一种光伏电站的综合仿真平台建立方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种光伏电站的综合仿真平台建立方法。

背景技术：

随着人类的发展，能源问题成为影响人类生存质量的重要问题。解决能源问题的一个主要方法是大力发展清洁能源、优化能源结构。相比于火力、水利发电，以风能和太阳能发电为代表的新能源有着独特的优势，比如清洁无污染、可再生、受地域影响小等等。在此背景下，国家开始重视并大力扶持光伏产业，光伏产业得到很快的发展。预计“十三五”期间，将大幅提高可再生能源比重，到2020年，风电和光伏发电装机分别达2亿和1亿千瓦以上。前者是“十二五”目标的一倍，后者是“十二五”目标的五倍。在未来几十年里光伏发电有着广阔的前景。

随着光伏产业的迅猛发展，光伏电站越建越多，电站建设和运行工程中也暴露出很多问题，虽然现在对此的研究越来越多，但很多问题因为受影响因素较多还很难进行分析。此外在解决这些问题的时候，很多措施往往在实施前都不能保证可行性，只能通过实际实验来验证，成本高周期长，相对盲目。

现有模型大都从电站的单一部分来仿真，比如将整个电站的电池模型进行等效成一个巨型电池来对电站的出力等进行研究，这样做忽略了局部环境差异以及电池板差异等等很多重要的因素。这样处理得到的结果往往和实际值相差甚大，失去了仿真的意义。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种光伏电站的综合仿真平台建立方法，考虑复杂环境和电池板等对光伏发电的影响，并对光伏电站中常用的电力器件进行建模，从模块个体行为出发对电站建模，对整个发电的过程进行准确仿真。

为实现上述目的，本发明提供了一种光伏电站的综合仿真平台建立方法，对整个发电的过程进行准确仿真，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，建立光伏组群等效模型；

步骤S2，对电站的其他部分进行建模，配置参数化的电力电容器，变压器 以及逆变器及其控制器；

步骤S3，建立电网侧模型，建立负载和典型发电厂的等效模型，将所述电网侧模型和所述等效模型通过电网与光伏电站连接，完成光伏并网模型；

步骤S4，建立可视化的仿真界面，提供全面的仿真接口，对各个器件的主要参数进行显示，提供可视化界面。

较佳地，所述步骤S1中光伏电池组群的建立步骤如下：

在MATLAB中对每块电池板进行建模，得到单电池模型；

考虑每块电池板的伏安发电特性受环境和自身参数的影响，建立不同环境模型下的电池组的串并联模型；

分析电池组群在复杂环境下的整体伏安发电特性，并据此建立光伏组群等效模型。

较佳地，所述电池组的串并联模型建立步骤如下：

根据光伏电池的发电伏安特性，得到每个电池的IV曲线；

采用线性插值的方式将电池的IV曲线转换为VI曲线，得到每个电池板的每个电流对应的电压大小；

将电池板串联起来，将电压相叠加得到电池串的电压电流曲线；

建立电池串并联的模型，将所有电池串的电流相加得到整个电池组的发电特性，并对曲线数据进行保存。

较佳地，所述电池组的串并联模型建立过程中，计算每个电池的所述发电伏安特性前先检查该种环境变量和电池板的组合是否出现过，若是，则直接引用前面的计算结果；若否，则进行计算。

较佳地，所述电池组的串并联模型建立过程中，计算电池串的所述电压电流特性曲线时，如果电池串的电池和环境组合在前面的电池串中出现过，则可以直接引用结果。

较佳地，所述电池串并联的模型实际运行时，每块电池板实际的工作点计算步骤如下：

通过MPPT得到电池组的工作点；

根据所述电池组的工作点和各个部分的特性曲线计算各块电池板的工作点。

较佳地，所述环境模型建立采用二维插值的方法，步骤如下：

为每个电池板设定坐标；

为指定的所述坐标位置设置环境参数；

根据给定点的所述环境参数对未知的每个电池板位置所述环境参数进行插值计算，得到每个电池板的环境参数。；

较佳地，通过Simulink工具对所述电站的其他部分进行建模。

较佳地，所述仿真接口为检测和评估接口，所述检测接口检测各部分电力参数和工作状态。

较佳地，所述评估接口对所述仿真平台得到的接入点电压数据进行计算，包括实时电压电流幅值测量、无功和有功功率测量、电压实时频率计算、电压谐波测量和电压闪变分析。

综上，本发明的一种光伏电站的综合仿真平台建立方法，从模块个体行为出发对电站建模，考虑复杂环境和电池板等对光伏发电的影响，研究电池板组和光伏电站的特性，并依次建立综合的仿真平台，并对光伏电站中常用的电力器件进行建模，如DCDC变换器、逆变器、变压器、蓄能电池等，为电站的建设者们提供一个较为精确的光伏电站的模型。建立的仿真平台还将光伏电站作为电网中的一部分，分析电网和电站的相互影响，借此平台，可以对光伏电站发电的静态特性和动态特性进行仿真研究，研究各因素的相互影响关系，使得光伏的研究更为便捷可靠，验证建设和改造的可行性，尽快发现和解决实际问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种光伏电站的综合仿真平台建立方法流程示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的逆变主体的模型。

图3是本发明的一个较佳实施例的逆变控制回路的模型。

具体实施方式

如图1所示，一种光伏电站的综合仿真平台建立方法，对整个发电的过程进行准确仿真，包括如下步骤：

步骤1，建立光伏组群等效模型。

光伏电池是光伏电站最关键的部分，将太阳能直接转换为电能。光伏电池组群的建模任务主要有三部分组成：单电池建模、电池串并联建模、环境模型。

在MATLAB中对每块电池板进行建模，考虑每块电池板的伏安发电特性受环境和自身参数的影响，再建立不同环境模型下的电池组的串并联模型，分析电池组群在复杂环境下的整体伏安发电特性，并据此建立光伏组群等效模型。

a)单电池模型

光伏电池建模以被广泛采用的模型为主，本实施例主要关注电池的光伏的影响因素和光伏电池典型的发电特性。

对于给定型号的光伏电池板，主要参数基本确定，发电特性主要受到环境的影响，比如光照强度，环境温度，电池表面会成堆积程度等等。此外，还受到自身的老化程度影响，主要体现在串联电阻的变化。本实施例考虑到上述的影响因素，全面地对电池进行建模。

电池实际的发电功率不仅和上述的环境模型有关，还跟本身的两端电压有关系，这个特性是光伏电站改变发电功率输出的主要依据。研究光伏电池的发电伏安特性是所有建模的基础，本实施例给出了一种电池板在典型环境下的发电特性，即IV曲线和PV曲线。

b)串并联模型

在前面单个电池模型的基础上，建立了电池组的串并联模型，即根据每个电池的发电特性曲线以及光伏电池之间的串并联关系得到电池组的发电特性曲线。

目前绝大多数的大型光伏电站都是采用如下形式组织光伏电池：

先将数块电池串联达到一定的电压水平，然后将这些成串的电池串并联起来，并联一般分为两步，每一定数目的电池串并联至汇流箱，然后汇流箱再并联至逆变器。本实施例串并联模型的建立就是在上述串并联情况的基础上建立的。

在前面得到了每个电池的IV曲线，即一些特定电压对应的电流大小，然而这个曲线数据并不能直接参与串联计算，因为串联的特点是流经每个电池的电流相等，电池串电压相叠加，所以为了保证叠加可行，应该采用电流作为因变量。本实施例采用线性插值的方式将电池的IV曲线转换为VI曲线，得到每个电池板的每个电流对应的电压大小，最后将电压相叠加得到电池串的电压电流曲线。

接下来，建立电池串并联的模型，电池串的并联和一般电源并联一样，都有下面的特点：所有元件两端电压相同，总电流等于各部分的电流相叠加。并联模型就是根据以上特点建立的。但和前面的类似，串联后得到的电压－电流模型不可以直接做并联计算，需要采用线性插值的方法将其转换为电流－电压曲线模型。将所有电池串的电流相加后便可以得到整个电池组的发电特性。

c)计算内存和速度优化

在前面的计算中，如果每个电池都要计算发电特性曲线，每个电池和电池串都要进行曲线类型IV曲线到VI曲线的转换，那么计算的负担将大大增加，这也使得仿真的时间大大增加。同时，如果每个电池板和电池串的曲线数据都要单独保存，那么内存的空间占用将会非常大，一般的机器无法满足要求。所以为了提高计算速度，减少内存占用，减小仿真的硬件要求，计算的过程必须优化。

在电站实际运行的过程中，很多电池板的工作环境几乎完全相同，发电特性也几乎相同，如果对这些电池板进行仿真，他们的特性计算和存储完全可以合并，这就使得计算和内存的优化变得可行。

在实际计算过程中，本实施例在计算每个电池的特性前先检查该种环境变量和电池板的组合是否出现过，如果没出现过就进行计算，否则就直接引用前面的计算结果，省去了计算的过程。同样在计算电池串的特性曲线时，如果电池串的电池和环境组合在前面的电池串中出现的时候，也可以省去计算，直接引用结果。

在保存数据时，单独建立特定的存储区，保存出现过的特性曲线数据，相同的数据只保存一次。每个电池板和电池串对应其中的一个数据块，使用时直接操作对应数据块即可。

这样做的另外一个好处是在进行曲线类型转换的插值计算时，只做数据区保存的曲线即可，也节省了计算时间。

a)反向计算

上面的计算得到的是电池组的发电特性，但是运行时还无法计算每个电池板实际的工作点(即电池板两端的电压和流经其的电流)，也就无法分析电网段对每个光伏电池的工作影响。这就需要反向的计算，根据电池组的工作点和各个部分的特性曲线来计算各块电池板的工作点。

反向计算首先需要电池组的工作点，这个工作点一般是功率最大的点(通常由MPPT得到)。因为所有的电池串都是并联的，这个点的电压实际上就是电池串的电压。然后根据电池串的特性曲线和工作点就可以得到电池串的电流，因为串内部的电池间是串联的，各个电池的电流都相等，等于电池串的电流。最后根据电池的电流和自身的特性曲线就能得到每个电池板的工作点。

e)环境模型建立

对于给定的光伏电站，环境模型是影响发电的主要因素，环境差异导致不同电站的差异，所以对环境模型的建立是至关重要的。常用的环境参数包括光照强度、温度等。根据仿真要求的不同，环境模型主要分为两种：静态模型和动态模型。

静态模型是指不随时间变化而变化的环境参数组合。静态模型主要用来研究系统的一些静态性质，比如研究发电量与电池板排列方式的关系，常用于出力估算等。

动态模型只要是指环境参数随着时间变化的模型。这些模型主要用来研究系统的动态特性，比如可以用来研究乌云经过时引起的电压变化等。

无论是动态模型还是静态模型，建立的方法都是采用二维插值的方法，即为每个电池板设定坐标，再为指定的坐标位置设置环境参数，然后根据给定点 的参数对未知的每个电池板位置环境参数进行插值计算，为了保证计算的速度，本实施例采用线性插值的方式。在插值计算后，可以得到每个电池板大致的环境参数，使用这些参数和上述的电池板模型就可以做电池板组群的综合计算。

步骤2，对电站的其他部分进行建模，配置参数化的电力电容器，变压器以及逆变器及其控制器。

借助Simulink工具对电站的其他部分进行建模。光伏电池的输出是交流电，逆变器是将直流电转换为交流电的装置。在光伏电站中，多块光伏电池通过串并联后汇总进入逆变器，逆变器将光伏电池组发出的直流电转化为工频的交流电送至电网。逆变器结构比较复杂，主要由逆变桥、逆变控制器、滤波电路等。逆变桥一般采用由IGBT或者晶闸管组成的三相全桥构成，通过电力器件的开关实现电流的换相，从而实现直流到交流的转化。逆变控制器是逆变器中最灵活的部分，对逆变器性能的影响也是最大的，它不仅要实现光伏发电的最大功率跟踪，还要实现对输出的有功和无功功率的有效控制。通常的MPPT采用导纳法，功率控制采用电流内环法，最后采用SVPWM技术对逆变桥的控制。滤波电路的任务是尽可能抑制输出的高次谐波，提高电压的质量。此外光伏电站还需要变压器和蓄电池等参数。

如图2是逆变主体的模型，图3是逆变控制回路的模型。

步骤3，建立电网侧模型，建立负载和典型发电厂的等效模型，将其通过电网与光伏电站连接，完成光伏并网模型。

电网是运输电能的媒介，光伏电站通过公共接入点与电网相连。负荷是电力系统的一个重要组成部分,为使得分析结果更接近工程实际，必须建立负荷的数学模型。最简单的负荷模型是将负荷用恒定阻抗模拟，即认为在暂态过程中负荷的阻抗值保持不变，其数值由扰动前稳态状况下负荷所吸收的功率和负荷节点的电压来决定。

步骤4，建立可视化的仿真界面，提供全面的仿真接口，对各个器件的主要参数进行显示，提供可视化界面。

建立常用的检测接口，包括各个部分的电力参数和工作状态。比如在电池组中，计算得到每块电池板的电压电流参数，在逆变器中测量其直流侧的电压值等。

特别的，仿真平台建立过程中还提供电站接入点的电力检测模型。在建站时，相关部门对接入电网的电压水平有着严格的要求，如果满足不了要求将无法并网发电。这些要求通常包括电压的频率，谐波，电压闪变程度等等，而这些在建成前是无法得知的，通过此平台的前面部分可以得到接入点的电压数据，所以要提供相应的评估工具，对得到的数据进行计算。本平台提供的处理方法包括：实时电压电流幅值测量，无功和有功功率测量，电压实时频率计算，电压谐波测量，电压闪变分析等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。