專利名稱：：用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種可用于研究光伏電站并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)暫/動態(tài)特性影響分析的數(shù)學(xué)建模方法?？蓱?yīng)用該方法的
技術(shù)領(lǐng)域：
包括電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、太陽能并網(wǎng)發(fā)電、電力電子變換(比如支流-交流變換、交流-支流變換)。(二)
背景技術(shù)：
：以化石燃料為代表的傳統(tǒng)能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球還有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點(diǎn)，越來越多的國家開始實(shí)行"陽光計(jì)劃"，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。因此，研究并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)有著廣闊的前景和意義。光伏陣列輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類似為一個恒流源；當(dāng)電壓超過一定的臨界值繼續(xù)上升時，電流急劇下降，此時的光伏陣列類似為一個恒壓源]。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個輸出功率最大點(diǎn)，目前用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)模型也主要是基于光伏陣列最大輸出功率的功率源模型，通過最大功率跟蹤器的在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里，通過改變光伏陣列所帶的等效負(fù)載，調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。該方法的雖然使用簡單，且使計(jì)算得到簡化，但是由于采用功率源形式的方法忽略了光伏電站本身固有的動態(tài)特性，使得仿真計(jì)算結(jié)果缺乏可信度。目前，光伏電站并網(wǎng)的方式多種多樣，不失一般性，可用如說明書附圖1所示的框圖來研究光伏電站動態(tài)數(shù)學(xué)建模問題。圖1中光伏陣列1實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能；穩(wěn)壓電容2具有穩(wěn)定光伏陣列輸出電壓、濾除高次諧波等作用，其動態(tài)特性對整個光伏電站的動態(tài)特性影響很大；DC-DC變換器3實(shí)現(xiàn)直流電向直流電轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換前后電壓或電流不同)；DC-AC變換器4實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同步的交流電；濾波器5實(shí)現(xiàn)濾波；變壓器6實(shí)現(xiàn)電壓變換，之后通過母線7介入電網(wǎng)8。由于光伏電站總?cè)萘肯鄬τ谡麄€電網(wǎng)的裝機(jī)容量很小，對電網(wǎng)頻率和電壓的影響可以忽略，從而電網(wǎng)可以用單機(jī)無窮大母線7來代替。在部分實(shí)際光伏并網(wǎng)工程中，沒有包含DC-DC變換器部分，此時，在圖1中忽略DC-DC變換器即可，本發(fā)明同樣適用于該種情形。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服目前功率源模型仿真結(jié)果缺乏可信度的缺陷，提供了一種可建立與電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用模型形式上一致的數(shù)學(xué)模型的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法，可方便應(yīng)用于研究并解決考慮光伏并網(wǎng)電站動態(tài)特性的電力系統(tǒng)相關(guān)問題。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案該發(fā)明用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法，其包括以下步驟a)將光伏電站負(fù)載表示為電流源，取該電流源電流^，并取光伏電站穩(wěn)壓電容至電網(wǎng)母線的電路等效電阻R及等效電抗X;b)DC-DC變換器和DC-AC變換器表示為一個具有光伏電站三相逆變器交流側(cè)等效內(nèi)線電勢向量A和該三相逆變器輸出有功功率A的三相電壓源；c)用光伏陣列靜態(tài)輸出特性表示光伏陣列的動態(tài)輸出特性；d)基于上述步驟，確定電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)模型如下式所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中~=/("^)為光伏電站靜態(tài)輸出特性下光伏陣列輸出電壓_功率特性；^。M為等效電阻i消耗的功率；"為三相逆變器調(diào)制深度；f為逆變器直流電壓利用系數(shù)；^為直流-直流變換器的電壓增益系數(shù);為三相逆變器內(nèi)相電勢幅值；C為穩(wěn)壓電容值；"dc、^c、^c分別為光伏陣列的出口直流電壓、有功功率、直流電流；Ac、仏c分別為光伏電站注入電網(wǎng)的有功功率、無功功率，^c為無限大容量母線交流線電壓相量。根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法基于光伏電站總?cè)萘肯鄬τ谡麄€電網(wǎng)的裝機(jī)容量很小，對電網(wǎng)頻率和電壓的影響可以忽略，從而電網(wǎng)可以用單機(jī)無窮大母線來代替的技術(shù)事實(shí)，由于光伏陣列外電壓較快變化時，陣列輸出電流和功率曲線與陣列的靜態(tài)特性基本一致，也就是光伏陣列在此狀態(tài)下的動態(tài)輸出特性和靜態(tài)輸出特性基本一致，在光伏電站并網(wǎng)分析中，可以用能精確表達(dá)的靜態(tài)輸出特性表達(dá)式來表示光伏陣列的動態(tài)特性，從而可建立與電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用模型形式上一致的數(shù)學(xué)模型，并充分考慮了光伏電站的動態(tài)特性，而使得依據(jù)本技術(shù)方案獲得的數(shù)學(xué)模型具有較高的可信度。此外，簡化電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)模型，尤其是DC-DC變換器盒DC-AC變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，用一個三相電壓源表示，其原理在于他們一般由電力電子器件組成，時間常數(shù)小，在電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析中作準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理，進(jìn)而獲得簡化了的數(shù)學(xué)模型，有利于技術(shù)人員的有效分析。上述建模方法，取光伏陣列的出口直流電壓為狀態(tài)變量，取三相逆變器輸出有功功率A為常數(shù)驗(yàn)證光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。上述建模方法，標(biāo)稱OUoc為一量值M，代入所述步驟d)式中并線性化得到必^c_1#判斷該一階微分方程的實(shí)數(shù)特征根的正負(fù)驗(yàn)證光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。6(四)下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作更具體的闡述，使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，其中圖1為現(xiàn)有電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)建模示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)建模示意圖。圖3為光伏陣列輸出電壓-電流特性靜態(tài)比較曲線。圖4為光伏陣列輸出電壓-功率特性的動靜態(tài)比較曲線。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中光伏陣列輸出電壓-功率特性曲線圖。圖中l(wèi).光伏陣列，2、穩(wěn)壓電容，3、DODC變換器，4、DC-AC變換器，5、濾波器，6、變壓器，7、母線，8、電網(wǎng)。(五)具體實(shí)施例方式說明書附圖2示出了一種電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)建模示意圖，據(jù)此，用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法，其包括以下步驟a)將光伏電站負(fù)載表示為電流源，取該電流源電流/,，并取光伏電站穩(wěn)壓電容2至電網(wǎng)母線7的電路等效電阻R及等效電抗X;b)DC-DC變換器3和DC-AC變換器4表示為一個具有光伏電站三相逆變器交流側(cè)等效內(nèi)線電勢向量A和該三相逆變器輸出有功功率A的三相電壓源；c)用光伏陣列1靜態(tài)輸出特性表示光伏陣列的動態(tài)輸出特性；d)基于上述步驟，確定電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)模型如下式所示式中4為光伏電站靜態(tài)輸出特性下光伏陣列輸出電壓-功率特性；^。M為等效電阻if消耗的功率；^為三相逆變器調(diào)制深度；f為/c〗逆變器直流電壓利用系數(shù)；^為直流-直流變換器的電壓增益系數(shù);為三相逆變器內(nèi)相電勢幅值；C為穩(wěn)壓電容值；"dc、4、&分別為光伏陣列的出口直流電壓、有功功率、直流電流；A"^c分別為光伏電站注入電網(wǎng)的有功功率、無功功率，^c為無限大容量母線交流線電壓相量。經(jīng)試驗(yàn)檢測光伏陣列的輸出電壓、輸出電流和輸出功率，繪制說明書附圖3和4，以反映動靜態(tài)輸出特性的關(guān)系，當(dāng)陣列外電壓較快變化時，陣列輸出電流和功率的軌跡與陣列的靜態(tài)特性基本一致，在光伏電站并網(wǎng)分析中，可以用能精確表達(dá)的靜態(tài)輸出特性表達(dá)式來表示光伏陣列的動態(tài)特性；光伏陣列的動態(tài)電壓-功率特性曲線同靜態(tài)特性曲線一樣，也具有"帽子"形狀。參照順明書附圖5，所說的"帽子"曲線為光伏陣列的動態(tài)電壓-功率曲線，當(dāng)輸出功率為120W時，陣列可能運(yùn)行于圖中的A1點(diǎn)或A2點(diǎn)。由下面的分析可知，使用本發(fā)明所提出的建模方法建立的模型能給出在Al點(diǎn)或A2點(diǎn)時，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)不同的結(jié)論，正確揭示了該系統(tǒng)的穩(wěn)定本質(zhì)，能為進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。令ik^。&c，帶入式(1)得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行時，送入電網(wǎng)的功率A由電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)決定或由逆變器的相關(guān)控制(比如最大功率控制)決定，在光伏電站暫/動態(tài)過程中可以認(rèn)為A為常數(shù)。將式(2)在A1點(diǎn)或A2點(diǎn)處進(jìn)行線性化得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式(3)為一階微分方程，其特征方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>從而，系統(tǒng)只有一個實(shí)數(shù)特征根<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行時，穩(wěn)壓電容電壓總是"^>()，從而不等式^>0成立。在運(yùn)行點(diǎn)A1處，由于""dc〉，從而^為一個大于0的實(shí)數(shù)，由穩(wěn)定理論可知，在A1點(diǎn)處，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。而在A2點(diǎn)處，由于""ix:，從而A為一個小于O的實(shí)數(shù)，也即在A2點(diǎn)處，系統(tǒng)式穩(wěn)定的。同理可知，若系統(tǒng)運(yùn)行在A3點(diǎn)處，成立，2為一個等于0的實(shí)數(shù)，系統(tǒng)是臨界穩(wěn)定的。本實(shí)施例結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明所提出的可用于研究光伏電站并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)暫/動態(tài)特性影響分析的數(shù)學(xué)建模方法的可行性和有效性。本實(shí)施例并不限于在光伏電站暫/動態(tài)建模中的使用，在電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、太陽能并網(wǎng)發(fā)電、電力電子變換多個領(lǐng)域可對其進(jìn)行多種應(yīng)用，本實(shí)施例僅用于本領(lǐng)域的技術(shù)人員更清楚的理解本發(fā)明，不對本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行限定。權(quán)利要求1.一種用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法，其特征在于其包括以下步驟a)將光伏電站負(fù)載表示為電流源，取該電流源電流IS，并取光伏電站穩(wěn)壓電容(2)至電網(wǎng)母線(7)的電路等效電阻R及等效電抗X；b)DC-DC變換器(3)和DC-AC變換器(4)表示為一個具有光伏電站三相逆變器交流側(cè)等效內(nèi)線電勢向量id="icf0001"file="A2009100195840002C1.tif"wi="2"he="3"top="69"left="118"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和該三相逆變器輸出有功功率PE的三相電壓源；c)用光伏陣列(1)靜態(tài)輸出特性表示光伏陣列的動態(tài)輸出特性；d)基于上述步驟，確定電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)模型如下式所示<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>dU</mi><mi>DC</mi></msub><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>C</mi><mo>·</mo><msub><mi>U</mi><mi>DC</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><msub><mi>P</mi><mi>DC</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mi>E</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mi>DC</mi></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>U</mi><mi>DC</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>P</mi><mi>E</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>AC</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>Loss</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>|</mo><msqrt><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac></msqrt><mover><mi>E</mi><mo>·</mo></mover><mo>|</mo><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><msub><mi>m</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>U</mi><mi>DC</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>P</mi><mi>E</mi></msub><msub><mi>U</mi><mi>DC</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math></maths>式中PDC＝f(UDC)為光伏電站靜態(tài)輸出特性下光伏陣列輸出電壓-功率特性；PLoss為等效電阻R消耗的功率；m1為三相逆變器調(diào)制深度；id="icf0003"file="A2009100195840002C3.tif"wi="4"he="10"top="207"left="26"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>為逆變器直流電壓利用系數(shù)；m2為直流-直流變換器的電壓增益系數(shù)；id="icf0004"file="A2009100195840002C4.tif"wi="9"he="12"top="220"left="46"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>為三相逆變器內(nèi)相電勢幅值；C為穩(wěn)壓電容值；UDC、PDC、IDC分別為光伏陣列的出口直流電壓、有功功率、直流電流；PAC、QAC分別為光伏電站注入電網(wǎng)的有功功率、無功功率，id="icf0005"file="A2009100195840002C5.tif"wi="6"he="4"top="251"left="141"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>為無限大容量母線交流線電壓相量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于取光伏陣列的出口直流電壓為狀態(tài)變量，取三相逆變器輸出有功功率^為常數(shù)驗(yàn)證光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的建模方法，其特征在于標(biāo)稱CUDC為一量值M，代入所述步驟d)式中并線性化得到判斷該一階微分方程的實(shí)數(shù)特征根的正負(fù)驗(yàn)證光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析的光伏電站數(shù)學(xué)建模方法，該方法通過簡化電力系統(tǒng)暫/動態(tài)分析用光伏電站數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行建模，并用可以用精確表達(dá)的光伏電站靜態(tài)輸出特性替代動態(tài)輸出特性，所建立的數(shù)學(xué)模型在仿真計(jì)算中具有非常高的可信度，且使用方便。文檔編號H02N6/00GK101673313SQ20091001958公開日2010年3月17日申請日期2009年10月15日優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日發(fā)明者趙義術(shù)申請人:山東電力研究院