CN112928754B - 基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电力电子系统仿真技术领域的一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法。将光伏微网系统划分为若干光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为高阶时变电流源，在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源，并使用状态离散事件驱动方法对微网系统进行仿真解算。本发明公开的基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法，解决了状态离散事件驱动仿真方法难以解算包含光伏这一非线性元件的微网系统的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子系统仿真技术领域，尤其涉及一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法。
背景技术
电力电子技术已成为支撑现代智能电网不可或缺的技术，其中最重要的应用之一就是微电网系统。微网系统让大量的分布式能源、分布式负载和分布式储能系统渗透到现代电网中，而电力电子变换器则作为其中的一种智能接口。尽管传统电力系统的分析和设计方法已经很成熟，但电力电子技术在微网系统中的大规模应用在学术界和工业界都提出了巨大的挑战(例如稳定性、可靠性和可控性等)。为了研究微网系统的复杂行为，数值方法和仿真工具发挥着重要作用。
然而目前，大型微网系统的仿真面临着速度慢的挑战，对一个几百毫秒的过程进行离线仿真，经常需要耗时几小时甚至几天，这样的速度难以满足微网系统分析和设计的需求。状态离散事件驱动仿真方法(参见Y.Zhu,Z.Zhao,B.Shi and Z.Yu,“Discrete stateevent-driven framework with a flexible adaptive algorithm for simulation ofpower electronic systems,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.34,no.12,pp.11692-11702,Dec.2019.)是一种新的电力电子系统仿真方法，可以实现系统的高效仿真，比现有技术速度提升了几个数量级。但是，该方法目前只能仿真线性电路。对于大规模微网系统，其中经常包含大量的光伏元件，而光伏元件的数学模型是非线性的。这导致离散状态事件驱动方法不能运用到光伏微网系统的仿真中。
因此，本发明提出一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法以解决现有技术中的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法，其特征在于，将光伏微网系统划分为光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为高阶时变电流源，表示为
其中，t是时间，t0是仿真起始步长，iPV是光伏输出电流等效的时变电流源，p是算法阶数，B是光伏系数，C表示组合数公式，
i和m是正整数，vPE是电力电子系统电容电压；
在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源，表示为
并使用离散状态事件驱动方法解算整个光伏微网系统。
光伏系数B的表达式为
其中，q是电子电荷量，k是玻尔兹曼常数，Ns是光伏板串联模块数，A是光伏板理想化系数，T是温度。
电力电子系统用状态方程法建模
其中，x是电力电子系统的状态变量，u是电力电子系统的输入变量，APE是电力电子系统的状态矩阵，BPE是电力电子系统的输入矩阵。
离散状态事件驱动方法的解算步骤为：
步骤1：系统建模；将光伏微网系统划分为光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为高阶时变电流源；在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源；
步骤2：光伏系统解算；利用公式(2)中的电力电子系统电容电压vPE解算得到公式(1)中的光伏输出电流等效的时变电流源iPV；
步骤3：电力电子系统解算；利用步骤2得到的光伏输出电流等效的时变电流源iPV解算得到电力电子系统的状态变量x；
步骤4：数值积分；利用步骤2和步骤3的结果，通过数值积分得到仿真步长结束时刻的系统数值解；
步骤5：步长选择；结束本步长计算，选择下一步长，重复步骤2至步骤4，继续进行仿真。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所提基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法将光伏系统的非线性数学形式转化为时变电源数学形式，解决了传统的离散状态事件驱动仿真方法无法解算光伏系统和微电网的问题，从而使得状态离散事件驱动方法可以解算微电网系统；
2、本发明所提基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法极大地提高了微电网系统的解算效率。
附图说明
图1是本发明中基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法示意图；
图2是实施例中所选取的大规模微网系统示意图和电路图；
图3是用本发明技术和商业软件对实施例中的微网系统进行仿真的效率对比结果。
具体实施方式
本发明提出一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法，将光伏微网系统划分为若干光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为表示为高阶时变电流源，在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源，并使用状态离散事件驱动方法对微网系统进行仿真解算，如图1所示。
图1中，微网系统被划分为一个光伏系统和一个电力电子系统，电力电子系统的接口使用光伏系统的输出电流iPV，具体表达式为公式(1)；光伏系统的接口使用电力电子系统的电容电压vPE，具体表达式为公式(2)。
之后，使用离散状态事件驱动方法进行微网系统解算，在一个仿真步长中的解算步骤为：
步骤(1)系统建模：将光伏微网系统划分为若干光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为高阶时变电流源，表示为公式(1)；在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源，表示为公式(2)；
步骤(2)光伏系统解算：利用电力电子系统电容电压的表达式，解算得到光伏系统输出电流；
步骤(3)电力电子系统解算：利用步骤(2)得到的光伏系统输出电流，解算电力电子系统各状态变量；
步骤(4)数值积分：利用步骤(2)和步骤(3)的结果，通过数值积分得到仿真步长结束时刻的系统数值解；
步骤(5)步长选择：结束本步长计算，选择下一步长，重复上述步骤(2)到(4)，继续进行仿真。
以图2所示的微网系统为例，该系统是一个混合式微电网，具有13.8kV三相中压交流母线和750V低压直流母线。中压交流总线和低压直流总线通过1MW电力电子变压器连接，该变压器由级联H桥作为AC/DC级和双有源桥(DAB)作为DC/DC级组成。电力电子变压器是基于先进的10kV碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管设计的，允许双向功率流。分布式直流电源和负载连接到低压直流总线，包括电池(作为电源和负载工作)、电动汽车(作为负载工作)和光伏(作为电源工作)。每个分布式能源都配备了半桥DC/DC转换器。整个微电网由本地电源和负载控制器、电力电子变压器控制器和中央控制器控制。由于微电网系统中存在多个变换器、电源和负载，对其进行仿真是一项大规模且耗时的任务。
分别用商业软件和本技术发明对该系统进行了仿真，结果的对比如图3所示。可以看到，在保证相同精度的前提下，本技术发明的速度比商业软件提高了500倍。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于状态离散事件驱动的光伏微网系统仿真方法，其特征在于，将光伏微网系统划分为光伏系统和一个电力电子系统，在电力电子系统中将每个光伏系统等效为高阶时变电流源，表示为
其中，t是时间，t0是仿真起始步长，iPV是光伏输出电流等效的时变电流源，p是算法阶数，B是光伏系数，C表示组合数公式，
i和m是正整数，vPE是电力电子系统电容电压；
在光伏系统中将电力电子系统等效为高阶时变电压源，表示为
并使用离散状态事件驱动方法解算整个光伏微网系统；
所述光伏系数B的表达式为
其中，q是电子电荷量，k是玻尔兹曼常数，Ns是光伏板串联模块数，A是光伏板理想化系数，T是温度；
所述电力电子系统用状态方程法建模
其中，x是电力电子系统的状态变量，u是电力电子系统的输入变量，APE是电力电子系统的状态矩阵，BPE是电力电子系统的输入矩阵；
所述离散状态事件驱动方法的解算步骤为：
步骤1：光伏系统解算；利用公式(2)中的电力电子系统电容电压vPE解算得到公式(1)中的光伏输出电流等效的时变电流源iPV；
步骤2：电力电子系统解算；利用步骤1得到的光伏输出电流等效的时变电流源iPV解算得到电力电子系统的状态变量x；
步骤3：数值积分；利用步骤1和步骤2的结果，通过数值积分得到仿真步长结束时刻的系统数值解；
步骤4：步长选择；结束本步长计算，选择下一步长，重复步骤1至步骤3，继续进行仿真。
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