一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型的制作方法

1.本发明属于电力系统仿真与分析技术领域，具体涉及一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。


背景技术：

2.光伏发电是新能源发电的主要形式之一，在电力系统中的发展规模越来越大，所占的比例也越来越高。随着大规模光伏发电的并网运行，在一定条件下，光伏电站并网系统存在发散的宽频振荡模式，给电力系统稳定运行带来严峻的挑战。通过建立光伏电站精确的宽频振荡模型，仿真分析大规模光伏并网的电力系统宽频振荡问题，可进而提出合理的解决方案，并制定相应的措施及验证措施的可行性和有效性。
3.光伏电站仿真模型的精确度是能否实现准确获得系统宽频振荡模式的基础。常规的电力系统机电暂态模型难以适应上述仿真需求，因此，现有仿真模型均采用较为精细的全电磁暂态模型。然而，精细的全电磁暂态模型应用于实际大电网存在收敛性差、计算效率低，调整运行方式极其困难，甚至出现由光伏并网系统和数值计算的不稳定交互产生宽频振荡模式，难以判断所得出的结论真实性。这种模型只能应用于较小的、等值简化后的电力系统，用于研究宽频振荡产生的机理问题。


技术实现要素：

4.为克服上述问题，本发明提出了一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。该模型基于光伏并网系统宽频振荡机理分析，获得宽频振荡模式的主导影响因素，忽略与宽频振荡模式不相关或弱相关的次要因素，通过对全电磁暂态模型的基础上进行合理简化，进而建立适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。其改进之处在于本模型简化了光伏发电系统中电力电子开关的高频动态过程，充分考虑电力系统宽频振荡段的主导影响环节和参数进行描述，在提高了模型收敛性和计算效率且保证模型精确度的同时，大大降低了因数值计算产生的振荡问题，因而能够适用于大电网的宽频振荡仿真分析。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：本光伏电站暂态模型包括光伏发电单元部分、逆变器及滤波电路部分、逆变器控制部分，其中光伏发电单元部分包括光伏电池阵列、最大功率跟踪控制（mppt）、直流升压斩波电路；逆变器控制部分包括有功功率控制模型、无功功率控制模型以及锁相环模型。光伏发电单元部分是将太阳辐照能量转换成电压电流信号，并通过最大功率跟踪控制，控制输出的直流电压，实现一定光照（温度）条件下最大功率输出；逆变器及滤波电路是通过脉宽调制技术（pwm）将直流电逆变成正弦交流电；逆变器控制部分是通过控制逆变器有功电流来实现控制输出有功功率，通过控制逆变器无功电流来实现控制输出无功功率。光伏发电单元模型用功率-电压（p-u）特性曲线来模拟；逆变器及滤波器模型中忽略光伏逆变器以及直流升压电路中由脉宽调制技术（pwm）控制的电力电子开关的动态过程，保留滤波器拓扑结构及其参数。
6.本方法的关键步骤为：（1）光伏发电单元部分中光伏电池阵列、最大功率跟踪控制（mppt）、直流升压斩波电路输出部分的功率特性用功率-电压特性曲线来模拟，该曲线可由光伏电站提供，也可以通过实测拟合。在计算过程中可根据运行方式安排，直接输入一定光照（温度）条件下的功率得到对应的直流电容电压。
7.（2）逆变器及滤波器部分中，忽略光伏逆变器以及直流升压电路中由pwm（脉宽调制技术）控制的电力电子开关的动态过程，认为光伏逆变器以及直流升压电路及其滤波电路输出和控制指令一致，保留滤波器拓扑结构及其参数。
8.（3）逆变器控制模型主要采用双环控制，即功率外环控制和电流内环控制；内环电流矢量控制采用矢量解耦控制策略，内环电流控制的参考值由功率外环控制给出，被控电流分量通过测量滤波器后三相电流获得；功率外环控制部分包括有功功率控制部分和无功功率控制部分；正常运行情况下，有功功率控制部分主要控制直流电容电压跟踪mppt输出电压来实现，而无功功率控制部分可采用无功功率控制或功率因数控制模式。
9.（4）逆变器控制部分中，电压/电流测量环节的时间常数以及各控制环节的比例参数和积分参数是影响光伏电站宽频振荡的主导因素；而逆变器电路中高频次的电力电子开关动态过程是影响宽频振荡弱相关的次要因素；光伏发电单元的功率转换模型是与宽频振荡不相关的因素。
10.本发明的有益效果为：与现有技术比，本发明提出了一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。本方法简化了光伏发电系统中电力电子开关的高频动态过程，充分考虑电力系统宽频振荡段的主导影响环节和参数进行描述，在提高模型收敛性和计算效率且保证模型精确度的同时，大大降低了因数值计算产生的振荡问题，因而能够适用于大电网的宽频振荡仿真分析，具有重要的工程实用价值。
附图说明
11.图1 光伏电站暂态模型结构图图2 光伏发电单元输出p-u特性拟合曲线图3 忽略电力电子开关高频动态过程的光伏逆变器模型图4 考虑测量时间常数的光伏逆变器控制框图图5 光伏逆变器锁相环控制模型。
具体实施方式
12.下面结合附图1光伏电站暂态模型整体结构图对本发明做进一步详细说明：光伏电站暂态模型包括光伏发电单元部分、逆变器及滤波电路部分、逆变器控制部分，其中光伏发电单元部分包括光伏电池阵列、最大功率跟踪控制（mppt）、直流升压斩波电路；逆变器控制部分包括有功功率控制模型、无功功率控制模型以及锁相环模型。
13.规则1：伏发电单元部分光伏电池阵列、最大功率跟踪控制（mppt）、直流升压斩波电路的功率特性用功率-电压曲线来模拟（图2），该曲线可由光伏电站提供，也可以通过实测拟合。在计算过程中可根据运行方式安排，直接输入功率得到对应的直流电容电压及电
流。输出功率和电流拟合函数用下式表示：规则2：在逆变器及滤波器模型中，忽略光伏逆变器以及直流升压电路中由脉宽调制技术（pwm）控制的电力电子开关的动态过程，认为光伏逆变器以及直流升压电路及其滤波电路输出和控制指令一致，保留滤波器拓扑结构及其参数（图3）。
14.规则3：逆变器控制主要采用双环控制（图4，图中有上标的为测量参数），即功率外环控制和电流内环控制；内环电流矢量控制采用矢量解耦控制策略，内环电流控制的参考值由功率外环控制给出，被控电流分量通过测量滤波器后三相电流获得，相位角通过三相电压锁相环控制（图5）获得；功率外环控制部分包括有功功率控制部分和无功功率控制部分；正常运行情况下，有功功率控制部分主要控制直流电容电压跟踪mppt输出电压来实现，而无功功率控制部分可采用无功功率控制或功率因数控制模式。
15.规则4：逆变器控制部分中，电压/电流测量环节的时间常数以及各控制环节的比例参数和积分参数是影响光伏电站宽频振荡的主导因素；而逆变器电路中高频次的电力电子开关动态过程是影响宽频振荡弱相关的次要因素；光伏发电单元的功率转换模型是与宽频振荡不相关的因素。
16.需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在表达本方法的建模思想，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。


技术特征：
1.一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型，模型基于光伏并网系统宽频振荡机理分析，获得宽频振荡模式的主导影响因素，忽略与宽频振荡模式不相关或弱相关的次要因素，通过对全电磁暂态模型的基础上进行合理简化，进而建立适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。2.根据权利要求1所述的建模方法，其主要特征在于，将光伏发电单元部分中光伏电池阵列、最大功率跟踪控制（mppt）、直流升压斩波电路用p-u特性曲线来模拟，该曲线可由光伏电站提供，也可以通过实测拟合。3.根据权利要求1所述的建模方法，其主要特征在于，在逆变器及滤波器部分中，忽略光伏逆变器以及直流升压电路中由pwm（脉宽调制技术）控制的电力电子开关的动态过程，认为光伏逆变器以及直流升压电路及其滤波电路输出和控制指令一致，保留滤波器拓扑结构及其参数。4.根据权利要求1所述的建模方法，其主要特征在于，逆变器拓扑电路中电力电子开关的高频动态过程是影响光伏电站宽频振荡弱相关的次要因素；在逆变器控制部分中电压/电流的测量时间常数、比例参数和积分参数是影响光伏电站宽频振荡的主导因素；光伏发电单元的功率转换模型是与宽频振荡不相关的因素。

技术总结
本发明提出了一种适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。该模型基于光伏并网系统宽频振荡机理分析，获得宽频振荡模式的主导影响因素，忽略与宽频振荡模式不相关或弱相关的次要因素，通过对全电磁暂态模型的基础上进行合理简化，进而建立适用于大电网宽频振荡分析的光伏电站暂态模型。本模型简化了光伏发电系统中电力电子开关的高频动态过程，充分考虑电力系统宽频振荡段的主导影响环节和参数进行描述，在提高模型收敛性和计算效率且保证模型精确度的同时，大大降低了因数值计算产生的振荡问题，因而能够适用于大电网的宽频振荡仿真分析。仿真分析。仿真分析。


技术研发人员：高峰 刘浩芳 张巍巍 张白
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2021.10.12
技术公布日：2022/1/14