專利名稱：大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法
技術領域：
本發明屬于電力系統新能源領域，特別涉及一種大規模光伏電站并網動態等值阻 抗的建模方法。
背景技術：
光伏發電是一種典型的間歇性電源。大容量的光伏電站并網發電，由于其出力的 間歇特性，對區域供電的穩定性影響很大，必須進行相關的供電穩定性分析和研究。要研究 電源并網發電對系統的影響，必須知道并網電源的動態特性；所謂的動態特性就是并網電 源的等值結構和參數(電源輸出特性和內阻阻尼特性)，電力系統的電源主要都是電壓源； 因此光伏電站的電源也應該是電壓源與內阻阻尼特性的串聯結構。比如傳統同步發電機就是理想電壓源與系統正序阻抗串聯的結構模式；但是很遺 憾，由于光伏發電是通過逆變器并網，沒有轉動慣性元件，采用傳統的同步發電機的參數估 計或近似將不再正確。必須研究大規模光伏電站并網的整體等值阻抗。目前，并網光伏發電系統的數學模型主要包括基于光伏陣列特性的模型、基于特 定并網逆變器結構的模型和光伏系統整體模型，以上各種模型均是只考慮光伏電站部分功 能的建模，沒有計及斬波電路的損耗特性，同時這些模型在電力系統并網仿真分析中，僅可 以考慮MPPT算法控制下的光伏電站運行特性，無法進行非MPPT算法控制(如定功率控制) 時的光伏電站并網運行仿真分析。而大規模光伏發電的一項重要應用價值就是作為孤島電 網獨立運行的支撐電源，在電力系統災變等情況下，提供電源支撐。因此，必須研究光伏電 站的整體動態等值阻抗特性。針對該問題，本發明提出了一種大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法；可以 直接應用到大規模光伏并網發電的電力系統運行分析及規劃等研究中。對相關的繼電保護 配置、過電壓計算等問題，也奠定了理論基礎。
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種大規模光伏電站動態等值阻抗的 建模方法，它將光伏陣列、斬波電路和逆變器等組件有機結合而成，同時各組件模型進行了 合理的近似，建立了各模塊的簡化等值電路，能夠清晰的直接反映出光伏發電系統的組成 結構。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，它的步驟為1)首先建立光伏電站整體數學模型，該數學模型包含四部分光伏陣列模塊、直 流斬波模塊、逆變模塊、并網模塊；其中，直流斬波模塊采用Boost電路模型，采用固定占空比控制模式；逆變模塊采 用單相全橋SPWM逆變模型，建模逆變器的輸出功率；并網模塊對逆變器并網濾波電抗和電 阻進行建模，級聯四部分完成大型并網光伏電站的動態等值阻抗數學模型；
2)根據光照強度R(W/m2)和環境溫度Ta(°C )，以及光伏電池單元在標準工作狀態 下的短路電流Is。、開路電壓U。。、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um，得出光伏組件的等 值阻抗特性，并隨光照強度、溫度的變化，動態實時地輸出大型光伏電站的等值阻抗，以及 同輸入參數下的動態等值阻抗曲線，直接用于含光伏電站的電力系統區域電網潮流計算及 短路計算。所述步驟1)中，光伏陣列模塊的數學模型為根據光伏電池I-U的關系，采用光伏 組件的工程模型
慮；
I =I
pvsc
I-C1
Upv-dv 、 .C7Unc 1
其中，相關參數的計算如下， di = α (R/Rref) dt+(R/Rref-l)Is dv = - β Xdt-RsXdi
dt — Tc-Tref
\ C1 =(l-/m//sc)exp
IL
C2Uoc
C2= (Um/U。c-l)/[ln(l-Im/Isc)] 光伏組件的輸出功率為
pP
+ di
(1-3) (1-4) (1-5)
(1-6)
(1-7)
(1—2)
=U * I = U * I
pvpvpvSC
I-C1
e
Upv-dv 、 c-,υ^ ι
+ di
(1-8)
在最大功率點處，有
Upv—dv /
dPpv
dU
=CJsce
C,Un
pv
U
PV
^C2U1
-1
+ Isc (l + Cl)+di = 0
(1-9)
上式為超越方程，用牛頓迭代法即可求出最大功率點的電壓Um、電流Ini 所述步驟1)中，直流斬波模塊的數學模型為 由Boost斬波電路的輸入輸出電壓關系可知， Udc =
丄C/
\-D pv
(2-1)
式中D為開關管占空比；
計及斬波電路的損耗，故將斬波電路的二極管VD的損耗、極管VQ的損耗予以考斬波電路的輸出電流為
其中，相關參數的計算如下 (1) 二極管損耗
開通損耗
通態損耗 PVD。。n = VVDfIVDav+RVDI 關斷損耗
(2)三極管損耗
開通損耗
通態損耗 = IvQrms2RvQ
關斷損耗
所述步驟1)中逆變模塊數學模型為 逆變器輸出相電壓基波有效值為
逆變器輸出相電壓基波幅值為
L = MU,
dc
逆變器輸出功率數學模型為 Pac — (Pdc_FV) /^out
Bout = (PR0/nR-PNI,)/P
RO
故逆變器輸出的電壓電流有
所述步驟1)中，并網模塊數學模型為 以電網側電壓Us為相位參考，則
(4-2)
光伏電站注入網內的電流即逆變器交流側的基波電流為
(4-4) 忽略電阻R，可推出
(4-5)
(4-6)。
本發明采根據戴維南定理，一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網絡 的兩端，就其外部型態而言，在電性上可以用一個獨立電壓源和一個二端網絡的串聯阻抗 來等效。將光伏電站表示為戴維南等效電路，即恒壓源與等值阻抗串聯，若能推導出此光伏 電站的等值阻抗，則可對含有光伏電站的配電網潮流計算與短路計算提供理論指導。而目 前尚未有關于光伏電站等值阻抗的相關分析及理論支持，因此，關于大型光伏電站動態等 值阻抗特性的分析具有較大的理論意義和現實意義。 本發明的有益效果是它建立了大型并網光伏電站的動態等值阻抗數學模型，給 出了不同輸入參數下的動態等值阻抗曲線。本發明內容從理論上給出了大型光伏電站作為 電力系統供電電源的動態阻抗特性，可以直接指導含光伏電站的電力系統區域電網潮流計 算及短路計算。
圖1為并網光伏電站簡化示意圖；圖2為光伏電池等效電路；圖3為Boost斬波電路；圖4為光照強度與光伏電站等值阻抗的關系(太陽電池溫度=500C )；圖5為光伏電池溫度與光伏電站等值阻抗的關系(R = 1000ff/m2)。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。本發明提出了一種圖1所示的大規模光伏電站動態等值阻抗的數學模型的建立 方法1)首先建立光伏電站整體數學模型，該數學模型包含四部分光伏陣列模塊、直 流斬波模塊、逆變模塊、并網模塊；其中，直流斬波模塊采用Boost電路模型，采用固定占空比控制模式；逆變模塊采 用單相全橋SPWM逆變模型，建模逆變器的輸出功率；并網模塊對逆變器并網濾波電抗和電 阻進行建模，級聯四部分完成大型并網光伏電站的動態等值阻抗數學模型； ^eq =
NsUoco NpIsco
Ns
dv +C2UocXn
,1J-、、
1 αι Λ
—+-+ 1
C1 ClIsc
/-f -dv λ-\NPL· \i-Q-1 ν J+ di Jχ
JJ
Dx~
^ ^vq + RVD
+ (1 —巧
(6-5)2)根據光照強度R(W/m2)和環境溫度Ta(°C )，以及光伏電池單元在標準工作狀態 下的短路電流Is。、開路電壓U。。、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um，得出光伏組件的等 值阻抗特性，并隨光照強度、溫度的變化，動態實時地輸出大型光伏電站的等值阻抗，以及 同輸入參數下的動態等值阻抗曲線，直接用于含光伏電站的電力系統區域電網潮流計算及 短路計算。其具體過程如下1.光伏組件部分圖2中，為了顯性地表示光伏電池I-U關系，采用光伏組件的工程近似模型。Tc = Ta+tcXR (1-1)R (mff · cm_2)——任意太陽輻射強度；Ta(°C )——環境溫度；Tc (°C )——太陽電池溫度 tc——光伏電池溫度的光照強度關聯系數。對于常見的太陽電池陣列支架，可取
tc = 30 (°C · m2/kff)
其中，相關參數的計算如下， di = α (R/Rref) dt+(R/Rref-l)I dv = - β Xdt-RsXdi dt = T-T C
C2= (Uffl/U -l)/[ln(l-Iffl/Tc)]
-多
考條件下的短路電流0095]
0096]
0097]
0098]
0099]
0100] 0101] 0102]
考條件下的開路電壓；
考條件下的MPP點的工作電流； _參考條件下的MPP點的工作電壓；
Tref (25 0C )——標稱電池溫度； Rref (1000W/m2)——標準光照強度
α (Amps/°C )——在參考日照下的電流變化溫度系數(取0. 015Amps/°C )；
β (Y/V )——在參考日照下的電壓變化溫度系數(取0. 7V/°C )；
Rs——光伏陣列的串聯電阻，與光伏組件內部單體光伏電池的串并聯方式有關，
-般為1-10。
0103] 光伏組件的輸出功率為
0104]
0105]
0106]
0107]
0108]
0109]
0110]
0111]
0112]
0113]慮。
0114]
0115]
0116]
0117]
0118]
0119]
0120]
0121] 0122]
-光伏組件的出口電壓Id
在最大功率點處，有
-光伏組件的出口電流
上式為超越方程，用牛頓迭代法即可求出最大功率點的電壓Um、電流Im 2.斬波部分
圖3為Boost斬波電路，由Boost斬波電路的輸入輸出電壓關系可知，
-斬波電路輸出直流電壓。
式中D為開關管占空比。U1 計及斬波電路的損耗，故將斬波電路的二極管VD的損耗、三極管VQ的損耗予以考
斬波電路的輸出電流為
_ Pdc — ^pv * Ipv _ (^Don + PyDcon + ^VDoff ) - [^VQon + ^VQcon + ^V ldc = 77" =i
U
VQoffjU.
dc
X-D
pv
(2-2)
其中，Pd。一為斬波電路輸出功率，相關參數的計算如下。 (1) 二極管損耗
開通損耗尸叨。“二 \fchDf - Vy1
2
通態損耗 PVD。。n = VVDfIVDav+RVDI 關斷損耗= ？ fcIvD—K
VDrms
Df )lfr
2 (2-4)
(2-3)
(2-5)
-開關頻率；
f,
IVDf——VD的通態電流；
10
VEt——二極管正向恢復最大電壓；VVDf——VD的正向導通壓降；tfr——VD的開通上升時間；IVDav——VD的電流平均值；Rvd——VD導通時的內阻；Ivilrms——VD的電流有效值；Ve——二極管壓降典型值；trr——VD的電壓反向恢復時間；Kf——VD反向恢復電流的溫度系數。(2)三極管損耗
(2-6)通態損耗Pvton = IVQrms2RVQ (2-7)關斷損 Iverms——VQ的電流有效值；Rvq——VQ在給定溫度下的導通電阻；Il——斬波電路中的電感電流；tfr——VD開通上升時間。Coss——三極管的輸出電容U0——Boost電路輸出電壓3.逆變部分本發明使用單相SPWM全橋逆變器。逆變器輸出相電壓基波有效值為 Udc—逆變器直流輸入電壓逆變器輸出相電壓基波幅值為Uac = MUdc (3-2)逆變器輸出功率數學模型為Pac = (Pdc"PNL)/B0Ut(3-3)Bout= (PE0/η E-PNL)/Peo (3-4)M——調制比，M = Us/U。(調制波電壓/載波電壓)Pnl——無載功率；Peo——額定輸出功率； Bout——為常數，表明輸入與輸出間的關系，由(3-4)式決定；nE——逆變器的效率；Pac——逆變器輸出交流有功功率；Pdc——逆變器輸入直流功率。故逆變器輸出的電壓、電流有
(3-6) 4.逆變器出口至電網側(Ua。為逆變器輸出電壓、Us為電網側電壓、Ia。為逆變器注 入網內的電流、X = ω L與R分別為逆變器并網緩沖電抗和電阻)
(4-1)
設Us為相位參考，則
δ—功率因數角
光伏電站注入網內的電流即逆變器交流側的基波電流為
(4—2)
Ss——電網側視在功率 L——逆變器輸出視在功率 Ps——電網側有功功率 Qs——電網側無功功率 Qac——逆變器輸出無功功率 忽略電阻R，可推出 χ—逆變器并網緩沖電抗值 5.總結以上大型光伏電站的整體數學模型 計及斬波、逆變電路的損耗 6.光伏電站等值阻抗的建模方法對于一個系統而言，其等值阻抗為 故，對于圖1的簡化等效電路，在相對長的一段時間，斬波電路的電容充電，其電
壓上升直至達到恒定值，即為光伏陣列的開路電壓u。。b。。st = Unrtiv, U, 電壓 斬波電路中開關合上時，
-光伏陣列的開路
-光伏組件的串聯數；
Ns——
Np——光伏組件串的并聯數；
Isc——參考條件下的短路電流；
Uoc—參考條件下的開路電壓；
Iffl—參考條件下的MPP點的工作電流；
Uffl—參考條件下的MPP點的工作電壓；
Tref (25 0C )——標稱電池溫度；
Rref(1000ff/m2)——標準光照強度
_開關閉合時負載電流
Rvq——三極管通態電阻 Iscpv——光伏組件短路電流 Rvd——二極管漏電阻 斬波電路中開關打開時，
Iscopen一開關斷開時負載電流
因此，光伏電站的短路電流平均值為 (
光伏電站的等效阻抗 α (Amps/°C )——在參考日照下的電流變化溫度系數(本文中取0. 015Amps/°C )；β (Y/V )—在參考日照下的電壓變化溫度系數(本文中取0. 7V/°C )；Rs——光伏陣列的串聯電阻，與光伏組件內部單體光伏電池的串并聯方式有關， 一般為1-10 ；D——斬波電路占空比；Rvd——斬波電路二極管的導通電阻；Rvq——逆變電路三極管的導通電阻。本發明采用光伏電池組件型號為LNPV-210P，峰值功率為210W，最大功率工作點 電壓為27.4抓，最大工作電流7.644，開路電壓33.0(^，短路電流8.284。光伏陣列共由6 串小的光伏陣列并聯形成，其中每串小的光伏陣列由12塊該型號的光伏組件串連而成。圖 4、5顯示了該光伏電站在不同光照強度、不同溫度下的等值阻抗曲線，從圖中可知，光伏電 站的等值阻抗隨著光照強度的增大、溫度的升高而減小。
權利要求
一種大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，其特征是，它的步驟為1)首先建立光伏電站整體數學模型，該數學模型包含四部分光伏陣列模塊、直流斬波模塊、逆變模塊、并網模塊；其中，直流斬波模塊采用Boost電路模型，采用固定占空比控制模式；逆變模塊采用單相全橋SPWM逆變模型，建模逆變器的輸出功率；并網模塊對逆變器并網濾波電抗和電阻進行建模，級聯四部分完成大型并網光伏電站的動態等值阻抗數學模型； <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mi>eq</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>s</mi></msub><msub> <mi>U</mi> <mi>oco</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>p</mi></msub><msub> <mi>I</mi> <mi>sco</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>s</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>dv</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>C</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>U</mi><mi>oc</mi> </msub> <mi>ln</mi> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>C</mi><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>di</mi> <mrow><msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>I</mi> <mi>sc</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>p</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>I</mi><mi>sc</mi> </msub> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>C</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><msup> <mi>e</mi> <mfrac><mrow> <mo>-</mo> <mi>dv</mi></mrow><mrow> <msub><mi>C</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>U</mi><mi>oc</mi> </msub></mrow> </mfrac></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> <mo>+</mo> <mi>di</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mo>×</mo> <mfrac><msub> <mi>R</mi> <mi>VD</mi></msub><mrow> <mn>3</mn> <msub><mi>R</mi><mi>VQ</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>R</mi><mi>VD</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>D</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>-</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>2)根據光照強度R(W/m2)和環境溫度Ta(℃)，以及光伏電池單元在標準工作狀態下的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um，得出光伏組件的等值阻抗特性，并隨光照強度、溫度的變化，動態實時地輸出大型光伏電站的等值阻抗，以及同輸入參數下的動態等值阻抗曲線，直接用于含光伏電站的電力系統區域電網潮流計算及短路計算。
2.如權利要求1所述的大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，其特征是，所述步 驟1)中，光伏陣列模塊的數學模型為根據光伏電池I-U的關系，采用光伏組件的工程模 型 其中，相關參數的計算如下， 光伏組件的輸出功率為 在最大功率點處，有 上式為超越方程，用牛頓迭代法即可求出最大功率點的電壓Um、電流Im。
3.如權利要求1所述的大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，其特征是，所述步 驟1)中，直流斬波模塊的數學模型為由Boost斬波電路的輸入輸出電壓關系可知， 式中D為開關管占空比；計及斬波電路的損耗，故將斬波電路的二極管VD的損耗、三極管VQ的損耗予以考慮； 斬波電路的輸出電流為 其中，相關參數的計算如下 (1) 二極管損耗 開通損耗 通態損耗 關斷損耗 (2)三極管損耗 開通損耗
4.如權利要求1所述的大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，其特征是，所述步 驟1)中逆變模塊數學模型為逆變器輸出相電壓基波有效值為 逆變器輸出相電壓基波幅值為 (3-2)逆變器輸出功率數學模型為 (3-3) (3-4) 故逆變器輸出的電壓電流有
5.如權利要求1所述的大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法，其特征是，所述步 驟1)中，并網模塊數學模型為以電網側電壓Us為相位參考，則 光伏電站注入網內的電流即逆變器交流側的基波電流為 忽略電阻R，可推出 s X
全文摘要
本發明涉及一種大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法。其步驟為1)首先建立光伏電站整體數學模型，該數學模型包含四部分光伏陣列模塊、直流斬波模塊、逆變模塊、并網模塊；級聯四部分完成大型并網光伏電站的動態等值阻抗數學模型；2)根據光照強度R(W/m2)和環境溫度Ta(℃)，以及光伏電池單元在標準工作狀態下的短路電流Tsc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um，得出光伏組件的等值阻抗特性，并隨光照強度、溫度的變化，動態實時地輸出大型光伏電站的等值阻抗，以及同輸入參數下的動態等值阻抗曲線，直接用于含光伏電站的電力系統區域電網潮流計算及短路計算。
文檔編號H02N6/00GK101882896SQ20101022324
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月12日 優先權日2010年7月12日
發明者張彥, 戰杰, 趙義術, 馬夢朝 申請人:山東電力研究院;國網技術學院