CN111259548B - 一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统，系统包括辨识模型和频移模型，辨识模型用于等效光伏电站，移模型用于等效交流电网，辨识模型和频移模型之间采用多域传输线模型作为接口模型，并反应辨识模型和频移模型之间的宽频带相互作用关系。本申请提供了面向大规模光伏电站及交流电网的基于辨识模型和频移模型的混合仿真系统，在保证所提出的模型动态响应与实际光伏并网系统一致的同时，可以极大程度上简化电磁分析，加快运算收敛速率，增大收敛精度。

Description

一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统

技术领域

本发明涉及电力系统电磁暂态分析技术领域，尤其涉及大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统。

背景技术

在研究大规模光伏电站及交流电网的运行时，随着交流电网规模的增大，节点电压方程中系数矩阵的维数将会急剧增加。且由于光伏电站内部具有数量较多的逆变器，包括详细的控制及保护系统，其复杂的拓扑结构使得对大规模光伏电站的电磁暂态建模及分析变得极其繁琐。

更重要的是，在实际的工程环境中，光伏电站或每一个光伏组件内的详细参数及其动态响应通常是无法获知的。

此外，参见图1，原初始模型中光伏电站的控制系统分为电压外环控制以及电流(有功及无功电流)内环控制。直流电压外环的主要作用在于稳定以及调节直流电压，而电流内环旨在实现对i_d，i_q的无静差控制，从而对逆变器输出有功以及无功功率进行调节。控制结构及流程较为复杂，容易造成过程误差。

因此，对于光伏电站及交流电网的运行研究欠缺简化且有效的验证方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统，其能解决相关问题。

设计原理：一种面向大规模光伏电站及交流电网的基于辨识和频移模型的混合仿真方法，方法拟将仿真系统分为两部分：一、采用频移模型(SFP)来反映交流电网动态特性，二、采用简化后的辨识模型来等效替代光伏电站复杂模型，两者之间的接口特性通过所提出的多域传输线模型(MD-TLM)来体现。通过仿真实验验证该方法的有效性和正确性，为光伏电站及交流电网运行的研究提供一种新的有效途径。

技术方案：本发明的目的采用以下技术方案实现。

一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统，所述仿真系统包括辨识模型和频移模型，所述辨识模型用于等效光伏电站，所述频移模型用于等效交流电网，所述辨识模型和频移模型之间采用多域传输线模型作为接口模型，并反应辨识模型和频移模型之间的宽频带相互作用关系。

所述辨识模型的关键参数包括电容C、电压外环控制的比例环节参数K_p、电流内环控制的时间常数T_p，T_q。

优选的，变量在频移模型中以相量形式表现为：

其中，

是时域信号Y(t)的复包络，而Y_I(t),Y_R(t)的分别是Y(t)的虚部以及实部信号。

所述多域传输线模型的建立取决于传输线时延τ与时间步长Δt之间的关系，

当τ＞Δt时，多域传输线模型用双层诺顿等效电路来表示为：

其中，τ＝l/v，

u_k(t-τ),i_k(t-τ)是时域下t-τ时刻节点k的电压以及电流，

是频域下t-τ时刻节点n的电压以及电流；

当τ＜Δt时，在频域下，多域传输线模型通过线性插值的方式来获得频域下电压以及电流相量，即：

其中p,q满足：

且MD-TLM模型表达式为：

将上述结果代入该模型表达式中则有：

其中，

分别为t-τ时刻频域下的节点k的电压与电流值；u_n(t),i_n(t)分别为t时刻时域下节点n的电压与电流值，且G＝Z^-1。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：面向大规模光伏电站及交流电网基于辨识模型和频移模型的混合仿真系统，在保证所提出的模型动态响应与实际光伏并网系统一致的同时，可以极大程度上简化电磁分析，加快运算收敛速率，增大收敛精度。

附图说明

图1是本发明涉及的现有光伏电站原复杂模型的控制系统结构图；

图2是本发明涉及的光伏并网系统的简化控制辨识模型；

图3是本发明涉及的基于微分进化算法的优化迭代求解流程图；

图4是本发明涉及的多域传输线模型拓扑结构图；

图5是本发明涉及的光伏辨识子系统与频移子系统拓扑结构图；

图6是本发明涉及的光伏辨识与频移子系统的具体实例图；

图7是是本发明涉及的主要实现步骤的流程图；

图8是本发明所提出的模型与实测数据外特性对比结果图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真系统参见图2-图8，具体如下。

(1)给出光伏并网系统的简化控制模型，如图2，是替代了光伏并网系统中控制系统的模型，频移模型体现在交流电网中，而该辨识模型是在光伏逆变器模型中得以体现。两子系统接口特性通过多域传输线体现。

具体而言，则是将电压外环控制中采用P控制器来代替PI控制器，从而减少控制参量，其中P控制器中的比例参量为K_P。电流内环控制中等效为一延时环节，有功及无功电流环节中一阶惯性环节中的时间常数分别为T_d，T_q。

与简化模型相对应的状态空间方程组表示为：

其中，u_dc表示直流侧电容两端电压，i_PV为光伏电池板等效输出电流，P表示系统中有功功率(不考虑功率损耗)，u_dc__ref、i_d__ref、i_q__ref分别表示直流侧电压u_dc，电网侧d,q轴电流i_d、i_q参考值，C为直流侧电容，K_p为电压外环控制的比例环节参数，T_d，T_q则分别代表电流内环控制的时间常数。

(2)采集原详细仿真模型的输入及动态响应信息，并将根据该输入确定辨识模型中的关键参数，从而使得辨识模型与初始模型的外特性保持一致。将所搭建的辨识模型代替原模型中逆变器的控制系统这一环节，在简化模型的同时亦能正确跟踪并输出功率以及电流等所需电信息。

在简化的辨识模型中，为了使得与原模型动态响应一致，需辨识出四个关键参数的值，即电容C，电压外环控制的比例环节参数K_p，电流内环控制的时间常数T_d，T_q。

辨识过程中所涉及到的具体步骤如下：

①：计算外环动态方程

由du_dc/dt＝[i_PV-P/u_dc]/C可得：

u_dc(t)＝[P_ref/u_dc(t-Δt)-P(t-Δt)/u_dc(t-Δt)]/CΔt+u_dc(t-Δt) (2)

其中，Δt为计算步长，t为当前时刻，X(t-Δt)(X可为P、u_dc)是上一步长下的计算结果。

②：计算i_{d_ref}

由式i_{d_ref}＝k_p(u_{dc_ref}-u_dc)即可得。

③：计算i_d

根据di_d/dt＝(i_{d_ref}-i_d)/T_d可得：

i_d(t)＝i_d(t-Δt)+(i_{d_ref}-i_d(t-Δt))/T_dΔt (3)

④：计算i_q

由于i_q的参考值一般设为0，即i_{q_ref}＝0，则根据di_q/dt＝(i_{q_ref}-i_d)/T_q有：

i_q(t)=i_q(t-Δt)+(i_{q_ref}-i_q(t-Δt))/T_qΔt (4)

图3展示了采用微分进化算法进行迭代求解，从而得到四个待辨识参数最优值的具体流程。该算法的核心思想在于通过计算i_d、i_q，不断进行迭代优化使得两电流值与实测电网侧d,q轴电流值相差最小，则此时所对应的C，K_p，电T_d，T_q即为辨识最优值。

图3中，设置三相短路故障即在仿真软件PSCAD中即可设置，如设置三相接地，并设置动态开关，指定故障持续时间；P的参考值为PSCAD运行所得稳定值，Q参考值已有说明，一般设为0，id_ref,iq_ref可通过电压和功率的初始值来进行计算，一般id-ref值为0。其中udc_ref可通过动态方程组中特性方程进行计算。所得的优化模型即为图2所示的简化辨识控制模型。

(3)在交流电网中针对电气元件建立所对应的频移(SFP)模型，从而使得在仿真时可以取得较大的仿真步长，且同时产生瞬时及宽频带相量波形，从而有效反应高频动态特性。

在一个典型的电力系统中，变量通常具有带通特性，其频带以基频ω_s为中心，在频移模型中以相量形式表现为：

其中，

是时域信号Y(t)的复包络，而Y_I(t),Y_R(t)的分别是Y(t)的虚部以及实部信号。对其进行Hilbert变换，则有：

则对于交流电网中每一个电气元件而言，其动态方程在频移模型中为：

采用隐式梯形积分法对式(7)进行离散化处理可得：

将频移模型中的信号进行坐标变换转换到时域中，该信号形式可表示为：

其中，

在式(9)中，该动态响应信号的实部和虚部为：

(4)搭建SFP以及光伏辨识子系统间的接口模型，即所提出的多域传输线(MD-TLM)模型，该模型的建立取决于传输线时延τ与时间步长Δt之间的关系，模型拓扑结构如图4所示。

①：当τ＞Δt时，MD-TLM可用双层诺顿等效电路来表示：

其中，

u_k(t-τ),i_k(t-τ)是时域下t-τ时刻节点k的电压以及电流，

是频域下t-τ时刻节点n的电压以及电流。

②：当τ＜Δt时，在频域下，可通过线性插值的方式来获得电压以及电流相量，即：

对于MD-TLM模型有：

将式(13)代入式(12)则有：

其中，

分别为t-τ时刻频域下的节点k的电压与电流值；u_n(t),i_n(t)分别为t时刻时域下节点n的电压与电流值，且G＝Z^-1。

(5)将频域以及时域中的变量进行相互变换从而获取多域传输线模型中的关键参数值，并将该多域传输线作为连接两子系统的接口模型，光伏辨识子系统与频移子系统的整体拓扑结构如图5所示，图6则展示了一相应的应用实例。

当从时域坐标系变换到频域下时：

其中，H代表Hilbert变换形式。

另外，当从频域坐标系变换到时域下时：

参见图7，一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真方法，具体包括以下步骤。

(1)简化光伏逆变器控制系统模型：将光伏电池板简化为恒定电流源；电流内环PI控制简化为一阶惯性环节；电压外环的PI控制简化为P控制，仅含比例环节。

与简化模型相对应的状态空间方程组表示为：

为了提高光伏并网系统的功率因数，一般令Q_ref＝0，即e_q＝0.。

由式(18)派克变换可知：此时i_{q_ref}＝0。

(2)在原复杂仿真模型中设置一对称三相接地故障以产生较大扰动，采集在该故障下原初始模型中光伏控制系统输入给逆变器的电流，电压以及功率等电信息，并根据该输入信息，基于优化算法以及辨识模型中的空间状态方程，确定辨识模型中的关键参数，即电容C，电压外环控制的比例环节参数K_p，电流内环控制的时间常数T_p，T_q，使得辨识模型与初始模型的外特性保持一致。

(3)将交流电网看作一子系统，对其中所含电气元件建立动态方程，并采用隐式梯形积分对其进行离散化处理，进而将信号或变量进行时域与频域坐标下的转换，从而建立对应的等效频移模型。

(4)在反映时域与频域之间的相互作用及关系时，建立多域传输线模型，即时域光伏辨识系统与频域交流电网系统间的接口模型，并根据传输线时延τ与时间步长Δt之间的大小关系，建立不同条件下的数学模型。在此基础上，进行时域与频域坐标系下变量的转换，进而获取多域传输线模型中的参数值搭建接口模型。从而连接两子系统进行立电磁暂态联合仿真，具体结果如图8所示。图中表明在本发明所提出的新型电磁暂态仿真方法下光伏并网系统的动态特性与原始系统的动态特性几乎保持一致，具有高度的可替代性。

本发明的优点及创新点如下。

相比于传统建模方法仿真技术，本发明采用辨识模型以及频移模型替代原复杂模型进行电磁暂态仿真的全新方法。其优点以及创新点在于：

(1)在该发明方法中，光伏电站的辨识模型保持着与实测数据动态响应一致的动态特性。

(2)该发明方法可以在优化算法的基础上，通过光伏电站模型的输入信息辨识出电站关键控制参数，并结合所给出的简化辨识模型，极大简化原复杂模型，降低了工程计算复杂程度。

(3)该方法中，交流电网采用频移模型来进行仿真，从而使得仿真步长可以增大，进而提高仿真效率以及精度，且同时产生瞬时及宽频带相量波形，从而有效反应高频动态特性。

(4)该方法中，辨识与频移两子模型间的接口特性通过多域传输线模型得以体现，可以有效反映两子模型间的宽频带相互作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于在线辨识的大规模光伏并网的电磁暂态仿真系统，其特征在于：所述仿真系统包括辨识模型和频移模型，所述辨识模型用于等效光伏电站，所述频移模型用于等效交流电网，所述辨识模型和频移模型之间采用多域传输线模型作为接口模型，并反映辨识模型和频移模型之间的宽频带相互作用关系；

所述多域传输线模型的建立取决于传输线时延τ与时间步长Δt之间的关系，

当τ＞Δt时，多域传输线模型用双层诺顿等效电路来表示为：

其中，τ＝l/v，θ＝ωl/v,

u_k(t-τ),i_k(t-τ)是时域下t-τ时刻节点k的电压以及电流，

是t-τ频域下时刻节点n的电压以及电流；

当τ＜Δt时，在频域下，多域传输线模型通过线性插值的方式来获得频域下电压以及电流相量，即：

其中p,q满足：

且MD-TLM模型表达式为：

将上述结果代入该模型表达式中则有：

其中，

分别为t-τ时刻频域下的节点k的电压与电流值；u_n(t),i_n(t)分别为t时刻时域下节点n的电压与电流值，且G＝Z^-1。

2.根据权利要求1所述的电磁暂态仿真系统，其特征在于：所述辨识模型的关键参数包括电容C、电压外环控制的比例环节参数K_p、电流内环控制的时间常数T_d，T_q。

3.根据权利要求1所述的电磁暂态仿真系统，其特征在于：变量在频移模型中以相量形式表现为：

其中，

是时域信号Y(t)的复包络，而Y_I(t),Y_R(t)的分别是Y(t)的虚部以及实部信号。

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