CN110556871A - 基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法，包括：建立两级式光伏发电系统的详细数学模型，包括光伏阵列的数学模型，前级Boost电路的平均模型，后级并网逆变器的平均模型，变压器的等效模型，最大功率点追踪控制器与并网电压电流控制器的数学模型；根据光伏发电系统中存在的磁场能、电场能与广义势能之间的能量守恒关系，得到大规模光伏发电系统详细模型与等值模型状态变量之间的关系；根据详细模型与等值模型之间相同的有功出力与接入电网方式，确定详细模型与等值模型之间的电流、电压关系；利用容量加权法，并且比较不同模型间的状态方程，提出聚合等值模型的等效参数计算方法。其有益效果在于，在简化降阶模型的基础上使得聚合模型保留了与原光伏发电系统一样的电路与控制结构，同时为聚合等值模型中光伏阵列、Boost电路、逆变器、输出滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器与并网电压电流控制器的等值参数求取，提供了精确可靠的计算方法。

Description

基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法

技术领域

本发明属于新能源并网发电技术领域，具体涉及基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值模型与等效参数的计算方法。

背景技术

由于光伏资源容易获得并且其具有低成本、无污染的特性，使得光伏发电被认为推进能源转型和应对环境挑战的重要途经。一般情况下，实际光伏电站为了满足输出足够的有功功率多采用多个光伏逆变器并联集群方式接入配电网运行，所以光伏电站是一个大规模高阶系统。大规模光伏系统的仿真分析将耗费较长的时间，占用较大的计算空间。此外，由于系统规模较大，研究大规模多并联光伏发电系统在不同环境下的运行特性十分困难，并且难以评估大规模光伏系统在故障与小扰动发生时的动态稳定性。

因此，为了简化大型系统的分析，快速评估大规模系统的动态响应能力，建立大规模系统的聚合等值模型是十分必要的。大规模光伏系统的聚合等值模型实际上是简化降阶的等效模型，其具有与实际详细模型相同的输出功率，一致的动态响应能力，可以用较少的计算空间与分析时间实现大规模光伏系统在稳态与暂态情况下的精准替代。

目前针对大规模光伏系统等值模型的研究，主要集中在光伏逆变器的聚类分群方法，即将具有相同动态特性的多台光伏逆变器用不同的聚类算法进行光伏逆变器的分群等值。专利CN106054665A获取光伏逆变器的预设控制参数的灵敏度，根据K均值聚类算法对光伏逆变器进行分群聚类等值，但其并没有介绍逆变器分群后多个等值模型中等效参数的计算方法。专利CN106451418A利用各光伏发电单元对应的单位冲激响应曲线之间的距离作为分群指标，采用K-means算法对光伏电站模型进行在线分群，根据每个光伏发电单元的实际出力，建立光伏电站的在线分群等值模型，但其等值参数的计算只包含逆变器的有功和无功控制环节的等效参数。专利CN109638892A通过模糊聚类算法求取光伏电站的等值模型，通过确定光伏发电单元聚类指标进行标准化处理，并初始化隶属度矩阵，并按照聚类结果求取光伏电站等值聚合参数，虽然其考虑了光伏逆变器交流侧滤波电感、滤波电容与直流侧滤波电容的等值参数求取方法，但仍未包括光伏阵列、变压器、最大功率点追踪控制器、逆变器控制器等在内的等值参数的求取。

综上所述，建立包括光伏阵列、前级Boost电路、逆变器、滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电流控制器在内的详细大规模光伏发电系统聚合等值模型以及相应的等值参数求取方法，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种大规模光伏发电系统的聚合等值模型，建立聚合等值模型的详细等值参数求取方法。

本发明的技术方案为：基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值模型，其特征在于，包括多个光伏发电单元及各单元内部的光伏阵列，前级Boost升压电路，后级并网逆变器，变压器，最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器在内的详细模型，具有相同结构的聚合等值模型以及聚合模型中前述各组成部分的详细等值参数求取方法。

进一步地，建立两级式光伏发电系统的详细数学模型，包括光伏阵列的数学模型、前级Boost电路的平均模型、并网逆变器的平均模型、滤波器的平均模型、变压器的简化模型，最大功率点追踪控制器数学模型，并网逆变器电压外环、电流内环控制器模型；

进一步地，根据光伏发电系统中存在的磁场能、电场能与广义势能，可以得到任意两个并联光伏发电单元之间能量守恒关系，进而推导出详细模型与等值模型之间状态变量关系；

进一步地，根据详细模型与等值模型总有功出力不变，建立详细模型与等值模型之间的电流关系，根据详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网且各并联光伏发电单元控制同步不存在误差，得到详细模型与等值模型之间的电压关系；

进一步地，利用结构保持方法，将两级式光伏发电系统数学模型推广建立聚合等值模型的状态方程；

进一步地，利用容量加权法计算等值光伏阵列的等效参数，根据详细模型与等值模型之间的状态变量关系、电流关系、电压关系，比较详细模型与等值模型的状态方程，得到等值模型中Boost电路、并网逆变器、滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电压电流控制器的聚合参数计算方法，建立大规模光伏系统的聚合等值模型。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明利用结构保持方法建立了大规模光伏发电系统的聚合等值模型，其中包括光伏阵列、前级Boost电路、并网逆变器、输出滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电压电流控制等在内的详细等值模型与等效参数计算方法，在简化降阶模型的基础上保留了与原光伏发电系统一样的电路与控制结构，同时为大规模光伏发电系统的等值模型提供了详细的等效参数计算方法。

2、本发明建立了两级式光伏发电系统中磁场能、电场能与广义势能之间的能量守恒关系，推导得出任意两个光伏发电单元之间状态变量满足的数学关系，使得聚合等值模型中等效参数的计算方法具有更高的精确性和可靠性。

3、本发明建立的聚合等值模型具备与大规模光伏发电系统一致的稳态与动态响应能力，并且可以捕捉大规模光伏发电系统发生电网对称、不对称故障暂态时的运行特性与动态响应过程，用简化降阶模型实现了大规模系统的精准替代。

附图说明

图1为本发明基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法的流程图；

图2为本发明两级式光伏发电系统主电路与控制框图；

图3为本发明两级式光伏发电系统建模简化电路与控制框图；

图4为本发明大规模光伏系统详细模型的示意图；

图5为本发明大规模光伏系统聚合等值模型的示意图；

图6为本发明大规模光伏系统详细模型与聚合等值模型在电网故障暂态下的输出有功功率曲线；

图7为本发明大规模光伏系统详细模型与聚合等值模型在电网故障暂态下的输出无功功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中，如图1所示，一种基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法是按如下步骤进行的：

S1：建立两级式光伏发电系统的详细数学模型，如图2所示，两级式光伏发电系统包括光伏阵列、前级Boost电路、并网逆变器、滤波器、变压器，最大功率点追踪控制器与并网逆变器电压外环、电流内环控制器。

具体地，为解决变压器两端电压等级不同带来的模型复杂性问题，如图3所示，将变压器二次侧参数转化至变压器一次侧以后，变压器简化为等效电感，将输出滤波器视为LCL滤波器，同样地，L_g，R_g为换算至变压器一次侧的等效电网阻抗，v_g为变压器一次侧等效电网电压，两级式光伏发电系统通过折算至一次侧的电网阻抗接入等效电网。

进一步地，步骤S1中建立两级式光伏发电系统的详细数学模型，具体包括一下几个子步骤：

S11、光伏阵列的数学模型：

光伏阵列输出电压v_pv与输出电流i_pv之间的关系为：

式中：N_s和N_p分别为光伏电池的串联数与并联数，n为二极管的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为二极管p-n结的温度，q为单位电荷常量，I_sc为光伏阵列的短路电流，I₀为二极管的饱和电流。

光伏阵列输出的电压电流，主要由光伏电池的串联数与并联数决定，因此，线性化后的光伏阵列数学模型为：

式中：I_pv0表示光伏阵列输出电流的稳态工作点，K_pv是与I_pv0有关的函数。

S12、前级Boost电路的平均模型：

两级式光伏发电系统中前级Boost电路起升压功能并且用于实现光伏阵列的最大功率点追踪控制，其平均模型为：

式中：C_pv为前级电路的平波电容，L为Boost电路储能电感，i_L为流过储能电感的电流，d为Boost电路占空比，v_dc为直流母线电压，C_dc为直流母线电容，i_dc为流入逆变器的电流。

S13、并网逆变器的平均模型：

三相并网逆变器采用PWM调制方式，其平均模型为：

i_dc＝m_di_fd+m_qi_fq (6)

式中：m_d，m_q分别为逆变器的调制度在同步旋转坐标系d，q轴下的分量，i_fd，i_fq，v_sd，v_sq分别为滤波电流与逆变器输出电压在同步旋转坐标系下对应的d，q轴分量。

S14、输出滤波器，变压器的数学模型

逆变器输出的电流经LC滤波器接入变压器，再接入系统的并网点，为了避免不同电压等级带来的参数计算复杂问题，将变压器与电网的参数折算到一次侧，将变压器简化为一个等效电感，这样可以将滤波器与变压器的整体视为LCL滤波器，其数学模型为：

式中，L_f为滤波器电感，i_f为流过滤波器电感的电流，i_fd、i_fq分别为滤波器电感电流在同步旋转坐标系d、q轴的分量，C_f为滤波器电容，v_cf为滤波器电容电压，v_cfd、v_cfq分别为滤波器电容电压在同步旋转系下d、q轴的分量，R_f、R_c分别为滤波电感与滤波电容的寄生电阻，L_t为变压器等效电感，v_pcc为并网点电压，v_pccd、v_pccq分别为并网点电压在同步旋转坐标系下d、q轴分量，i_t为流过变压器等效电感的电流，i_td、i_tq分别为变压器等效电感电流在同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ω为电网角频率。

S15、最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器的数学模型：

最大功率点追踪控制器用于产生前级Boost电路的占空比，光伏输出电压v_pv与最大功率点对应的电压值v_mp比较，误差信号输入PI控制器，产生前级Boost电路的占空比d，其数学表达式为：

式中：k_po、k_io分别为电压外环PI控制器的比例、积分增益，s为拉普拉斯算子。

并网逆变器的控制器由电压外环与电流内环组成，电压外环用于稳定直流母线电压v_dc，电流内环用于提升并网电流的动态响应，保证并网电流以单位因数并网，电压外环与电流内环的数学模型如下：

式中：是同步旋转坐标系下d轴、q轴电流参考值，是直流母线电压参考值，k_pdc、k_idc分别为电压外环PI控制器的比例、积分系数，m_d、m_q分别为逆变器在同步旋转坐标系下d、q轴下的调制度，k_pd、k_id分别为同步旋转坐标系下d轴电流内环PI控制器的比例、积分系数，k_pq、k_iq分别为同步旋转坐标系下q轴电流内环PI控制器的比例、积分系数。

S2、确定任意两个并联的两级式光伏发电单元中存在的磁场能、电场能与广义势能，如图4所示，大规模光伏发电系统是通过n个光伏发电单元并联后通过升压变压器接入电网，其中每个光伏发电单元与两级式光伏发电系统具有相同的主电路与控制环节；

具体地，根据能量守恒定律建立任意两个并联光伏发电单元的能量对应关系，其具体表述为：

式中：T代表磁场能量，V代表电场能量，k为常数，U代表光伏系统中的广义势能，其中光伏系统的广义势能由交流电源输出能量，直流电源输入能量与系统中电阻消耗的能量组成，数字下标1、2用于区分任意两个并联的光伏发电单元中主电路参数。

根据式(19)中能量守恒关系可以得到状态变量之间的关系，其表达式如下：

式中：k_L为常数，数字下标1、2用于区分任意两个并联的光伏发电单元中主电路参数。

S3、根据大规模光伏系统的详细模型与聚合等值模型具有相同的输出功率，确定详细模型与等效模型之间的电流关系；根据详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网，且每个光伏发电单元中变压器一、二次侧具有相同的电压等级，得到详细模型与等值模型之间的电压关系；

具体地，由于光伏发电系统的输出功率由并网电流决定，根据详细模型与等值模型的输出功率关系，等值模型的功率应为详细模型中各光伏发电单元的功率总和，进而可以得到等值模型与详细模型之间电流关系，其数学表达式为：

式中：i_pveq为等值模型中光伏阵列的输出电流，i_Leq为等值模型中Boost电路储能电感电流，i_dceq为等值模型中逆变器输入电流，i_feq为等值模型中流过滤波器电感的电流，i_teq为等值模型中流过变压器等效电感的电流，i_pvl、i_Ll、i_dcl、i_fl、i_tl分别为大规模光伏系统中第l个并联发电单元中光伏阵列输出电流、Boost电路储能电感电流、逆变器输入电流，滤波器电感电流、变压器等效电感电流，其中l为1-n范围内的任意数，n为大规模光伏系统中并联发电单元数目。

根据详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网，且每个光伏发电单元中变压器一、二次侧具有相同的电压等级，得到等值模型与详细模型之间的电压关系，其数学表达式为：

v_pcceq＝v_pccl (22)

式中，v_pcceq代表聚合等值模型中并网点电压，v_pccl为大规模光伏发电系统中第l个发电单元的并网点电压。

根据式(20)中的电压比例关系，可以得到聚合模型与详细模型之间其余的电压关系，其数学表达式为：

v_pveq＝v_pvl,v_dceq＝v_dcl,v_cfeq＝v_cfl ^· (23)

式中：v_pveq为等值模型中光伏阵列的输出电压，v_dceq为等值模型中直流母线电压，v_cfeq为等值模型中滤波电容电压，v_pvl、v_dcl、v_cfl分别为大规模光伏系统中第l个并联发电单元中的光伏阵列输出电压，直流母线电压，滤波电容电压。

S4、利用结构保持方法，将S1得到的两级式光伏发电系统数学模型推广建立聚合等值模型的完整状态方程，如图5所示，聚合等值模型为一个单独的两级式光伏发电系统，其与大规模光伏发电系统具有相同的主电路与控制电路结构，根据步骤S1中建立的两级式光伏发电系统状态方程，推广得到聚合等值模型的状态方程，其具体可以分为以下几个子步骤：

S41、聚合模型的前级Boost电路，逆变器，输出滤波器的数学模型：

式中：C_pveq为等值模型中前级滤波电容，L_eq为等值模型中Boost电路储能电感，d_eq为等值模型中Boost电路占空比，C_dceq为等值模型中直流母线电容，L_feq为等值模型中滤波电感，S_abceq为等值逆变器的开关函数，C_feq为等值模型中滤波电容，R_f为等值模型中滤波电感寄生电阻，R_c为等值模型中滤波电容寄生电阻，L_teq为等值模型中变压器等效电感。

S42、聚合模型的控制器模型

将式(15)推广，可以得到聚合等值模型最大功率点追踪控制器模型，其数学表达式为：

d_eq＝k_poeq(v_mpeq-v_pveq)+k_ioeq∫(v_mpeq-v_pveq)dt (25)

式中，k_poeq代表等值模型中Boost电路PI控制器的等效比例系数，k_ioeq代表等值模型中Boost电路PI控制器的等效积分系数，v_mpeq为等值模型中最大功率点对应的最大电压。

类似地，可以得到聚合等值模型中并网电压电流控制器模型，其数学表达式为：

式中：分别是等值模型中d轴、q轴电流参考值，i_tdeq、i_tqeq分别为等值模型中变压器等效电感电流的d、q轴分量，是等值模型中直流母线电压参考值，k_pdceq、k_idceq分别为等值模型中电压外环PI控制器的比例、积分系数，m_deq、m_qeq分别为等值模型中逆变器同步旋转坐标系d、q轴的调制度，k_pdeq、k_ideq分别为等值模型中d轴电流内环PI控制器的比例、积分系数，k_pqeq、k_iqeq分别为等值模型中q轴电流内环PI控制器的比例、积分系数。

S5、利用容量加权法计算等值光伏阵列的等效参数，根据S2、S3得到的详细模型与等效模型之间状态变量、与电压、电流关系，比较详细模型与等效模型的状态方程，得到等效模型中Boost电路、并网逆变器、滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电压电流控制器的聚合参数计算公式，建立大规模光伏系统的聚合等值模型。

具体地，由于光伏阵列的输出电压主要由串联数决定，输出电流主要由并联数决定，根据聚合模型与详细模型中光伏阵列的输出电压不变，等值模型中光伏阵列输出电流为详细模型并联光伏阵列输出电流的总和，因此采用容量加权法计算的等值光伏阵列的等效参数，其计算方法为：

式中N_seq为等效光伏阵列的串联数，N_peq为等效光伏阵列的并联数。即聚合等值模型中等效光伏阵列的串联数与详细模型光伏阵列串联数相同，等效光伏阵列的并联数为详细模型光伏阵列并联数目的总和。

进一步地，根据前面建立的两级式光伏发电系统数学模型，可以得到任意并联光伏发电单元中前级boost电路，逆变器，滤波器的数学模型，其数学表达式为：

式中：C_pvl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的前级滤波电容，L_l为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路储能电感，d_l为等值模型中Boost电路占空比，C_dcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的直流母线电容，L_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电感，S_abcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的开关函数，C_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电容，R_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电感寄生电阻，R_cl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电容寄生电阻，L_tl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的变压器等效电感。

将n个并联的光伏发电单元的Boost电路，逆变器，滤波器的状态方程叠加，其数学表达式为：

进一步地，假设各光伏发电单元中Boost电路，逆变器控制不存在差异且使用相同频率的载波，由于逆变器接入同一电压等级的配电网，且各光伏发电单元与等值模型中光伏阵列输出电压、直流母线电压、并网点电压均相同，所以详细模型每一个并联发电单元与等值模型中Boost电路占空比，逆变器开关函数也相同，其数学表达式为：

S_abceq＝S_abcl,d_eq＝d_l (32)

根据式(32)的结果，对比式(24)与式(31)的左边，可知等值模型中等效电感、等效电容的计算方法，其数学表达式为：

利用得到的等效电容、等效电感计算公式，对比式(24)与式(31)的右边项，可知等值模型中等效电阻的计算方法，其数学表达式为：

S53、等值模型中变压器等效参数的计算方法

在式(33)中给出了变压器等效电感的计算方法，为了保持等值后变压器一次侧电压不变，等值模型中等效变压器容量应为详细模型中所有变压器容量的总和，其数学表达式为：

式中：S_teq为等值模型中变压器容量，S_tl为大规模光伏发电系统中第l个并联发电单元的变压器容量。

S54、等值模型中控制器等效参数计算方法：

等值模型与详细模型具有相同的主电路结构与控制电路结构，等值模型中光伏阵列的输出电压，Boost电路的占空比均与详细模型相同，并且由于两种模型均采用相同的最大功率点算法，比较式(15)与式(25)可以得到等值模型中最大功率点追踪PI控制器的等效参数计算方法为：

k_poeq＝k_pol,k_ioeq＝k_iol (36)

式中：k_pol为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路PI控制器的比例系数，k_iol为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路PI控制器的积分系数。

光伏系统中并网电流的大小主要决定了光伏系统输出有功功率的大小，根据权利要求4中所述详细模型与等值模型具有相同的直流母线电压，并且详细模型与等值模型具有相同的电压参考信号，为了保证详细模型与等值模型具有相同的有功功率，等值模型中代表有功电流的d轴电流参考值信号应为详细模型中d轴电流参考值的总和，其数学表达式为：

式中：为大规模光伏系统中第l个发电单元的d轴电流参考信号。

根据式(37)的结果，比较式(16)与式(26)，可以得到等值模型中逆变器电压外环的等效参数计算方法，其数学表达式为：

式中：k_pdcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的电压外环PI控制器的比例系数，k_idcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的电压外环PI控制器的积分系数。

详细模型与等值模型具有相同的有功功率，采用容量加权法计算等效电流内环控制器参数。具体地，定义容量加权因子γ_l，其数学表达式为：

式中：P_l为大规模光伏发电系统中第l个发电单元的有功出力，P_sum为大规模光伏系统的总有功出力。

进一步地，可以得到等值聚合模型中电流内环控制器的等效PI参数计算方法，其数学表达式为：

式中：k_pdl代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的d轴电流内环PI控制器比例系数，k_idl代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的d轴电流内环PI控制器积分系数，k_pql代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的q轴电流内环PI控制器比例系数，k_iql代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的q轴电流内环PI控制器积分系数。

综合以上步骤S1-S5，可以得到大规模光伏系统聚合等值模型中所有等值参数的计算公式，据此建立大规模光伏系统的聚合等值模型。

进一步地，对大规模光伏系统的详细模型与聚合等值模型分别进行仿真分析，在大规模光伏系统与聚合等值模型的并网点处分别设置相同的连续发生的对称与不对称电网故障，检测大规模光伏系统详细模型与等值模型输出有功功率曲线与无功功率曲线，进行小扰动与电网故障暂态下详细模型与聚合等值模型的一致性验证，分别如图6，7所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和推广，这些变形和推广仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，包括多个光伏发电单元及各单元内部的光伏阵列，前级Boost升压电路，后级并网逆变器，变压器，最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器在内的详细模型，具有相同结构的聚合等值模型以及内部的等效的光伏阵列，等效的光伏阵列，等效的Boost升压电路，等效的并网逆变器，等效变压器，等效的最大功率点追踪控制器，等效的并网电压电流控制器；包括以下步骤：

S1、建立两级式光伏发电系统的详细时域数学模型，包括光伏阵列的数学模型、前级Boost电路的平均模型、并网逆变器的平均模型、滤波器的平均模型、变压器的简化模型，最大功率点追踪控制器数学模型，并网逆变器电压外环、电流内环控制器模型；

S2、确定任意两个并联的两级式光伏发电单元中存在的磁场能与电场能，利用能量守恒定律建立任意两个并联光伏发电单元磁场能、电场能与广义势能之间的能量关系，推导任意两个光伏发电单元之间状态变量的数学关系；

S3、保持聚合等值模型输出有功功率不变，确定详细模型与等值模型之间的电流关系；假设各并联光伏发电单元控制同步并且不存在误差，详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网，得到详细模型与等值模型之间的电压关系；

S4、利用结构保持方法，将S1得到的两级式光伏发电系统数学模型推广建立聚合等值模型的状态方程；

S5、利用容量加权法计算等值光伏阵列的等效参数，根据S2、S3得到的详细模型与等值模型之间状态变量的关系，结合S5得到的详细模型与等值模型之间的电压、电流关系，比较详细模型与等值模型的状态方程，得到等值模型中Boost电路、并网逆变器、滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电压电流控制器的聚合参数计算公式，建立大规模光伏系统的聚合等值模型。

2.根据权利要求1所述的基于结构保持的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，步骤S1中建立两级式光伏发电系统详细数学模型，其具体步骤为：

S11、光伏阵列的数学模型：

光伏阵列输出电压v_pv与输出电流i_pv之间的关系为：

式中：N_s和N_p分别为光伏电池的串联数与并联数，n为二极管的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为二极管p-n结的温度，q为单位电荷常量，I_sc为光伏阵列的短路电流，I₀为二极管的饱和电流；

光伏阵列输出的电压电流，主要由光伏电池的串联数与并联数决定，因此，线性化后的光伏阵列数学模型为：

式中：I_pv0表示光伏阵列输出电流的稳态工作点，K_pv是与I_pv0有关的函数；

S12、前级Boost电路的平均模型：

两级式光伏发电系统中前级Boost电路起升压功能并且用于实现光伏阵列的最大功率点追踪控制，其平均模型为：

式中：C_pv为前级电路的平波电容，L为Boost电路储能电感，i_L为流过储能电感的电流，d为Boost电路占空比，v_dc为直流母线电压，C_dc为直流母线电容，i_dc为流入逆变器的电流；

S13、并网逆变器的平均模型：

三相并网逆变器采用PWM调制方式，通过逆变器在同步旋转坐标系d、q轴中的调制度m_d、m_q，建立逆变器的平均模型，其数学表达式为：

i_dc＝m_di_fd+m_qi_fq (6)

式中：i_fd、i_fq、v_sd、v_sq分别为滤波电流与逆变器输出电压在同步旋转坐标系下对应的d、q轴分量；

S14、输出滤波器，变压器的数学模型：

逆变器输出的电流经LC滤波器接入变压器，再接入系统的并网点，为了避免不同电压等级带来的参数计算复杂问题，将变压器与电网的参数折算到一次侧，将变压器简化为一个等效电感，这样可以将滤波器与变压器整体视为LCL滤波器，其数学模型为：

式中，L_f为滤波器电感，i_f为流过滤波器电感的电流，i_fd、i_fq分别为滤波器电感电流在同步旋转坐标系d、q轴的分量，C_f为滤波器电容，v_cf为滤波器电容电压，v_cfd、v_cfq分别为滤波器电容电压在同步旋转系下d、q轴的分量，R_f、R_c分别为滤波电感与滤波电容的寄生电阻，L_t为变压器等效电感，v_pcc为并网点电压，v_pccd、v_pccq分别为并网点电压在同步旋转坐标系下d、q轴分量，i_t为流过变压器等效电感的电流，i_td、i_tq分别为变压器等效电感电流在同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ω为电网角频率；

S15、最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器的数学模型：

最大功率点追踪控制器用于产生前级Boost电路的占空比，光伏输出电压v_pv与最大功率点对应的电压值v_mp比较，误差信号输入PI控制器，产生前级Boost电路的占空比d，其数学表达式为：

式中：k_po、k_io分别为电压外环PI控制器的比例、积分增益，s为拉普拉斯算子；

并网逆变器的控制器由电压外环与电流内环组成，电压外环用于稳定直流母线电压v_dc，电流内环用于提升并网电流的动态响应，保证并网电流以单位因数并网，电压外环与电流内环的数学模型如下：

式中：是同步旋转坐标系下d轴、q轴电流参考值，是直流母线电压参考值，k_pdc、k_idc分别为电压外环PI控制器的比例、积分系数，m_d、m_q分别为逆变器在同步旋转坐标系下d、q轴下的调制度，k_pd、k_id分别为同步旋转坐标系下d轴电流内环PI控制器的比例、积分系数，k_pq、k_iq分别为同步旋转坐标系下q轴电流内环PI控制器的比例、积分系数。

3.根据权利要求1所述的基于结构保持的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，S2所述的任意两个并联光伏发电单元的磁场能、电场能与系统中的能量守恒关系，其具体表述为：

式中：T代表磁场能量，V代表电场能量，k为常数，U代表光伏系统中的广义势能，其中光伏系统的广义势能由交流电源输出能量，直流电源输入能量与系统中电阻消耗的能量组成，数字下标1、2用于区分任意两个并联的光伏发电单元中主电路参数；

根据式(19)中能量守恒关系可以得到状态变量之间的关系，其表达式如下：

式中：k_L为常数，数字下标1、2用于区分任意两个并联的光伏发电单元中主电路参数。

4.根据权利要求1所述的基于结构保持的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，S3所述详细模型与等效模型之间的电流、电压关系，具体地，光伏系统中功率大小由并网电流决定，为了保持等值模型与详细模型之间相同的有功功率，则等值模型的功率应为详细模型中各光伏发电单元的功率总和，进而可以得到等值模型与详细模型之间电流关系，其数学表达式为：

式中：i_pveq为等值模型中光伏阵列的输出电流，i_Leq为等值模型中Boost电路储能电感电流，i_dceq为等值模型中逆变器输入电流，i_feq为等值模型中流过滤波器电感的电流，i_teq为等值模型中流过变压器等效电感的电流，i_pvl、i_Ll、i_dcl、i_fl、i_tl分别为大规模光伏系统中第l个并联发电单元中光伏阵列输出电流、Boost电路储能电感电流、逆变器输入电流，滤波器电感电流、变压器等效电感电流，其中l为1-n范围内的任意数，n为大规模光伏系统中并联发电单元数目；

根据详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网，且每个光伏发电单元中变压器一、二次侧具有相同的电压等级，得到等值模型与详细模型之间的电压关系，其数学表达式为：

v_pcceq＝v_pccl (22)

式中：v_pcceq代表聚合等值模型中并网点电压，v_pccl为大规模光伏发电系统中第l个发电单元的并网点电压；

根据式(20)中的电压比例关系，可以得到聚合模型与详细模型之间其余的电压关系，其数学表达式为：

v_pveq＝v_pvl,v_dceq＝v_dcl,v_cfeq＝v_cfl· (23)

式中：v_pveq为等值模型中光伏阵列的输出电压，v_dceq为等值模型中直流母线电压，v_cfeq为等值模型中滤波电容电压，v_pvl、v_dcl、v_cfl分别为大规模光伏系统中第l个并联发电单元中的光伏阵列输出电压，直流母线电压，滤波电容电压；

由详细模型与等值模型的电压电流关系数学表达式可知，详细模型中各光伏发电单元与等值模型具有相同的光伏阵列输出电压、直流母线电压、滤波器电容电压和一次侧等效电网电压，聚合模型中光伏阵列的输出电流、Boost电路储能电感电流、逆变器输入电流、滤波器电感电流、流过变压器的电流分别为详细模型中各光伏发电单元相应电流的总和。

5.根据权利要求1所述的基于结构保持的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，步骤S4中建立光伏发电系统聚合等值模型的状态方程，其方法为：

S41、聚合模型中前级Boost电路，逆变器，滤波器的数学模型：

改写式(3-5),(9-14)，改写得到聚合等值模型的状态平均方程，其数学表达式为：

式中：C_pveq为等值模型中前级滤波电容，L_eq为等值模型中Boost电路储能电感，d_eq为等值模型中Boost电路占空比，C_dceq为等值模型中直流母线电容，L_feq为等值模型中滤波电感，S_abceq为等值逆变器的开关函数，C_feq为等值模型中滤波电容，R_f为等值模型中滤波电感寄生电阻，R_c为等值模型中滤波电容寄生电阻，L_teq为等值模型中变压器等效电感；

S42、聚合模型中控制器模型：

将式(15)推广，可以得到聚合等值模型最大功率点追踪控制器模型，其数学表达式为：

d_eq＝k_poeq(v_mpeq-v_pveq)+k_ioeq∫(v_mpeq-v_pveq)dt (25)

式中，k_poeq代表等值模型中Boost电路PI控制器的等效比例系数，k_ioeq代表等值模型中Boost电路PI控制器的等效积分系数，v_mpeq为等值模型中最大功率点对应的最大电压；

类似地，可以得到聚合等值模型中并网电压电流控制器模型，其数学表达式为：

式中：分别是等值模型中d轴、q轴电流参考值，i_tdeq、i_tqeq分别为等值模型中变压器等效电感电流的d、q轴分量，是等值模型中直流母线电压参考值，k_pdceq、k_idceq分别为等值模型中电压外环PI控制器的比例、积分系数，m_deq、m_qeq分别为等值模型中逆变器同步旋转坐标系d、q轴的调制度，k_pdeq、k_ideq分别为等值模型中d轴电流内环PI控制器的比例、积分系数，k_pqeq、k_iqeq分别为等值模型中q轴电流内环PI控制器的比例、积分系数。

6.根据权利要求1所述的基于结构保持的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，步骤S5中建立等效模型中光伏阵列、Boost电路，并网逆变器，滤波器，变压器，最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器的聚合参数计算公式，其方法为：

S51、聚合模型中等值光伏阵列计算方法：

光伏阵列的输出电压主要由串联数决定，输出电流主要由并联数决定，根据权利4中所述等效模型与详细模型中光伏阵列的输出电压不变，等值模型中光伏阵列输出电流为详细模型并联光伏阵列输出电流的总和，所以得到等效光伏阵列的计算公式：

式中：N_seq为等效光伏阵列的串联数，N_peq为等效光伏阵列的并联数；即聚合等值模型中等效光伏阵列的串联数与详细模型光伏阵列串联数相同，等效光伏阵列的并联数为详细模型光伏阵列并联数目的总和；

S52、聚合模型中等值Boost电路、等值逆变器与等值滤波器的聚合参数计算方法：

根据权利2所述的两级式光伏发电系统将大规模光伏系统的数学模型，可以得到任意并联光伏发电单元中前级boost电路，逆变器，滤波器的数学模型，其数学表达式为：

式中：C_pvl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的前级滤波电容，L_l为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路储能电感，d_l为等值模型中Boost电路占空比，C_dcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的直流母线电容，L_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电感，S_abcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的开关函数，C_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电容，R_fl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电感寄生电阻，R_cl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的滤波电容寄生电阻，L_tl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的变压器等效电感；

将n个并联的光伏发电单元的Boost电路，逆变器，滤波器的状态方程叠加，其数学表达式为：

假设各光伏发电单元中每个Boost电路，逆变器控制不存在差异且使用相同频率的载波，由于逆变器接入同一电压等级的配电网，且各光伏发电单元与等值模型中光伏阵列输出电压、直流母线电压、并网点电压均相同，所以详细模型每一个并联发电单元与等值模型中Boost电路占空比，逆变器开关函数也相同，其数学表达式为：

S_abceq＝S_abcl,d_eq＝d_l (32)

根据式(32)的结果，对比式(24)与式(31)的左边，可知等值模型中等效电感、等效电容的计算方法，其数学表达式为：

利用得到的等效电容、等效电感计算公式，对比式(24)与式(31)的右边项，可知等值模型中等效电阻的计算方法，其数学表达式为：

S53、等值模型中变压器等效参数的计算方法：

在式(33)中给出了变压器等效电感的计算方法，为了保持等值后变压器一次侧电压不变，等值模型中等效变压器容量应为详细模型中所有变压器容量的总和，其数学表达式为：

式中：S_teq为等值模型中变压器容量，S_tl为大规模光伏发电系统中第l个并联发电单元的变压器容量；

S54、等值模型中控制器等效参数计算方法：

等值模型与详细模型具有相同的主电路结构与控制电路结构，等值模型中光伏阵列的输出电压，Boost电路的占空比均与详细模型相同，并且由于两种模型均采用相同的最大功率点算法，比较式(15)与式(25)可以得到等值模型中最大功率点追踪PI控制器的等效参数计算方法为：

k_poeq＝k_pol,k_ioeq＝k_iol (36)

式中：k_pol为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路PI控制器的比例系数，k_iol为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的Boost电路PI控制器的积分系数；

光伏系统中并网电流的大小主要决定了光伏系统输出有功功率的大小，根据权利要求4中所述详细模型与等值模型具有相同的直流母线电压，并且详细模型与等值模型具有相同的电压参考信号，为了保证详细模型与等值模型具有相同的有功功率，等值模型中代表有功电流的d轴电流参考值信号应为详细模型中d轴电流参考值的总和，其数学表达式为：

式中：为大规模光伏系统中第l个发电单元的d轴电流参考信号；

根据式(37)的结果，比较式(16)与式(26)，可以得到等值模型中逆变器电压外环的等效参数计算方法，其数学表达式为：

式中：k_pdcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的电压外环PI控制器的比例系数，k_idcl为大规模光伏系统中第l个并联发电单元的电压外环PI控制器的积分系数；

详细模型与等值模型具有相同的有功功率，采用容量加权法计算等效电流内环控制器参数；具体地，定义容量加权因子γ_l，其数学表达式为：

式中：P_l为大规模光伏发电系统中第l个发电单元的有功出力，P_sum为大规模光伏系统的总有功出力；

进一步地，可以得到等值聚合模型中电流内环控制器的等效PI参数计算方法，其数学表达式为：

式中：k_pdl代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的d轴电流内环PI控制器比例系数，k_idl代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的d轴电流内环PI控制器积分系数，k_pql代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的q轴电流内环PI控制器比例系数，k_iql代表大规模光伏系统中第l个并联发电单元的q轴电流内环PI控制器积分系数。