專利名稱：基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，可用于研究光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響，屬于電力系統(tǒng)數(shù)字仿真領域。
背景技術：
太陽能資源豐富、分布廣泛、可再生，且利用過程無污染，成為新能源開發(fā)的首選對象之一。光伏發(fā)電作為太陽能一種主要利用形式，以其噪聲污染小、維護費用低等優(yōu)點顯示出無比廣泛的發(fā)展空間和應用前景。國內(nèi)光伏裝機容量逐年增加，2008年國內(nèi)光伏發(fā)電裝機14萬千瓦，2009年達到30萬千瓦，預計2016年國內(nèi)光伏裝機容量有望突破500萬千瓦，大規(guī)模的光伏并網(wǎng)勢必會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。因此，需要對光伏發(fā)電接入對電力系統(tǒng)造成的影響進行全面分析，以提出針對性措施加強電網(wǎng)穩(wěn)定運行的能力。DIgSILENT( Digital Simulation and Electrical NeTwork,數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序)是一款領先高端的電力系統(tǒng)仿真工具，具備潮流計算、短路計算、穩(wěn)定性分析、諧波分析、最優(yōu)潮流等功能，可用于輸配電網(wǎng)、發(fā)電、工業(yè)和鐵路系統(tǒng)、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)的分析研究。此外，DIgSILENT具有豐富的元件庫、面向程序化的編程語言(DPL)、面向連續(xù)運行過程的動態(tài)仿真語言(DSL)和豐富的電力電子元件。因此DIgSILENT是進行光伏發(fā)電接入對電力系統(tǒng)影響分析首選工具。但在DIgSILENT中現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)等效模型過于簡化，無法真實模擬光伏發(fā)電電池的輸出特性、最大功率點追蹤過程和低電壓穿越過程；本發(fā)明公開的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型在主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面更加接近實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的情況，能夠更加準確的分析光伏發(fā)電接入對電力系統(tǒng)影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)模型，解決 DIgSILENT中現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)等效模型過于簡單、無法準確模擬光伏電池輸出特性、最大功率點追蹤過程和低電壓穿越過程的缺點；
本發(fā)明進一步所要解決的技術問題是，采用該模型進行潮流計算、短路計算、穩(wěn)定性計算(機電暫態(tài)或電磁暫態(tài))和諧波分析。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏電池，所述光伏電池依次經(jīng)直流電感、Boost電路、逆變電路和主變接入電網(wǎng)； 旁路斬波電路連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于實現(xiàn)低電壓穿越；濾波電容連接于光伏電池與直流電感之間的節(jié)點，用于吸收Boost電路開關引起的紋波；直流電容連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于緩沖Boost電路和逆變器之間功率差。根據(jù)實際或科研假設數(shù)據(jù)設定各元件的額定值，通過光伏電池潮流計算選項中電流設定值、Boost電路基本數(shù)據(jù)選項中初始電壓比和逆變器潮流計算選項中無功設定值來確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作點。
前述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述光伏電池電流由光伏電池非線性方程求解模型設定；光伏電池最大功率點追蹤控制電路包括離散控制電路和模擬控制電路，離散控制電路利用時鐘脈沖模型為離散控制提供時間基準，離散控制電路產(chǎn)生光伏電池電壓控制電路所需的光伏電池電壓給定值Upv_ref，模擬控制電路包括光伏電池電壓控制器，光伏電池電壓控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生Boost電路的電壓比信號。所述離散控制電路和模擬控制電路通過時鐘脈沖連接，在脈沖處通過積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)對光伏電池電壓給定值的改變。前述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于由直流電壓控制器產(chǎn)生旁路斬波電路的電壓比信號。前述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述逆變電路包括逆變器，逆變器分別與電壓外環(huán)控制電路和電流內(nèi)環(huán)控制電路相連，電壓外環(huán)控制電路調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)所需直軸電流、交軸電流給定值id_ref、iq_ref (id、iq是三相電流 ia、ib、ic經(jīng)過坐標變換后的變量，分別是直軸電流和交軸電流；id_ref、iq_ref則分別為電流內(nèi)環(huán)控制中直軸電流、交軸電流給定值)，鎖相環(huán)提供坐標變換的相位信息，電流內(nèi)環(huán)集成在逆變器中。前述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于使用牛頓迭代法求解光伏電池數(shù)學模型非線性方程得到光伏電池輸出電流；為加快收斂速度，初始值選為在計算時刻前0. OOls光伏電池輸出電流值。本發(fā)明所達到的有益效果
本發(fā)明提出的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，能夠真實、準確地模擬光伏電池的輸出特性，具備最大功率點追蹤功能和低電壓穿越功能。采用該模型可進行潮流計算、短路計算、穩(wěn)定性計算(機電暫態(tài)或電磁暫態(tài))和諧波分析。


圖1為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)； 圖2為光伏電池模型和Boost電路控制框架；
圖3為旁路斬波電路控制框架； 圖4為并網(wǎng)逆變器的控制框架。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明提出的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的建模步驟作詳細說明。1.采用內(nèi)置模型搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路如附圖1所示。直流電流源表示光伏電池；光伏電池經(jīng)Boost電路、逆變電路和主變接入電網(wǎng)；旁路斬波電路用于實現(xiàn)低電壓穿越；濾波電容用于吸收Boost電路開關引起的紋波；直流電容用于緩沖Boost電路和逆變器之間功率差。根據(jù)實際或科研假設數(shù)據(jù)設定各元件的額定值，通過光伏電池潮流計算選項中電流設定值、Boost電路基本數(shù)據(jù)選項中初始電壓比和逆變器潮流計算選項中無功設定值來確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作點。2.通過框架定義被控元件和控制模型之間的信號連接關系如附圖2、3、4所示，這些框架只表示了信號連接關系，并不具備控制功能。圖2中定義了光伏電池、Boost電路及其相應控制模型信號連接關系；其中光伏電池電流iOdc由光伏電池非線性方程求解模型設定；光伏電池最大功率點追蹤控制通過離散控制和模擬控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)，其中時鐘脈沖模型為離散控制提供時間基準，離散控制產(chǎn)生光伏電池電壓控制中設定值Upv_ ref，光伏電池電壓控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生Boost電路的電壓比信號。圖3定義了旁路斬波電路和相應控制模型的信號連接關系，直流電壓控制器產(chǎn)生旁路斬波電路的電壓比信號。圖4定義了逆變器電路和相應控制模型的信號連接關系，逆變器的控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)給定值id_ref、iq_ref，鎖相環(huán)提供坐標變換的相位信息，電流內(nèi)環(huán)集成在逆變器中，沒有在框圖中體現(xiàn)出來。3.在步驟2定義的框架中的被控元件已經(jīng)在步驟1中建立，如光伏電池、Boost電路、旁路斬波電路和逆變器；有一部分控制相關模型可以通過內(nèi)置模型實現(xiàn)，如電壓測量模型、功率測量模型、鎖相環(huán)模型、采樣保持模型和寄存器模型；還有一部分控制模型則是通過動態(tài)仿真語言編寫的自定義模型來實現(xiàn)，如光伏電池非線性方程求解模型、最大功率點追蹤算法模型、光伏電壓控制模型、直流電壓控制器模型和逆變器控制器模型。與本發(fā)明權(quán)利要求中最相關的自定義模型是光伏電池非線性方程求解模型和最大功率點追蹤算法模型。下面羅列這兩個模型的動態(tài)仿真語言編寫的代碼。使用牛頓迭代法求解光伏電池數(shù)學模型非線性方程得到光伏電池輸出電流；為加快收斂速度，初始值選為在計算時刻前0. OOls光伏電池輸出電流值；可根據(jù)需求設定計算精度和迭代的次數(shù)，因初始值選取較合理，該模型只采用了 6次迭代。光伏電池非線性方程求解模型代碼如下
inc (Ul)=Upv^Usb inc(G)=1000 inc(T) =25
Vt= Ns*(8. 6173423e-5)*(T+273. 15)
b0=l/Vt/n
Ipvn=Isc
IpvO = (Ipvn+Ki*(T-Tn))*G/Gn
10 = (Isc+Ki* (T-Tn) )/(exp((Voc+Kv* (T-Tn) )^30)-1) I0Rsk0=I0*Rs*b0 RsRp =Rs/Rp Ul = Upv^Usb
U= select (Ul>0，Ul，0)/Ns_out
Ipvll=Ipv0_I0氺(exp((U+Rs氺delay(Ipv, 0. 001)/Np_out)*b0)_1)_(U+Rs氺delay(Ipv, 0. 001)/Np_out)/Rp
Ipvl= max(Ipvll, 0) tl= exp((U+Rs氺Ipvl)氺bO)
d_Ipvl = (Ipvl-Ipv0+I0* (tl_l) + (U+Rs*Ipvl)/Rp)/(l+I0Rsk0*tl+RsRp) Ipv2= lim(Ipvl-d_Ipvl, 0, IpvO) t2= exp((U+Rs*Ipv2)*bO)d_Ipv2 = (Ipv2-Ipv0+I0*(t2-l)+(U+Rs*Ipv2)/Rp)/(l+I0Rsk0*t2+RsRp) Ipv3= Iim(lpv2-lim(d_lpv2, - IpvO, IpvO), O,IpvO) t3= exp((U+Rs*Ipv3)*bO)
d_Ipv3 = (Ipv3-Ipv0+I0* (t3_l) + (U+Rs*Ipv3)/Rp)/(l+I0Rsk0*t3+RsRp) Ipv4= Iim(lpv3-lim(d_lpv3, - IpvO, IpvO), O, IpvO) t4= exp((U+Rs*Ipv4)*bO)
d_Ipv4 = (Ipv4-Ipv0+I0*(t4_l)+(U+Rs*Ipv4)/Rp)/(l+I0Rsk0*t4+RsRp) Ipv5= Iim(lpv4-lim(d_lpv4, - IpvO, IpvO), O, IpvO) t5= exp((U+Rs*Ipv5)*bO)
d_Ipv5 = (Ipv5_Ipv0+I0氺(t5_l)+(U+Rs*Ipv5)/Rp)/(l+I0Rsk0*t5+RsRp)
Ipv6 = Iim(lpv5-lim(d_lpv5, - IpvO, IpvO), O,IpvO)
Ipv_pie = select ({abs(d_Ipv5/IpvO)>0. 001}, Ipvl, Ipv6)
Ipv= Np_out氺select(lpv_pie>0, Ipv_pie, 0)
Ipv_out=_Np_out氺select(lpv_pie>0, Ipv_pie, 0)/Isb
其中輸入變量為光伏電池電壓Upv、光照G、溫度T ；輸出變量為光伏電流輸出Ipv_ out ；模型參數(shù)為額定光照、額定溫度Tru額定短路電流Isc、額定短路電壓Voc、最大功率點電壓Vm、最大功率點電流Im、電流溫度系數(shù)Ki、電壓溫度系數(shù)Kv、串聯(lián)電阻Rs、并聯(lián)電阻Rp、二極管理想系數(shù)η、單塊光伏面板串聯(lián)單元數(shù)Ns、串聯(lián)單元數(shù)Ns_out、并聯(lián)單元數(shù)Np_ out、電壓基準值^b、電流基準值Isb ；其余為內(nèi)部變量。最大功率點追蹤算法為常規(guī)的擾動觀測法或增量電導法，對光伏電池電壓進行擾動；其中最大功率點追蹤算法采用數(shù)字控制實現(xiàn)，光伏電壓的控制采用模擬控制來實現(xiàn)，這兩個環(huán)節(jié)通過時鐘脈沖連接，在脈沖處通過積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)對光伏電池電壓給定值的改變， 脈沖寬度要盡可能窄(1%左右)。最大功率點追蹤算法模型代碼如下
inc (Upvp)=Upv inc (Ppvp)=Ppv inc(χ)=Upv_ref
condition ={(Upv-Upvp)氺(Ppv-Ppvp)>0}
ratio =select(abs(Ppv-Ppvp)>0, select(condition, 1, _1), 0)
step =ratio氺Kstep
χ. =select (cl, step, 0)
Upv_ref=1imstate(x, 0, Upvref_max)
其中輸入變量為光伏電池功率Ppv、前一時刻光伏電池功率Ppvp、光伏電池電壓Upv、 前一時刻光伏電池電壓Upvp、時鐘脈沖cl ；輸出變量為光伏電池電壓控制設定值Upv_ ref ；模型參數(shù)為擾動步長系數(shù)Kst印；狀態(tài)變量為x與Kstep結(jié)合在時鐘脈沖cl的作用下確定擾動步長；其余為內(nèi)部變量。4.根據(jù)步驟2中定義的框架建立復合模型；根據(jù)步驟3中定義的自定義模型建立相應的控制模型，并設置相應的模型參數(shù)；將控制模型和步驟3中已經(jīng)建立好的內(nèi)置模型添加至復合模型中，最終完成并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的搭建。5.對相應的計算進行配置，若進行潮流計算需設定光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作點，然后設定潮流計算方法，有功、無功控制方案，最大迭代次數(shù)和精度；若進行短路計算需設定并網(wǎng)接口逆變器在不同計算方法中數(shù)學模型，然后設置短路計算的方法，故障點和故障類型，并根據(jù)不同計算方法設置相應的高級選項；若進行穩(wěn)定性計算需選擇仿真方法(機電暫態(tài)或電磁暫態(tài))，然后設定仿真的步長方案和步長的大小，并需建立仿真過程中發(fā)生的事件；若進行諧波分析需在并網(wǎng)接口處添加諧波源，并設定諧波計算的網(wǎng)絡類型，掃描頻率范圍和輸出頻率數(shù)據(jù)。
以上已以較佳實施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏電池，所述光伏電池依次經(jīng)直流電感、Boost電路、逆變電路和主變接入電網(wǎng)；旁路斬波電路連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于實現(xiàn)低電壓穿越；濾波電容連接于光伏電池與直流電感之間的節(jié)點，用于吸收Boost電路開關引起的紋波；直流電容連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于緩沖Boost電路和逆變器之間功率差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 所述光伏電池電流由光伏電池非線性方程求解模型設定；光伏電池最大功率點追蹤控制電路包括離散控制電路和模擬控制電路，離散控制電路利用時鐘脈沖模型為離散控制提供時間基準，離散控制電路產(chǎn)生光伏電池電壓控制電路所需的光伏電池電壓給定值Upv_ref，模擬控制電路包括光伏電池電壓控制器，光伏電池電壓控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生Boost電路的電壓比信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 所述離散控制電路和模擬控制電路通過時鐘脈沖連接，在脈沖處通過積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)對光伏電池電壓給定值的改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 由直流電壓控制器產(chǎn)生旁路斬波電路的電壓比信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 所述逆變電路包括逆變器，逆變器分別與電壓外環(huán)控制電路和電流內(nèi)環(huán)控制電路相連，電壓外環(huán)控制電路調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)所需直軸電流、交軸電流給定值id_ref、iq_ref，鎖相環(huán)提供坐標變換的相位信息，電流內(nèi)環(huán)集成在逆變器中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 使用牛頓迭代法求解光伏電池數(shù)學模型非線性方程得到光伏電池輸出電流；為加快收斂速度，初始值選為在計算時刻前0. OOls光伏電池輸出電流值。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 若進行潮流計算需設定光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作點，然后設定潮流計算方法，有功、無功控制方案，最大迭代次數(shù)和精度；若進行短路計算需設定并網(wǎng)接口逆變器在不同計算方法中數(shù)學模型，然后設置短路計算的方法，故障點和故障類型，并根據(jù)不同計算方法設置相應的高級選項；若進行穩(wěn)定性計算則選擇仿真方法，然后設定仿真的步長方案和步長的大小，并建立仿真過程中發(fā)生的事件；若進行諧波分析需在并網(wǎng)接口處添加諧波源，并設定諧波計算的網(wǎng)絡類型，掃描頻率范圍和輸出頻率數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DIgSILENT的并網(wǎng)型光伏仿真發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏電池，所述光伏電池依次經(jīng)直流電感、Boost電路、逆變電路和主變接入電網(wǎng)；旁路斬波電路連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于實現(xiàn)低電壓穿越；濾波電容連接于光伏電池與直流電感之間的節(jié)點，用于吸收Boost電路開關引起的紋波；直流電容連接于Boost電路、逆變電路之間的連接節(jié)點，用于緩沖Boost電路和逆變器之間功率差。本發(fā)明公開的系統(tǒng)在主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)上更加接近光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際情況，可用于多種電力系統(tǒng)的運算分析，為研究光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響提供了詳細、準確的依據(jù)。
文檔編號G06F17/50GK102521473SQ20121000265
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者劉梅招, 宋志毅, 李群, 殷明慧, 王勇, 王建明, 蒯狄正, 袁曉冬, 陳兵 申請人:江蘇省電力試驗研究院有限公司