3：计算电流无功分量初值I_q0；

$I_{q0}=-\frac{Q_0}{V_{G0}}---\left(4\right)$

其中，Q₀为光伏发电系统无功功率初值。

所述步骤3中，根据光伏方阵当前工作的太阳辐照度S和环境温度T建立光伏方阵模型，为并网光伏逆变器提供直流参考电压和输入电流；

$I_{\mathrm{array}}=I_{\mathrm{sc}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T-T_{\mathrm{ref}}))[1-\mathrm{\α}(\exp \left(\mathrm{\β}\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{oc}}(1-c(T-T_{\mathrm{ref}}))\ln (e+b(S-S_{\mathrm{ref}}))}\right)-1)]---\left(5\right)$

其中，I_array为光伏方阵输出电流；S、T分别为光伏方阵当前工作的太阳辐照度和环境温度；I_sc和U_oc分别为标准测试环境条件下光伏方阵的短路电流和开路电压；U_dc为光伏方阵与并网光伏逆变器的接口电压，其由并网光伏逆变器控制；参数α、β定义如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={\left(\frac{I_{\mathrm{sc}}-I_m}{I_{\mathrm{sc}}}\right)}^{\frac{U_{\mathrm{oc}}}{U_{\mathrm{oc}}-U_m}}\\ \mathrm{\β}=\ln \left(\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)\end{array}\right.---\left(6\right).$

如图2，建立并网光伏逆变器主电路模型和并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型的并网光伏逆变器模型，作为光伏发电系统与电网的接口；

所述步骤4包括如下步骤：

步骤4-1：在同步旋转坐标系下，定义电网电压d轴分量和q轴分量：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Gd}}=V_G\\ V_{\mathrm{Gq}}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，V_G为电网电压矢量；V_Gd和V_Gq分别为电网电压矢量的d轴分量和电网电压矢量的q轴分量；

步骤4-2：在同步旋转坐标系下，建立并网光伏逆变器主电路模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=u_d-V_{\mathrm{Gd}}+{\mathrm{\ωLi}}_q\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=u_q-V_{\mathrm{Gq}}-{\mathrm{\ωLi}}_d\\ C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=I_{\mathrm{array}}-I_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，i_d和i_q分别为并网光伏逆变器输出电流d轴分量和q轴分量；u_d和u_q分别为并网光伏逆变器桥臂输出电压d轴分量和q轴分量；I_dc为并网光伏逆变器逆变桥输入电流；C和L分别为并网光伏逆变器直流滤波电容和交流滤波电感；ω为电网角频率；

步骤4-3：建立并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=(k_{p\_\mathrm{id}}+\frac{k_{i\_\mathrm{id}}}{s})[(k_{p\_p}+\frac{k_{i\_p}}{s})(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}})-i_d]+V_{\mathrm{Gd}}-{\mathrm{\ωLi}}_q\\ u_q=(k_{p\_\mathrm{iq}}+\frac{k_{i\_\mathrm{iq}}}{s})[(k_{p\_q}+\frac{k_{i\_q}}{s})(Q_{\mathrm{ref}}-Q)-i_q]+V_{\mathrm{Gq}}+{\mathrm{\ωLi}}_d\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，U_{dc_ref}和Q_ref分别为并网光伏逆变器控制器有功控制目标和无功控制目标，且U_{dc_ref}=U_m；Q为光伏发电系统的无功功率；k_{p_id}和k_{i_id}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_p}和k_{i_p}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制外环调节比例系数和积分系数；k_{p_iq}和k_{i_iq}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_q}和k_{i_q}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制外环调节比例系数和积分系数。

以实际某光伏发电系统接入电网为例，利用PSASP仿真平台，建立光伏发电系统模型，研究光伏接入后对电网稳定性的影响。光伏发电系统接入实际区域电网的情况如附图3所示。其中光伏电站1的建模过程如下：

1）光伏电站1的参数配置如表1：

表1

2）含光伏发电系统的区域电网潮流计算，光伏电站1的潮流计算结果：P₀=20MW，Q₀=0MVar。

3）根据光伏电池模型计算P₀对应的太阳辐照度初值S₀，以及此时的光伏逆变器直流侧电压U_dc0、i_d0、i_q0。

4）根据U_dc0计算光伏电池输出电流、功率。

5）根据辐照度S₀计算光伏逆变器d轴参考电压U_{dc_ref}，Q₀为q轴参考无功功率Q_ref。

6）光伏逆变器计算结果i_d、i_q分别为光伏发电系统输出电流的d、q轴分量，输送到电网。

附图3的某实际电网的其他光伏发电系统建模过程同上。光伏发电系统的出力水平随光照强度的变化而变化。设光伏发电系统初始辐照度为1000W/m²的条件下，1s时辐照度跃变为400W/m²，4s时辐照度又跃变为1000W/m²，即辐照度变化曲线如附图4所示。光伏电站电流、电压、有功、无功变化曲线如附图5所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：选取并计算光伏发电系统计算基值，且将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值；

步骤2：进行光伏发电系统暂态初值计算；

步骤3：建立光伏方阵模型；

步骤4：建立并网光伏逆变器模型。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述光伏发电系统模型包括光伏方阵模型和并网光伏逆变器模型。

3.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤1中，光伏发电系统计算基值包括功率基值、电压基值和电流基值；所述功率基值包括交流侧功率基值

和直流侧功率基值

所述电压基值包括直流侧电压基值和交流侧电压基值

所述电流基值包括交流侧电压基值和直流侧电流基值

4.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：选取光伏发电系统的额定容量Sn为功率基值，即

选取光伏发电系统并网点线电压正序分量为交流侧电压基值

则光伏发电系统的交流侧电流基值为 $I_{\tilde{B}}=\frac{S_n}{\sqrt{3}{V}_{\tilde{B}}};$

步骤1-2：选取标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电压U_m为直流侧电压基值

即

其中，标准测试环境指太阳辐照度S_ref=1000W/m²，环境温度T_ref=25℃；则光伏发电系统的直流侧电流基值为

其中，I_m为标准测试环境条件下光伏方阵最大功率点电流；

步骤1-3：定义交流侧电压基值

和直流侧电压基值

关系：有

且 $I_{\stackrel{\‾}{B}}=I_{\tilde{B}};$

步骤1-4：将电网潮流计算标幺值折算为光伏发电系统计算标幺值，其中，所述电网潮流计算标幺值包括电网电压标幺值、电网电流标幺值和电网功率标幺值，所述光伏发电系统计算标幺值包括光伏发电系统电压标幺值、光伏发电系统电流标幺值和光伏发电系统功率标幺值。

5.根据权利要求4所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤1-4包括以下步骤：

A)将电网电流标幺值折算成光伏发电系统电流标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出电流计算电网电流有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电流有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统电流标幺值；

B)将电网功率标幺值折算成光伏发电系统功率标幺值；通过电网潮流计算结果得到的光伏发电系统输出有功功率和光伏发电系统输出无功功率计算电网有功功率有名值和电网无功功率有名值，再根据选取的光伏发电系统基值，将电网有功功率有名值和电网无功功率有名值折算为以光伏发电系统基值为准的光伏发电系统有功功率标幺值和光伏发电系统无功功率标幺值。

6.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2中，光伏发电系统暂态初值包括太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0、电流有功分量初值I_d0、电流无功分量初值I_q0；根据所述光伏发电系统输出有功功率计算太阳辐照度初值S₀、光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0，根据光伏发电系统输出无功功率计算电流无功分量初值I_q0。

7.根据权利要求6所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：计算太阳辐照度初值S₀；

光伏发电系统输出有功功率为光伏逆变器输出有功功率P₀，光伏逆变器的转换效率为η，则光伏方阵输出功率为P₀/η；其次，设定光伏方阵环境温度初值T₀为标准测试环境条件下环境温度T_ref，即T₀=T_ref，光伏方阵工作在最大功率点位置；

则有：

$\frac{P_0}{\mathrm{\η}}=U_{m0}\·I_{m0}$

$=[U_m\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))\·c(T_0-T_{\mathrm{ref}})]\·[I_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T_0-T_{\mathrm{ref}}))]$

(1)

$=U_m{I}_m\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

$=S_n\·\frac{S_0}{S_{\mathrm{ref}}}\·\ln (e+b(S_0-S_{\mathrm{ref}}))$

其中，I_m0为光伏方阵最大功率点电流初值，U_m0为光伏方阵最大功率点电压初值，光伏发电系统的额定容量S_n=U_mI_m，S_ref为标准测试环境条件下太阳辐照度，a、b、c分别为光伏方阵模型系数，e是自然常数；

步骤2-2：计算光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0和电流有功分量初值I_d0；

光伏发电系统直流侧电压初值U_dc0表示为

U_dc0=U_m·ln(e+b(S₀-S_ref))·c(T₀-T_ref)    (2)

电流有功分量初值_Id0表示为

$I_{d0}=\frac{P_0}{V_{G0}}---\left(3\right)$

其中，V_G0为光伏发电系统交流侧电压初值；

步骤2-3：计算电流无功分量初值I_q0；

$I_{q0}=-\frac{Q_0}{V_{G0}}---\left(4\right)$

其中，Q₀为光伏发电系统无功功率初值。

8.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤3中，根据光伏方阵当前工作的太阳辐照度S和环境温度T建立光伏方阵模型，为并网光伏逆变器提供直流参考电压和输入电流；

$I_{\mathrm{array}}=I_{\mathrm{sc}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+a(T-T_{\mathrm{ref}}))[1-\mathrm{\α}(\exp \left(\mathrm{\β}\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{oc}}(1-c(T-T_{\mathrm{ref}}))\ln (e+b(S-S_{\mathrm{ref}}))}\right)-1)]---\left(5\right)$

其中，I_array为光伏方阵输出电流；S、T分别为光伏方阵当前工作的太阳辐照度和环境温度；I_sc和U_oc分别为标准测试环境条件下光伏方阵的短路电流和开路电压；U_dc为光伏方阵与并网光伏逆变器的接口电压，其由并网光伏逆变器控制；参数α、β定义如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={\left(\frac{I_{\mathrm{sc}}-I_m}{I_{\mathrm{sc}}}\right)}^{\frac{U_{\mathrm{oc}}}{U_{\mathrm{oc}}-U_m}}\\ \mathrm{\β}=\ln \left(\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}\right)\end{array}\right.---\left(6\right).$

9.根据权利要求1所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤4中，建立并网光伏逆变器主电路模型和并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型的并网光伏逆变器模型，作为光伏发电系统与电网的接口。

10.根据权利要求9所述的光伏发电系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：

步骤4-1：在同步旋转坐标系下，定义电网电压d轴分量和q轴分量：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Gd}}=V_G\\ V_{\mathrm{Gq}}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，V_G为电网电压矢量；V_Gd和V_Gq分别为电网电压矢量的d轴分量和电网电压矢量的q轴分量；

步骤4-2：在同步旋转坐标系下，建立并网光伏逆变器主电路模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=u_d-V_{\mathrm{Gd}}+{\mathrm{\ωLi}}_q\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=u_q-V_{\mathrm{Gq}}-{\mathrm{\ωLi}}_d\\ C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=I_{\mathrm{array}}-I_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，i_d和i_q分别为并网光伏逆变器输出电流d轴分量和q轴分量；u_d和u_q分别为并网光伏逆变器桥臂输出电压d轴分量和q轴分量；I_dc为并网光伏逆变器逆变桥输入电流；C和L分别为并网光伏逆变器直流滤波电容和交流滤波电感；ω为电网角频率；

步骤4-3：建立并网光伏逆变器U_dc-Q双环控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=(k_{p\_\mathrm{id}}+\frac{k_{i\_\mathrm{id}}}{s})[(k_{p\_p}+\frac{k_{i\_p}}{s})(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}})-i_d]+V_{\mathrm{Gd}}-{\mathrm{\ωLi}}_q\\ u_q=(k_{p\_\mathrm{iq}}+\frac{k_{i\_\mathrm{iq}}}{s})[(k_{p\_q}+\frac{k_{i\_q}}{s})(Q_{\mathrm{ref}}-Q)-i_q]+V_{\mathrm{Gq}}+{\mathrm{\ωLi}}_d\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，U_{dc_ref}和Q_ref分别为并网光伏逆变器控制器有功控制目标和无功控制目标，且U_{dc_ref}=U_m；Q为光伏发电系统的无功功率；k_{p_id}和k_{i_id}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_p}和k_{i_p}分别为并网光伏逆变器控制器有功控制外环调节比例系数和积分系数；k_{p_iq}和k_{i_iq}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制内环调节比例系数和积分系数；k_{p_q}和k_{i_q}分别为并网光伏逆变器控制器无功控制外环调节比例系数和积分系数。

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