CN105514976A - 大规模光伏发电系统的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模光伏发电系统的仿真方法，包括：将设定光照强度、设定环境温度及当前并网点有功功率输入直流电压计算模型得到直流侧电压；利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及该直流侧电压，根据逆变器调制信号产生模型得到逆变器调制信号的调制比和相角；利用该直流侧电压、该调制比及该相角，根据逆变器模型得到逆变器输出三相交流电压；根据该逆变器输出三相交流电压及该当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流；获取并网点输出三相交流电压并计算得到并网点输出有功功率；更新当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及当前并网点有功功率。本发明能够提高大规模光伏发电系统的仿真速度。

Description

大规模光伏发电系统的仿真方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种大规模光伏发电系统的仿真方法。

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。

然而，传统细节仿真模型基于实际物理模型搭建，详细考虑了光伏发电系统的所有环节，包括三相逆变器的开关特性。这种传统细节仿真模型虽然在研究暂态响应时较为准确，但仿真速度极慢，且随着光伏容量增大，难以得到稳定运行结果。因此，传统的仿真模型并不适用于研究大规模光伏发电系统的仿真。

发明内容

本发明提供一种大规模光伏发电系统的仿真方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。

本发明提供一种大规模光伏发电系统的仿真方法，包括：将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压；利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角；利用所述直流侧电压、所述调制比及所述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压；根据所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流；获取并网点输出三相交流电压，并根据所述并网点输出三相交流电压和所述并网点输出三相交流电流，计算得到并网点输出有功功率；用所述并网点输出三相交流电压、所述并网点输出三相交流电流及所述并网点输出有功功率分别更新所述当前并网点三相交流电压、所述当前并网点三相交流电流及所述当前并网点有功功率。

一个实施例中，将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压之前，还包括：对所述当前并网点三相交流电压、所述当前并网点三相交流电流及所述当前并网点有功功率进行初始化。

一个实施例中，利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，包括：将所述当前并网点三相交流电压和所述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系；利用转换后的所述当前并网点三相交流电压、转换后的所述当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据所述逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角。

一个实施例中，所述逆变器调制信号产生模型为双闭环控制模型；利用转换后的所述当前并网点三相交流电压、转换后的所述当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据所述逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，包括：根据一设定直流侧参考电压及所述直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；根据转换后的所述当前并网点三相交流电流的d轴分量和所述内环有功电流参考值，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、一前馈补偿值q轴分量及转换后的所述当前并网点三相交流电压的d轴分量，计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；根据转换后的所述当前并网点三相交流电流的q轴分量和一设定并网点参考电流q轴分量，通过PI调节器，计算得到内环无功电压参考值；根据所述内环无功电压参考值、一前馈补偿值d轴分量及转换后的所述当前并网点三相交流电压的q轴分量，计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；将所述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的d轴分量和所述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的q轴分量转换到极坐标系，生成所述调制比和所述相角。

一个实施例中，利用所述直流侧电压、所述调制比及所述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压，包括：利用所述直流侧电压和所述调制比，根据所述逆变器模型得到所述逆变器输出三相交流电压的有效值；根据所述相角和当前并网点电压的角度，计算得到所述逆变器输出三相交流电压的角度；根据所述有效值和所述逆变器输出三相交流电压的角度，生成所述逆变器输出三相交流电压。

一个实施例中，根据所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流，包括：将所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系；利用转换后的所述逆变器输出三相交流电压和转换后的所述当前并网点三相交流电压，通过dq坐标系负载模型，计算得到dq坐标系的并网点输出电流；将所述dq坐标系的并网点输出电流转换到三相交流坐标系，生成所述并网点输出三相交流电流。

一个实施例中，还包括：将所述并网点输出三相交流电流输入至一受控电流源，以输出所述并网点输出三相交流电压。

一个实施例中，所述直流电压计算模型为：

其中，U_dc为直流侧电压变量，C_dc为设定直流侧电容，t为时间变量，I光伏电池输出总电流变量，P_out为所述当前并网点有功功率。

一个实施例中，所述dq坐标系以并网点三相交流电压的矢量方向为基准。

一个实施例中，所述逆变器模型为：

其中，为逆变器输出三相交流电压的有效值，k为比例系数，m为所述调制比，U_dc为所述直流侧电压。

本发明的大规模光伏发电系统仿真方法，使用相量模型搭建光伏发电模型，能有效解决大规模光伏发电系统仿真的快速性、准确性问题。该种仿真方式忽略开关器件的暂态过程影响，只考虑光伏发电逆变器输出的基波成分，从能量、功率角度对光伏发电系统进行简化，大大加快了仿真速度，减弱了系统对连接电感等参数的敏感性，为含大规模光伏发电的复杂系统的暂态研究提供了基础。与此同时，该仿真方法能准确反映外界环境变量(光照、环境温度)对光伏发电系统的影响，可以体现控制策略的作用，同时能对电网的电压及频率扰动产生正确响应，适用于光伏发电并网系统的机电或机械时间尺度研究。

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大规模光伏发电系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法的流程示意图；

图3是本发明一实施例中直流电压计算模型的结构示意图；

图4是本发明一实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法的流程示意图；

图5是本发明一实施例中生成逆变器调制信号的方法的流程示意图；

图6是本发明一实施例中利用逆变器调制信号产生模型生成逆变器调制信号的方法的流程示意图；

图7是本发明一实施例中逆变器调制信号产生模型的实现过程示意图；

图8是本发明一实施例中通过逆变器模型生成逆变器输出三相交流电压的方法的流程示意图；

图9是本发明一实施例中生成并网点输出三相交流电流的方法的流程示意图；

图10是本发明一实施例中的电源接口的结构示意图；

图11是本发明一实施例中生成并网点输出三相交流电压方法的流程示意图；

图12是本发明一实施例的光伏发电系统的信号传输过程示意图；

图13是本发明一实施例的光伏发电系统的电路结构示意图；

图14是本发明一实施例的仿真结果和传统仿真结果的曲线对比图。

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。

本发明提供一种大规模光伏发电系统的仿真方法，该方法从能量、功率角度对光伏发电系统进行简化，例如通过简化逆变器、连接电感模型等，将一个实际光伏发电系统简化为功率源，然后使用相量方式进行仿真，以提高大规模光伏发电系统的仿真速度。

图1是本发明一实施例的大规模光伏发电系统的结构示意图。如图1所示，该大规模光伏发电系统可包括直流电压计算模块100、控制模块/逆变器调制信号产生模块200、逆变器模块300、电源接口模块400及测量锁相模块500。其中，直流电压计算模块100、控制模块(逆变器调制信号产生模块)200、逆变器模块300及电源接口模块400可被集成到一个内部信号运算单元10，从而仅采用一个电源接口400即可和电网600连接。

本发明实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法，可根据光照S、环境温度T_air及并网点有功功率P，通过直流电压计算模块100，输出直流侧电压U_dc，结合直流侧电压U_dc和设定的直流侧参考电压U_dcref，通过控制模块(逆变器调制信号产生模块)200，可输出逆变器调制信号的调制比m和相角在经过逆变器模块300，可输出逆变器三相交流电压u_abc,k。逆变器三相交流电压u_abc,k经过电源接口模块400可输出电网600所需的电压。其中，并网点处的电压u_abc,g和电流i_abc可以通过测量锁相模块500采集得到。并网点有功功率P可以通过电压u_abc,g和电流i_abc计算得到。dq坐标系的并网点电流i_dq,g可以通过坐标变换得到。

值得说明的是，本发明各实施例中，符号的下角标k和g可分别表示逆变器输出点和并网点处的量，符号的下角标d和q可分别表示dq坐标系中的d轴分量和q轴分量。

图2是本发明一实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法的流程示意图。如图2所示，该大规模光伏发电系统的仿真方法，可包括步骤：

S110：将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压；

S120：利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及上述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到上述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角；

S130：利用上述直流侧电压、上述调制比及上述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压；

S140：根据上述逆变器输出三相交流电压及上述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流；

S150：获取并网点输出三相交流电压，并根据上述并网点输出三相交流电压和上述并网点输出三相交流电流，计算得到并网点输出有功功率；

S160：用上述并网点输出三相交流电压、上述并网点输出三相交流电流及上述并网点输出有功功率分别更新上述当前并网点三相交流电压、上述当前并网点三相交流电流及上述当前并网点有功功率。

在上述步骤S110中，设定光照强度和设定环境温度可为各种设定值，例如，设定光照强度为标准光照强度S_ref＝1000W/m²，设定环境温度为标准环境温度T_ref＝25℃。

在上述步骤S120中，逆变器调制信号产生模型即逆变器控制模型用于产生逆变器的调制信号。通过上述逆变器调制信号产生模型输出的信号不是现有技术中的三相PWM信号，而是三相交流电的调制比m和相角从而能够利用向量调制信号实现对逆变器的调制。

上述步骤S140中的并网点输出三相交流电流和上述步骤S150中的并网点输出三相交流电压分别为本次仿真得到的并网点电流和并网点电压。例如，可通过测量锁相模块采集得到。

通过上述步骤S150实时计算并网点输出有功功率，可以保证光伏发电系统在不同光照强度和环境温度下，动态跟踪光伏发电系统中并网点处的有功功率。

在上述步骤S160中，通过利用本次仿真的结果，可包括上述并网点输出三相交流电压、上述并网点输出三相交流电流及上述并网点输出有功功率，更新之前的并网点三相交流电压、并网点三相交流电流及并网点有功功率，即上述的当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及当前并网点有功功率，可用于进行下一次仿真。如此一来，可循环对光伏发电系统进行多次仿真，从而得到各个不同时刻的仿真结果。

值得说明的是，上述当前并网点有功功率是指此时光伏发电系统并网点处的输出功率，例如，首次进行仿真是，可对系统的并网点有功功率进行初始化，例如初始化后的并网点有功功率P＝0，则此时该当前并网点有功功率P＝0。再例如，进行步骤S110～S140后，完成一次仿真，则可将第一次仿真结果中的并网点有功功率作为当前并网点有功功率进行第二次仿真。类似地，上述当前并网点三相交流电压和当前并网点三相交流电流分别为仿真当时的并网点三相交流电压和并网点三相交流电流。另外，上述步骤S120中，光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，也可分别称为逆变器调制信号的幅值和相位。

本发明实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法，由于采用三相交流电的调制比和相角，即逆变器调制信号的调制比和相角，作为调制信号，而不是利用三相PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)信号作为调制信号，可以大大简化光伏发电系统的模拟过程，从而能够实现对大规模光伏发电系统的仿真模拟。

一个实施例中，在上述步骤S110中，上述直流电压计算模型可为：

$C_{dc}{U}_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=U_{dc}I-u_{dg}{i}_{dg},$ 或者 $C_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=I-\frac{P_{out}}{U_{dc}},$

其中，U_dc为直流侧电压变量，C_dc为设定直流侧电容，t为时间变量，I光伏电池输出总电流变量，P_out＝u_dgi_dg为上述当前并网点有功功率，u_dg和i_dg分别为并网点/公共连接点处的电压d轴分量和电流d轴分量(dq坐标的d以并网点电压矢量方向为基准)。

图3是本发明一实施例中直流电压计算模型的结构示意图。如图3和上述直流电压计算模型所示，光伏电池阵列301在环境温度T_air及光照前度S下，产生光伏电池输出总电流变量I。利用采集或初始化的当前并网点有功功率P_out和初始化或采集的当前直流侧电压，经过做除法运算302，得到并网点输出电流，该并网点输出电流和上述光伏电池输出总电流变量I作加减运算303，之后与直流侧电容的倒数做乘法运算304，最后进行积分运算305，可到光伏发电系统的直流侧电压U_dc，如此循环进行，可得到更加准确的光伏发电系统的直流侧电压U_dc。其中，图3所示的积分运算305中，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4是本发明一实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法的流程示意图。如图4所示，图2所示的大规模光伏发电系统的仿真方法中，在上述步骤S110，即将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压之前，还可包括步骤：

S170：对上述当前并网点三相交流电压、上述当前并网点三相交流电流及上述当前并网点有功功率进行初始化。

具体地，例如，可将上述当前并网点三相交流电压在三相交流坐标中的电压u_ag、u_bg及u_cg初始化为0，或者将上述当前并网点三相交流电压在dq坐标系的电压d轴分量u_dg及q轴分量u_qg初始化为0；可将上述当前并网点三相交流电流在三相交流坐标中的电流i_a、i_b及i_c初始化为0，或者将上述当前并网点三相交流电流在dq坐标系的电流d轴分量i_d及q轴分量i_q初始化为0；上述当前并网点有功功率P，即输出到电网的有功功率P_out，初始化为0。

图5是本发明一实施例中生成逆变器调制信号的方法的流程示意图。如图5所示，在图2或图4所示的大规模光伏发电系统的仿真方法中，在步骤S120中，利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及上述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到上述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，可包括步骤：

S121：将上述当前并网点三相交流电压和上述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系；

S122：利用转换后的上述当前并网点三相交流电压、转换后的上述当前并网点三相交流电流及上述直流侧电压，根据上述逆变器调制信号产生模型，得到上述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角。

本发明实施例中，通过上述步骤S121可将三相交流坐标系下的并网点三相交流电压和并网点三相交流电流转换到二维向量的dq坐标系，结合上述步骤S122中的逆变器调制信号产生模型，能够得到逆变器调制信号的调制比和相角。从而无需使用三相交流PWM信号作为逆变器的调制信号。

较佳实施例中，上述逆变器调制信号产生模型可为双闭环控制模型。图6是本发明一实施例中利用逆变器调制信号产生模型生成逆变器调制信号的方法的流程示意图。如图6所示，图5所示的生成逆变器调制信号的方法中，在上述步骤S122中，利用转换后的上述当前并网点三相交流电压、转换后的上述当前并网点三相交流电流及上述直流侧电压，根据上述逆变器调制信号产生模型，得到上述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，可包括步骤：

S1221：根据一设定直流侧参考电压及上述直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；

S1222：根据转换后的上述当前并网点三相交流电流的d轴分量和上述内环有功电流参考值，通过PI调节器计算得到内环有功电压参考值；

S1223：根据上述内环有功电压参考值、一前馈补偿值q轴分量及转换后的上述当前并网点三相交流电压的d轴分量，计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；

S1224：根据转换后的上述当前并网点三相交流电流的q轴分量和一设定并网点参考电流q轴分量，通过PI调节器，计算得到内环无功电压参考值；

S1225：根据上述内环无功电压参考值、一前馈补偿值d轴分量及转换后的上述当前并网点三相交流电压的q轴分量，计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；

S1226：将上述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的d轴分量和上述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的q轴分量转换到极坐标系，生成上述调制比和上述相角。

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7是本发明一实施例中逆变器调制信号产生模型的实现过程示意图。如图7所示，本发明实施例的逆变器调制信号产生模型，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，将d轴分量和q轴分量经过调制操作104，例如，由dq坐标系转换到极坐标系，可以得到光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比m和相角

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三相交流电流的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前馈补偿值q轴分量CV_qg及dq坐标系中当前并网点三相交流电压的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三相交流电流的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一前馈补偿值d轴分量CV_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，前馈补偿值q轴分量CV_qg和前馈补偿值d轴分量CV_dg可分别根据dq坐标系中当前并网点三相交流电流的q轴分量i_qg和dq坐标系中当前并网点三相交流电流的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8是本发明一实施例中通过逆变器模型生成逆变器输出三相交流电压的方法的流程示意图。如图8所示，图2所示的大规模光伏发电系统的仿真方法，在步骤S130中，利用上述直流侧电压、上述调制比及上述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压的方法，可包括步骤：

S131：利用上述直流侧电压和上述调制比，根据上述逆变器模型得到上述逆变器输出三相交流电压的有效值；

S132：根据上述相角和当前并网点电压的角度，计算得到上述逆变器输出三相交流电压的角度；

S133：根据上述有效值和上述逆变器输出三相交流电压的角度，生成上述逆变器输出三相交流电压。

一个实施例中，在上述步骤S131中，上述逆变器模型可为：

$V_{rms}^{L-L}={\mathrm{kmU}}_{dc},$

其中，为逆变器输出三相交流电压的有效值，k为比例系数，m为上述调制比，U_dc为逆变器直流侧电压。当上述调制比和相角与使用SPWM方式调制的三相PWM逆变器相对应时，可令比例系数本发明实施例中，通过上述代数关系式即可得到逆变器输出电压，运算简单，仿真效率高。

在上述步骤S132中，例如，通过将逆变器调制信号的相角和上述当前并网点电压的角度θ相加，即计算得到上述逆变器输出三相交流电压的角度。其中，该当前并网点电压的角度θ，即电网角度，可由测量锁相模块在电网点采集得到。相角可由逆变器调制信号生成模型的控制环输出。

在上述步骤S133中，将上述有效值和上述逆变器输出三相交流电压的角度输入至现有的三相交流电压波形函数，即可生成上述逆变器输出三相交流电压，该逆变器输出三相交流电压是一个三相电压向量值。

本发明实施例中，不是像现有技术中利用三相PWM脉冲信号作为逆变器的调制信号，而是利用调制比和相角作为逆变器的调制信号。从而可以经过上述步骤S131～S133，通过逆变器的数学等效模型，即上述逆变器模型，产生三相交流电压输出信号，从而可以忽略逆变器中的开关器件特性，从而可以大大简化逆变器仿真过程，显著提高光伏发电系统的仿真速度。

图9是本发明一实施例中生成并网点输出三相交流电流的方法的流程示意图。如图9所示，图2所示的大规模光伏发电系统的仿真方法，在上述步骤S140中，根据上述逆变器输出三相交流电压及上述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流的方法，可包括步骤：

S141：将上述逆变器输出三相交流电压及上述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系；

S142：利用转换后的上述逆变器输出三相交流电压和转换后的上述当前并网点三相交流电压，通过dq坐标系负载模型，计算得到dq坐标系的并网点输出电流；

S143：将上述dq坐标系的并网点输出电流转换到三相交流坐标系，生成上述并网点输出三相交流电流。

上述步骤S141～S143可通过连接在逆变器和电网之间的电路接口模块实现。图10是本发明一实施例中的电源接口的结构示意图。结合图9和图10所示，将上述逆变器输出三相交流电压u_abc,k和上述当前并网点三相交流电压u_abc,g分别经过abc到dq坐标转换模型201和abc到dq坐标转换模型202由三相交流abc坐标系转换到dq坐标系，得到逆变器电压u_dq,k和并网点电压u_dq,g(步骤S141)；再通过dq坐标系负载模型203转换为dq坐标系的并网点/逆变器输出电流i_dq(步骤S142)；之后，通过dq到abc坐标转换模型204，得到并网点/逆变器输出三相交流电流i_abc(步骤S143)。

值得说明的是，并网点和公共连接点是等同的概念，并网点处输出的电信号可以直接输送给用户或其他电网。并网点输出三相交流电流和逆变器输出三相交流电流因为位于同一电流线路，无其他分支，所以二者相同。

本发明实施例中，在dq坐标中计算并网点/逆变器输出电流，而不是在三相交流坐标abc中计算得到并网点/逆变器输出电流，如此一来，可以简化并网点/逆变器输出电流的计算过程，从而可以进一步提高仿真的速度。

图11是本发明一实施例中生成并网点输出三相交流电压方法的流程示意图。如图11所示，图2所示的大规模光伏发电系统的仿真方法，在步骤S130和步骤S140之间，还可包括步骤：

S180：将上述并网点输出三相交流电流输入至一受控电流源，以输出上述并网点输出三相交流电压。

本发明实施例中，结合图10和图11所示，上述并网点/逆变器输出三相交流电流i_abc可以作为受控电流源205的指令给定输出到公共连接点/并电网点206。可通过测量锁相模块在公共连接点/并电网点206处采集得到上述并网点输出三相交流电压u_abc,g。

图12是本发明一实施例的光伏发电系统的信号传输过程示意图。图12给出图1所示的光伏发电系统，通过MATLAB/SIMULIK构件，并根据本发明的仿真方法模拟时，各模块的信号输入输出关系。各模块包括：直流电压计算模块100、控制模块/逆变器调制信号产生模块200、逆变器模块300、电源接口模块400及测量锁相模块500。另外，该光伏发电系统还可包括外部信号接口700，以将系统各变量传送给显示装置800例如显示器或上位机进行显示。

图12所示的多个模块可封装为一个子系统，从而可便于进行电力系统级的仿真。同时，可对光伏发电系统内部参数进行集成，从而可以直接由外部封装即可对多个内部参数进行修改。

为验证本发明快速仿真模型的正确性，本发明采用传统细节仿真模型和快速仿真模型搭建系统仿真模型，对同一个实际系统进行分析对比。对比的参数包括系统的动态特性(指动态响应过程的时间、超调量、振荡周期数等)和稳态特性(系统的稳态电压、电流、功率)。如果两种模型下系统的特性一致，则说明建立的光伏发电系统快速仿真模型是正确的，可以反映系统的真实情况。

用于验证本发明仿真方法及系统正确性的光伏发电系统的电路结构可如图13所示，具体仿真参数可如表1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。

表1系统参数

以直流侧电容电压U_dc为例，对比两种情况下的暂态响应性能，对比结果如图14所示。在动态响应过程中，最大误差发生在传统细节模型到达超调点处，此时误差为11.29％；两种情况下的超调量近似相同，暂态时间相差0.01s(16.67％)。可见，由于忽略了器件的开关特性，本发明快速仿真模型的动态性能与实际传统细节模型略有差异，但基本接近实际模型。

对稳态时的潮流情况进行对比，对比结果如表2所示。

表2电网接入点稳态参数

仿真结果表明，两种仿真方法稳态基波成分基本一致，该快速仿真模型可以在稳态分析以及机电暂态分析中使用。由于本发明的相量模型忽略了谐波成分，因此无法进行此时的THD(TotalHarmonicDistortion，总谐波失真)进行评估，即无法用于电磁暂态以及由此而致的电能质量分析和评估。

对两种方法的仿真速度进行对比，对比结果如表3所示。

表3仿真速度对比结果

对比结果表明，传统细节仿真模型的仿真用时与仿真时长接近正比关系，但本发明的快速仿真模型在到达稳态后即可迅速完成仿真过程。由于忽略了开关级别的状态方程求解，以及使用了相量算法，快速仿真模型能极大提高仿真速度。

本发明的快速仿真模型设计通过简化逆变器及连接电感模型，将一个实际光伏发电系统简化为功率源，然后使用相量方式进行仿真。其主要可进行如下简化：

1)可忽略开关器件的开关特性，仅反映其平均特性；

2)直流侧电压计算、交流侧连接电抗模型可均被集成到内部信号运算部分，仅采用一个电源接口即可与电网连接；

3)采用相量解算器，在解算迭代过程中将描述系统动态特性的微分方程组转换为代数方程组，从而能够极大地提高解算速度。

本发明使用的MATLAB/SIMULINK的Powergui模块可为SimPowerSystems(电力系统)模型，以提供必要的运行环境，可用于储存用状态空间方程表示的SIMULINK的等效电路。Powergui模块可对仿真系统的解算方式进行设置，其中分为连续方式(Continuous)、离散方式(Discrete)、相量方式(Phasor)。

本发明实施例的大规模光伏发电系统的仿真方法，采用相量方式，光伏发电系统的系统变量均转换为系统特定频率下的相量，网络差分方程可由一组固定频率下的代数方程代替，内部模型表示要简单很多，因此极大减少了仿真时间。此外，在稳态时，相量模型的所有状态变量与其他仿真模型高度符合，开关器件造成的细微损耗和其他损耗可以忽略不计。

本发明的大规模光伏发电系统仿真方法，使用相量模型搭建光伏发电模型，能有效解决大规模光伏发电系统仿真的快速性、准确性问题。该种仿真方式忽略开关器件的暂态过程影响，只考虑光伏发电逆变器输出的基波成分，从能量、功率角度对光伏发电系统进行简化，大大加快了仿真速度，减弱了系统对连接电感等参数的敏感性，为含大规模光伏发电的复杂系统的暂态研究提供了基础。与此同时，该仿真方法能准确反映外界环境变量(光照、环境温度)对光伏发电系统的影响，可以体现控制策略的作用，同时能对电网的电压及频率扰动产生正确响应，适用于光伏发电并网系统的机电或机械时间尺度研究。

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 (10)

1.一种大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，包括：

将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压；

利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角；

利用所述直流侧电压、所述调制比及所述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压；

根据所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流；

获取并网点输出三相交流电压，并根据所述并网点输出三相交流电压和所述并网点输出三相交流电流，计算得到并网点输出有功功率；

用所述并网点输出三相交流电压、所述并网点输出三相交流电流及所述并网点输出有功功率分别更新所述当前并网点三相交流电压、所述当前并网点三相交流电流及所述当前并网点有功功率。

2.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，将一设定光照强度、一设定环境温度及当前并网点有功功率输入至一直流电压计算模型，得到光伏发电系统的直流侧电压之前，还包括：

对所述当前并网点三相交流电压、所述当前并网点三相交流电流及所述当前并网点有功功率进行初始化。

3.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，利用当前并网点三相交流电压、当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据一逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，包括：

将所述当前并网点三相交流电压和所述当前并网点三相交流电流转换到dq坐标系；

利用转换后的所述当前并网点三相交流电压、转换后的所述当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据所述逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角。

4.如权利要求3所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，所述逆变器调制信号产生模型为双闭环控制模型；

利用转换后的所述当前并网点三相交流电压、转换后的所述当前并网点三相交流电流及所述直流侧电压，根据所述逆变器调制信号产生模型，得到所述光伏发电系统的逆变器调制信号的调制比和相角，包括：

根据一设定直流侧参考电压及所述直流侧电压，通过PI调节器计算得到内环有功电流参考值；

根据转换后的所述当前并网点三相交流电流的d轴分量和所述内环有功电流参考值，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、一前馈补偿值q轴分量及转换后的所述当前并网点三相交流电压的d轴分量，计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；

根据转换后的所述当前并网点三相交流电流的q轴分量和一设定并网点参考电流q轴分量，通过PI调节器，计算得到内环无功电压参考值；

根据所述内环无功电压参考值、一前馈补偿值d轴分量及转换后的所述当前并网点三相交流电压的q轴分量，计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；

将所述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的d轴分量和所述逆变器三相交流电压参考值在dq坐标系的q轴分量转换到极坐标系，生成所述调制比和所述相角。

5.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，利用所述直流侧电压、所述调制比及所述相角，根据一逆变器模型，得到逆变器输出三相交流电压，包括：

利用所述直流侧电压和所述调制比，根据所述逆变器模型得到所述逆变器输出三相交流电压的有效值；

根据所述相角和当前并网点电压的角度，计算得到所述逆变器输出三相交流电压的角度；

根据所述有效值和所述逆变器输出三相交流电压的角度，生成所述逆变器输出三相交流电压。

6.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，根据所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压，生成并网点输出三相交流电流，包括：

将所述逆变器输出三相交流电压及所述当前并网点三相交流电压转换到dq坐标系；

利用转换后的所述逆变器输出三相交流电压和转换后的所述当前并网点三相交流电压，通过dq坐标系负载模型，计算得到dq坐标系的并网点输出电流；

将所述dq坐标系的并网点输出电流转换到三相交流坐标系，生成所述并网点输出三相交流电流。

7.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，还包括：

将所述并网点输出三相交流电流输入至一受控电流源，以输出所述并网点输出三相交流电压。

8.如权利要求1所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，所述直流电压计算模型为：

$C_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=I-\frac{P_{out}}{U_{dc}},$

其中，U_dc为直流侧电压变量，C_dc为设定直流侧电容，t为时间变量，I光伏电池输出总电流变量，P_out为所述当前并网点有功功率。

9.如权利要求4或6所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，所述dq坐标系以并网点三相交流电压的矢量方向为基准。

10.如权利要求5所述的大规模光伏发电系统的仿真方法，其特征在于，所述逆变器模型为：

$V_{rms}^{L-L}={\mathrm{kmU}}_{dc},$

其中，为逆变器输出三相交流电压的有效值，k为比例系数，m为所述调制比，U_dc为所述直流侧电压。