一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法，包括如下步骤：S1、基于RT_LAB实时仿真工具OPAL‑RT建立光伏发电集群仿真模型；S2、基于DSP设计分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法；S3、基于OPNET模拟光伏单元之间实时通讯；S4、模拟用户侧负荷波动，实现分布式光伏集群动态功率分配均衡。本发明的方法，保证了光伏单元的即插即用能力，部分光伏单元故障脱网时剩余光伏单元重新动态负载均衡，能够显著提高光伏集群的抗故障能力，具有很强的实用价值。

权利要求

1.一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于RT‑LAB实时仿真工具OPAL‑RT建立光伏发电集群仿真模型；

S2、基于DSP控制器设计分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法，具体包括：使用DSP控制器对RT‑LAB中运行控制单元的RT‑LAB信号输出端口进行模拟量采集，实现分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法，将数字信号通过相应通讯规约上传至RT‑LAB中运行控制单元；其中，所述分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法具体包括：

当光伏发电集群中有n个光伏单元时，预设每个光伏单元的最大输出功率为pm1，pm2，...，pmn，实际输出功率为p1，p2，...，pn，定义每个光伏单元的输出功率配比为则光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法设计为：对任意光伏单元i，其控制器为：其中，Ni为光伏单元i的邻居光伏单元下标集合，kβ为比例系数；

为实现光伏发电集群中的供需平衡，须让某个光伏单元跟踪系统的输出配比且系统输出配比满足0≤βs≤1，其中LT为系统内总负荷；设定光伏单元l跟踪系统的输出配比，则有其中，kl为光伏单元l的控制比例系数；

S3、基于OPNET模拟光伏单元之间实时通讯；

S4、模拟用户侧负荷波动，实现分布式光伏集群动态功率分配均衡。

2.根据权利要求1所述的分布式光伏协同控制仿真方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

在RT‑LAB中完成光伏发电集群的仿真模型搭建，实现其物理镜像，并使用目标机拓展其信号输出端口；所述仿真模型包括两部分，第一部分由光伏太能电池模型和直流‑直流变流控制模块组成的分布式光伏单元，第二部分由直流‑交流逆变并网模块和用户负荷模块组成。

3.根据权利要求2所述的分布式光伏协同控制仿真方法，其特征在于，步骤S3中，OPNET起到路由器的作用，用于模拟光伏单元DSP控制器之间信号收发实现物理拓扑结构仿真，实现光伏单元有功功率协同控制信号的交互。

4.根据权利要求3所述的分布式光伏协同控制仿真方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

通过平台模型调节可控负荷阻抗值，模拟用户侧负荷波动，波动负荷值通过RT‑LAB仿真模型传给DSP控制器，通过DSP控制器中的分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法，计算各光伏单元输出功率配比，再传回RT‑LAB仿真模型，实现分布式光伏集群动态功率分配均衡。

说明书

一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及协同控制仿真技术领域，尤其是涉及基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法。

背景技术

[0002] 近来，分布式光伏发电发展迅速，其多利用太阳能进行发电，缓解了电力发展带来的环境压力。但分布式光伏单元有故障率高、功率输出不稳定的特点，分布式光伏发电需要
考虑光伏单元间协同控制，使得光伏单元实现动态功率分配平衡。

[0003] 信息物理仿真平台主要由RT_LAB仿真模型、DSP控制器、OPNET网络仿真单元组成。通过对各电力模型进行数学建模从而在RT‑LAB中完成其模型搭建，实现其物理镜像，并使
用目标机拓展其信号输出端口；DSP控制器ADC端口对信号输出端口进行模拟量采集，并通
过分布式光伏功率控制协同控制算法进行运算，输出以及通过PWM端口发送至RT_LAB仿真
模型实现协同控制；OPNET网络仿真模块起到交换机的作用，并对网络传输各种场景进行模
拟。

[0004] 分布式光伏协同控制算法，主要实现分布式光伏发电集群的内部光伏单元的有功出力均衡。对于分布式光伏接入的微电网中，负荷波动的情况下，传统的光伏功率控制算法
大都只涉及光伏单元功率的控制，很少考虑多个光伏单元的通信和功率控制协同。因此本
发明主要设计一种能够应对负荷波动、部分光伏单元故障的分布式光伏协同控制方法，并
涉及了相应的基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真系统。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提出了一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法，以达到对分布式光伏的协同控制，实现有功功率输出动态均衡的目的。

[0006] 本发明采用如下技术方案实现上述目的：

[0007] 一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法，包括以下步骤：

[0008] S1、基于RT_LAB实时仿真工具OPAL‑RT建立光伏发电集群仿真模型；

[0009] S2、基于DSP设计分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法；

[0010] S3、基于OPNET模拟光伏单元之间实时通讯；

[0011] S4、模拟用户侧负荷波动，实现分布式光伏集群动态功率分配均衡。

[0012] 进一步的，步骤S1具体包括：

[0013] 在RT‑LAB中完成光伏发电集群的仿真模型搭建，实现其物理镜像，并使用目标机拓展其信号输出端口；所述仿真模型包括两部分，第一部分由光伏太能电池模型和直流‑直
流变流控制模块组成的分布式光伏单元，第二部分由直流‑交流逆变并网模块和用户负荷
模块组成。

[0014] 进一步的，步骤S2具体包括：

[0015] 使用DSP对底层控制单元的RT‑LAB信号输出端口进行模拟量采集，实现分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法，将数字信号通过相应通讯规约上传至RT‑LAB中
运行控制单元。

[0016] 进一步的，步骤S2中，所述分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法具体包括：

[0017] 当光伏发电集群中有n个光伏单元时，假设每个光伏的最大输出功率为pm1，pm2，...，pmm，实际输出功率为p1，p2，...，pn，定义每个光伏的输出功率配比为
则光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法设计为：

[0018] 对任意光伏单元i，其控制器为：

[0019]

[0020] 其中，Ni为光伏单元i的邻居光伏单元下标集合，kβ为比例系数；

[0021] 为实现光伏发电集群中的供需平衡，须让某个光伏单元跟踪系统的输出配比且系统输出配比满足0≤βs≤1，其中LT为系统内总负荷；假设光伏
单元l跟踪系统的输出配比，则有

[0022]

[0023] 其中，kl为控制比例系数。

[0024] 进一步的，步骤S3中，OPNET起到路由器的作用，用于模拟光伏单元控制器DSP之间信号收发实现物理拓扑结构仿真，实现光伏单元有功功率协同控制信号的交互。

[0025] 进一步的，步骤S4具体包括：

[0026] 通过平台模型调节可控负荷阻抗值，模拟用户侧负荷波动，波动负荷值通过RT‑LAB仿真模型传给DSP控制器，通过DSP控制器中的分布式光伏集群有功功率平衡与分配协
同控制算法，计算各光伏单元输出功率配比，再传回RT‑LAB仿真模型，实现分布式光伏集群
动态功率分配均衡。

[0027] 本发明具有的有益效果是：

[0028] 基于本发明的方法，能够实现分布式光伏集群在负荷波动或者部分光伏单元故障情况下光伏单元动态功率均衡，从而有效提高分布式光伏集群抗负荷波动和应对故障能
力。

附图说明

[0029] 图1本发明的方法涉及的基于信息物理融合的分布式协同控制仿真系统结构图。

[0030] 图2为光伏单元的伏特安特性。

[0031] 图3为OPNET网络仿真模型。

[0032] 图4为本发明实施例的评估结果。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0034] 本实施例示出一种基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法，包括以下步骤：

[0035] 步骤一，基于RT_LAB实时仿真工具OPAL‑RT建立光伏发电集群仿真模型。

[0036] 具体的，本实施例中，在RT‑LAB中完成光伏发电集群的仿真模型搭建，实现其物理镜像，并使用目标机拓展其信号输出端口；所述仿真模型包括两部分，第一部分由光伏太能
电池模型和直流‑直流变流控制模块组成的分布式光伏单元，第二部分由直流‑交流逆变并
网模块和用户负荷模块组成。

[0037] 本实施例中，用三个分布式光伏单元模拟分布式光伏集群。其中光伏单元的功率控制由直流‑直流变流控制模块的PWM脉冲，脉冲信号由DSP控制器产生。光伏单元有功功率
线性可调，正常运行时直流母线电压为500V恒定。直流‑交流逆变模块将500V直流逆变成
220V交流，接入220V交流电网。

[0038] 光伏单元采用受控电流源建模，其输入是太阳辐射和温度，能够模拟光伏单元的伏安特性，光伏太阳能光伏组件等效电路的电流‑电压特性方程可以描述如下：

[0039]

[0040] 其中，I为光伏单元电流，V为光伏单元电压，Iph为单个太阳能电池电流，Io为反向饱和电流，Vt为与太阳能电池板温度相关的热电压，A为太阳能电池板理想计算因子，Rs为外
部串联电阻。光伏单元伏安曲线如图2所示。

[0041] 直流‑交流逆变器通过一个的比例‑积分控制器调节直流母线的电压恒定，将直流逆变成交流，给交流负载供电。

[0042] 步骤二，基于DSP设计分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法。

[0043] 具体的，本实施例中，使用DSP对底层控制单元的RT‑LAB信号输出端口进行模拟量采集，实现分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法，将数字信号通过相应通讯
规约上传至RT‑LAB中运行控制单元。

[0044] 其中，分布式光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法具体包括：

[0045] 当光伏发电集群中有n个光伏单元时，假设每个光伏的最大输出功率为pm1，pm2，...，pmm，实际输出功率为p1，p2，...，pn，定义每个光伏的输出功率配比为
则光伏集群有功功率平衡与分配协同控制算法设计为：

[0046] 对任意光伏单元i，其控制器为：

[0047]

[0048] 其中，Ni为光伏单元i的邻居光伏单元下标集合，kβ为比例系数；

[0049] 为实现光伏发电集群中的供需平衡，须让某个光伏单元跟踪系统的输出配比且系统输出配比满足0≤βs≤1，其中LT为系统内总负荷；假设光伏
单元l跟踪系统的输出配比，则有

[0050]

[0051] 其中，kl为控制比例系数。

[0052] 步骤三，基于OPNET模拟光伏单元之间实时通讯。

[0053] 具体的，本实施例中，OPNET起到路由器的作用，用于模拟光伏单元控制器DSP之间信号收发实现物理拓扑结构仿真，实现光伏单元有功功率协同控制信号的交互。根据分布
式光伏集群的结构，设计OPNET通信拓扑结构如图3所示。利用OPNET软件搭建分布式光伏单
元系统通信网络，并设置相应的通信节点，这些节点是指分布式光伏单元中实际运行设备
的通讯节点；然后，交换机实时接收DSP控制器中的运行状态数据，通过通信板卡将数据送
入OPNET，并作为实际节点参与分布式光伏集群的网络通信过程，进而完成OPNET模拟光伏
单元之间实时通讯。通信网络数据流主要包括各光伏单元向相邻光伏单元发送输出功率配
比和可控负荷的实际负荷量。

[0054] 步骤四，模拟用户侧负荷波动，实现分布式光伏集群动态功率分配均衡。

[0055] 具体的，本实施例中，通过平台模型调节可控负荷阻抗值，模拟用户侧负荷波动，波动负荷值通过RT‑LAB仿真模型传给DSP控制器，通过DSP控制器中的分布式光伏集群有功
功率平衡与分配协同控制算法，计算各光伏单元输出功率配比，再传回RT‑LAB仿真模型，实
现分布式光伏集群动态功率分配均衡。

[0056] 下面通过具体实例对本发明的方案作进一步验证。

[0057] 基于RT‑LAB半实物仿真平台、DSP控制器、OPNET网络仿真软件通过如图1所示的构建信息物理融合仿真系统，对本发明提出的分布式光伏协同控制方法进行了实验验证。实
验参数如下表1所示。

[0058] 表1

[0059]

[0060] 实验截图如图4所示，为本实例中基于信息物理融合的分布式光伏协同控制仿真方法对分布式光伏单元有功功率动态分配均衡的结果。

[0061] 本实例中，三个分布式光伏单元和可控交流负荷组成的微电网。光伏单元以太阳2
辐射源和温度作为输入，温度和太阳辐射的初始值分别设置为300K和1000W/m ，内部控制
模块模拟光伏的伏安曲线。直流‑直流变流控制模块开环运行，通过DSP控制直流‑直流变流
控制模块的PWM脉冲输入，进而控制光伏单元输出的有功功率。直流‑交流逆变模块中逆变
器将500V直流电压逆变成220V交流电压，逆变器控制模块中有个比例积分控制模块，保证
直流母线电压恒定。交流负载部分包括Δ‑Yg变压器和可调阻抗负载。

[0062] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范
围。