CN104269883B - 一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，考虑到光伏发电系统详细模型的复杂性，对光伏发电系统进行了分块等值，以每条集电线支路对应的光伏发电单元作为一个模块进行等值，然后再将各等值模块进行汇总，完成最终的光伏发电系统等值建模。本发明通过所提分层等值方法可简化光伏发电系统的等值过程，缩短等值建模周期，且在每层等值过程中都可进行模型准确性验证，提高了等值模型的准确性。

Description

一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法

【技术领域】

本发明涉及建模领域，特别涉及一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法。

【背景技术】

由于传统化石能源的快速消耗及环境污染的日趋严重，世界各国对新能源的开发日益关注。光伏发电作为一种清洁能源发电技术，具有低碳、绿色和环保的特点，越来越受到国家的重视，多个兆瓦级并网光伏发电系统示范工程已相应开工或建成。伴随光伏发电的快速发展，光伏发电的大型化、规模化发展将成为未来的发展趋势。随着光伏发电系统发电容量和规模的增大，光伏发电系统对电网的影响也逐渐显现。由于光伏发电具有不同于常规能源发电的特点，其接入对接入点区域电网的安全、稳定、可靠运行带来了巨大挑战。

为了较好的研究大规模光伏发电系统接入电网的并网特性，降低光伏发电系统对电网的影响，需要建立光伏发电系统仿真模型。光伏发电系统主要由若干光伏阵列、并网逆变器、变压器和集电线路等组成，如果要建立包含以上各模块的光伏电站详细模型，将会极大地增加仿真的复杂度，导致系统仿真速度变慢，消耗计算时间长，从而降低了系统仿真的效率，因此建立光伏发电系统的等值模型具有重要意义。

【发明内容】

本发明的目的是为了改进上述方法存在的不足，提供一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，通过所提分层等值方法可简化光伏发电系统的等值过程，缩短等值建模周期，且在每层等值过程中都可进行模型准确性验证，提高了等值模型的准确性。

本发明采用的技术方案为：

一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对光伏发电系统进行分层处理，分为底层、中间层和顶层，共3层；

(2)建立底层的详细模型，底层为光伏阵列发电单元层，包括光伏阵列模型、并网逆变器模型、集电线路模型；

(3)对底层详细模型进行等值处理，建立光伏阵列发电单元等值模型，并对模型准确性进行验证，包括光伏阵列等值、逆变器参数等值和变压器参数等值；

(4)建立中间层的详细模型，中间层由各光伏发电单元组成，包括光伏发电单元模型、各发电单元间的连接线路模型；

(5)对中间层进行等值建模，完成光伏发电单元等值模型和连接线路等值模型，并进行模型准确性验证；

(6)建立顶层的详细模型，顶层由各并网支路模型组成，包括各支路等值模型和集电线路等值模型；

(7)对顶层进行等值建模，完成整个光伏发电系统的等值模型，并进行模型准确性验证。

进一步的，光伏发电单元等值模型额定容量等于各光伏阵列发电单元等值模型额定容量之和，即

$S_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_i$

式中，n为光伏发电系统中光伏阵列发电单元等值模型的数量；S_eq为光伏发电单元等值模型额定容量；S_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型的额定容量。

进一步的，光伏发电单元等值模型的并网有功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网有功功率之和，即

$P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_eq为光伏发电单元等值模型并网有功功率；P_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网有功功率；

光伏发电单元等值模型的并网无功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网无功功率之和，即

$Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_i$

式中，Q_eq为光伏发电单元等值模型并网无功功率；Q_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网无功功率。

进一步的，并网逆变器参数主要包括直流侧电容和交流侧滤波电感，其聚合参数计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{dc\_eq}=C_{dc}\×n\\ L_{eq}=L/n\end{array}\right.$

式中，C_{dc_eq}为光伏发电单元等值模型直流侧电容；C_dc为单个光伏阵列发电单元等值模型直流侧电容；L_eq为光伏发电单元等值模型交流侧滤波电感；L为单个光伏阵列发电单元等值模型交流侧滤波电感。

进一步的，变压器等值参数为

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T\_eq}=S_T\×n\\ X_{tr\_eq}=X_{tr}/n\end{array}\right.$

式中，S_{T_eq}为光伏发电单元等值模型变压器额定容量，S_T为变压器额定容量，X_{tr_eq}为光伏发电单元等值模型变压器阻抗，X_tr为变压器阻抗。

进一步的，集电线路等值阻抗为

$X_{eq}=\frac{X_1+2^2{X}_2+...+n^2{X}_5}{n^2}$

式中，X₁、X₂、…、X₅为对应集电线路阻抗。

当电压恒定时，无功功率与电容成正比，在集电线路中，线路电压恒定，线路等值电容值为

C_eq＝C₁+C₂+...+C_n

式中，C_eq为线路等值电容，C₁、C₂、…、C_n为相应线路段电容。

本发明与现有技术相比，其有益效果为，所提出的方法可以实现简化光伏发电系统的等值过程，缩短等值建模周期，且在每层等值过程中都可进行模型准确性验证，提高了等值模型的准确性。

【附图说明】

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施例中光伏发电系统集电线路结构图；

图3是本发明实施例中光伏阵列发电单元等值图；

图4是本发明实施例中集电线路等值图；

图5是本发明实施例中光伏发电系统等值结果图；

图6是本发明实施例中光伏发电系统等值模型随光照变化动态仿真结果图；

图7是本发明实施例中光伏发电系统等值模型三相接地短路故障时仿真结果图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明提供一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，具体步骤如下：

(1)对光伏发电系统进行分层处理，主要分为底层、中间层和顶层，共3层；

(2)建立底层的详细模型，底层为光伏阵列发电单元层，主要包括光伏阵列模型、并网逆变器模型、集电线路模型；

(3)对底层详细模型进行等值处理，建立光伏阵列发电单元等值模型，并对模型准确性进行验证，主要包括光伏阵列等值、逆变器参数等值和变压器参数等值；

(4)建立中间层的详细模型，中间层由各光伏发电单元组成，主要包括光伏发电单元模型、各发电单元间的连接线路模型；

(5)对中间层进行等值建模，完成光伏发电单元等值模型和连接线路等值模型，并进行模型准确性验证；

(6)建立顶层的详细模型，顶层由各并网支路模型组成，主要包括各支路等值模型和集电线路等值模型；

(7)对顶层进行等值建模，完成整个光伏发电系统的等值模型，并进行模型准确性验证。

进一步的，光伏发电单元等值模型额定容量等于各光伏阵列发电单元等值模型额定容量之和，即

$S_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_i$

式中，n为光伏发电系统中光伏阵列发电单元等值模型的数量；S_eq为光伏发电单元等值模型额定容量；S_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型的额定容量。

进一步的，光伏发电单元等值模型的并网有功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网有功功率之和，即

$P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_eq为光伏发电单元等值模型并网有功功率；P_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网有功功率；

光伏发电单元等值模型的并网无功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网无功功率之和，即

$Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_i$

式中，Q_eq为光伏发电单元等值模型并网无功功率；Q_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网无功功率。

进一步的，并网逆变器参数主要包括直流侧电容和交流侧滤波电感，其聚合参数计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{dc\_eq}=C_{dc}\×n\\ L_{eq}=L/n\end{array}\right.$

式中，C_{dc_eq}为光伏发电单元等值模型直流侧电容；C_dc为单个光伏阵列发电单元等值模型直流侧电容；L_eq为光伏发电单元等值模型交流侧滤波电感；L为单个光伏阵列发电单元等值模型交流侧滤波电感。

进一步的，变压器等值参数为

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T\_eq}=S_T\×n\\ X_{tr\_eq}=X_{tr}/n\end{array}\right.$

式中，S_{T_eq}为光伏发电单元等值模型变压器额定容量，S_T为变压器额定容量，X_{tr_eq}为光伏发电单元等值模型变压器阻抗，X_tr为变压器阻抗。

进一步的，集电线路等值阻抗为

$X_{eq}=\frac{X_1+2^2{X}_2+...+n^2{X}_5}{n^2}$

式中，X₁、X₂、…、X₅为对应集电线路阻抗。

当电压恒定时，无功功率与电容成正比，在集电线路中，线路电压恒定，线路等值电容值为

Ce_q＝C₁+C₂+...+C_n

式中，C_eq为线路等值电容，C₁、C₂、…、C_n为相应线路段电容。

下面列举一实施例。

所设计光伏发电系统容量为20MW，共由20个容量为1MW的光伏阵列发电单元组成，而每个光伏阵列发电单元包括2个额定容量为500kWp的子单元，共有40个额定容量为500kW并网逆变器。在光伏发电系统设计时，光伏阵列通过4条集电线路并入电网，每条集电线路包含5个1MWp光伏阵列发电单元，如图2所示。在RTDS建模时，先将2个额定容量为500kW的并网逆变器聚合为1个1MWp的光伏阵列发电单元，然后再根据光伏发电系统电气结构，将每条集电线路中5个1MWp的光伏阵列发电单元聚合为一个5MWp的光伏发电单元，最后，将整个光伏电站聚合为一台20MWp光伏并网发电单元，过程如图3、图4和图5所示。

为了验证所建实时数据仿真仪等值模型的正确性，采用详细模型跟等值模型进行了比较分析，下面主要从光照变化时和电网发生三相短路接地故障时详细模型和等值模型的外特性响应是否一致来判断等值模型是否正确。

图6光伏发电系统等值模型随光照变化动态仿真结果图。图6(a)为光照强度的变化情况，光照开始为1000W/m²，一段时间后斜坡下降到50W/m²，最后突变为700W/m²。图6(b)为光照变化条件下光伏电站的并网有功功率，由图可知，随着光照的变化，光伏发电系统也随之改变，有功功率的变化趋势与光照变化的趋势一致。图6(c)为光照变化条件下光伏发电系统的消耗的无功功率，无功功率的消耗主要由线路损耗和变压器损耗引起，当并网功率大时，电流也相应变动，引起的无功消耗也变大。图6(d)为光照变化条件下光伏发电系统的变压器高压侧电流有效值，其随着光照强度的改变而相应变化。图6(e)为光照变化条件下并网点的电压标幺值，光照的变化引起了系统输出功率的变化，从而进一步引起并网点电压的变化。在图6中，随着光照强度的变化，详细模型和等值模型的电压、电流、有功功率、无功功率等基本一致，即等值模型和详细模型具有相近的外特性，证明了光伏发电系统等值建模的正确性。

图7是光伏发电系统等值模型三相接地短路故障时仿真结果图。开始时光伏发电系统稳定工作，光照强度为1000W/m²，在0.1s时，发生三相接地故障，短路故障持续时间为0.1s。当三相接地短路故障发生时，并网点电压急剧下降，使光伏电站输出功率变小，并网逆变器直流侧输入功率和交流侧输出功率失衡，使得直流电压快速上升，0.1s后，电网恢复正常，光伏发电系统经过短暂调整后，使得并网逆变器直流侧输入功率和交流侧输出功率再次平衡，系统达到稳定状态，在短路过程中，系统输出有功功率变化如图7(a)所示。由于光伏并网逆变器工作于单位功率因素控制下，不具备无功补偿的能力，系统无功消耗主要由变压器和线路损耗引起，变化不是很大，如图7(b)所示。由图7(c)知，在接地短路故障发生期间，并网电流变化约为1.6倍，这是由光伏固有I-V特性决定的。图7(d)为三相接地短路期间并网点电压的变化情况。由图7响应可知，在三相接地短路故障期间，等值模型和详细模型的外特性响应趋势基本一致，即故障期间，等值模型的有功功率响应、无功功率响应、电流响应和电压响应都基本与详细模型保持一致，从而证明了等值模型的正确性。

最后应当说明的是：以上具体实施方式仅用于以上实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照上述实施方式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 (6)

1.一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对光伏发电系统进行分层处理，分为底层、中间层和顶层；

(2)建立底层的详细模型，底层为光伏阵列发电单元层，包括光伏阵列模型、并网逆变器模型、集电线路模型；

(3)对底层详细模型进行等值处理，建立光伏阵列发电单元等值模型，并对模型准确性进行验证，包括光伏阵列等值、逆变器参数等值和变压器参数等值；

(4)建立中间层的详细模型，中间层由各光伏发电单元组成，包括光伏发电单元模型、各发电单元间的连接线路模型；

(5)对中间层进行等值建模，完成光伏发电单元等值模型和连接线路等值模型，并进行模型准确性验证；

(6)建立顶层的详细模型，顶层由各并网支路模型组成，包括各支路等值模型和集电线路等值模型；

(7)对顶层进行等值建模，完成整个光伏发电系统的等值模型，并进行模型准确性验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，光伏发电单元等值模型额定容量等于各光伏阵列发电单元等值模型额定容量之和，即

$S_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_i$

式中，n为光伏发电系统中光伏阵列发电单元等值模型的数量；S_eq为光伏发电单元等值模型额定容量；S_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型的额定容量。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，光伏发电单元等值模型的并网有功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网有功功率之和，即

$P_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i$

式中，P_eq为光伏发电单元等值模型并网有功功率；P_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网有功功率；

光伏发电单元等值模型的并网无功功率等于各光伏阵列发电单元等值模型的并网无功功率之和，即

$Q_{eq}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_i$

式中，Q_eq为光伏发电单元等值模型并网无功功率；Q_i为光伏发电系统中第i个光伏阵列发电单元等值模型并网无功功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，并网逆变器参数包括直流侧电容和交流侧滤波电感，其聚合参数计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{dc\_eq}=C_{dc}\×n\\ L_{eq}=L/n\end{array}\right.$

式中，C_{dc_eq}为光伏发电单元等值模型直流侧电容；C_dc为单个光伏阵列发电单元等值模型直流侧电容；L_eq为光伏发电单元等值模型交流侧滤波电感；L为单个光伏阵列发电单元等值模型交流侧滤波电感。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，变压器等值参数为

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T\_eq}=S_T\×n\\ X_{tr\_eq}=X_{tr}/n\end{array}\right.$

式中，S_{T_eq}为光伏发电单元等值模型变压器额定容量，S_T为变压器额定容量，X_{tr_eq}为光伏发电单元等值模型变压器阻抗，X_tr为变压器阻抗。

6.根据权利要求1所述的一种基于实时数字仿真仪的光伏发电系统等值方法，其特征在于，集电线路等值模型阻抗为

$X_{eq}=\frac{X_1+2^2{X}_2+...+n^2{X}_5}{n^2}$

式中，X₁、X₂、…、X₅为对应集电线路阻抗；

当电压恒定时，无功功率与电容成正比，在集电线路中，线路电压恒定，线路等值电容值为

C_eq＝C₁+C₂+...+C_n

式中，C_eq为线路等值电容，C₁、C₂、…、C_n为相应线路段电容。