CN111428370B - 一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法，包括如下步骤：步骤1）对光伏发电系统进行电磁暂态仿真建模，建立光伏发电系统电磁暂态仿真模型，并给定系统初始值和初始步长；步骤2）利用隐式梯形积分法计算微分方程，建立全网等效电磁导纳矩阵和等效注入电流源，从而得到电磁暂态仿真等效模型；步骤3）根据电磁暂态基本求解方程I=YU求解该代数方程求解全网潮流，进而得到当前时刻的光伏电磁暂态模型仿真结果；步骤4）通过该时刻的全网状态量获得下一时刻系统的等效电磁导纳矩阵和等效注入电流源，再回到步骤2，直至仿真终止。本发明提高了含光伏发电系统的大规模电磁暂态仿真的仿真速度和收敛性能。

Description

一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统动态仿真与建模技术领域，特别是一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法。

背景技术

自20世纪70年代全球爆发石油危机以来，太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视，光伏行业在全球迅速发展，全球光伏装机量增长速度惊人。根据国际可再生能源机构(IRENA)最新数据，2018年全球新增并网光伏装机量94.3GW，2018年全球所有可再生能源新增装机量171GW，太阳能新增装机量占可再生能源装机量的一半以上，累计光伏装机容量占全球可再生能源的1/3左右。光伏发电从2013年的135.76GW，逐步增长到2017年的386.11GW，再飞跃到2018年的480.36GW，短短5年时间，实现了3.5倍的增长。

2018年亚洲地区以64GW的并网新增光伏装机量独占鳌头，累计光伏装机量从2017年的210GW增长到了2018年的274.6GW，成为全球光伏行业发展的明显推动力。其中，中国累计光伏装机176.1GW，日本56GW，印度32.9GW，韩国7.9GW，巴基斯坦1.5GW，上述五个国家的累计光伏装机量已达到274.4GW，约占亚洲整体光伏装机量的97％，助力亚洲成为几大洲中发展最强劲的地区。

光伏电站结构复杂、模型阶数高、数量多，其接入大大增加了电力系统整体仿真时间。同时随着分布式光伏电站的不断接入，光伏发电系统的仿真复杂性也不断攀升。此外，大量电力电子设备的投入与革新，也让微秒级的电磁暂态仿真难度大大增加。数字电磁暂态仿真是分析电力系统运行、规划和控制的重要手段。随着大容量柔性直流输电、柔性交流输电在我国电网中的进一步应用，以及电网中可再生能源、微网的大规模接入，电力系统已呈现出电力电子化的趋势和其复杂性快速增加的特征，传统数字电磁暂态仿真技术已无法满足研究、实验、生产等方面的需求。为了兼顾其仿真精度和时间，可以从电气装置模型、数值积分算法、并行计算架构、接口技术等方面进行优化。电磁暂态模型的优化，不仅可以提升电磁暂态仿真的精度，还能一定程度上保证仿真结果的收敛性，同时也可以加快其仿真初期的仿真迭代速度，对电磁暂态仿真的发展有着显著意义。

整体来看，全球光伏市场前景乐观，且仍将保持在一个较高的水平。主要市场比如中国、日本、印度、美国，中国仍将保持稳定水平，会略有变化；欧洲市场未来将是老树发新芽，欧盟市场预计在2019年增速将明显高于过去，预计可达到11GW以上；新兴市场也在快速崛起，由于电价持续上涨，加上存在供电不足的隐忧，2018年澳大利亚大型地面光伏将反超户用光伏，预计2019年仍将保持在4GW以上，包括墨西哥、土耳其都在快速发展。同时，由于前几年市场供不应求使得部分企业加大扩产，加上部分落后产能未能有效退出，两种因素叠加，在市场增速放缓的情况下，行业将面临关键转折点。而通过此次转折、行业整合后，光伏产业有望逐步实现高质量发展。

未来二三十年，将是我国能源生产消费方式和能源结构调整变革的关键时期，对于光伏发电技术而言，将会迎来更加广阔的发展前景和发展机遇。改进的光伏阵列电磁暂态模型将极大改善光伏发电系统电磁暂态仿真的仿真结果和收敛性，一定程度上避免可能出现的仿真发散情况，对未来其他新能源电磁暂态建模起着指导作用，对电磁暂态仿真建模的进一步发展具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法，在含有光伏发电系统的全过程动态仿真特别是电磁暂态仿真中，对光伏阵列模型进行了优化，提高了光伏阵列的仿真精度，并且加快了光伏发电系统于仿真初期的仿真整体收敛速度，进一步提高了含光伏发电系统的大规模电磁暂态仿真的仿真速度和收敛性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法，包括如下步骤：

(1)对光伏发电系统进行电磁暂态仿真建模，其中光伏阵列建模使用考虑延时的改进模型，建立光伏发电系统电磁暂态仿真模型，并给定系统初始值和初始步长；

(2)利用隐式梯形积分法计算微分方程，得到光伏发电系统电磁暂态仿真等效模型；

(3)根据方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前仿真时刻状态量；

(4)根据当前时刻状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳矩阵和等效电流源用于下一时刻求解，回到第二步，直至到达仿真终止时间。

优选的，步骤(1)中，光伏发电系统电磁暂态模型包括光伏阵列、斩波器、逆变器和控制部分；具体关系如下：光伏阵列两端电压U_dc由斩波器的PV侧电压提供，光伏阵列的输出电流I_pv与输出功率P_pv经过斩波器、逆变器模块转化为与电网同频的交流电送入电网；光伏阵列输出电压值和电流值传给斩波控制器，产生斩波器控制信号；电网反馈有功功率P_grid和无功功率Q_gird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号。

优选的，步骤(2)中，利用隐式梯形积分法计算微分方程具体为：

对于给定光伏模型，用以下方程来表述：

其中，x表示微分方程组中描述光伏系统动态特性的变量，f为光伏系统微分方程，x⁽⁰⁾为给定初始值；

则对于给定步长△t，利用隐式梯形积分法求x_n+1处的值：

上式为等式左右两边均含有未知数x_n+1的代数方程，从而把微分方程的求解过程转换为代数方程的求解过程，即获得电磁暂态仿真等效导纳矩阵G_eq和等效注入电流源I_inj，根据I＝YU求解该代数方程组。

优选的，根据电磁暂态基本求解方程I＝YU方法如下：

当前仿真时刻全系统等效注入电流源计算：

定义电磁暂态基本求解方程I＝YU的矩阵表示形式为：

第一个方程为根据前一时刻全网状态量求取当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源；第二个方程为已知当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源和等效导纳矩阵求取当前时刻全网状态量。

优选的，步骤(2)中，建立光伏阵列电磁暂态仿真改进模型的步骤如下：

(21)建立实用光伏阵列等效模型y＝f(x)：

(22)考虑到电力系统暂态仿真的滞后性，将模型y≈f(hisx)其改写为如下用于电磁暂态仿真的光伏阵列等效模型y≈f(hisx)+f′(hisx)(x-hisx)：

(23)改写步骤二中的方程，将其改写为如下I＝YU的形式：

上式即为光伏阵列等效电磁暂态仿真模型基本方程，其中

(24)建立光伏电磁暂态仿真系统其余部分如斩波器、逆变器、控制环节、网侧接口等的模型，联立光伏电磁暂态仿真系统基本方程I＝YU；

(25)结合接口参数求解光伏电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和等效注入电流源，回到步骤(23)继续计算直到到达仿真终止时间。

本发明的有益效果为：本发明建立了光伏发电系统仿真模型的微分方程，选择隐式梯形积分法求解微分方程，建立相对应的电磁暂态模型方程，隐式梯形积分法的优点是较差分法适用范围更广，误差较小；使用电磁暂态基本求解方程I＝YU进行解算，因为本方法将等效注入历史电流源和等效导纳矩阵同时体现在同一矩阵方程中，计算起来最有效率，结果相对准确；与常用的原始仿真模型相比，改进的光伏阵列电磁暂态模型在光伏阵列方面的精度有所上升，将极大改善光伏发电系统电磁暂态仿真的仿真结果和收敛性，一定程度上避免可能出现的仿真发散情况，对未来其他新能源电磁暂态建模起着指导作用，对电磁暂态仿真建模的进一步发展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的光伏阵列等效电磁暂态模型示意图。

图3为本发明的光伏发电系统模块示意图。

图4为传统模型仿真和本发明模型仿真输出有功功率波形的对比图。

图5为传统模型仿真和本发明模型仿真输出无功功率波形的对比图。

图6为传统模型仿真和本发明模型仿真光伏阵列输出电压波形的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明对光伏系统仿真模型微分代数方程采用隐式梯形积分法求解，使用光伏阵列的改进模型搭建光伏发电系统电磁暂态仿真模型，从而提出了一种新型的光伏阵列改进建模方法。

本发明公开的一种改进光伏阵列电磁暂态仿真建模方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤10)对光伏发电系统进行电磁暂态仿真建模，其中光伏阵列建模使用改进模型，建立光伏发电系统电磁暂态仿真模型，并给定系统初始值和初始步长；

步骤20)利用隐式梯形积分法计算微分方程，得到光伏发电系统电磁暂态仿真等效模型；

步骤30)根据方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前仿真时刻状态量；

步骤40)根据当前时刻状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳矩阵和等效电流源用于下一时刻求解，回到第二步，直至到达仿真终止时间。

步骤10)中建立光伏发电系统电磁暂态仿真模型步骤如下：

101)光伏发电系统电磁暂态仿真模型包含光伏阵列、逆变器和控制部分，其具体模型如图3所示。光伏阵列两端电压U_dc由斩波器的PV侧电压提供，光伏阵列的输出电流I_pv与输出功率P_pv经过斩波器、逆变器模块转化为与电网同频的交流电送入电网；光伏阵列输出电压值和电流值传给斩波控制器，产生斩波器控制信号；电网反馈有功功率P_grid和无功功率Q_gird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号。

步骤201)利用隐式梯形积分法计算微分方程具体步骤为：

对于给定光伏模型，可以用常微分方程的初值问题来表述：

其中，x表示微分方程组中描述光伏系统动态特性的变量，f为光伏系统微分方程，x⁽⁰⁾为给定初始值；

则对于给定步长△t，利用隐式梯形积分法求x_n+1处的值：

上式为等式左右两边均含有未知数x_n+1的代数方程，从而把微分方程的求解过程转换为代数方程的求解过程，即获得电磁暂态仿真等效导纳矩阵G_eq和等效注入电流源I_inj，根据I＝YU求解该代数方程组。

步骤202)根据电磁暂态基本求解方程I＝YU方法求解具体过程为：

当前仿真时刻全系统等效注入电流源计算：

定义电磁暂态基本求解方程I＝YU的矩阵表示形式为：

第一个方程为根据前一时刻全网状态量求取当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源；第二个方程为已知当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源和等效导纳矩阵求取当前时刻全网状态量。

建立光伏阵列电磁暂态仿真改进模型的具体过程为：

步骤301)建立实用光伏阵列等效模型y＝f(x)：

步骤302)考虑到电力系统暂态仿真的滞后性，将模型y≈f(hisx)其改写为如下用于电磁暂态仿真的光伏阵列等效模型y≈f(hisx)+f′(hisx)(x-hisx)：

步骤303)改写步骤二中的方程，将其改写为如下I＝YU的形式：

上式即为光伏阵列等效电磁暂态仿真模型基本方程，其中

步骤304)建立光伏电磁暂态仿真系统其余部分如斩波器、逆变器、控制环节、网侧接口等的模型，联立光伏电磁暂态仿真系统基本方程I＝YU；

步骤305)结合接口参数求解光伏电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和等效注入电流源，回到步骤(303)继续计算直到到达仿真终止时间。

下面通过对比两种不同的光伏发电系统电磁暂态模型仿真波形以说明考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法的技术优势。

针对于某一双级式并网光伏系统进行仿真建模。仿真时间为5s，仿真步长为10μs。光伏发电系统相关参数如表1所示。光伏阵列等效电磁暂态模型如图2所示。光伏发电系统模块如图3所示。传统模型和改进模型的仿真波形比较如图4-6所示，其中图4为输出有功功率对比，图5为输出无功功率对比，图6为光伏阵列输出电压对比。

表1光伏阵列相关参数

由图4-6可以看出，改进光伏阵列模型(实线)的波形收敛时刻明显提前于传统光伏阵列模型(虚线)，本文所提改进光伏阵列电磁暂态模型能够加快光伏发电系统仿真初始过程中的迭代收敛。同时由图4-6可以看出，改进光伏阵列模型和传统模型仿真结果收敛完成后光伏发电系统仿真情况基本一致，说明了本文所提方法的有效性。由图可以看出，在上述光伏发电系统中，在满足仿真精度的前提下，本文所提的改进光伏阵列电磁暂态仿真模型收敛速度更快，波形的波动更小，收敛提前。

Claims (1)

1.一种考虑延时的光伏阵列电磁暂态仿真改进建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对光伏发电系统进行电磁暂态仿真建模，其中光伏阵列建模使用电磁暂态仿真建，建立光伏发电系统电磁暂态仿真模型，并给定系统初始值和初始步长；

(2)利用隐式梯形积分法计算微分方程，得到光伏发电系统电磁暂态仿真等效模型；

步骤(2)中，建立电磁暂态仿真模型的步骤如下：

(21)建立光伏阵列等效模型y＝f(x)：

(22)考虑到电力系统暂态仿真的滞后性，将模型y≈f(hisx)改写为如下用于电磁暂态仿真的光伏阵列等效模型y≈f(hisx)+f′(hisx)(x-hisx)：

(23)改写步骤(22)中的方程，将其改写为如下I＝YU的形式：

上式即为光伏阵列等效电磁暂态仿真模型基本方程，其中

(24)建立光伏电磁暂态仿真系统其余部分如斩波器、逆变器、控制环节、网侧接口的模型，联立光伏电磁暂态仿真系统基本方程I＝YU；

(25)结合接口参数求解光伏电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和等效注入电流源，回到步骤(23)继续计算直到到达仿真终止时间；

(3)根据方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前仿真时刻状态量；

(4)根据当前时刻状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳矩阵和等效电流源用于下一时刻求解，回到第二步，直至到达仿真终止时间；

步骤(1)中，光伏发电系统电磁暂态模型包括光伏阵列、斩波器、逆变器和控制部分；具体关系如下：光伏阵列两端电压U_dc由斩波器的PV侧电压提供，光伏阵列的输出电流I_pv与输出功率P_pv经过斩波器、逆变器模块转化为与电网同频的交流电送入电网；光伏阵列输出电压值和电流值传给斩波控制器，产生斩波器控制信号；电网反馈有功功率P_grid和无功功率Q_gird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号；

步骤(2)中，利用隐式梯形积分法计算微分方程具体为：

对于给定光伏模型，用以下方程来表述：

其中，x表示微分方程组中描述光伏系统动态特性的变量，f为光伏系统微分方程，x⁽⁰⁾为给定初始值；

则对于给定步长△t，利用隐式梯形积分法求x_n+1处的值：

上式为等式左右两边均含有未知数X_n+1的代数方程，从而把微分方程的求解过程转换为代数方程的求解过程，即获得电磁暂态仿真等效导纳矩阵G_eq和等效注入电流源I_inj，根据I＝YU求解该代数方程组；

根据电磁暂态基本求解方程I＝YU方法如下：

当前仿真时刻全系统等效注入电流源计算：

定义电磁暂态基本求解方程I＝YU的矩阵表示形式为：

第一个方程为根据前一时刻全网状态量求取当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源；第二个方程为已知当前时刻的电磁暂态仿真等效注入电流源和等效导纳矩阵求取当前时刻全网状态量。