CN113852116B - 一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法，其特征在于：包括，将新能源并网系统视为PQ节点并对其进行潮流计算；根据潮流计算结果并利用计算模块计算稳态控制量；将稳态控制量作为仿真输出的初始值，启动并网；本发明适用于所有基于电压源变流器的新能源并网系统，大幅度减小了系统到达稳态的时间，在保证系统稳定和仿真精度的前提下提高仿真效率。

Description

一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法

技术领域

本发明涉及电磁暂态仿真的技术领域，尤其涉及一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法。

背景技术

随着经济社会的高速发展，人们对电力的需求也不断增长，开发和利用以清洁能源为主的新能源成为了当今电力行业发展的趋势。大规模新能源的开发使电网能源结构发生了变化，新能源发电对电网稳定性和安全性的影响受到越来越多的关注，成为研究的热点。借助电磁暂态仿真工具构建新能源发电和新能源并网的系统模型，仿真实现新能源发电系统的启动和控制等，是一种高效且经济的研究手段。典型的新能源并网系统模型由新能源发电模块、电力电子变换器、控制系统和滤波器等组成，新能源发电模块如风、光、储将环境中的新能源转换成电能以直流电的方式输出，再由控制系统和电力电子变换器如电压源变流器逆变为三相交流电，通过滤波器后汇集到电网。

为了提高新能源发电系统并网的仿真效率，减少系统从零状态启动到达稳态的时间，已经有一些技术方案被应用，但是仍有缺陷：给控制参数设定一个经验值作为初始默认值，或是给PI控制器的输出设定限幅，这些方法的实际效果有限，且需要耗费大量的时间进行参数调试，如果输入了不合理的参数还有可能导致系统的不稳定和结果不收敛。

在新能源发电系统并网前先接入等效理想电压源，待系统稳定后再切换线路使新能源发电系统并网，这种方法虽然可以在并网前先给系统中的电容或电感充放电，在一定程度上减少系统并网后到达稳态的时间，但是仍无法避免在线路切换时产生暂态过程，使系统发生不必要的波动，产生不稳定的风险。

通过潮流计算先求得系统稳态时的并网点电压与偏移相角，再计算控制系统中的PI控制器初始值，让系统从PI控制器的稳态值启动从而减少系统到达稳态的时间，这种方法只考虑了系统中电力电子变换器的控制器稳态启动，而没有考虑新能源发电模块的稳态参数，对于新能源发电模块的控制例如最大功率点追踪、升压变换等，依旧是从零状态启动，并且没有考虑系统中的充放电元件到达稳态的启动过程和时间。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法，能够解决在电磁暂态仿真中系统从零状态启动到达稳态的时间很长、仿真效率差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，将新能源并网系统视为PQ节点并对其进行潮流计算；根据潮流计算结果并利用计算模块计算稳态控制量；将所述稳态控制量作为电磁暂态仿真输出的初始值，启动并网。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：包括，根据设定的注入电网的有功功率P和无功功率Q，通过潮流计算获得新能源并网系统在并网点的电压

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述稳态控制量包括充放电元件的稳态值、电压源变流器控制系统中PI控制器输出的稳态值、新能源发电模块的稳态参数及其变换电路的控制器输出的稳态值。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述充放电元件的稳态值包括滤波电感的电流稳态值i_{L_int}和直流支撑电容两端的电压V_{C_int}；将所述电压作为参考向量，即/>则注入电网的电流/>的表达式为：

所述滤波电感的电流稳态值i_{L_int}为：

所述直流支撑电容两端的电压V_{C_int}为：

V_{C_int}＝V_{dc_ref}

其中，u为并网点电压的幅值，θ₀为并网点电压的相角，V_{dc_ref}为控制电压源变流器的控制系统中电压环的参考值。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述PI控制器输出的稳态值包括电压源变流器控制系统稳态时的值i_dref、i_qref；由瞬时功率理论可得：

结合所述有功功率P和无功功率Q，获得电压源变流器控制系统稳态时的值i_dref、i_qref：

其中，u_d为滤波后并网点电压的d轴分量，u_d＝u_peak，u_peak为并网点相电压的峰值；u_q为滤波后并网点电压的q轴分量；i_q为滤波后并网点电流的q轴分量；i_d为滤波后并网点电流的d轴分量；i_dref为所述电压源变流器的控制系统中电压环的参考值V_{dc_ref}与直流电压的测量值V_dc的差值经过PI控制器输出的电流的d轴分量参考值；i_qref为无功功率参考值Q_ref与无功功率Q的差值经过PI控制器输出的电流的q轴分量参考值。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述PI控制器输出的稳态值还包括v_dref和v_qref，将所述电流值i_dref和i_qref作为电压外环PI控制器输出的初始值；根据所述电压以及滤波电感的电感值L和电阻值R，计算滤波前的电压/>

滤波前的电压幅值v与相位θ_v为：

根据Park变换可求得所述v_dref和v_qref：

其中，Δv和δv分别为滤波前后电压的幅值差和相位差，v_dref为所述电流值i_dref与经过Park变换后变为d轴的电流i_d的差值经过PI控制器输出的电压值，v_qref为所述电流值i_qref与经过Park变换后变为q轴的电流i_q的差值经过PI控制器输出的电压值；ω为常数。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述新能源发电模块的稳态参数包括，最大功率点追踪控制的初始参考值，即最大功率点电压V_MPP：

V_MPP＝0.75×V_OC

其中，V_OC为最大开路电压。

作为本发明所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的一种优选方案，其中：所述变换电路的控制器输出的稳态值为新能源并网系统稳态时的占空比；所述占空比为：

或/>

其中，D为所述占空比，V_nom为新能源并网系统稳态时的电压。

本发明的有益效果：本发明适用于所有基于电压源变流器的新能源并网系统，大幅度减小了系统到达稳态的时间，在保证系统稳定和仿真精度的前提下提高仿真效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的新能源并网系统作为等效理想电压源并网的示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的电压源变流器控制系统的控制框图；

图3为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的新能源并网点电压向量图示意图；

图4为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的光伏板的功率-电压曲线示意图；

图5为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的电压的特性曲线示意图；

图6为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的Boost升压变换器拓扑示意图；

图7为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的基于电压源变流器的新能源并网系统拓扑示意图；

图8为本发明第一个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的流程示意图；

图9为本发明第二个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的新能源并网系统电磁暂态仿真拓扑示意图；

图10为本发明第二个实施例所述的新能源并网系统的稳态控制量计算方法的仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～8，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法，包括：

S1：将新能源并网系统视为PQ节点并对其进行潮流计算；

参照图1，将新能源并网系统视为一个整体，并等效成一个理想电压源接入大电网中；根据设定的注入电网的有功功率P和无功功率Q，通过潮流计算获得新能源并网系统在并网点的电压

其中需要说明的是，设定的注入电网的有功功率P和无功功率Q在电磁暂态仿真中是人为设定的参考值，例如有功功率1pu，无功功率0，以此为参考值控制系统的整体功率，可以根据要研究的系统取任意值(0～1pu)。

S2：根据潮流计算结果并利用计算模块计算稳态控制量；

稳态控制量包括充放电元件的稳态值、电压源变流器控制系统中PI控制器输出的稳态值、新能源发电模块的稳态参数及其变换电路的控制器输出的稳态值。

具体的，(1)计算充放电元件的稳态值：

充放电元件的稳态值包括滤波电感的电流稳态值i_{L_int}和直流支撑电容两端的电压V_{C_int}；

①滤波电感的电流稳态值i_{L_int}：

将电压作为参考向量，即/>则注入电网的电流/>的表达式为：

其中，u为并网点电压的幅值，θ₀为并网点电压的相角。

滤波电感的电流稳态值i_{L_int}为：

较佳的是，本实施例将该值作为电感电流的初始值，可以减少系统到达稳态的时间。

②直流支撑电容两端的电压V_{C_int}：

直流支撑电容两端电压在稳态时一般为新能源发电系统的额定电压，可以是最大功率点电压或是升降压变换后的输出电压，其作为控制电压源变流器的控制系统中电压环的参考值V_{dc_ref}，是一个已知量。

因此，直流支撑电容两端的电压V_{C_int}为：

V_{C_int}＝V_{dc_ref}

较佳的是，本实施例将直流支撑电容两端的电压V_{C_int}作为电容电压的初始值，可以减少系统到达稳态的时间。

(2)计算电压源变流器控制系统中PI控制器输出的稳态值：

其中需要说明的是，电压源变流器控制系统的主要原理是将滤波前的三相电压和三相电流经过Park变换得到其d轴和q轴分量，再通过电压外环和电流内环的双闭环控制，将d轴和q轴分量调控到满足有功功率P和无功功率Q的值，从而实现新能源系统的并网控制。

参照图2，为电压源变流器控制系统的控制框图，控制过程主要通过PI控制器实现，其中电压外环PI控制器的输出是电流d轴和q轴分量的参考值，即i_dref和i_qref；电流内环PI控制器的输出是电压d轴和q轴分量的参考值，即v_dref和v_qref，u_abc为并网点三相电压的测量值，Park是Park变换过程，将三相电压通过一系列公式转换为dq轴的电压，表示为u_d和u_q；i_abc为并网点三相电流的测量值，同样经过Park变换后变为dq轴的电流，表示为i_d和i_q；V_{dc_ref}在此处为直流电压参考值，V_dc为直流电压的测量值，控制系统会将其控制到参考值附近；Park^-1是指Park逆变换，即将dq轴的量转换回ABC轴；Q_ref为无功功率参考值，人为输入，例如0；V_{abc_ref}是三相调制波，经过脉冲调制后作为控制电压源变流器的信号。

具体的，计算电压源变流器控制系统中PI控制器输出的稳态值即求解i_dref、i_qref、v_dref以及v_qref在系统稳态时的值。

①求解i_dref、i_qref：

由瞬时功率理论可得：

其中，u_d为滤波后并网点电压的d轴分量，u_q为滤波后并网点电压的q轴分量，i_q为滤波后并网点电流的q轴分量；i_d为滤波后并网点电流的d轴分量。

由于采用电网电压定向控制，电压为参考向量，因此可得：

其中，u_peak为并网点相电压的峰值，是已知量。

结合有功功率P和无功功率Q，获得电压源变流器控制系统稳态时的值i_dref、i_qref：

其中，u_d为滤波后并网点电压的d轴分量，u_d＝u_peak；u_q为滤波后并网点电压的q轴分量；i_q为滤波后并网点电流的q轴分量；i_d为滤波后并网点电流的d轴分量；i_dref为电压源变流器的控制系统中电压环的参考值V_{dc_ref}与直流电压的测量值V_dc的差值经过PI控制器输出的电流的d轴分量参考值；i_qref为无功功率参考值Q_ref与无功功率Q的差值经过PI控制器输出的电流的q轴分量参考值。

将计算得到的i_dref和i_qref稳态值作为电压外环PI控制器输出的初始值。

②求解v_dref、v_qref：

由于滤波电感的存在，滤波前后的电压有着幅值和相位的差异，根据以及滤波电感的电感值L和电阻值R，可以求得滤波前的电压/>

其中，X为电感的电抗值，X＝ωL。

令

则滤波前的电压幅值与相位为：

根据Park变换可求得v_dref、v_qref：

其中，Δv和δv分别为滤波前后电压的幅值差和相位差，v_dref为电流值i_dref与经过Park变换后变为d轴的电流i_d的差值经过PI控制器输出的电压值，v_qref为电流值i_qref与经过Park变换后变为q轴的电流i_q的差值经过PI控制器输出的电压值；ω为常数。

将计算得到的v_dref和v_qref稳态值作为电流内环PI控制器输出的初始值。

(3)计算新能源发电模块的稳态参数及其变换电路的控制器输出的稳态值：

①新能源发电模块的稳态参数：

其中需要说明的是，本实施例的新能源发电模块可以是光伏、储能或光储系统等，也可以是光伏、储能或光储结合的系统；新能源发电模块的稳态参数主要是最大功率点追踪控制的初始参考值，即最大功率点电压V_MPP。

以光伏系统为例，在光照强度与温度不变时，光伏板的功率-电压曲线如图4所示，图中可以明显看出，当且仅当电压为V_MPP时，功率最大，此时光伏板的输出电压即为最大功率点电压；V_OC是最大开路电压，常规的最大功率点追踪控制是从V_OC开始不断调节电压，比较调节前后的功率大小来使电压逼近V_MPP；在光伏系统稳态时，电压在V_MPP附近波动；V_MPP的值可以通过光伏板的铭牌得知，如铭牌中未写明，可以通过下式进行简单推算：

V_MPP＝0.75×V_OC

较佳的是，本实施例将V_MPP作为最大功率点追踪控制的初始参考值，使新能源发电模块的输出电压在仿真开始时就在最大功率点电压附近，从而减少系统到达稳态的时间。

若新能源发电模块为储能系统，则其稳态参数主要是放电电压与放电电流；当放电电流为额定时，电压的特性曲线如下图5所示；因此，储能系统的稳态参数与电池充放电状态(SOC)及放电时间有关；在系统稳态时，默认SOC不变且放电电流为额定电流，将此状态下的电压V_nom作为输出的初始电压；SOC与V_nom在设置储能系统参数时均为已知量。

优选的，本实施例通过新能源发电模块的特性曲线得到系统稳态时新能源发电模块的关键控制量参数，如最大功率点电压、充放电电压电流等；将稳态控制量参数作为控制器的输出初始值，减少系统到达稳态的时间。

②变换电路的控制器输出的稳态值：

其中需要说明的是，变换电路是指新能源发电模块和电压源变流器中间可能存在的用于放大或缩小电压的变换电路(视具体拓扑而定，非必须)。

在新能源发电模块与直流侧支撑电容之间，由于电压等级的差异，往往需要一个升压变换器或降压变换器来使新能源发电模块的输出电压与支撑电容两端电压相等；升压变换器或降压变换器有多种拓扑，本实施例的变换电路以常见的Boost升压变换器为例，其拓扑如图6所示，变换电路控制原理是通过PI控制器调节拓扑中开关的导通时间，从而将输出电压控制在参考值附近。

输入输出电压的关系为：

其中，D为开关的占空比，即导通时间/(导通时间+关断时间)。

PI控制器通过控制占空比将输出电压调控至与支撑电容电压相等，新能源并网系统稳态时的占空比(即：变换电路的控制器输出的稳态值)为：

或/>

其中，V_nom为新能源并网系统稳态时的电压。

较佳的是，本实施例将稳态时占空比的值作为变换电路PI控制器输出的初始值，减少系统到达稳态的时间。

S3：将稳态控制量作为电磁暂态仿真输出的初始值，启动并网。

实施例2

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例通过仿真实验验证本方法所具有的真实效果。

在CloudPSS云仿真计算平台实现仿真，该平台可以完成潮流计算和电磁暂态仿真运算，在CloudPSS云仿真计算平台中搭建如图9所示模型。

技术效果预期如图10所示，新能源并网系统从零启动到稳态的时间较长，且存在超调现象；若采用先等值电压源启动到稳态，再切换线路将新能源发电系统并网的方式，效果优于从零启动，但是依旧不能避免等值电压源启动时给系统中电感和电容充放电的启动过程，同时在线路切换时也有一定的波动；若采用本方法的方式(计算稳态控制量后作为初始值启动并网)，在仿真开始时，控制量参数就都在稳态值附近，因此系统可以很快到达稳态，以实施例1提到的拓扑和控制为例，新能源并网系统到达稳态的时间由2s减小到0.5s，减小75％，大大减少了新能源并网系统到达稳态的时间。

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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种新能源并网系统的稳态控制量计算方法，其特征在于：包括，

将新能源并网系统视为PQ节点并对其进行潮流计算；

根据潮流计算结果并利用计算模块计算稳态控制量；

将所述稳态控制量作为电磁暂态仿真输出的初始值，启动并网；

根据设定的注入电网的有功功率P和无功功率Q，通过潮流计算获得新能源并网系统在并网点的电压

所述稳态控制量包括充放电元件的稳态值、电压源变流器控制系统中PI控制器输出的稳态值、新能源发电模块的稳态参数及其变换电路的控制器输出的稳态值；

所述充放电元件的稳态值包括滤波电感的电流稳态值i_{L_int}和直流支撑电容两端的电压V_{C_int}；

将所述电压作为参考向量，即/>则注入电网的电流/>的表达式为：

所述滤波电感的电流稳态值i_{L_int}为：

所述直流支撑电容两端的电压V_{C_int}为：

V_{C_int}＝V_{dc_ref}

其中，u为并网点电压的幅值，θ₀为并网点电压的相角，V_{dc_ref}为控制电压源变流器的控制系统中电压环的参考值；

所述PI控制器输出的稳态值包括电压源变流器控制系统稳态时的值i_dref、i_qref；

由瞬时功率理论可得：

结合所述有功功率P和无功功率Q，获得电压源变流器控制系统稳态时的值i_dref和i_qref：

其中，u_d为滤波后并网点电压的d轴分量，u_d＝u_peak，u_peak为并网点相电压的峰值；u_q为滤波后并网点电压的q轴分量；i_q为滤波后并网点电流的q轴分量；i_d为滤波后并网点电流的d轴分量；i_dref为所述电压源变流器的控制系统中电压环的参考值V_{dc_ref}与直流电压的测量值V_dc的差值经过PI控制器输出的电流的d轴分量参考值；i_qref为无功功率参考值Q_ref与无功功率Q的差值经过PI控制器输出的电流的q轴分量参考值；

所述PI控制器输出的稳态值还包括v_dref和v_qref；

将所述电流值i_dref和i_qref作为电压外环PI控制器输出的初始值；

根据所述电压以及滤波电感的电感值L和电阻值R，计算滤波前的电压/>

滤波前的电压幅值v与相位θ_v为：

根据Park变换可求得所述v_dref和v_qref：

其中，Δv和δv分别为滤波前后电压的幅值差和相位差，v_dref为所述电流值i_dref与经过Park变换后变为d轴的电流i_d的差值经过PI控制器输出的电压值，v_qref为所述电流值i_qref与经过Park变换后变为q轴的电流i_q的差值经过PI控制器输出的电压值；ω为常数；

所述新能源发电模块的稳态参数包括，最大功率点追踪控制的初始参考值，即最大功率点电压V_MPP：

V_MPP＝0.75×V_OC

其中，V_OC为最大开路电压；

所述变换电路的控制器输出的稳态值为新能源并网系统稳态时的占空比；所述占空比为：

或/>

其中，D为所述占空比，V_nom为新能源并网系统稳态时的电压。