高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法

摘要

本发明提供了一种高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法，该方法在RT‑LAB实时仿真平台上构建包含源侧子系统、网侧子系统、负荷子系统和储能子系统模型进行仿真。方法包括：在RT‑LAB仿真平台中搭建了基于FPGA小步长仿真的逆变器详细模型；使用受控电压源模型代替IGBT电压源型换流器搭建了逆变器等效简化模型；搭建能够反映电网频率特性的同步发电机组模型、反映综合负荷特性的ZIP负荷模型、反映系统稳定性的储能电池模型。该方法不仅考虑了电网频率波动和源、网、荷、储四个子系统之间的协调性，并在仿真规模大的情况下确保了仿真精确度、降低了模型的复杂度和仿真计算时间。

说明书

技术领域

本发明涉及高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法，属于分布式能源并网建模与仿真的技术领域。

背景技术

光伏发电作为一种典型的分布式电源，已经成为人类利用可再生能源发电的一个重要途径。因此，对于光伏系统发电过程的仿真建模研究具有重大意义。但是电力系统频率的稳定性要求对可再生能源发电有着较高的要求，太阳能发电具有间歇性、波动性以及不可调度性等特点，因此大规模分布式光伏发电集群会存在并网难、电网消纳能力弱的问题。同时，电网渗透率逐渐增大使得大量电力电子变换器引入到电力系统中,从而大量的非线性负载也加入到了供电系统中,对电力系统造成严重的污染,对电网的规划设计、调度运行等方面带来了新的问题，因此对高渗透率分布式光伏发电系统进行仿真建模亟待研究。

目前，已有多篇国内外学术论文进行分析并提出解决方案，例如：

文献1《Remon D,Cantarellas A M,Rodriguez P.Equivalent Model of LargeScale Synchronous Photovoltaic Power Plants[J].IEEE Transactions,2016,52(6):5029-5040.》(《大型同步光伏电站的等效模型》——2016年IEEE电力电子期刊)；

文献2《Ma Z,Zheng J,Zhu S.Online Clustering Modeling of Large-scalePhotovoltaic Power Plants[C]//IEEE Power&Energy Society General Meeting.IEEE,2015:1-5》(《大型光伏电站的在线聚类建模》——2015年IEEE PESGM会议论文集)；

文献3《顾伟，李培鑫，盛万兴.一种分布式光伏电站集群的动态等值建模方法：，CN107565601A[P].2018.》。

文献1通过使用同步功率控制器控制等效光伏发电单元来获得大型同步光伏电站的等效模型，但其针对的是具有虚拟同步特性的光伏电站，对普通光伏电站不适用。文献2通过使用逆变器控制参数的特征距离作为聚类指标并利用K-means聚类算法，提出了一种大型光伏电站在线聚类建模仿真方法，但真实逆变器控制参数不易获取，并且此方法使光伏电站模型不断更新对等效造成一定难度。文献3选择能够准确描述光伏电站动态特性的电气量波形作为聚类指标，再根据聚类结果计算同簇光伏电站的聚合等值参数并进行配电网的等值化简。

综上所述，上述文献存在以下的不足：

1)没有考虑分布式光伏发电系统对电力系统频率的影响，没有对可以反映频率波动的电网环境进行模拟。

2)光伏发电集群的等效模型会随着动态聚类结果的不同而更新，对建模和仿真造成了一定的难度。

3)对大规模的电站集群进行仿真时，Simulink/PSCAD等仿真软件不能同时满足对仿真规模和仿真精确度的要求。

发明内容

本发明的目的是要解决高渗透率分布式光伏发电集群仿真规模大复杂度高的问题。针对现有技术的不足，本发明提供了一种高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法。所采用的技术方案为：包括在RT-LAB实时仿真平台中搭建基于FPGA小步长仿真的逆变器详细模型；使用受控电压源模型代替IGBT电压源型换流器搭建逆变器等效简化模型；搭建能够反映电网频率特性的同步发电机组模型、反映综合负荷特性的ZIP负荷模型、反映系统稳定性的储能电池模型；并按照仿真要求将各子系统组合建模。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法，其特征在于，所述实时仿真建模方法包括基于RT-LAB实时仿真平台构建源侧实时仿真子系统、网侧实时仿真子系统、负荷实时仿真子系统和储能实时仿真子系统；其中，源侧实时仿真子系统由光伏并网逆变器模型组成，所述的光伏并网逆变器模型包括光伏并网逆变器详细模型和光伏并网逆变器等效简化模型；网侧实时仿真子系统由同步发电机组模型组成；负荷实时仿真子系统由ZIP负荷模型组成；

所述的高渗透率分布式光伏发电集群包括3个光伏发电区域，分别记为区域1、区域2和区域3，区域1、区域2、区域3和负荷实时仿真子系统彼此并联到公共母线后与网侧实时仿真子系统串联；

所述区域1、区域2和区域3中，每个区域均包括7个光伏电站和1个储能实时仿真子系统，7个光伏电站和1个储能实时仿真子系统依次串联；

所述光伏电站中均包含两台并联的光伏并网逆变器，区域1的光伏并网逆变器均使用光伏并网逆变器详细模型，区域2和区域3的光伏并网逆变器模型均使用光伏并网逆变器等效简化模型。

优选地，所述光伏并网逆变器详细模型的拓扑结构由光伏阵列、电容器、逆变器开关部分、三相滤波器和控制系统组成，其中，光伏阵列与电容器并联构成光伏并网逆变器详细模型直流侧部分，经过逆变器开关部分和三相滤波器产生所需交流电，控制系统产生控制信号控制所述逆变器开关部分；按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建光伏并网逆变器详细模型：

将光伏阵列、电容器、控制系统建立在CPU上进行微秒级步长的仿真，将逆变器开关部分和三相滤波器建立在FPGA上进行纳秒级步长的仿真。

优选地，所述光伏并网逆变器等效简化模型的拓扑结构由光伏阵列、电容器、受控电流源、受控电压源、三相滤波器和控制系统组成，其中，光伏阵列、电容器和受控电流源并联构成光伏并网逆变器等效简化模型直流侧部分，光伏并网逆变器等效简化模型交流侧部分通过受控电压源和三相滤波器产生所需交流电，控制系统产生控制信号控制受控电流源和受控电压源；按照如下步骤在RT-LAB实时仿真平台中构建光伏并网逆变器等效简化模型：

步骤3.1，采样光伏并网逆变器等效简化模型控制系统的电流内环输出信号U_a、U_b，采样光伏并网逆变器等效简化模型直流侧电压U_dc，采样光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc和相电流I_abc,对光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc使用abc-dq坐标变换模块得到光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压dq轴分量e_d、e_q；

步骤3.2，将步骤3.1中得到的电流内环输出信号U_a、U_b，加入光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压dq轴分量e_d、e_q得到光伏并网逆变器等效简化模型dq坐标系下的电压信号U_dref和U_qref，然后使用dq-abc坐标变换模块得到光伏并网逆变器等效简化模型三相电压信号U_aref、U_bref和U_cref，将U_aref、U_bref和U_cref作为光伏并网逆变器等效简化模型交流侧受控电压源的控制信号；

步骤3.3，根据光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc和相电流I_abc，按如下公式计算光伏并网逆变器等效简化模型交流侧功率输出值P_ac，

P_ac＝3×U_abc×I_abc×cosφ

式中，cosφ是功率因数，令光伏并网逆变器等效简化模型在单位功率因数运行，cosφ＝1；

步骤3.4，根据步骤3.3得到的光伏并网逆变器等效简化模型交流侧功率输出值P_ac和步骤3.1得到的光伏并网逆变器等效简化模型直流侧电压U_dc，计算得到光伏并网逆变器等效简化模型直流侧部分受控电流源的控制信号i_h，i_h＝P_ac÷U_dc。

优选地，所述同步发电机组模型由发电机模型、调速器模型、原动机模型和励磁系统组成，调速器模型与原动机模型串联输出机械功率给发电机模型，同时励磁系统提供励磁电压给发电机模型；按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建同步发电机组模型：

步骤4.1，先给定参考频率ω_ref，采样发电机模型的输出频率ω，并计算得到频率偏差Δ，Δ＝ω_ref-ω；然后将模型频率偏差Δ依次经过调速器模型和原动机模型，产生机械功率P_m作为发电机模型的输入；

步骤4.2，先给定参考电压U_ref，采样发电机模型的端电压U_t，并计算得到电压偏差ε，ε＝U_ref-U_t；然后将电压偏差ε进入电压调节器进行放大，输出电压U_R作为励磁系统的励磁电压。

优选地，所述ZIP负荷模型按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建：

步骤5.1，给定负荷有功功率指令值P₀，无功功率指令值Q₀，基准电压值U₀,采样网侧相电压U和负荷频率偏差Δf,计算得到负荷吸收的有功功率P_ZIP和负荷吸收的无功功率Q_ZIP，其计算式为：

P_ZIP＝P₀[p₁(U/U₀)²+p₂(U/U₀)+p₃](1+k_pfΔf)

Q_ZIP＝Q₀[q₁(U/U₀)²+q₂(U/U₀)+q₃](1+k_qfΔf)

式中：p₁是有功功率中恒阻抗负荷占总负荷的百分比，p₂是有功功率中恒电流负荷占总负荷的百分比，p₃是有功功率中恒功率负荷占总负荷的百分比，q₁是无功功率中恒阻抗负荷占总负荷的百分比，q₂是无功功率中恒电流负荷占总负荷的百分比，q₃是无功功率中恒功率负荷占总负荷的百分比，k_pf是有功的频率偏差影响因子，k_qf是无功的频率偏差影响因子；

步骤5.2，根据步骤5.1得到的负荷吸收的有功功率P_ZIP和负荷吸收的无功功率Q_ZIP计算负荷电流dq轴分量I_{d_ref},I_{q_ref}，其计算式为：

式中，U_d是网侧相电压U的d轴分量，U_q是网侧相电压U的q轴分量；

步骤5.3，使用dq-abc坐标变换模块将步骤5.2得到的负荷电流dq轴分量I_{d_ref}、I_{q_ref}转变成负荷三相电流I_a,I_b,I_c。

优选地，所述储能实时仿真子系统包括储能电池模型和储能变流器模型，其中储能电池模型按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建：

给定储能电池放电电流i_b，使用安时积分法按照下式计算储能电池的荷电状态，

式中soc₀为储能电池初始荷电状态值，当电池充满电时为1，soc为储能电池当前荷电状态值，Q_b为储能电池额定容量，α为充放电效率，t为放电时间；

通过下式求得储能电池等效电势E_b，

式中E₀为蓄电池内电势，K为储能电池等效电势E_b与soc关系曲线的拟合参数1，A为储能电池E_b与soc关系曲线的拟合参数2，B为储能电池E_b与soc关系曲线的拟合参数3。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)考虑了分布式光伏发电系统对电网频率的影响，搭建了同步发电机组模型来对电网环境进行仿真模拟。

2)考虑了源侧子系统、网侧子系统、负荷子系统和储能子系统之间的协调性。

3)基于RT-LAB实时仿真平台，采用了FPGA小步长仿真构建了逆变器详细模型，同时提出等值方法构建逆变器简化模型。既满足仿真精确度，又达到了降低模型复杂度和减小仿真计算时间的效果。

附图说明

图1为本发明高渗透率分布式光伏发电集群框架图；

图2为光伏并网逆变器详细模型的结构示意图；

图3为光伏并网逆变器等效简化模型的结构示意图；

图4为光伏并网逆变器详细模型和光伏并网逆变器等效简化模型的波形对比图；

图5为各种负荷扰动情况下有无调速器的系统频率变化曲线图；

图6为ZIP负荷模型实现框图；

具体实施方式

本发明提出了一种高渗透率分布式光伏发电集群实时仿真建模方法，所述实时仿真建模方法包括基于RT-LAB实时仿真平台构建源侧实时仿真子系统、网侧实时仿真子系统、负荷实时仿真子系统和储能实时仿真子系统；其中，源侧实时仿真子系统由光伏并网逆变器模型组成，所述的光伏并网逆变器模型包括光伏并网逆变器详细模型和光伏并网逆变器等效简化模型；网侧实时仿真子系统由同步发电机组模型组成；负荷实时仿真子系统由ZIP负荷模型组成。

所述的高渗透率分布式光伏发电集群包括3个光伏发电区域，分别记为区域1、区域2和区域3，区域1、区域2、区域3和负荷实时仿真子系统经并联到公共母线后与网侧实时仿真子系统串联。

所述区域1、区域2和区域3中，每个区域均包括7个光伏电站和1个储能实时仿真子系统，7个光伏电站和1个储能实时仿真子系统依次串联。

所述光伏电站中均包含两台并联的光伏并网逆变器，区域1的光伏并网逆变器均使用光伏并网逆变器详细模型，区域2和区域3的光伏并网逆变器模型均使用光伏并网逆变器等效简化模型。

图1为本发明高渗透率分布式光伏发电集群框架图，本实施例中的具体参数如下。在每个光伏电站中，包括两台500KW的光伏逆变器及一台连接方式为Yn11-Yn11-D、变比为0.315/0.315/35KV的双分裂变压器。另外，每个储能实时仿真子系统的额定功率为1MW。

下面分四个部分说明四个实时仿真子系统的建模方法。

(一)源侧实时仿真子系统

源侧实时仿真子系统由光伏并网逆变器模型组成，光伏并网逆变器模型包括光伏并网逆变器详细模型和光伏并网逆变器等效简化模型。

(1)光伏并网逆变器详细模型

所述光伏并网逆变器详细模型的拓扑结构由光伏阵列、电容器、逆变器开关部分、三相滤波器和控制系统组成，其中，光伏阵列与电容器并联构成光伏并网逆变器详细模型直流侧部分，经过逆变器开关部分和三相滤波器产生所需交流电，控制系统产生控制信号控制所述逆变器开关部分。

按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建光伏并网逆变器详细模型：

将光伏阵列、电容器、控制系统建立在CPU(中央处理器)上进行微秒级步长的仿真，将逆变器开关部分和三相滤波器建立在FPGA(现场可编程门阵列)上进行纳秒级步长的仿真。CPU模型提供直流侧电压信号、PWM调制信号给FPGA模型，在FPGA模型中采样交流侧电流信号作为反馈量传给CPU模型的控制系统形成闭环，具体结构见图2。

在本实施例中，光伏并网逆变器模型额定功率为500KW，逆变器基波频率ω₀为100πrad/s，使用LCL滤波，逆变器侧电感L₁为0.1mH，电网侧电感L₂为0.05mH，滤波电容C₁为200μF，阻尼电阻R_d为0.07Ω，直流侧电压初始值U_dc设置为650V，直流侧电容器C为5.5μF。

(2)光伏并网逆变器等效简化模型

光伏并网逆变器等效简化模型的拓扑结构见图3。光伏并网逆变器等效简化模型的拓扑结构由光伏阵列、电容器、受控电流源、受控电压源、三相滤波器和控制系统组成，其中，光伏阵列、电容器和受控电流源并联构成光伏并网逆变器等效简化模型直流侧部分，光伏并网逆变器等效简化模型交流侧部分通过受控电压源和三相滤波器产生所需交流电，控制系统产生控制信号控制受控电流源和受控电流源。

按照如下步骤在RT-LAB实时仿真平台中构建光伏并网逆变器等效简化模型：

步骤3.1，采样光伏并网逆变器等效简化模型控制系统的电流内环输出信号U_a、U_b，采样光伏并网逆变器等效简化模型直流侧电压U_dc，采样光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc和相电流I_abc,对光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc使用abc-dq坐标变换模块得到光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压dq轴分量e_d、e_q；

步骤3.2，将步骤3.1中得到的电流内环输出信号U_a、U_b，加入光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压dq轴分量e_d、e_q得到光伏并网逆变器等效简化模型dq坐标系下的电压信号U_dref和U_qref，然后使用dq-abc坐标变换模块得到光伏并网逆变器等效简化模型三相电压信号U_aref、U_bref和U_cref，将U_aref、U_bref和U_cref作为光伏并网逆变器等效简化模型交流侧受控电压源的控制信号；

步骤3.3，根据光伏并网逆变器等效简化模型并网点相电压U_abc和相电流I_abc，按如下公式计算光伏并网逆变器等效简化模型交流侧功率输出值P_ac，

P_ac＝3×U_abc×I_abc×cosφ

式中，cosφ是功率因数，令光伏并网逆变器等效简化模型在单位功率因数运行，cosφ＝1；

步骤3.4，根据步骤3.3得到的光伏并网逆变器等效简化模型交流侧功率输出值P_ac和步骤3.1得到的光伏并网逆变器等效简化模型直流侧电压U_dc，计算得到光伏并网逆变器等效简化模型直流侧部分受控电流源的控制信号i_h，i_h＝P_ac÷U_dc。

图4为逆变器FPGA详细模型和受控源等效简化模型的波形对比图，可以看到其动态响应一致。假设等效简化模型和详细模型的输出功率分别为a(i)和b(i)，详细模型输出功率与时间轴围成的面积为S，等效简化模型和详细模型的输出功率与时间围成的面积之差为ΔS，则定义误差度：其中i表示不断变化的时间量。可计算求得误差度为1.24％，值很小，说明等效简化模型能很好的吻合详细模型。

(二)网侧实时仿真子系统

网侧实时仿真子系统由同步发电机组模型组成。同步发电机组模型由发电机模型、调速器模型、原动机模型和励磁系统组成，调速器模型与原动机模型串联输出机械功率给发电机模型，同时励磁系统提供励磁电压给发电机模型。

按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建同步发电机组模型：

步骤4.1，先给定参考频率ω_ref，采样发电机模型的输出频率ω，并计算得到频率偏差Δ，Δ＝ω_ref-ω；然后将模型频率偏差Δ依次经过调速器模型和原动机模型，产生机械功率P_m作为发电机模型的输入；

步骤4.2，先给定参考电压U_ref，采样发电机模型的端电压U_t，并计算得到电压偏差ε，ε＝U_ref-U_t；然后将电压偏差ε进入电压调节器进行放大，输出电压U_R作为励磁系统的励磁电压。

在本实施例中，发电机组额定动率设为42MW，额定电压为110KV，调速器比例增益设置为0.5。

图5为各种负荷扰动情况下有无调速器的系统频率变化曲线图，可以看到负荷波动越大，系统频率变化越大。同时在发电机组没有一次调频功能的情况下频率波动远远大于有一次调频功能的电力系统，甚至在负荷变化5％的情况下频率波动已经超过了±0.5Hz的允许波动界限。可以看出用搭建的同步发电机组模型模拟电网可以反映电网的频率波动情况。

(三)负荷实时仿真子系统

负荷实时仿真子系统由ZIP负荷模型构成。图6为ZIP负荷模型实现框图，由该图可见，ZIP负荷模型按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建：

步骤5.1，给定负荷有功功率指令值P₀，无功功率指令值Q₀，基准电压值U₀,采样网侧相电压U和负荷频率偏差Δf,计算得到负荷吸收的有功功率P_ZIP和负荷吸收的无功功率Q_ZIP，其计算式为：

P_ZIP＝P₀[p₁(U/U₀)²0p₂(U/U₀)0p₃](10k_pfΔf)

Q_ZIP＝Q₀[q₁(U/U₀)²+q₂(U/U₀)+q₃](10k_qfΔf.

式中：p₁是有功功率中恒阻抗负荷占总负荷的百分比，p₂是有功功率中恒电流负荷占总负荷的百分比，p₃是有功功率中恒功率负荷占总负荷的百分比，q₁是无功功率中恒阻抗负荷占总负荷的百分比，q₂是无功功率中恒电流负荷占总负荷的百分比，q₃是无功功率中恒功率负荷占总负荷的百分比，k_pf是有功的频率偏差影响因子，k_qf是无功的频率偏差影响因子；

步骤5.2，根据步骤5.1得到的负荷吸收的有功功率P_ZIP和负荷吸收的无功功率Q_ZIP计算负荷电流dq轴分量I_{d_ref},I_{q_ref}，其计算式为：

式中，U_d是网侧相电压U的d轴分量，U_q是网侧相电压U的q轴分量；

步骤5.3，使用dq-abc坐标变换模块将步骤5.2得到的负荷电流dq轴分量I_{d_ref}、I_{q_ref}转变成负荷三相电流I_a,I_b,I_c。

在本实施例中，ZIP负荷模型的额定功率设置为42MW，p₁＝q₁＝0.3，p₂＝q₂＝0.3，p₃＝q₃＝0.4，k_pf＝1，k_qf＝-1。

(四)储能实时仿真子系统

所述储能实时仿真子系统包括储能电池模型和储能变流器模型，其中储能电池模型按照如下方法在RT-LAB实时仿真平台中构建：

给定储能电池放电电流i_b，使用安时积分法按照下式计算储能电池的荷电状态，

式中soc₀为储能电池初始荷电状态值，当电池充满电时为1，soc为储能电池当前荷电状态值，Q_b为储能电池额定容量，α为充放电效率，t为放电时间；

通过下式求得储能电池等效电势E_b，

式中E₀为蓄电池内电势，K为储能电池等效电势E_b与soc关系曲线的拟合参数1，A为储能电池E_b与soc关系曲线的拟合参数2，B为储能电池E_b与soc关系曲线的拟合参数3。

在本实施例中，E₀＝660V，R＝2.35Ω,拟合参数1＝0.0188，拟合参数2＝0.0144，拟合参数3＝2.3077。

将储能电池模型连接储能变流器模型构成储能实时仿真子系统。

综上可得，该建模方法实现简单，在仿真精确度要求高和仿真规模大的条件下，提供了一种切实可行的高渗透率光伏发电集群实时仿真建模方法。