基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统

摘要

本发明公开了一种基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，包括光伏电池，所述光伏电池依次经直流电感、Boost电路、逆变电路和主变接入电网；旁路斩波电路连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于实现低电压穿越；滤波电容连接于光伏电池与直流电感之间的节点，用于吸收Boost电路开关引起的纹波；直流电容连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于缓冲Boost电路和逆变器之间功率差。本发明公开的系统在主电路结构和控制系统上更加接近光伏发电系统的实际情况，可用于多种电力系统的运算分析，为研究光伏发电对电力系统的影响提供了详细、准确的依据。

权利要求

1.一种基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，包括光伏电池，所述光伏电池依次经直流电感、Boost电路、逆变电路和主变接入电网；旁路斩波电路连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于实现低电压穿越；滤波电容连接于光伏电池与直流电感之间的节点，用于吸收Boost电路开关引起的纹波；直流电容连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于缓冲Boost电路和逆变器之间功率差，所述光伏电池电流由光伏电池非线性方程求解模型设定；光伏电池最大功率点追踪控制电路包括离散控制电路和模拟控制电路，离散控制电路利用时钟脉冲模型为离散控制提供时间基准，离散控制电路产生光伏电池电压控制电路所需的光伏电池电压给定值Upv_ref，模拟控制电路包括光伏电池电压控制器，光伏电池电压控制器调节产生Boost电路的电压比信号，由电压控制器产生旁路斩波电路的电压比信号；所述离散控制电路和模拟控制电路通过时钟脉冲连接，在脉冲处通过积分环节实现对光伏电池电压给定值的改变，使用牛顿迭代法求解光伏电池数学模型非线性方程得到光伏电池输出电流；为加快收敛速度，初始值选为在计算时刻前0.001s光伏电池输出电流值，所述逆变电路包括逆变器，逆变器分别与电压外环控制电路和电流内环控制电路相连，电压外环控制电路调节产生电流内环所需直轴电流、交轴电流给定值id_ref、iq_ref，锁相环提供坐标变换的相位信息，电流内环集成在逆变器中。

2.根据权利要求1所述的基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，其特征在于：

若进行潮流计算需设定光伏发电系统的工作点，然后设定潮流计算方法，有功、无功控制方案，最大迭代次数和精度；若进行短路计算需设定并网接口逆变器在不同计算方法中数学模型，然后设置短路计算的方法，故障点和故障类型，并根据不同计算方法设置相应的高级选项；若进行稳定性计算则选择仿真方法，然后设定仿真的步长方案和步长的大小，并建立仿真过程中发生的事件；若进行谐波分析需在并网接口处添加谐波源，并设定谐波计算的网络类型，扫描频率范围和输出频率数据。

说明书

基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，可用于研究光伏发电对电力系统的影响，属于电力系统数字仿真领域。

背景技术

[0002] 太阳能资源丰富、分布广泛、可再生，且利用过程无污染，成为新能源开发的首选对象之一。光伏发电作为太阳能一种主要利用形式，以其噪声污染小、维护费用低等优点显示出无比广泛的发展空间和应用前景。国内光伏装机容量逐年增加，2008年国内光伏发电装机14万千瓦，2009年达到30万千瓦，预计2016年国内光伏装机容量有望突破500万千瓦，大规模的光伏并网势必会对电网安全稳定运行带来新的挑战。因此，需要对光伏发电接入对电力系统造成的影响进行全面分析，以提出针对性措施加强电网稳定运行的能力。

[0003] DIgSILENT( DIgital Simulation and Electrical NeTwork, 数字仿真和电网计算程序)是一款领先高端的电力系统仿真工具，具备潮流计算、短路计算、稳定性分析、谐波分析、最优潮流等功能，可用于输配电网、发电、工业和铁路系统、新能源发电和智能电网的分析研究。此外，DIgSILENT具有丰富的元件库、面向程序化的编程语言（DPL）、面向连续运行过程的动态仿真语言（DSL）和丰富的电力电子元件。因此DIgSILENT是进行光伏发电接入对电力系统影响分析首选工具。但在DIgSILENT中现有的光伏发电系统等效模型过于简化，无法真实模拟光伏发电电池的输出特性、最大功率点追踪过程和低电压穿越过程；本发明公开的基于DIgSILENT的并网型光伏发电系统模型在主电路结构和控制系统方面更加接近实际光伏发电系统的情况，能够更加准确的分析光伏发电接入对电力系统影响。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种并网型光伏仿真发电系统模型，解决DIgSILENT中现有光伏发电系统等效模型过于简单、无法准确模拟光伏电池输出特性、最大功率点追踪过程和低电压穿越过程的缺点；

[0005] 本发明进一步所要解决的技术问题是，采用该模型进行潮流计算、短路计算、稳定性计算（机电暂态或电磁暂态）和谐波分析。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，包括光伏电池，所述光伏电池依次经直流电感、Boost电路、逆变电路和主变接入电网；旁路斩波电路连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于实现低电压穿越；滤波电容连接于光伏电池与直流电感之间的节点，用于吸收Boost电路开关引起的纹波；直流电容连接于Boost电路、逆变电路之间的连接节点，用于缓冲Boost电路和逆变器之间功率差。

[0007] 根据实际或科研假设数据设定各元件的额定值，通过光伏电池潮流计算选项中电流设定值、Boost电路基本数据选项中初始电压比和逆变器潮流计算选项中无功设定值来确定光伏发电系统的工作点。

[0008] 前述的基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，其特征在于：所述光伏电池电流由光伏电池非线性方程求解模型设定；光伏电池最大功率点追踪控制电路包括离散控制电路和模拟控制电路，离散控制电路利用时钟脉冲模型为离散控制提供时间基准，离散控制电路产生光伏电池电压控制电路所需的光伏电池电压给定值Upv_ref，模拟控制电路包括光伏电池电压控制器，光伏电池电压控制器调节产生Boost电路的电压比信号。

[0009] 所述离散控制电路和模拟控制电路通过时钟脉冲连接，在脉冲处通过积分环节实现对光伏电池电压给定值的改变。

[0010] 前述的基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，其特征在于：由直流电压控制器产生旁路斩波电路的电压比信号。

[0011] 前述的基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，其特征在于：所述逆变电路包括逆变器，逆变器分别与电压外环控制电路和电流内环控制电路相连，电压外环控制电路调节产生电流内环所需直轴电流、交轴电流给定值id_ref、iq_ref（id、iq是三相电流ia、ib、ic经过坐标变换后的变量，分别是直轴电流和交轴电流；id_ref、 iq_ref则分别为电流内环控制中直轴电流、交轴电流给定值），锁相环提供坐标变换的相位信息，电流内环集成在逆变器中。

[0012] 前述的基于DIgSILENT的并网型光伏仿真发电系统，其特征在于：使用牛顿迭代法求解光伏电池数学模型非线性方程得到光伏电池输出电流；为加快收敛速度，初始值选为在计算时刻前0.001s光伏电池输出电流值。

[0013] 本发明所达到的有益效果：

[0014] 本发明提出的基于DIgSILENT的并网型光伏发电系统模型，能够真实、准确地模拟光伏电池的输出特性，具备最大功率点追踪功能和低电压穿越功能。采用该模型可进行潮流计算、短路计算、稳定性计算（机电暂态或电磁暂态）和谐波分析。

附图说明

[0015] 图1为并网型光伏发电系统主电路拓扑结构；

[0016] 图2为光伏电池模型和Boost电路控制框架；

[0017] 图3为旁路斩波电路控制框架；

[0018] 图4为并网逆变器的控制框架。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实例对本发明提出的基于DIgSILENT的并网型光伏发电系统模型的建模步骤作详细说明。

[0020] 1. 采用内置模型搭建光伏发电系统主电路如附图1所示。直流电流源表示光伏电池；光伏电池经Boost电路、逆变电路和主变接入电网；旁路斩波电路用于实现低电压穿越；滤波电容用于吸收Boost电路开关引起的纹波；直流电容用于缓冲Boost电路和逆变器之间功率差。根据实际或科研假设数据设定各元件的额定值，通过光伏电池潮流计算选项中电流设定值、Boost电路基本数据选项中初始电压比和逆变器潮流计算选项中无功设定值来确定光伏发电系统的工作点。

[0021] 2. 通过框架定义被控元件和控制模型之间的信号连接关系如附图2、3、4所示，这些框架只表示了信号连接关系，并不具备控制功能。图2中定义了光伏电池、Boost电路及其相应控制模型信号连接关系；其中光伏电池电流i0dc由光伏电池非线性方程求解模型设定；光伏电池最大功率点追踪控制通过离散控制和模拟控制相结合的方式实现，其中时钟脉冲模型为离散控制提供时间基准，离散控制产生光伏电池电压控制中设定值Upv_ref，光伏电池电压控制器调节产生Boost电路的电压比信号。图3定义了旁路斩波电路和相应控制模型的信号连接关系，直流电压控制器产生旁路斩波电路的电压比信号。图4定义了逆变器电路和相应控制模型的信号连接关系，逆变器的控制采用电压外环和电流内环结构，电压外环控制调节产生电流内环给定值id_ref、iq_ref，锁相环提供坐标变换的相位信息，电流内环集成在逆变器中，没有在框图中体现出来。

[0022] 3. 在步骤2定义的框架中的被控元件已经在步骤1中建立，如光伏电池、Boost电路、旁路斩波电路和逆变器；有一部分控制相关模型可以通过内置模型实现，如电压测量模型、功率测量模型、锁相环模型、采样保持模型和寄存器模型；还有一部分控制模型则是通过动态仿真语言编写的自定义模型来实现，如光伏电池非线性方程求解模型、最大功率点追踪算法模型、光伏电压控制模型、直流电压控制器模型和逆变器控制器模型。与本发明权利要求中最相关的自定义模型是光伏电池非线性方程求解模型和最大功率点追踪算法模型。下面罗列这两个模型的动态仿真语言编写的代码。

[0023] 使用牛顿迭代法求解光伏电池数学模型非线性方程得到光伏电池输出电流；为加快收敛速度，初始值选为在计算时刻前0.001s光伏电池输出电流值；可根据需求设定计算精度和迭代的次数，因初始值选取较合理，该模型只采用了6次迭代。光伏电池非线性方程求解模型代码如下：

[0024] inc(U1)=Upv*Usb

[0025] inc(G)=1000

[0026] inc(T)=25

[0027] Vt= Ns*(8.6173423e-5)*(T+273.15)

[0028] b0=1/Vt/n

[0029] Ipvn=Isc

[0030] Ipv0 = (Ipvn+Ki*(T-Tn))*G/Gn

[0031] I0 = (Isc+Ki*(T-Tn))/(exp((Voc+Kv*(T-Tn))*b0)-1)

[0032] I0Rsk0=I0*Rs*b0

[0033] RsRp =Rs/Rp

[0034] U1 = Upv*Usb

[0035] U= select(U1>0,U1,0)/Ns_out

[0036] Ipv11=Ipv0-I0*(exp((U+Rs*delay(Ipv,0.001)/Np_out)*b0)-1)-(U+Rs*delay(Ipv,0.001)/Np_out)/Rp

[0037] Ipv1= max(Ipv11,0)

[0038] t1= exp((U+Rs*Ipv1)*b0)

[0039] d_Ipv1 = (Ipv1-Ipv0+I0*(t1-1)+(U+Rs*Ipv1)/Rp)/(1+I0Rsk0*t1+RsRp)[0040] Ipv2= lim(Ipv1-d_Ipv1,0,Ipv0)

[0041] t2= exp((U+Rs*Ipv2)*b0)

[0042] d_Ipv2 = (Ipv2-Ipv0+I0*(t2-1)+(U+Rs*Ipv2)/Rp)/(1+I0Rsk0*t2+RsRp)[0043] Ipv3= lim(Ipv2-lim(d_Ipv2,- Ipv0, Ipv0),0,Ipv0)

[0044] t3= exp((U+Rs*Ipv3)*b0)

[0045] d_Ipv3 = (Ipv3-Ipv0+I0*(t3-1)+(U+Rs*Ipv3)/Rp)/(1+I0Rsk0*t3+RsRp)[0046] Ipv4= lim(Ipv3-lim(d_Ipv3,- Ipv0, Ipv0),0,Ipv0)

[0047] t4= exp((U+Rs*Ipv4)*b0)

[0048] d_Ipv4 = (Ipv4-Ipv0+I0*(t4-1)+(U+Rs*Ipv4)/Rp)/(1+I0Rsk0*t4+RsRp)[0049] Ipv5= lim(Ipv4-lim(d_Ipv4,- Ipv0, Ipv0),0,Ipv0)

[0050] t5= exp((U+Rs*Ipv5)*b0)

[0051] d_Ipv5 = (Ipv5-Ipv0+I0*(t5-1)+(U+Rs*Ipv5)/Rp)/(1+I0Rsk0*t5+RsRp)[0052] Ipv6 = lim(Ipv5-lim(d_Ipv5,- Ipv0, Ipv0),0,Ipv0)

[0053] Ipv_pie = select({abs(d_Ipv5/Ipv0)>0.001},Ipv1,Ipv6)

[0054] Ipv= Np_out*select(Ipv_pie>0,Ipv_pie,0)

[0055] Ipv_out=-Np_out*select(Ipv_pie>0,Ipv_pie,0)/Isb

[0056] 其中输入变量为：光伏电池电压Upv、光照G、温度T；输出变量为：光伏电流输出Ipv_out；模型参数为：额定光照Gn、额定温度Tn、额定短路电流Isc、额定短路电压Voc、最大功率点电压Vm、最大功率点电流Im、电流温度系数Ki、电压温度系数Kv、串联电阻Rs、并联电阻Rp、二极管理想系数n、单块光伏面板串联单元数Ns、串联单元数Ns_out、并联单元数Np_out、电压基准值Usb、电流基准值Isb；其余为内部变量。

[0057] 最大功率点追踪算法为常规的扰动观测法或增量电导法，对光伏电池电压进行扰动；其中最大功率点追踪算法采用数字控制实现，光伏电压的控制采用模拟控制来实现，这两个环节通过时钟脉冲连接，在脉冲处通过积分环节实现对光伏电池电压给定值的改变，脉冲宽度要尽可能窄（1%左右）。最大功率点追踪算法模型代码如下：

[0058] inc(Upvp)=Upv

[0059] inc(Ppvp)=Ppv

[0060] inc(x)=Upv_ref

[0061] condition ={(Upv-Upvp)*(Ppv-Ppvp)>0}

[0062] ratio =select(abs(Ppv-Ppvp)>0,select(condition,1,-1),0)[0063] step =ratio*Kstep

[0064] x.=select(cl,step,0)

[0065] Upv_ref=limstate(x,0,Upvref_max)

[0066] 其中输入变量为：光伏电池功率Ppv、前一时刻光伏电池功率Ppvp、光伏电池电压Upv、前一时刻光伏电池电压Upvp、时钟脉冲cl；输出变量为：光伏电池电压控制设定值Upv_ref；模型参数为：扰动步长系数Kstep；状态变量为：x与Kstep结合在时钟脉冲cl的作用下确定扰动步长；其余为内部变量。

[0067] 4．根据步骤2中定义的框架建立复合模型；根据步骤3中定义的自定义模型建立相应的控制模型，并设置相应的模型参数；将控制模型和步骤3中已经建立好的内置模型添加至复合模型中，最终完成并网型光伏发电系统模型的搭建。 5．对相应的计算进行配置，若进行潮流计算需设定光伏发电系统的工作点，然后设定潮流计算方法，有功、无功控制方案，最大迭代次数和精度；若进行短路计算需设定并网接口逆变器在不同计算方法中数学模型，然后设置短路计算的方法，故障点和故障类型，并根据不同计算方法设置相应的高级选项；若进行稳定性计算需选择仿真方法（机电暂态或电磁暂态），然后设定仿真的步长方案和步长的大小，并需建立仿真过程中发生的事件；若进行谐波分析需在并网接口处添加谐波源，并设定谐波计算的网络类型，扫描频率范围和输出频率数据。 [0068] 以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。