CN105514973A - 光伏发电系统的实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏发电系统的实时仿真方法，包括：获取光伏发电系统的当前系统变量，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号；根据所述PWM脉冲信号及所述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的所述光伏发电系统，得到当前仿真结果；利用所述当前仿真结果中实时系统变量更新所述当前系统变量，以实时仿真模拟所述光伏发电系统。本发明的仿真方法是一种半实物的仿真方法，能够降低仿真成本，提高仿真准确度。

Description

光伏发电系统的实时仿真方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种光伏发电系统的实时仿真方法。

背景技术

随着经济的持续发展和环境污染的不断加剧，可再生能源的开发和利用已经成为大势所趋。依据国家的能源战略方针，发展太阳能光伏发电技术有效地解决能源短缺及降低碳排放的问题。随着光伏发电渗透率的不断增加，光伏发电系统对传统电网的重要性不断增强，影响电力系统全局安全稳定、经济调度以及调峰调频等多个方面。计算机仿真方法是研究光伏发电系统特性的有力途径，对于大规模光伏接入对电力系统运行的影响研究具有重要意义。

基于实时仿真的硬件在环仿真技术(Hardware-in-the-Loop,HiL)是目前计算机仿真方法研究电力系统特性、新能源发电并网的关键技术，目前正在得到越来越多的关注。采用该方法进行计算机仿真，兼具准确性与灵活性，与此同时仿真实验的成本大大降低。此外，通过丰富的计算机与硬件接口，可以很方便地在后续进行仿真系统或硬件的扩展。

然而，在光伏发电系统实时仿真方面的研究还相对较少，现有的研究主要集中在光伏逆变器的实时仿真与实时控制。在光伏发电系统的实时仿真方面，目前方法主要基于RT-LAB平台、RTDS平台，尚未在dSPACE平台上完成整体光伏并网系统的搭建与运行，并研究环境变量对并网特性的影响。

发明内容

本发明提供了一种光伏发电系统的实时仿真方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。

本发明提供了一种光伏发电系统的实时仿真方法，包括：获取光伏发电系统的当前系统变量，将所述当前系统变量输入一DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)控制器模型，生成一PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)脉冲信号；根据所述PWM脉冲信号及所述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的所述光伏发电系统，得到当前仿真结果；利用所述当前仿真结果中实时系统变量更新所述当前系统变量，以实时仿真模拟所述光伏发电系统。

一个实施例中，根据所述PWM脉冲信号及所述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的所述光伏发电系统，包括：将所述当前系统变量输入至所述dSPACE实时仿真器的光伏电池阵列模型中，输出一直流侧电压信号；将所述直流侧电压信号和所述PWM脉冲信号输入至所述dSPACE实时仿真器的逆变器模型中，输出一逆变器三相交流信号；将所述逆变器三相交流信号中的电流信号输入至所述dSPACE实时仿真器的三相交流电网模型中，输出电网三相交流电压。

一个实施例中，所述光伏发电系统还包括升压变压器，所述方法还包括：将所述逆变器三相交流信号中的电压信号输入至所述dSPACE实时仿真器的升压变压器模型中，输出一升压后的所述电压信号，用于输入至所述三相交流电网模型。

一个实施例中，所述光伏电池阵列模型为一简化工程模型。

一个实施例中，所述逆变器模型为一理想开关模型。

一个实施例中，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号，包括：根据一设定并网点参考电流q轴分量和当前并网点电流q轴分量，通过PI调节器计算得到内环无功电压；根据所述内环无功电压、当前前馈补偿值d轴分量及当前并网点电压q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量；根据一设定直流侧参考电压和当前直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；根据所述内环有功电流参考值和当前并网点电流d轴分量，通过PI调节器，计算得到内环有功电压参考值；根据所述内环有功电压参考值、当前并网点电压d轴分量及当前前馈补偿值q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量；将所述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量和所述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量转换到三相交流坐标系，以生成所述PWM脉冲信号。

一个实施例中，所述当前系统变量包括当前并网点三相交流电流和当前并网点三相交流电压；所述方法还包括：采集所述当前并网点三相交流电流和所述当前并网点三相交流电压；将所述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系，得到所述当前并网点电流q轴分量和所述当前并网点电流d轴分量；将所述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系，得到所述当前并网点电压d轴分量和所述当前并网点电压q轴分量。

一个实施例中，获取光伏发电系统的当前系统变量，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号之前，还包括：初始化所述光伏发电系统的当前系统变量。

一个实施例中，所述方法还包括：向所述光伏发电系统的光伏电池阵列输入一光照强度和一环境温度。

一个实施例中，在标准光照强度和标准环境温度下，所述简化工程模型为：

$I=I_{scref}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{ocref}\right)}-1)\],$

C₂＝(U_mref/U_ocref-1)/[ln(1-I_mref/I_scref)]，

其中，U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流，C₁和C₂为常数，U和I分别为电压变量和电流变量。

一个实施例中，在非标准光照强度和非标准环境温度下，所述简化工程模型为：

$I=I_{sc}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{oc}\right)}-1)\],$

T＝T_air+kS，

I_sc＝I_scref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_oc＝U_ocref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

I_m＝I_mref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_m＝U_mref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

其中，U_oc、U_m、I_sc、I_m分别为在非标准光照强度和非标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为在标准光照强度和标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；T_air为非标准环境温度，k为温度系数，S为非标准光照强度，T为光伏电池阵列温度，a、b及c为补偿系数，S_ref为标准光照强度，e为自然对数底数。

一个实施例中，所述理想开关模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{S1}+i_{S4}\\ i_b=i_{S3}+i_{S6}\\ i_c=i_{S5}+i_{S2}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}=u_{ao}-u_{no}\\ u_{bn}=u_{bo}-u_{no}\\ u_{cn}=u_{co}-u_{no}\end{array}\right.,$ i_dc＝i_S1+i_S3+i_S5；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{S1}=i_a\×S_a^{+}\\ i_{S3}=i_b\×S_b^{+}\\ i_{S5}=i_c\×S_c^{+}\end{array}\right.,\{\begin{array}{c}{i}_{S4}=i_a\×S_a^{-}\\ i_{S6}=i_b\×S_b^{-}\\ i_{S2}=i_c\×S_c^{-}\end{array},$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{ao}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_a\\ u_{bo}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_b\\ u_{co}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_c\end{array}\right.,u_{no}=\frac{1}{3}(u_{ao}+u_{bo}+u_{co}),\left\{\begin{array}{c}{S}_a=S_a^{+}-S_a^{-}\\ S_b=S_b^{+}-S_b^{-}\\ S_c=S_c^{+}-S_c^{-}\end{array}\right.,$

其中，i_a、i_b及i_c为三相电流，u_an、u_bn及u_cn以电网中性点n为参考点的三相电压，i_dc为直流侧电流，i_S1、i_S3及i_S5为通过三相正半桥开关的电流，i_S4、i_S6及i_S2为通过三相负半桥开关的电流，u_ao、u_bo及u_co为逆变器输出端与直流电源中点o之间的电压，u_no为电网中性点n与直流电源中点o之间的电压，下标a、b及c分别表示a相、b相及c相；u_dc为直流侧电压；为逆变器的三相正半桥开关及和三相负半桥开关及的开关函数，l＝a,b或c，m＝+或-。

本发明实施例的光伏发电系统的实时仿真方法，基于dSPACE实时仿真器，采用半实物仿真建模的方式，能够提高光伏并网发电系统实时仿真的灵活性，降低实验成本。现有技术在进行真实系统的实验时，不仅成本高，而且受制于日射强度、环境温度等自然条件的限制，缺乏灵活性。本发明与此相反，光伏并网发电系统的半实物实时仿真系统采用硬件在环(Hardware-in-theloop，HIL)半实物仿真形式，能够模拟真实环境中的影响因素，在降低成本、增加灵活性同时，能够保证仿真结果的真实可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图；

图3是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图；

图4是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图；

图5是本发明一实施例中dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法流程示意图；

图6是本发明一实施例中dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法流程示意图；

图7是本发明一实施例中的光伏逆变器的电路结构示意图；

图8是本发明一实施例中生成PWM脉冲信号的方法流程示意图；

图9是本发明一实施例中三相PWM信号控制逆变器的电路结构示意图；

图10是本发明一实施例中并网点电信号d轴分量和q轴分量的生成方法的流程示意图；

图11是根据本发明一实施例的仿真方法得到的三相电流波形图；

图12是根据本发明一实施例的仿真方法得到的单相电流波形图；

图13是根据本发明一实施例的仿真方法得到的直流侧电压曲线图；

图14是根据本发明一实施例的仿真方法得到的并网点单相电压及并网点单相电流的曲线图；

图15是根据本发明一实施例的仿真方法得到的直流侧电压曲线图；

图16是根据本发明一实施例的仿真方法得到的并网点单相电压及并网点单相电流的曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的实时仿真系统可包括上位机100、dSPACE实时仿真器200及DSP控制器300。

dSPACE实时仿真器200接收外部DSP控制器300发出的PWM脉冲信号，并使该PWM脉冲信号作用于dSPACE实时仿真器200内部的逆变器模型，经过实时计算并反馈控制所需的电网侧/并网点三相交流电压、电网侧/并网点三相交流电流等信号给DSP控制器300。dSPACE实时仿真器200和DSP控制器300之间可通过接口电路实现信号的转换匹配。

dSPACE实时仿真器200还与仿真的上位机100相连。通过dSPACE实时仿真器200的Real-TimeInterface(RTI)实时接口，上位机100的MATLAB/Simulink平台可以直接建立实时仿真器的通信接口。此外，上位机100运行的ControlDesk软件可将MATLAB/Simulink编译后的仿真模型导入dSPACE实时仿真器200，同时还可以监测各个仿真数据并以波形显示。

dSPACE实时仿真系统作为控制系统开发及测试工作平台，能够与MATLAB/Simulink无缝连接，其处理器板具有高速的计算能力，同时具备丰富的I/O接口，实时性强、可靠性高，能够很好地用于半实物仿真。

本发明实施例的实时仿真系统，不仅能够基于dSPACE实时仿真器的优点进行光伏发电系统的仿真模拟。而且能够对包括光伏电池阵列、逆变器、升压变压器及三相交流电网的整个光伏发电系统进行仿真。本发明实施例的实时仿真系统是一种半实物的实时仿真系统，在增加灵活性的同时，能够降低成本。

图2是本发明实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图。如图2所示，基于上述光伏发电系统的实时仿真方，可包括步骤：

S110：获取光伏发电系统的当前系统变量，将上述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号；

S120：根据上述PWM脉冲信号及上述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的上述光伏发电系统，得到当前仿真结果；

S130：利用上述当前仿真结果中实时系统变量更新上述当前系统变量，以实时仿真模拟上述光伏发电系统。

本发明实施例的光伏发电系统的实时仿真方法，基于dSPACE实时仿真器进行仿真，能够结合该dSPACE实时仿真器的优点。而且该实时仿真方法能够实现包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的整个光伏发电系统的仿真模拟，能够降低仿真成本。且仿真过程更加灵活。

在上述步骤S110中，该当前系统变量可以通过初始化得到，或者可以通过前一次仿真结果得到。该当前系统变量，例如，具体可包括逆变器直流侧电压、并网点电流及并网点输出功率等变量。

图3是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图。如图3所示，图2所示的光伏发电系统的实时仿真方法，在步骤S110之前，即获取光伏发电系统的当前系统变量，将上述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号之前，还可包括步骤：

S140：初始化上述光伏发电系统的当前系统变量。

本发明实施例中，在上述步骤S140中，可将系统变量，例如逆变器直流侧电压、并网点电流及并网点输出功率，均初始化为零。在其他实施例中，还可以对光伏发电系统的控制变量进行初始化，例如，逆变器输出的开关控制信号，可初始化为零。

图4是本发明一实施例的光伏发电系统的实时仿真方法的流程示意图。如图4所示，图2所示的光伏发电系统的实时仿真方法，在步骤S110之前，即获取光伏发电系统的当前系统变量，将上述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号之前，还可包括步骤：

S150：向上述光伏发电系统的光伏电池阵列输入一光照强度和一环境温度。

本发明实施例的仿真方法，在仿真开始之前，可以对光伏发电系统的光照强度和环境温度进行设置，以模拟不同光照强度和环境温度下的光伏发电系统。其他实施例中，本发明的光伏发电系统的实时仿真方法，可以同时包括上述步骤S150和上述步骤S140。

图5是本发明一实施例中dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法流程示意图。如图5所示，图2所示的光伏发电系统的实时仿真方法，上述步骤S120，即根据上述PWM脉冲信号及上述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的上述光伏发电系统，可包括步骤：

S121：将上述当前系统变量输入至上述dSPACE实时仿真器的光伏电池阵列模型中，输出一直流侧电压信号；

S122：将上述直流侧电压信号和上述PWM脉冲信号输入至上述dSPACE实时仿真器的逆变器模型中，输出一逆变器三相交流信号；

S123：将上述逆变器三相交流信号中的电流信号输入至上述dSPACE实时仿真器的三相交流电网模型中，输出电网三相交流电压。

本发明实施例中，通过dSPACE实时仿真器中的光伏电池阵列模型、逆变器模型及三相交流电网模型，可以实现整个光伏发电系统的仿真模拟。其中，光伏电池阵列模型中可以设置光伏电池阵列中，电池的串联数和并联数，还可以设置光伏电池阵列的开路电压、短路电流最大输出功率时的电压及最大输出功率时的电流。三相交流电网模型中，可以设置电网的短路容量、额定电压等参数。

一个实施例中，逆变器输出的电压低于或高于电网所需的电压。上述光伏发电系统还可包括升压变压器或降压变压器。图5所示的dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法中，还可以对升压变压器或降压变压器进行仿真。

图6是本发明一实施例中dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法流程示意图。如图6所示，图5所示的dSPACE实时仿真器对光伏发电系统进行仿真的方法，还可包括对光伏发电系统中的升压变压器进行仿真的步骤：

S124：将上述逆变器三相交流信号中的电压信号输入至上述dSPACE实时仿真器的升压变压器模型中，输出一升压后的上述电压信号，用于输入至上述三相交流电网模型。

本发明实施例中，通过dSPACE实时仿真器的升压变压器模型还可以对包含逆变器的光伏发电系统进行仿真，具有更强的灵活性，应用更广泛。

图5和图6所示的步骤S121中，该光伏电池阵列/组件模型可为一简化工程模型。该光伏电池模型可根据光伏组件的出厂参数快速地确定最大功率点电压，不需要额外的MPPT算法。考虑光伏发电系统的整体特性，该模型已经能满足建模仿真要求。其他实施例中，需要更高仿真精度时，可以使用更为精确的光伏电池模型及相应的MPPT算法。

上述光伏电池阵列/组件的简化工程模型可使用光伏电池的四个出厂电气参数：开路电压U_ocref，短路电流I_scref以及光伏电池获得最大功率时的电压U_mref和电流I_mref。上述四个出厂电气参数可均为标准条件下的测试参数，即标准光照强度和标准环境温度的条件，例如，标准光照强度S_ref＝1000W/m²，标准环境温度T_ref＝25℃。在上述标准条件下，上述简化工程模型，即光伏电池阵列的U-I方程可为：

$I=I_{scref}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{ocref}\right)}-1)\],$

$C_1=(1-I_{mref}/I_{scref})e^{-U_{mref}/\left(C_2{U}_{ocref}\right)},$ C₂＝(U_mref/U_ocref-1)/[ln(1-I_mref/I_scref)]，

其中，U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流，C₁和C₂为常数，U和I分别为电压变量和电流变量。

另一实施例中，可在非标准条件下对光伏发电系统进行仿真。在非标准光照强度和非标准环境温度下，非标准条件下的简化工程模型与标准条件下的简化工程模型的区别在于，开路电压、短路电流、最大功率时的电压及最大功率时的电流。非标准条件下，开路电压U_oc、短路电流I_sc以及最大功率时的电压U_m、电流I_m可通过下式获得：

T＝T_air+kS，

I_sc＝I_scref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_oc＝U_ocref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

I_m＝I_mref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_m＝U_mref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

相应地，非标准光照强度和非标准环境温度下的简化工程模型可为：

$I=I_{sc}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{oc}\right)}-1)\],$

其中，U_oc、U_m、I_sc、I_m分别为在非标准光照强度和非标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为在标准光照强度和标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；T_air为非标准环境温度，k为温度系数，例如，k＝0.03℃.m²/W，S为非标准光照强度，T为光伏电池阵列温度，a、b及c为补偿系数，补偿系数a、b、c分别可取为0.0008/℃、0.2、0.005/℃，S_ref为标准光照强度，e为自然对数底数，e约为2.71828。

根据不同层次的仿真需要，电力电子系统/逆变器仿真模型大体上可以分为3类，即详细模型、理想开关模型和平均模型。详细模型可包括开关器件精确且详细的数学模型，考虑了器件内部详细的物理特性，包括线路杂散电感和电容，可用于开关特性的精确分析、功率损耗计算、电磁兼容性评估等，其缺点是模型极为复杂、要求仿真步长非常小，仿真效率很低，不适用于实时仿真。平均模型以研究系统整体外部平均特性为主要目的，模型内部由等效电压源构成，不考虑具体开关动作，只考虑系统的基波特性，是系统级的模型，其仿真速度快，但仿真精度有限，无法评估开关谐波的影响。

一个实施例中，上述逆变器模型可为一理想开关模型。本发明实施例中，理想开关模型不关注开关器件动作的变化细节，忽略开关瞬间的动态过程，即将开关器件简化为理想开关，可使本发明实施例的仿真速度更快、更精确，能够进行电力电子系统/逆变器的实时仿真。

图7是本发明一实施例中的光伏逆变器的电路结构示意图。如图7所示，该光伏逆变器为三相SPWM光伏逆变器，其包含三相正半桥开关及和三相负半桥开关及上述理想开关模型可为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{S1}+i_{S4}\\ i_b=i_{S3}+i_{S6}\\ i_c=i_{S5}+i_{S2}\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}=u_{ao}-u_{no}\\ u_{bn}=u_{bo}-u_{no}\\ u_{cn}=u_{co}-u_{no}\end{array}\right.,$

i_dc＝i_S1+i_S3+i_S5，

其中，i_a、i_b及i_c为三相电流，u_an、u_bn及u_cn以电网中性点n为参考点的三相电压，i_dc为直流侧电流，i_S1、i_S3及i_S5为通过三相正半桥开关的电流，i_S4、i_S6及i_S2为通过三相负半桥开关的电流，u_ao、u_bo及u_co为逆变器输出端与直流电源中点o之间的电压，u_no为电网中性点n与直流电源中点o之间的电压，下标a、b及c分别表示a相、b相及c相。

上述理想开关模型中：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{S1}=i_a\×S_a^{+}\\ i_{S3}=i_b\×S_b^{+}\\ i_{S5}=i_c\×S_c^{+}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{i}_{S4}=i_a\×S_a^{-}\\ i_{S6}=i_b\×S_b^{-}\\ i_S=i_c\×S_c^{-}\end{array}\right.,$

$\{\begin{array}{c}{u}_{ao}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_a\\ u_{bo}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_b\\ u_{co}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_c\end{array},u_{no}=\frac{1}{3}(u_{ao}+u_{bo}+u_{co}),\left\{\begin{array}{c}{S}_a=S_a^{+}-S_a^{-}\\ S_b=S_b^{+}-S_b^{-}\\ S_c=S_c^{+}-S_c^{-}\end{array}\right.,$

其中，三相桥臂的开关函数为l＝a,b或c，m＝+或-；u_dc为直流侧电压。为逆变器的三相正半桥开关及和三相负半桥开关及的开关函数。

一个实施例中，逆变器在dq坐标系下的数学模型可为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_f\frac{{\mathrm{di}}_{dg}}{dt}=u_{dk}-u_{dg}+{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{qg}\\ L_f\frac{{\mathrm{di}}_{qg}}{dt}=u_{qk}-u_{qg}-{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{dg}\end{array}\right.,$

其中，L_f为滤波电感，i_dg和i_qg分别为并网点电流的d轴分量和q轴分量，u_dk和u_qk分别为逆变器三相交流电压在dq坐标系中的d轴分量和q轴分量，ωL_fi_qg和ωL_fi_dg分别为前馈补偿值q轴分量和d轴分量，ω为电网角频率。

由于d，q轴变量相互耦合，因而给控制器/逆变器调制信号产生模型设计造成一定困难，为此，发明人考虑可采用前馈解耦控制策略，电流调节器采用PI调节器，则逆变器三相交流电压在dq坐标系的分量分别为：

$\{\begin{array}{c}{u}_{dk}=(K_{pd}+\frac{K_{id}}{s})(i_{dg}^{*}-i_{dg})-{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{qg}+u_{dg}\\ u_{qk}=(K_{pq}+\frac{K_{iq}}{s})(i_{qg}^{*}-i_{qg})+{\mathrm{\ωL}}_f{i}_{dg}+u_{qg}\end{array},$

其中，K_pd和K_pq分别为PI调节器的比例常数d轴分量和q轴分量，K_id和K_iq分别为PI调节器的积分常数d轴分量和q轴分量，s为复频域中的微分算子，1/s表示积分，1/s可以用数学符号∫代替表示。

图8是本发明一实施例中生成PWM脉冲信号的方法流程示意图。如图8所示，图2所示的光伏发电系统的实时仿真方法，在步骤S110中，将上述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号的方法，可包括步骤：

S111：根据一设定并网点参考电流q轴分量和当前并网点电流q轴分量，通过PI调节器计算得到内环无功电压；

S112：根据上述内环无功电压、当前前馈补偿值d轴分量及当前并网点电压q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量；

S113：根据一设定直流侧参考电压和当前直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；

S114：根据上述内环有功电流参考值和当前并网点电流d轴分量，通过PI调节器，计算得到内环有功电压参考值；

S115：根据上述内环有功电压参考值、当前并网点电压d轴分量及当前前馈补偿值q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量；

S116：将上述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量和上述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量转换到三相交流坐标系，以生成上述PWM脉冲信号。

其中，内环有功电流参考值即为内环电流d轴分量参考值，内环有功电压参考值即为内环电压d轴分量参考值，内环无功电压参考值即为内环电压q轴分量参考值。

本发明实施例中，通过三个PI(ProportionIntegration，比例积分)调节器，能够实现变流器电流内环解耦控制，再加上外环电压控制，构成调制比及相角对逆变器的双闭环控制。

在其他实施例中，也可以通过PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分)调节器，实现通过调制比及相角对逆变器的调制，具体实现过程可根据PID调节器的特点而设置。

图9是本发明一实施例中三相PWM信号控制逆变器的电路结构示意图。如图9所示，使用前馈算法能使变流器电流内环实现解耦控制，再加上外环电压控制能够构成双闭环PWM的逆变器控制。

本发明实施例中，首先，通过PI调节器101、PI调节器103及加减运算得到逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的d轴分量通过PI调节器102及加减运算得到逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的q轴分量然后，由d轴分量和q轴分量经过PWM调制操作104生成三相开关控制信号。例如，先由dq坐标系转换到极坐标系，经过调制得到光伏发电系统的逆变器调制信号，即三相开关控制信号S_a、S_b及S_c。

具体地，一方面，在dq坐标系中，例如d轴以并网点三相交流电压矢量方向为基准(各实施例中均适用)，对于d轴，设定直流侧参考电压和上述当前直流侧电压u_dc经过加减运算105后，通过PI调节器101比例积分后得到内环有功电流参考值dq坐标系中当前并网点电流的d轴分量i_dg和上述内环有功电流参考值经过加减运算106后，再通过PI调节器103比例积分，得到内环有功电压参考值上述内环有功电压参考值当前前馈补偿值q轴分量CV_qg及dq坐标系中当前并网点电压的d轴分量u_dg经过加减运算107后，得到逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的d轴分量另一方面，对于q轴，dq坐标系中当前并网点电流的q轴分量i_qg和一设定并网点参考电流q轴分量经过加减运算108后，通过PI调节器102比例积分得到内环无功电压参考值上述内环无功电压参考值当前前馈补偿值d轴分量CV_dg及dq坐标系中当前并网点电压的q轴分量u_qg经过加减运算109，得到逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的q轴分量

其中，设定直流侧参考电压和设定并网点参考电流q轴分量可以视需要设置成多种常数值，例如，设置和/或另外，当前前馈补偿值q轴分量CV_qg和当前前馈补偿值d轴分量CV_dg可分别根据当前并网点电流的q轴分量i_qg和当前并网点电流的d轴分量i_dg计算得到，例如，CV_qg＝ωL_fi_qg，CV_dg＝ωL_fi_dg，其中，ω为电网角频率，例如ω＝50Hz*2π，L_f为滤波电感。

图10是本发明一实施例中并网点电信号d轴分量和q轴分量的生成方法的流程示意图。如图10所示，上述当前系统变量包括当前并网点三相交流电流和当前并网点三相交流电压，并网点电信号d轴分量和q轴分量的生成方法，可包括步骤：

S210：采集上述当前并网点三相交流电流和上述当前并网点三相交流电压；

S220：将上述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系，得到上述当前并网点电流q轴分量和上述当前并网点电流d轴分量；

S230：将上述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系，得到上述当前并网点电压d轴分量和上述当前并网点电压q轴分量。

结合图9和图10所示，dq坐标系中当前并网点三相交流电流的d轴分量i_dg和dq坐标系中当前并网点三相交流电流的q轴分量i_qg可由三相交流坐标系/三相静止坐标系中当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系得到，dq坐标系中当前并网点三相交流电压的d轴分量u_dg和dq坐标系中当前并网点三相交流电压的q轴分量u_qg可由三相交流坐标系/三相静止坐标系中当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系得到。如图9所示，可通过测量锁相模块采集到当前并网点三相交流电压u_abc,g(或者u_ag、u_bg及u_cg)及当前并网点三相交流电流i_abc,g(或者i_ag、i_bg及i_cg)，然后，将当前并网点三相交流电压u_abc,g和当前并网点三相交流电流i_abc,g分别由三相交流坐标系abc转换至二相静止坐标系αβ，再转换至dq坐标系，并获取电网相角θ，最终可得到dq坐标系中当前并网点三相交流电流的d轴分量i_dg、dq坐标系中当前并网点三相交流电流的q轴分量i_qg、dq坐标系中当前并网点三相交流电压的d轴分量u_dg及dq坐标系中当前并网点三相交流电压的q轴分量u_qg。

光伏发电系统的最大功率跟踪控制方式一般有两种：CVT(constantvoltagetracking)和TMPPT(truemaximalpowerpointtracking)方式。CVT方式认为光伏阵列的最大功率点电压U_m变化不大，可近似为开路电压的0.8倍，可使光伏阵列输出电压稳定在U_m附近，近似可实现光伏阵列的最大功率跟踪。然而，这种方式控制精度差，在季节温差变化较大时，光伏阵列的U-I特性有较大变化，输出功率偏离最大功率。另外，TMPPT方式指“真正的最大功率点跟踪”，可以保证系统在不同的日照和温度条件下，动态跟踪系统的最大功率，使光伏阵列工作在最大功率点处。本发明实施例的仿真方法，由于上述光伏阵列模型可包含在不同光照和环境温度条件下对最大功率电压U_m的计算，此处DSP控制器对直流侧电压进行控制并跟踪最大功率电压U_m，因此，本发明实施例中DSP控制器对逆变器的控制方式属于TMPPT跟踪方式，控制精度高。

一个具体实施例中，以图1所示的光伏发电系统为例，该光伏发电系统为并网发电系统，发电功率为100kW。首先，在MATLAB/Simulink平台搭建光伏发电系统的仿真模型，然后在dSPACEDS1103平台进行实时仿真，仿真步长可为8s。逆变器的控制信号由基于TMS320F28335芯片的外部DSP控制板给出。光伏发电系统拓扑中的参数，即系统参数，如表1所示，逆变器DSP控制器参数如表2所示。其中，X_T为逆变器的等效电抗，K_P1、K_P2及K_P3分别为PI调节器101、PI调节器102及PI调节器103的比例常数，K_I1、K_I2及K_I3分别为PI调节器101、PI调节器102及PI调节器103的积分常数，U_B为电网电压基准值，S_B为复功率，即光伏发电系统的容量，L_f为滤波电感。

表1系统参数

表2逆变器DSP控制器参数

逆变器的控制采用图9所示的电压-电流双闭环控制策略。逆变器交流侧电压的d轴分量u_dg、q轴分量u_qg及电流的d轴分量i_dg、q轴分量i_qg均以节点g的a相电压相角为基准，经Park变换得到。在生成逆变器输出参考电压的d轴分量和q轴分量后，输出三相交流电压的给定值/参考值经Park反变换生成；该信号进而与三角载波比较后产生PWM脉冲，作为桥式逆变电路开关的指令信号。

在输入光照度S＝750W/m²、环境温度T＝25℃时，对稳态情况下的光伏发电系统输出特性进行仿真。图11是根据本发明一实施例的仿真方法得到的三相电流波形图。如图11所示，三相电流波形201、202及203，即并网点输出电流接近正弦波。图12是根据本发明一实施例的仿真方法得到的单相电流波形图。如图12所示，该单相例如是a相，单相电压波形301和单相电流波形302均接近正弦波。由仿真结果可知，本发明实施例所仿真的光伏发电系统具有较好的稳态运行特性，通过逆变器的控制，能够实现单位功率因数并网发电。

在外界环境(例如环境温度)改变时，利用本发明实施例的仿真方法对光伏发电系统的特性进行研究。初始外界环境条件为：光照强度S＝750W/m²、环境温度T＝25℃，在t＝5s时光照度突变为S＝1000W/m²。图13是根据本发明一实施例的仿真方法得到的直流侧电压曲线图。如图13所示，在输入光照随光照强度曲线401发生变化时，光伏电池的最大功率点电压u_M随之改变，此时逆变器控制回路中电压外环的指令值重新设定为新光照条件下的最大功率电压u_M。直流侧电压曲线402中的电压在暂态调节过程(约0.14s)后到达新的稳态。图14是根据本发明一实施例的仿真方法得到的并网点单相电压及并网点单相电流的曲线图。如图14所示，在输入光照随光照强度曲线401发生变化，逆变器的并网点电压曲线403中的电压在扰动前后基本不变，单相电流曲线404中的电流幅值随光伏组件输入功率的增加成比例增大。在此光照变化的过程中，光伏发电系统始终保持稳定。

利用本发明实施例的仿真方法对温度渐变时光伏发电系统的特性进行研究。图15是根据本发明一实施例的仿真方法得到的直流侧电压曲线图。如图15所示，在外界环境温度随温度曲线501发生变化时，光伏电池的最大功率点电压u_M及输出的最大功率基本不变，直流侧电压曲线502显示直流侧电压变化不大。图16是根据本发明一实施例的仿真方法得到的并网点单相电压及并网点单相电流的曲线图。如图16所示，在外界环境温度随温度曲线501发生变化时，逆变器并网点电压曲线503中的电压和并网点电流曲线504中的电流变化不大。

由图13～图16的仿真结果可知，在外界温度发生变化时，相比于光照度变化，温度改变对光伏组件的影响较小。

本发明实施例的光伏发电系统的实时仿真方法，基于dSPACE实时仿真器，采用半实物仿真建模的方式，能够提高了光伏并网发电系统实时仿真的灵活性，降低实验成本。现有技术中，在进行真实系统的实验时，不仅成本高，而且受制于日射强度、环境温度等自然条件的限制，缺乏灵活性。本发明实施例的光伏并网发电系统的半实物实时仿真系统采用硬件在环(Hardware-in-theloop，HIL)半实物仿真形式，模拟真实环境中的影响因素，能够降低成本，增加灵活性同时，并能够保证仿真结果的真实可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，包括：

获取光伏发电系统的当前系统变量，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号；

根据所述PWM脉冲信号及所述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的所述光伏发电系统，得到当前仿真结果；

利用所述当前仿真结果中实时系统变量更新所述当前系统变量，以实时仿真模拟所述光伏发电系统。

2.如权利要求1所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，根据所述PWM脉冲信号及所述当前系统变量，基于dSPACE实时仿真器仿真模拟包括光伏电池阵列、逆变器及三相交流电网的所述光伏发电系统，包括：

将所述当前系统变量输入至所述dSPACE实时仿真器的光伏电池阵列模型中，输出一直流侧电压信号；

将所述直流侧电压信号和所述PWM脉冲信号输入至所述dSPACE实时仿真器的逆变器模型中，输出一逆变器三相交流信号；

将所述逆变器三相交流信号中的电流信号输入至所述dSPACE实时仿真器的三相交流电网模型中，输出电网三相交流电压。

3.如权利要求2所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，所述光伏发电系统还包括升压变压器，所述方法还包括：

将所述逆变器三相交流信号中的电压信号输入至所述dSPACE实时仿真器的升压变压器模型中，输出一升压后的所述电压信号，用于输入至所述三相交流电网模型。

4.如权利要求2或3所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，所述光伏电池阵列模型为一简化工程模型。

5.如权利要求2或3所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，所述逆变器模型为一理想开关模型。

6.如权利要求1所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号，包括：

根据一设定并网点参考电流q轴分量和当前并网点电流q轴分量，通过PI调节器计算得到内环无功电压；

根据所述内环无功电压、当前前馈补偿值d轴分量及当前并网点电压q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量；

根据一设定直流侧参考电压和当前直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；

根据所述内环有功电流参考值和当前并网点电流d轴分量，通过PI调节器，计算得到内环有功电压参考值；

根据所述内环有功电压参考值、当前并网点电压d轴分量及当前前馈补偿值q轴分量，计算得到dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量；

将所述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的q轴分量和所述dq坐标系下逆变器三相交流电压参考值的d轴分量转换到三相交流坐标系，以生成所述PWM脉冲信号。

7.如权利要求6所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，所述当前系统变量包括当前并网点三相交流电流和当前并网点三相交流电压；所述方法还包括：

采集所述当前并网点三相交流电流和所述当前并网点三相交流电压；

将所述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系，得到所述当前并网点电流q轴分量和所述当前并网点电流d轴分量；

将所述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系，得到所述当前并网点电压d轴分量和所述当前并网点电压q轴分量。

8.如权利要求1所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，获取光伏发电系统的当前系统变量，将所述当前系统变量输入一DSP控制器模型，生成一PWM脉冲信号之前，还包括：

初始化所述光伏发电系统的当前系统变量。

9.如权利要求1所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，还包括：

向所述光伏发电系统的光伏电池阵列输入一光照强度和一环境温度。

10.如权利要求9所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，在标准光照强度和标准环境温度下，所述简化工程模型为：

$I=I_{scref}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{ocref}\right)}-1)\],$

C₂＝(U_mref/U_ocref-1)/[ln(1-I_mref/I_scref)]，

其中，U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流，C₁和C₂为常数，U和I分别为电压变量和电流变量。

11.如权利要求9所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，在非标准光照强度和非标准环境温度下，所述简化工程模型为：

$I=I_{sc}\[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{oc}\right)}-1)\],$

T＝T_air+kS，

I_sc＝I_scref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_oc＝U_ocref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

I_m＝I_mref[1+a(T-T_ref)]·S/S_ref，

U_m＝U_mref[1-c(T-T_ref)]·ln[e+b(S/S_ref-1)]，

其中，U_oc、U_m、I_sc、I_m分别为在非标准光照强度和非标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；U_ocref、U_mref、I_scref及I_mref分别为在标准光照强度和标准环境温度下光伏电池阵列的开路电压、最大功率时的电压、短路电流及最大功率时的电流；T_air为非标准环境温度，k为温度系数，S为非标准光照强度，T为光伏电池阵列温度，a、b及c为补偿系数，S_ref为标准光照强度，e为自然对数底数。

12.如权利要求5所述的光伏发电系统的实时仿真方法，其特征在于，所述理想开关模型为：

$\begin{array}{ccc}\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{S1}+i_{S4}\\ i_b=i_{S3}+i_{S6}\\ i_c=i_{S5}+i_{S2}\end{array},& \{\begin{array}{c}{u}_{an}=u_{ao}-u_{no}\\ u_{bn}=u_{bo}-u_{no}\\ u_{cn}=u_{co}-u_{no}\end{array},& i_{dc}=i_{S1}+i_{S3}+i_{S5}\end{array};$

$\begin{array}{cc}\{\begin{array}{c}{i}_{S1}=i_a\×S_a^{+}\\ i_{S3}=i_b\×S_b^{+}\\ i_{S5}=i_c\×S_c^{+}\end{array},& \left\{\begin{array}{c}{i}_{S4}=i_a\×S_a^{-}\\ i_{S6}=i_b\×S_b^{-}\\ i_{S2}=i_c\×S_c^{-}\end{array}\right.\end{array},$

$\begin{array}{ccc}\left\{\begin{array}{c}{u}_{ao}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_a\\ u_{bo}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_b\\ u_{co}=\frac{1}{2}{U}_{dc}\·S_c\end{array}\right.,& u_{no}=\frac{1}{3}(u_{ao}+u_{bo}+u_{co}),& \left\{\begin{array}{c}{S}_a=S_a^{+}-S_a^{-}\\ S_b=S_b^{+}-S_b^{-}\\ S_c=S_c^{+}-S_c^{-}\end{array}\right.\end{array},$

其中，i_a、i_b及i_c为三相电流，u_an、u_bn及u_cn以电网中性点n为参考点的三相电压，i_dc为直流侧电流，i_S1、i_S3及i_S5为通过三相正半桥开关的电流，i_S4、i_S6及i_S2为通过三相负半桥开关的电流，u_ao、u_bo及u_co为逆变器输出端与直流电源中点o之间的电压，u_no为电网中性点n与直流电源中点o之间的电压，下标a、b及c分别表示a相、b相及c相；u_dc为直流侧电压；为逆变器的三相正半桥开关及和三相负半桥开关及的开关函数，l＝a,b或c，m＝+或-。