[發明專利]并網光伏電站動態等值阻抗及仿真分析策略

在審

• 申請號: 201710956027.1
• 申請日: 2017-10-15
• 公開（公告）號: CN107704696A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 華亮亮;金恩淑;張家毓;王艷輝;鄭捷;曹志剛;黃松濤
• 申請（專利權）人: 國網內蒙古東部電力有限公司通遼供電公司;東北電力大學;國家電網公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種并網光伏電站動態等值阻抗及仿真分析策略，其特征是，它包括的步驟有：

1)根據并網光伏電站的拓撲結構定義動態等值阻抗模型；

搭建光伏并網的拓撲結構，包括光伏電源，升壓斬波電路，逆變器，濾波器，變壓器,其中:U_pv為光伏電源輸出的電壓,I_pv為光伏電源輸出的電流；

a)定義光伏電源到斬波電路出口側的等值阻抗

搭建光伏電源到斬波電路出口側的等值電路圖，其中，U_dc為等值的電壓源、Z_dc動態等值阻抗,工程用太陽電池模型通常要求僅采用供應商提供的幾個重要技術參數,如I_sc、U_oc、I_m、U_m、P_m,就能在一定的精度下復現陣列的特性,并能便于計算機分析；

太陽能電池的I-U方程可簡化為

Ipv=Isc(1-C1(eUpvC2Uoc-1))---(1)]]>

在最大功率點時,U＝U_m,I＝I_m,可得

Im=Isc(1-C1(eUmC2Uoc-1))---(2)]]>

由于在常溫條件下遠大于1可忽略式中的-1項,解出C₁

C1=(1-ImIsc)e(UmC2Uoc)---(3)]]>

注意到開路狀態下,當I＝0時,U＝U_oc,并把式(3)代入式(2)得解出C₂

C2=(UmUoc-1)(ln(1-ImIsc))-1---(4)]]>

把式(3)和式(4)代入到式(1)，即可得到光伏電池在標準條件下的輸出特性表達式；

當外界條件發生變化時，為了得到不同光照強度及溫度下光伏電池的輸出特性，則需要對其在標準條件下的輸出特性表達式進行修正，根據條件的變化對光伏電池輸出電壓和電流的變化量進行修正，考慮光強和溫度影響的工程等值模型,采用式(5)計算，其中，S為任意光照強度，S_ref為標準光照強度；T為環境溫度，T_ref為標準環境溫度；U_oc、I_sc、U_m和I_m為廠商提供的技術參數，其中，U_oc光伏電源的開路電壓，I_sc光伏電源的短路電流，U_m最大功率點電壓，I_m最大功率點電流；α為在參考日照下的電流變化溫度系數，0.015Amps/℃；β為在參考日照下的電壓變化溫度系數，取0.7V/℃；R_s為光伏列陣的串聯電阻，與光伏組件內部單體光伏電池的串聯并聯方式有關；U_pv為光伏電源出口側的電壓，I_pv為光伏電源出口側的電流，C₁、C₂為簡化光伏電池模型后求解的常系數，

ΔI=αSSref(T-Tref)+(SSref-1)IscΔU=-β(T-Tref)-RsΔIIpv=Isc(1-C1(eUpv-ΔUC2Uoc-1))+ΔI---(5)]]>

當I_pv＝0時，U_pv＝U_oc，此時的U’_oc為任意光照和溫度條件下光伏組件的開路電壓

U′oc=ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1)---(6)]]>

當U_pv＝0時，I_pv＝I_SC，此時的I’_sc為任意光照和溫度條件下光伏組件的短路電流

I′sc=Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI---(7)]]>

其次搭建Boost斬波電路，在較長的一段時間內，斬波電路的電容充電，其電壓值逐漸上升到恒定值，即光伏陣列的開路電壓U_ocboost＝U_PVoc；

Iscclose=I′sc×RVQ3RVQ+RVD---(8)]]>

式中，I_scclose為開關閉合時的負載電流；R_VQ為三極管通態時電阻，取值0.2Ω；R_VD為斬波電路二極管漏電阻，取值0.2Ω；I_sc為光伏組件的短路電流

I_scopen＝I'_sc(9)

式中I_scopen為開關開路時的負載電流。因此光伏電站短路電流的平均值為

Ipvsc=(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))I′sc---(10)]]>

式中D—Boost斬波電路的占空比，取值0.7，

式(11)為光伏電站的等值阻抗的數學模型，式(12)為光伏電站的等值電壓源的數學模型，其中N_s為光伏組件的串聯數，N_p為光伏組件的并聯數，

Zdc=NsUpvocNpIpvsc=NsU′ocNpI′sc(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))=Ns(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))Np(Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI)×(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))---(11)]]>

Udc=(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))Ns---(12)]]>

b)定義光伏電源到逆變器出口側等值阻抗

搭建光伏電源到逆變器出口側等值電路圖，其中U_eq、Z_eq分別為等值的電壓源和動態等值阻抗，把逆變器等值成一個受控電壓源和電阻串聯，由于在逆變電路中的IGBT內阻很小，所以Z_ac可以忽略,利用戴維南定理可求得：

Z_eq＝βZ_dc U_eq＝βU_dc(13)

其中，M為調制度；L₂為濾波器電抗值；L_s為網側阻抗；U_s為并網電壓；η為逆變器效率；P_pv.m為光伏電源最大點功率；U_pv.m為光伏電源最大功率點電壓，

M=8(ηNpNsPpv.m3Us(ωL2+ωLs))2+Us2(NsUpv.m)2---(14)]]>

C)定義光伏電源到變壓器出口側等值阻抗

搭建光伏電源到變壓器出口側等值電路圖，其中，U_ps為等值的電壓源、Z_ps為動態等值阻抗，Z_L1、Z_L2、Z_C、為濾波器等值阻抗，Z_T為變壓器等值阻抗，利用戴維南定理可求得：

Zps=(Zeq+ZL1)ZcZeq+ZL1+Zc+ZL2+ZT---(15)]]>

Ups=UeqZcZeq+ZL1+Zc---(16)]]>

其中：

Zeq=22Ns(ΔU+C2Uocln(1C1+ΔIC1Isc+1))(ηNpNsPpv.m3Us(ωL2+ωLs))2+Us2Np(Isc(1-C1(e-ΔUC2Uoc-1))+ΔI)×(D×RVD3RVQ+RVD+(1-D))(NsUpv.m)2---(17)]]>

2)通過PSCAD/EMTDC建模仿真及MATLAB數據處理，將仿真結果和實際光伏電站實驗測量結果進行比較，驗證模型及動態等值阻抗的準確性，其誤差在工程允許的6％以下，能夠滿足工程應用精度要求，

搭建66kV配電網典型拓撲圖，利用PSCAD建模仿真及MATLAB數據處理比較仿真結果和光伏電站實驗測量結果，

搭建光伏電源并入66kV配電網PSCAD仿真模型，光伏電站模塊內部包括光伏電源模塊，升壓斬波電路，逆變器模塊，濾波器模塊和變壓器模塊，MPPT模塊，控制模塊等。線路參數：AB長度為26.38km，線路BC長度為21.99km，線路CD的長度為47.7km；Z₁＝0.0178+j0.314Ω/km，Z₀＝0.295+j1.04Ω/km；光伏電源部分參數：設置當前光照強度為400W/m²，溫度為25℃；參考光照強度1000W/m²,參考環境溫度25℃；在參考日照下的電流變化溫度系數α取0.015Amps/℃；在參考日照下的電壓變化溫度系數β取0.7V/℃；參考廠商提供的技術參數為最大功率點功率260W，最大功率點工作電流8.52A，最大功率點工作電壓30.51V，短路電流9.09A，開路電壓37.65V；光伏組件的串聯數N_s為400，光伏組件的并聯數N_p為400；光伏逆變器效率97.5％；其他參數：濾波器電抗值L₂＝0.037Ω，阻抗L_s＝0.47+j8.28Ω。

利用PSCAD采集的實時數據與各組件出廠參數計算光伏電站等值阻抗Z_ps和等值電壓源U_ps，將測量的光伏電站出口處電壓電流波形分別與仿真計算的等效輸出電壓和等效輸出電流比較，由于數學模型中存在并網處不斷更新的反饋量，仿真計算波形逐漸增大并趨于穩定，最后接近實驗測量波形，為了更直觀的驗證該動態等值阻抗模型的準確性，定義其相對誤差為：

δi=(I-Ips)/I×100%δu=(U-Ups)/U×100%---(18)]]>

其中，δ_i為電流相對誤差，δ_u為電壓相對誤差，I為實驗測量電流，I_ps為仿真電流，U為實驗測量電壓，U_ps為仿真電壓。