CN103825297B - 基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统及方法，该系统包括依次连接的光伏电站运行信息提取单元、等值逆变器控制方程建立单元以及等值参数计算单元；其方法为：首先光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取所有待等值光伏发电单元中光伏阵列与逆变器的运行信息和参数，用于后续计算；然后等值逆变器控制方程建立单元在等值目标的基础上建立等值逆变器的控制方程；最后等值参数计算单元基于等值逆变器目标方程及控制方程，计算等值发电单元的参数，从而得到一个光伏电站的等值发电单元电磁暂态模型；本发明系统及方法为大规模光伏发电电磁暂态数值仿真计算及其接入电力系统对现有继电保护的影响研究提供基础条件。

Description

基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统及方法

技术领域

本发明涉及光伏电站等值建模技术领域，具体涉及一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统及方法。

背景技术

当今世界各国尤其是发达国家十分重视光伏发电技术，在法规政策和光伏发电技术创新的推动下，光伏产业一直保持迅猛发展的趋势。最近10年全球光伏发电产业的平均年增长率为30%，近5年的年平均增长率为40%，10来全球太阳能电池产业规模扩大了35倍。国际能源机构数据显示，近几年来全球光伏电池与组件的产量始终保持快速增长，2007年，全球电池产量约3.4GW，其中前10大电池商产量约占总产量的66%。

中国光伏发电产业于上世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。到2005年底，中国光伏电池总产量超过250MW，光伏组件总产量超过400MW。

光伏发电系统可以离网型和并网型。在过去，由于生产成本较高，太阳能发电只能在偏远无法通电的地区，且大多数是小型或中型的离网系统，随着社会的发展和科技的进步，光伏发电已经由偏远地区逐步向并网光伏发电和光伏智能建筑快速发展。与离网型电站相比，光伏电站并入大电网有诸多好处。首先，不必考虑对负载供电的稳定性和电能质量问题；其次，光伏电池可以始终运行于最大功率点处，由大电网来接纳光伏电站所发出的全部电能，提高光伏发电的效率；最后，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，同时免除蓄电池的运行与维护费用和废旧蓄电池带来的间接污染。

随着并网投运的光伏电站逐渐增多，光伏系统的整体建模工作与并网特性分析就显得尤为重要。相比于方法已相当成熟的电力系统电磁暂态和机电暂态分析，针对风能、太阳能等新能源接入电网引起的电网特性问题的分析还有待进一步完善。目前光伏电站普遍采用容量为0.5MW的逆变器，大型光伏电站内通常含有数十个逆变器；若搭建每个逆变器的详细模型来构成光伏电站模型，则该模型将十分庞大且占用太多的计算资源。因此，建立完整准确的光伏发电单元模型，在此基础上精确地研究其内部暂态过程，分析其并网特性及对继电保护动作特性的影响，具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有光伏电站模型庞大繁杂的缺点，本发明的目的在于提供一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统及方法，为大规模光伏发电电磁暂态数值仿真计算及其接入电力系统对现有继电保护的影响研究提供基础条件。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统，包括依次连接的光伏电站运行信息提取单元、等值逆变器控制方程建立单元以及等值参数计算单元；所述光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取光伏电站内部所有光伏发电单元的运行信息和参数；所述等值逆变器控制方程建立单元在等值目标方程的基础上建立等值逆变器的控制方程；所述等值参数计算单元计算等值发电单元的参数，以此实现以一个等值发电单元等值一个光伏电站的目的。

上述所述的光伏电站等值建模系统的建模方法，包括如下步骤：

步骤一：光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取所有待等值光伏发电单元中光伏阵列与逆变器的运行信息和参数，用于后续计算；

步骤二：建模前，进行如下假设：1）光伏电站的各个光伏发电单元的所有参数分别相等；2）光伏电站的各个光伏发电单元在同一时刻发送的功率一致，则等值后的等值发电单元满足等值目标方程(1)：

式中，U_等值为等值后的等值发电单元的输出电压；U为被等值的光伏电站的输出电压；I_等值为等值后的等值发电单元的输出电流；I为被等值的光伏电站的输出电流；n为被等值的光伏电站中光伏发电单元个数；I₁为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的输出电流；I_inv1为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的逆变器输出电流；

所述等值逆变器控制方程建立单元是在等值目标方程的基础上建立等值逆变器的控制方程(4)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫(i_{\mathrm{pv}}^{\′}-i_{\mathrm{dc}}^{\′})\mathrm{dt}=U_{\mathrm{DC}}^{\′}\\ (U_{\mathrm{DC}}^{\′}-U_{\mathrm{DCref}}^{\′})({k1}^{\′}+\frac{{k2}^{\′}}{S})=i_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{dref}}^{\′}-i_d^{\′})({k3}^{\′}+\frac{{k4}^{\′}}{S})+E_d^{\′}-\mathrm{\ω}{L}^{\′}{i}_q^{\′}=U_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{qref}}^{\′}-i_q^{\′})({k3}^{\′}+\frac{{k4}^{\′}}{S})+\mathrm{\ω}{L}^{\′}{i}_d^{\′}=U_{\mathrm{qref}}^{\′}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：C'为等值发电单元的直流电容值；i'_pv为等值发电单元中光伏阵列输出电流；i'_dc为等值逆变器的输入电流；U'_DC、U'_DCref分别为等值发电单元的直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；k'₁、k'₂分别为等值发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k'₃、k'₄分别为等值发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i'_d、i'_q、i'_dref、i'_qref分别为等值发电单元的经过坐标系变换后的等值逆变器输出电流及其参考值；E'_d为等值发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L'为等值发电单元的电抗器电感值；U'_dref、U'_qref为等值发电单元的经坐标系变换后的等值逆变器输出电压参考值；

步骤三：所述等值参数计算单元计算包含n个光伏发电单元的光伏电站的等值发电单元中等值光伏阵列、等值逆变器、等值逆变器的控制器和等值升压变的结构及参数如下：

1）等值光伏阵列：

等值后的等值发电单元的等值光伏阵列组件特性与被等值的光伏阵列组件特性一致，等值光伏阵列组件串联个数与被等值的光伏阵列组件串联个数相等，等值光伏阵列组件并联个数等于被等值的光伏电站中所有光伏阵列组件并联个数之和；

2）等值逆变器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器结构一致，等值逆变器结构参数中所有阻抗为被等值的光伏发电单元中逆变器对应阻抗的倍；

等值后的等值发电单元中等值逆变器的参数如式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pv}}^{\′}={2\mathrm{ni}}_{\mathrm{pv}}\\ C^{\′}=2\mathrm{nC}\\ L^{\′}=\frac{1}{2n}L\\ k_1^{\′}={2\mathrm{nk}}_1\\ k_2^{\′}={2\mathrm{nk}}_2\\ k_3^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_3\\ k_4^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_4\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，i_pv为光伏发电单元的光伏阵列输出电流；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；C为光伏发电单元的直流电容值；L为光伏发电单元的电抗器电感值；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；其中上标“'”表示等值后的参数；

3）等值逆变器的控制器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器的控制器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器的控制器结构一致，控制参数一致，其中电流反馈信号先乘后再反馈到等值后的等值逆变器的控制器；

将式(5)带入方程(4)中得到等值后的变换后的等值逆变器的控制方程如(6)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫(i_{\mathrm{pv}}^{\′}-i_{\mathrm{dc}}^{\′})\mathrm{dt}=U_{\mathrm{DC}}^{\′}\\ (U_{\mathrm{DC}}^{\′}-U_{\mathrm{DCref}}^{\′})(k1+\frac{k2}{S})=i_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{dref}}^{\′}-\frac{i_d^{\′}}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+E_d^{\′}-\mathrm{\ω}L\frac{i_d^{\′}}{n}=U_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (\frac{i_{\mathrm{qref}}^{\′}}{2n}-\frac{i_q^{\′}}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+\mathrm{\ωL}\frac{i_d^{\′}}{n}=U_{\mathrm{qref}}^{\′}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：C'为等值发电单元的直流电容值；i'_pv为等值发电单元中光伏阵列输出电流；i'_dc为等值逆变器的输入电流；U'_DC、U'_DCref分别为等值发电单元的直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i'_d、i'_q、i'_dref、i'_qref分别为等值发电单元的经过坐标系变换后的等值逆变器输出电流及其参考值；E'_d为等值发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L'为等值发电单元的电抗器电感值；U'_dref、U'_qref为等值发电单元的经坐标系变换后的等值逆变器输出电压参考值;

4）等值升压变：

等值后的等值发电单元的等值升压变容量为被等值的光伏发电单元中升压变容量的n倍，相对阻抗参数不变。

与现有的光伏电站建模方式相比，本发明具有如下优点：

1、本发明利用逆变器控制方程变换将一个光伏电站等值为一个等值发电单元，需要的信息量少、过程简单、易于实现。

2、本发明利用基于逆变器控制方程变换的等值建模方法，可以对不同规模的光伏电站进行等值建模，等值建模方法适用性强，避免了传统光伏电站建模繁杂庞大的缺点。

3、本发明为大规模光伏发电电磁暂态数值仿真计算及其接入电力系统对现有继电保护的影响研究提供基础条件。

附图说明

图1为本发明等值建模系统框图。

图2为光伏电站结构图。

图3为光伏电站等值结构图。

图4为光伏发电单元并网逆变器及其控制器结构框图。

图5为内环电流控制逻辑图。

图6为光伏电站详细模型和本文提出等值模型的稳态仿真结果对比图，其中图6a为10台逆变器的输出有功功率曲线图，图6b为光伏电站详细模型与等值模型的输出有功功率曲线图，图6c为光伏电站详细模型与等值模型中并网点A相电压曲线图，图6d为光伏电站详细模型与等值模型中并网点A相电流曲线图。

图7为光伏电站详细模型和本文提出等值模型在三相对称故障下仿真结果对比图，其中图7a、图7b、图7c分别为光伏电站详细模型和等值模型在三相对称故障时并网点A相、B相与C相电压曲线图，图7d、图7e、图7f分别为光伏电站详细模型和等值模型在三相对称故障时并网点A相、B相与C相电流曲线图。

图8为光伏电站详细模型和本文提出等值模型在相间短路故障下仿真结果对比图，其中图8a、图8b、图8c分别为光伏电站详细模型和等值模型在两相不对称故障时并网点A相、B相与C相电压曲线图，图8d、图8e、图8f分别为光伏电站详细模型和等值模型在两相不对称故障时并网点A相、B相与C相电流曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统，包括依次连接的光伏电站运行信息提取单元、等值逆变器控制方程建立单元以及等值参数计算单元；所述光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取光伏电站内部所有光伏发电单元的运行状态信息；所述等值逆变器控制方程建立单元在等值目标方程的基础上建立等值逆变器控制方程；所述等值参数计算单元计算等值发电单元的参数，以此实现以一个等值发电单元等值一个光伏电站的目的。

下面以在PSCAD/EMTDC软件平台上建立的包含5个光伏发电单元的光伏电站的等值过程为例说明本发明的具体实施步骤。

光伏电站详细模型如图2所示，该模型包含5个光伏发电单元，共有10台逆变器。按照本发明所述的等值建模方法搭建该光伏电站的等值模型，比较详细模型和等值模型在相同条件下的仿真结果，包括如下步骤：

步骤一：提取光伏发电单元运行信息和参数

光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取所有待等值光伏发电单元中光伏阵列与逆变器的运行信息和参数，用于后续计算。10台逆变器编号为1～10号，参数及运行信息如表1所示（光照强度为535W/m²发电率为50.3%）。

表1

步骤二：建立等值逆变器控制方程

由表1可以看出10台逆变器的平均输出电流为546A，并且除去个别逆变器，其余逆变器的输出电流波动在平均值的上下10%以内。可以近似认为在同一时刻该光伏电站内部所有的逆变器运行状态一致。即满足等值假设条件：1）光伏电站的各个光伏发电单元的所有参数分别相等；2）光伏电站的各个光伏发电单元在同一时刻发送的功率一致。

不管外部电网状态如何，光伏电站内各个发电单元输出相同的电流，则可用图3所示的一个等值发电单元来表示图2所示的光伏电站，则等值后的等值发电单元满足等值目标方程(1)：

式中，U_等值为等值后的等值发电单元的输出电压；U为被等值的光伏电站的输出电压；I_等值为等值后的等值发电单元的输出电流；I为被等值的光伏电站的输出电流；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；I₁为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的输出电流；I_inv1为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的逆变器输出电流。

由(1)可得，等值后的等值逆变器的目标方程如式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pv}}^{\′}={2\mathrm{ni}}_{\mathrm{pv}}\\ i_{\mathrm{dc}}^{\′}={2\mathrm{ni}}_{\mathrm{dc}}\\ i_d^{\′}={2\mathrm{ni}}_d\\ i_q^{\′}={\mathrm{ni}}_q\\ U_{\mathrm{DC}}^{\′}=U_{\mathrm{DC}}\\ U_{\mathrm{dref}}^{\′}=U_{\mathrm{dref}}\\ U_{\mathrm{qref}}^{\′}=U_{\mathrm{qref}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：i_pv为光伏发电单元的光伏阵列输出电流；i_dc为光伏发电单元的逆变器输入电流；i_d、i_q为光伏发电单元的经过坐标系变换后的逆变器输出电流；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；U_DC为光伏发电单元直流电容电压；U_dref、U_qref为光伏发电单元的经坐标系变换后的逆变器输出电压参考值；其中上标“'”表示等值后的参数；

由图4和图5可得到被等值的光伏发电单元中逆变器的控制方程(3)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C}\∫(i_{\mathrm{pv}}-i_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}=U_{\mathrm{DC}}\\ (U_{\mathrm{DC}}-U_{\mathrm{DCref}})(k1+\frac{k2}{S})=i_{\mathrm{dref}}\\ (i_{\mathrm{dref}}-i_d)(k3+\frac{k4}{S})+E_d-\mathrm{\ω}L{i}_q=U_{\mathrm{dref}}\\ (i_{\mathrm{qref}}-i_q)(k3+\frac{k4}{S})+\mathrm{\ω}L{i}_d=U_{\mathrm{qref}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，C为光伏发电单元的直流电容值；i_pv为光伏发电单元的光伏阵列输出电流；i_dc为光伏发电单元的逆变器输入电流；U_DC、U_DCref分别为光伏发电单元直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i_d、i_q、i_dref、i_qref分别为光伏发电单元的经过坐标系变换后的逆变器输出电流及其参考值；E_d为光伏发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L为光伏发电单元的电抗器电感值；U_dref、U_qref为光伏发电单元的经坐标系变换后的逆变器输出电压参考值。U_dref、U_qref经旋转变换后得到a、b、c三相的调制信号，调制信号与U_DC共同决定了逆变器的内电势。内电势、电网电压和并网电抗器的阻抗决定了逆变器的输出电流i_a、i_b、i_c并经旋转变换得到i_d、i_q反馈到控制。

让等值逆变器与光伏发电单元中的逆变器结构一致，参照控制方程(3)可以写出等值逆变器的控制方程，其中上标“ˋ”表示等值后参数。则等值后的等值发电单元中等值逆变器的控制方程如式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫(i_{\mathrm{pv}}^{\′}-i_{\mathrm{dc}}^{\′})\mathrm{dt}=U_{\mathrm{DC}}^{\′}\\ (U_{\mathrm{DC}}^{\′}-U_{\mathrm{DCref}}^{\′})({k1}^{\′}+\frac{{k2}^{\′}}{S})=i_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{dref}}^{\′}-i_d^{\′})({k3}^{\′}+\frac{{k4}^{\′}}{S})+E_d^{\′}-\mathrm{\ω}{L}^{\′}{i}_q^{\′}=U_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{qref}}^{\′}-i_q^{\′})({k3}^{\′}+\frac{{k4}^{\′}}{S})+\mathrm{\ω}{L}^{\′}{i}_d^{\′}=U_{\mathrm{qref}}^{\′}\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤三：等值发电单元参数计算

联立求解方程(2)、(3)、(4)可以得到包含n个光伏发电单元的光伏电站的等值后的等值发电单元中等值逆变器参数(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pv}}^{\′}={2\mathrm{ni}}_{\mathrm{pv}}\\ C^{\′}=2\mathrm{nC}\\ L^{\′}=\frac{1}{2n}L\\ k_1^{\′}={2\mathrm{nk}}_1\\ k_2^{\′}={2\mathrm{nk}}_2\\ k_3^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_3\\ k_4^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_4\end{array}\right.---\left(5\right)$

将求解得到的等值逆变器的参数即(5)带入等值逆变器的控制方程即(4)中，可得等值后的等值逆变器的控制方程如(6)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫(i_{\mathrm{pv}}^{\′}-i_{\mathrm{dc}}^{\′})\mathrm{dt}=U_{\mathrm{DC}}^{\′}\\ (U_{\mathrm{DC}}^{\′}-U_{\mathrm{DCref}}^{\′})(k1+\frac{k2}{S})=i_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (i_{\mathrm{dref}}^{\′}-\frac{i_d^{\′}}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+E_d^{\′}-\mathrm{\ω}L\frac{i_d^{\′}}{n}=U_{\mathrm{dref}}^{\′}\\ (\frac{i_{\mathrm{qref}}^{\′}}{2n}-\frac{i_q^{\′}}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+\mathrm{\ωL}\frac{i_d^{\′}}{n}=U_{\mathrm{qref}}^{\′}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：C'为等值发电单元的直流电容值；i'_pv为等值发电单元中光伏阵列输出电流；i'_dc为等值逆变器的输入电流；U'_DC、U'_DCref分别为等值发电单元的直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i'_d、i'_q、i'_dref、i'_qref分别为等值发电单元的经过坐标系变换后的等值逆变器输出电流及其参考值；E'_d为等值发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L'为等值发电单元的电抗器电感值；U'_dref、U'_qref为等值发电单元的经坐标系变换后的等值逆变器输出电压参考值。

由控制方程(6)可知，等值建模系统在改变结构参数后，仅仅将内环电流控制反馈的电流信号除2n后再送入反馈端而不改变外环功率控制的结构和参数。

在本实施例中，按照本发明所述等值建模方法计算等值发电单元参数如下：

1）等值光伏阵列：

等值后的等值发电单元的等值光伏阵列组件特性与被等值的光伏阵列组件特性一致，等值光伏阵列组件串联个数与被等值的光伏阵列组件串联个数相等，等值光伏阵列组件并联个数等于被等值的光伏电站中所有光伏阵列组件并联个数之和；

2）等值逆变器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器结构一致，等值逆变器结构参数中所有阻抗为被等值的光伏发电单元中逆变器对应阻抗的倍；

3）等值逆变器的控制器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器的控制器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器的控制器结构一致，控制参数一致，其中电流反馈信号先乘后再反馈到等值后的等值逆变器的控制器；

4）等值升压变：

等值后的等值发电单元的等值升压变容量为被等值的光伏发电单元中升压变容量的5倍，相对阻抗参数不变。

比较详细模型和等值模型在相同条件下的仿真结果。

1）稳态仿真结果

外界环境按照表1中1～10号逆变器运行环境设置并且不发生变化时，详细模型和等值模型的仿真结果如图6所示。由图6a可知，详细模型中10台逆变器与表1中1～10号逆变器的运行状态一致，输出有功功率P在0.255附近。由图6b可以看出，等值模型输出有功功率有一定误差，误差为：(2.557-2.545)/2.557×100%=0.47%。而由并网点的电压电流（图6c和图6d）可以看出等值模型与详细模型在稳态下其输出电压电流波形基本重叠，验证了稳态下等值方法的有效性。

2）暂态仿真结果

保持稳态仿真时的外界环境不变，在并网点做相同的经过渡电阻三相对称故障，比较详细模型与等值模型的仿真结果。仿真结果图7所示，由图7a～图7f可以看出在电网发生相同的对称故障时，等值模型的A、B、C三相故障电压与电流响应与详细模型的基本完全相同，验证了等值方法在对称故障下的有效性。

保持稳态仿真时的外界环境不变，在并网点做AB相间短路故障，比较详细模型与等值模型的仿真结果。仿真结果如图8所示，由图8a～图8f可以看出在电网发生相间短路故障时，等值模型的A、B、C三相故障电压与电流响应与详细模型的基本相同，验证了等值方法在相间短路不对称故障下的有效性。

由于光伏电站为不接地系统，所以电网发生单相接地故障时光伏电站输出电流与正常运行状态没有明显区别，电网发生两相接地短路故障时光伏电站的故障响应与两相短路故障没有明显区别，所以电网的单相短路与两相接地短路不再进行仿真。

以上仿真结果表明，等值模型在稳态下，电网发生对称、不对称故障时其输出的电压电流波形都与详细模型输出的电压电流波形一致。仿真结果验证了等值方法的暂态有效性与准确性。

综上，本发明提出的光伏电站等值方法无论在稳态还是在暂态情况下，均能得到与实际相一致的电流电压仿真结果，是一种准确的、行之有效的光伏电站等值方法。

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，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于逆变器控制方程变换的光伏电站等值建模系统，其特征在于：包括依次连接的光伏电站运行信息提取单元、等值逆变器控制方程建立单元以及等值参数计算单元；所述光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取光伏电站内部所有光伏发电单元的运行信息和参数；所述等值逆变器控制方程建立单元在等值目标方程的基础上建立等值逆变器的控制方程；所述等值参数计算单元计算等值发电单元的参数，以此实现以一个等值发电单元等值一个光伏电站的目的；所述等值建模系统的建模方法包括如下步骤：

步骤一：光伏电站运行信息提取单元从光伏电站控制中心提取所有待等值光伏发电单元中光伏阵列与逆变器的运行信息和参数，用于后续计算；

步骤二：建模前，进行如下假设：1)光伏电站的各个光伏发电单元的所有参数分别相等；2)光伏电站的各个光伏发电单元在同一时刻发送的功率一致，则等值后的等值发电单元满足等值目标方程(1)：

式中，U_等值为等值后的等值发电单元的输出电压；U为被等值的光伏电站的输出电压；I_等值为等值后的等值发电单元的输出电流；I为被等值的光伏电站的输出电流；n为被等值的光伏电站中光伏发电单元个数；I₁为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的输出电流；I_inv1为被等值的光伏电站中每个光伏发电单元的逆变器输出电流；

所述等值逆变器控制方程建立单元是在等值目标方程的基础上建立等值逆变器的控制方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫({i^{\′}}_{pv}-{i^{\′}}_{dc})dt={U^{\′}}_{DC}\\ ({U^{\′}}_{DC}-{U^{\′}}_{DCref})(k{1}^{\′}+\frac{k{2}^{\′}}{S})={i^{\′}}_{dref}\\ ({i^{\′}}_{dref}-{i^{\′}}_d)(k{3}^{\′}+\frac{k{4}^{\′}}{S})+{E^{\′}}_d-{\mathrm{\ωL}}^{\′}{i^{\′}}_q={U^{\′}}_{dref}\\ ({i^{\′}}_{dref}-{i^{\′}}_q)(k{3}^{\′}+\frac{k{4}^{\′}}{S})+{\mathrm{\ωL}}^{\′}{i^{\′}}_d={U^{\′}}_{qref}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：C′为等值发电单元的直流电容值；i′_pv为等值发电单元中光伏阵列输出电流；i′_dc为等值逆变器的输入电流；U′_DC、U′_DCref分别为等值发电单元的直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；k′₁、k′₂分别为等值发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k′₃、k′₄分别为等值发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i′_d、i′_q、i′_dref、i′_qref分别为等值发电单元的经过坐标系变换后的等值逆变器输出电流及其参考值；E′_d为等值发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L′为等值发电单元的电抗器电感值；U′_dref、U′_qref为等值发电单元的经坐标系变换后的等值逆变器输出电压参考值；

步骤三：所述等值参数计算单元计算包含n个光伏发电单元的光伏电站的等值发电单元中等值光伏阵列、等值逆变器、等值逆变器的控制器和等值升压变的结构及参数如下：

1)等值光伏阵列：

等值后的等值发电单元的等值光伏阵列组件特性与被等值的光伏阵列组件特性一致，等值光伏阵列组件串联个数与被等值的光伏阵列组件串联个数相等，等值光伏阵列组件并联个数等于被等值的光伏电站中所有光伏阵列组件并联个数之和；

2)等值逆变器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器结构一致，等值逆变器结构参数中所有阻抗为被等值的光伏发电单元中逆变器对应阻抗的倍；

等值后的等值发电单元中等值逆变器的参数如式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{pv}^{\′}=2{\mathrm{ni}}_{pv}\\ C^{\′}=2nC\\ L^{\′}=\frac{1}{2n}L\\ k_1^{\′}=2{\mathrm{nk}}_1\\ k_2^{\′}=2{\mathrm{nk}}_2\\ k_3^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_3\\ k_4^{\′}=\frac{1}{2n}{k}_4\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，i_pv为光伏发电单元的光伏阵列输出电流；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；C为光伏发电单元的直流电容值；L为光伏发电单元的电抗器电感值；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；其中上标“'”表示等值后的参数；

3)等值逆变器的控制器：

等值后的等值发电单元的等值逆变器的控制器结构与被等值的光伏发电单元中逆变器的控制器结构一致，控制参数一致，其中电流反馈信号先乘后再反馈到等值后的等值逆变器的控制器；

将式(3)带入方程(2)中得到等值后的变换后的等值逆变器的控制方程如式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C^{\′}}\∫({i^{\′}}_{pv}-{i^{\′}}_{dc})dt={U^{\′}}_{DC}\\ ({U^{\′}}_{DC}-{U^{\′}}_{DCref})(k1+\frac{k2}{S})={i^{\′}}_{dref}\\ ({i^{\′}}_{dref}-\frac{{i^{\′}}_d}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+{E^{\′}}_d-\mathrm{\ω}L\frac{{i^{\′}}_q}{n}={U^{\′}}_{dref}\\ (\frac{{i^{\′}}_{qref}}{2n}-\frac{{i^{\′}}_q}{2n})(k3+\frac{k4}{S})+\mathrm{\ω}L\frac{{i^{\′}}_d}{n}={U^{\′}}_{qref}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：C′为等值发电单元的直流电容值；i′_pv为等值发电单元中光伏阵列输出电流；i′_dc为等值逆变器的输入电流；U′_DC、U′_DCref分别为等值发电单元的直流电容电压及其参考值；S为被等值的光伏电站的视在功率；n为被等值的光伏电站的光伏发电单元个数；k₁、k₂分别为光伏发电单元外环功率PI控制的比例系数和积分系数；k₃、k₄分别为光伏发电单元内环电流PI控制的比例系数和积分系数；i′_d、i′_q、i′_dref、i′_qref分别为等值发电单元的经过坐标系变换后的等值逆变器输出电流及其参考值；E′_d为等值发电单元中光伏阵列的电势；ω为光伏发电单元的电流频率；L′为等值发电单元的电抗器电感值；U′_dref、U′_qref为等值发电单元的经坐标系变换后的等值逆变器输出电压参考值；

4)等值升压变：

等值后的等值发电单元的等值升压变容量为被等值的光伏发电单元中升压变容量的n倍，相对阻抗参数不变。