专利名称：基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于光伏发电系统设计技术领域，尤其涉及一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统。
背景技术：
近年来，随着传统燃料能源的减少，以及国家对节能减排的要求，促使人们加快了对清洁可再生能源的开发。太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到国家的重视。在我国政府对新能源产业的大力推动下，光伏产业得到迅猛发展。光伏电站越来越多，如何合理有效的利用太阳能，并使其对电网产生的不利影响尽可能小，决定着光伏产业的发展前景。一个地区如果要引入光伏电站项目，就必须考虑电站能否并网，如何并网，并网后能否满发，以及并网后对系统电能质量的影响等。在实际工程建设时，需要根据实际情况搭建光伏电站仿真模型，对光伏电站的运行特性，电能质量状况以及接入系统的特性等方面的问题进行研究和分析。为满足实际工程多方面的需求，需要建立一个包含面广、实用性强的仿真模型库，以方便灵活地根据需要搭建模型，进行实际工程问题的分析。
发明内容
本发明的目的在于，提供提供一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统，用于实现对光伏电站的运行特性，电能质量状况以及接入系统的特性等方面的问题进行研究和分析。为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统，其特征是所述系统包括最大功率点跟踪控制模块、逆变器控制模块、光伏阵列模块、逆变器模块和滤波器模块；所述最大功率点跟踪控制模块包括输入端和输出端；输入端用于输入最大功率点参考电压计算参数，所述最大功率点参考电压计算参数根据最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法确定；输出端用于将根据最大功率点参考电压计算参数计算得到的最大功率点参考电压施加到逆变器控制模块；所述逆变器控制模块包括输入端和输出端；输入端用于输入开关信号产生参数，所述开关信号产生参数根据逆变器控制模块选择的逆变器控制方式确定；输出端用于将根据开关信号产生参数和最大功率点参考电压产生的开关信号施加到逆变器模块；所述光伏阵列模块包括输入端、电流流入端子、电流流出端子和输出端；其中，输入端用于输入光伏阵列参数，包括辐照度S、光伏电池组件温度T、单电池的短路电流Isc、单电池的开路电压Uoc、单电池的峰值电流Im、单电池的峰值电压Um、光伏阵列串联电池数Ns和光伏阵列并联电池数Ne;输出端用于输出根据光伏阵列参数计算得到的光伏阵列中间变量，包括非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2 ;电流流入端子和电流流出端子用于输出光伏阵列模块产生的直流电流；
逆变器模块用于输入光伏阵列模块产生的直流电流以及接收由逆变器控制模块提供的开关信号，并根据产生该开关信号的最大功率点跟踪方法和逆变器控制方式，将直流电流转换为交流电流，再将所述交流电流输出到滤波器模块；所述滤波器模块用于滤除交流电流中所含的谐波并将滤除谐波后的交流电流送入电网。当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法时，所述最大功率点参考电压计算参数为标准状况下光伏阵列开路电压Uoc和设定系数kl ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为扰动观察法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为电导增量法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda、光伏阵列输出电流Id、非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2。当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法、扰动观察法或者电导增量法时，所述光伏阵列模块的输出端置空；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，所述光伏阵列模块的输出端将非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2送入最大功率点跟踪控制模块的输入端。当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为滞环电流控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流la、lb、Ic和直流侧电容电压Eda ；当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为同步PI电流控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda ；当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为有功无功功率控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda，光伏系统输出有功功率Ppv、输出有功功率Qpv以及三相并网电压有效值U—net ο所述滤波器模块采用LCL滤波器或者L滤波器。基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统的仿真方法，其特征是所述方法包括步骤1:将光伏阵列模块、逆变器模块和滤波器模块的输入输出端顺序连接；步骤2 :最大功率点跟踪控制模块选择最大功率点跟踪方法，并根据选择的最大功率点跟踪方法输入最大功率点参考电压计算参数；步骤3 :最大功率点跟踪控制模块根据最大功率点参考电压计算参数计算得到的最大功率点参考电压，并将所述最大功率点参考电压施加到逆变器控制模块；步骤4 :逆变器控制模块选择逆变器控制方式，并根据选择的逆变器控制方式确定开关信号产生参数；步骤5 :逆变器控制模块根据开关信号产生参数和最大功率点参考电压产生开关信号，并将产生的开关信号施加到逆变器模块；步骤6 :逆变器模块根据产生该开关信号的最大功率点跟踪方法和逆变器控制方式，将直流电流转换为交流电流，再将所述交流电流输出到滤波器模块；步骤7 :滤波器模块滤除交流电流中所含的谐波并将滤除谐波后的交流电流送入电网。所述步骤2具体是当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为标准状况下光伏阵列开路电压Uoc和设定系数kl ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为扰动观察法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为电导增量法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda、光伏阵列输出电流Id、非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2。当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，光伏阵列模块的输出端将非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2通过光伏阵列模块的输出端获取。所述步骤4具体是当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为滞环电流控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流la、lb、Ic和直流侧电容电压Eda ；当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为同步PI电流控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、EbiuEcu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda ；当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为有功无功功率控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda，光伏系统输出有功功率Ppv、输出有功功率Qpv以及三相并网电压有效值 U_net。本发明将光伏电站常规建模方式模块化、便捷化、参数方便并且耗时少，只需要根据工程需要从模型库中选择合适的模块即可，方便非技术人员的操作。本发明可解决待建或者已建光伏电站可能引起的电网电能质量问题的建模。
图1是工频隔离型光伏并网结构图；图2是模块化的MW级光伏发电仿真系统仿真模型示意图；图3是光伏电池等效电路图；图4是光伏阵列模块结构图；图5是逆变器模块结构图6是滤波器模块结构图；其中，(a)是LCL型滤波器模块结构图，(b)是滤L型波器模块结构图；图7是逆变器控制模块结构图；其中，(a)是采用同步PI电流控制方式的逆变器控制模块结构图，(b)是采用滞环电流控制方式的逆变器控制模块结构图；(C)是采用有功无功功率控制方式的逆变器控制模块结构图；图8是最大功率点跟踪控制模块结构图；其中，(a)是采用恒电压法的最大功率点跟踪控制模块结构图，(b)是采用扰动观察法的最大功率点跟踪控制模块结构图；(C)是采用电导增量法的最大功率点跟踪控制模块结构图，(d)是采用基于滞环比较法的最大功率点跟踪控制模块结构图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。光伏电池理论数学模型是基于固体物理理论推导出来的，其1-V特性可用如图3所示的光伏电池等效电路图来描述。根据等效电路图可得出光伏电池1-V方程式，如式⑴所示。
r r ,r Y+ Rl V+ RJ,,VI = ^pv- Α) ^χΡ( Va ) -1]--其中Ipv为光生电流，I0为饱和电流，Vt = NsKt/q, Ns为一个光伏电池板所包含的电池个数，K为波尔兹曼常数1.38X 10-23J/K。q为电子的电荷量，1. 6 X 10-19C。Rs表示的是等值串联电阻，Rp表示的是等值并联电阻，a为理想因子，一般取f1. 5，1、V分别为光伏电池输出电流和输出电压。光伏电池经串、并联构成的光伏阵列，在忽略连接线路损耗及电池差异的条件下，其1-V特性只需对光伏电池1-V特性进行缩放，即电压乘以串联数，电流乘以并联数。光伏电池工程实用的数学模型是在式(I)的光伏电池1-V特性基础上，采用如下近似(I)忽略(V+IRS)/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；(2)设Ipv = Is。，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻。并定义(I)开路状态下，I = O, I = Vm ；(2)最大功率点处，I = Vm, I = Imo由此，V-1方程简化为4 =4(1 —~ —(2)
(V oc解得
j -KnC1 =(1^)eClV-1.
权利要求
1.一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统，其特征是所述系统包括最大功率点跟踪控制模块、逆变器控制模块、光伏阵列模块、逆变器模块和滤波器模块； 所述最大功率点跟踪控制模块包括输入端和输出端；输入端用于输入最大功率点参考电压计算参数，所述最大功率点参考电压计算参数根据最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法确定；输出端用于将根据最大功率点参考电压计算参数计算得到的最大功率点参考电压施加到逆变器控制模块； 所述逆变器控制模块包括输入端和输出端；输入端用于输入开关信号产生参数，所述开关信号产生参数根据逆变器控制模块选择的逆变器控制方式确定；输出端用于将根据开关信号产生参数和最大功率点参考电压产生的开关信号施加到逆变器模块； 所述光伏阵列模块包括输入端、电流流入端子、电流流出端子和输出端；其中，输入端用于输入光伏阵列参数，包括辐照度S、光伏电池组件温度T、单电池的短路电流Isc、单电池的开路电压Uoc、单电池的峰值电流Im、单电池的峰值电压Um、光伏阵列串联电池数Ns和光伏阵列并联电池数Ne;输出端用于输出根据光伏阵列参数计算得到的光伏阵列中间变量，包括非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2 ;电流流入端子和电流流出端子用于输出光伏阵列模块产生的直流电流； 逆变器模块用于输入光伏阵列模块产生的直流电流以及接收由逆变器控制模块提供的开关信号，并根据产生该开关信号的最大功率点跟踪方法和逆变器控制方式，将直流电流转换为交流电流，再将所述交流电流输出到滤波器模块； 所述滤波器模块用于滤除交流电流中所含的谐波并将滤除谐波后的交流电流送入电网。
2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征是当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法时，所述最大功率点参考电压计算参数为标准状况下光伏阵列开路电压Uoc和设定系数kl ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为扰动观察法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为电导增量法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，所述最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda、光伏阵列输出电流Id、非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2。
3.根据权利要求2所述的仿真系统，其特征是当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法、扰动观察法或者电导增量法时，所述光伏阵列模块的输出端置空；当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，所述光伏阵列模块的输出端将非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2送入最大功率点跟踪控制模块的输入端。
4.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征是当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为滞环电流控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压Eau、EbU、EcU，三相电网电流la、lb、Ic和直流侧电容电压Eda ； 当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为同步PI电流控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu,三相电网电流的反向电流I ga、I gb、I gc,直流侧电容电压Eda ； 当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为有功无功功率控制方式时，所述开关信号产生参数为三相电网电压￡&11、￡1311、￡(311，三相电网电流的反向电流1§&、Igb, Igc，直流侧电容电压Eda，光伏系统输出有功功率Ppv、输出有功功率Qpv以及三相并网电压有效值U_net o
5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述仿真系统，其特征是所述滤波器模块采用LCL滤波器或者L滤波器。
6.一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统的仿真方法，其特征是所述方法包括 步骤1:将光伏阵列模块、逆变器模块和滤波器模块的输入输出端顺序连接； 步骤2 :最大功率点跟踪控制模块选择最大功率点跟踪方法，并根据选择的最大功率点跟踪方法输入最大功率点参考电压计算参数； 步骤3 :最大功率点跟踪控制模块根据最大功率点参考电压计算参数计算得到的最大功率点参考电压，并将所述最大功率点参考电压施加到逆变器控制模块； 步骤4 :逆变器控制模块选择逆变器控制方式，并根据选择的逆变器控制方式确定开关信号产生参数； 步骤5 :逆变器控制模块根据开关信号产生参数和最大功率点参考电压产生开关信号，并将产生的开关信号施加到逆变器模块； 步骤6 :逆变器模块根据产生该开关信号的最大功率点跟踪方法和逆变器控制方式，将直流电流转换为交流电流，再将所述交流电流输出到滤波器模块； 步骤7 :滤波器模块滤除交流电流中所含的谐波并将滤除谐波后的交流电流送入电网。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述步骤2具体是当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为恒电压法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为标准状况下光伏阵列开路电压Uoc和设定系数kl ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为扰动观察法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为电导增量法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda和光伏阵列输出电流Id ； 当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，输入的最大功率点参考电压计算参数为直流侧电容电压Eda、光伏阵列输出电流Id、非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是当最大功率点跟踪控制模块选择的最大功率点跟踪方法为基于滞环比较法时，光伏阵列模块的输出端将非标况下光伏电池开路电压Uoc2、非标况下光伏电池短路电流Isc2、第一中间系数Cl和第二中间系数C2通过光伏阵列模块的输出端获取。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是所述步骤4具体是当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为滞环电流控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu> Ecu,三相电网电流la、lb、Ic和直流侧电容电压Eda ； 当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为同步PI电流控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda ； 当逆变器控制模块选择的逆变器控制方式为有功无功功率控制方式时，确定的开关信号产生参数为三相电网电压Eau、Ebu、Ecu，三相电网电流的反向电流Iga、Igb、Igc，直流侧电容电压Eda，光伏系统输出有功功率Ppv、输出有功功率Qpv以及三相并网电压有效值U_net o
全文摘要
本发明公开了光伏发电系统设计技术领域中的一种基于模块化的兆瓦级光伏发电仿真系统。所述系统包括最大功率点跟踪控制模块、逆变器控制模块、光伏阵列模块、逆变器模块和滤波器模块；仿真方法包括最大功率点跟踪控制模块选择最大功率点跟踪方法，得到最大功率点参考电压；逆变器控制模块选择逆变器控制方式，并根据开关信号产生参数和最大功率点参考电压产生开关信号，并将产生的开关信号施加到逆变器模块；逆变器模块根据产生该开关信号的最大功率点跟踪方法和逆变器控制方式，将直流电流转换为交流电流。本发明可解决待建或者已建光伏电站可能引起的电网电能质量问题的建模。
文档编号H02J3/38GK103001248SQ20121045766
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者徐永海, 王硕, 陶顺, 孔祥雨, 曾雅文, 刘琳 申请人:华北电力大学