一种分布式光伏发电系统广义负荷模型及其构建方法与流程

1.本发明属于电力系统仿真建模技术领域，具体涉及一种分布式光伏发电系统广义负荷模型及其构建方法。


背景技术：

2.广义负荷是指在新型电力系统配电网中，由传统用电负荷和中小容量电源共同组成的负荷形式，常常具有电源特性和用电特性。在新型电力系统中，分布式光伏发电系统在用户侧的安装率越来越高，电力系统动态响应分析严重依赖于建模仿真，因此迫切需要建立含分布式光伏发电系统的广义负荷模型。同时传统的负荷建模方法对含分布式光伏发电系统的用户侧负荷动态拟合效果并不理想，将考虑mppt（maximum power point tracking）和dc/ac变换控制后的pv系统等效为恒功率源，研究发现该模型泛化能力差，不适合高占比光伏发电系统，特别是对暂态过程的拟合能力不足。


技术实现要素：

3.为了解决含分布式光伏发电系统的广义负荷模型拟合能力不足的问题。本发明基于matlab/simulink搭建光伏发电并网仿真模型，通过设置并网母线电压跌落，观察、分析并网处光伏发电系统的动、静态特性，在此基础上提出了一种含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型，并进行了仿真验证；利用提出的动态模型结合遗传算法，对模型参数进行辨识，最终建立适用于电力系统精确仿真的分布式光伏发电系统广义负荷模型。
4.本发明通过下述技术方案来实现。一种分布式光伏发电系统广义负荷模型，由光伏发电系统等效负荷模型和clm模型并联而成；所述光伏发电系统等效负荷模型由三阶同步电机模型和rlc电路并联而成；所述rlc电路由等效电阻、等效电感和等效电容串联而成。
5.具体地，所述clm模型由感应电动机模型和zip模型并联而成。
6.zip模型用来模拟静态负荷，zip模型通过公式（2）表示：式中，ps表示端电压为电网电压ug时负荷吸收的有功功率、qs表示端电压为电网电压ug时负荷吸收的无功功率；分别表示有功时恒阻抗、恒电流和恒定功率负荷所占的比重；表示无功时恒阻抗、恒电流和恒定功率负荷所占的比重，，。
7.具体地，rlc电路的电路关系方程如公式（3）所示：
式中，uc为等效电容电压，r为等效电阻，c为等效电容，l为等效电感，i
l
为等效电感电流，t为时间。
8.具体地，三阶同步电机模型的方程如公式（4）所示：式中，δ为发电机转子功角，ω为发电机转子角速度，为发电机转子惯性时间常数，为同步电机输入机械转矩，为同步电机输出电磁转矩，d为阻尼系数，代表风阻摩擦对转子运动的影响，为同步电机d轴绕组暂态时间常数，p是对于时间标幺值的微分算子，是同步电机定子暂态电势，是空载时的同步电机定子暂态电势，是同步电机转子d轴绕组电抗，是同步电机转子d轴绕组的暂态电抗，是同步电机转子q轴绕组电抗，是同步电机转子d轴电流分量，是同步电机转子q轴电流分量，是同步电机转子d轴电压分量、是同步电机转子q轴电压分量，是同步电机定子a相绕组的电阻。
9.具体地，感应电动机模型的暂态方程如公式（5）、公式（6）、公式（7）所示：具体地，感应电动机模型的暂态方程如公式（5）、公式（6）、公式（7）所示：具体地，感应电动机模型的暂态方程如公式（5）、公式（6）、公式（7）所示：
式中，为感应电动机暂态电动势x轴分量，为感应电动机暂态电动势y轴分量，为感应电动机稳态负荷率，为感应电动机暂态负荷率，为感应电动机定子电抗，为感应电动机定子暂态电抗，为感应电动机电流x轴分量，为感应电动机电流y轴分量，为电网电压x轴分量，为电网电压y轴分量，为感应电动机稳态频率，h为感应电动机惯性时间常数，为感应电动机转子电阻， a、b、c为感应电动机机械转矩系数，为感应电动机转子转速，s为转差率，用转差速度除以同步速度的百分数来表示；其中，为电网电压，为感应电动机电流，为感应电动机暂态电动势,j为虚数单位。
10.一种分布式光伏发电系统广义负荷模型的构建方法，步骤如下：步骤s1、搭建光伏发电并网仿真模型；步骤s2、暂态仿真以分析光伏发电并网仿真模型的静态特性和动态特性：基于光伏发电并网仿真模型，假定某时在电网某处发生三相短路故障，设置跌落持续时间和跌落幅度进行多次暂态仿真，记录电网电压跌落前后的并网功率数据；得到光伏发电并网仿真模型的动态功率曲线；步骤s3、提出光伏发电系统的等效负荷模型：分布式光伏发电系统输出功率的静态部分采用三阶同步电机模型，动态部分采用过阻尼状态的rlc电路描述；光伏发电系统等效负荷模型由三阶同步电机模型和rlc电路并联；所述rlc电路由等效电阻、等效电感和等效电容串联而成；步骤s4、构建含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型：含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型由光伏发电系统等效负荷模型和clm模型并联而成。
11.相较于传统的（恒功率源并联rlc）二阶模型，本发明提出含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型动态拟合效果更好，还补充了关于现有pv阵列无功功率控制、谐振谐波抑制的短板，有效提高了现有广义负荷建模的准确性和效率。
附图说明
12.图1为晶硅太阳能电池等效电路模型示意图。
13.图2为光伏发电并网仿真模型示意图。
14.图3为暂态仿真记录的并网功率数据示意图。
15.图4为光伏发电系统等效负荷模型示意图。
16.图5为含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型示意图。
17.附图说明：10-pv阵列、20-boost升压电路、30-三相电压源型逆变器、40-pwm控制器、50-并网母线、60-电网、70-交流直流变换器。
具体实施方式
18.下面结合附图进一步详细阐明本发明。
19.参照图1-图4，本发明的分布式光伏发电系统广义负荷模型构建过程如下：步骤s1、搭建光伏发电并网仿真模型基于光电效应的晶硅太阳能（pv）电池是目前市场上光伏发电系统最主流的型式，根据相关光电学理论，理想的晶硅太阳能电池可看作是一个光生电流源p与一个正偏置的二极管并联而成，再加上电池本身的损耗，还应该包括电池串联电阻r
se
、电池并联电阻r
sh
，因此晶硅太阳能电池等效电路模型如图1所示，晶硅太阳能电池等效电路模型输出电压u和晶硅太阳能电池等效电路模型输出电流i的关系可表示为:式中：i
p
为光生电流，其大小与光照强度成正比；id为流经二极管的电流；i
sh
为流经二极管的电流；i
sat
为二极管方向饱和电流；ad为二极管曲线因子，其值可取ad∈(1,2)；q为电子电量；k为玻尔兹曼常数；t为绝对温度；r
se
为电池串联电阻；r
sh
为电池并联电阻。
20.pv阵列10由多个晶硅太阳能（pv）电池串并联而成，在忽略组件连接损耗和差异条件下，pv阵列10电气特性只需对晶硅太阳能（pv）电池等效电路进行串并联，即电压乘以串联数，电流乘以并联数。
21.在建立pv阵列10的基础上，基于matlab/simulink搭建光伏发电并网仿真模型，参照图2，光伏发电并网仿真模型包括pv阵列10、boost升压电路20、三相电压源型逆变器30、pwm控制器40、三阶滤波器、并网母线50和电网60，pv阵列10并联在boost升压电路20左侧以达到升压效果，boost升压电路20并联三相电压源型逆变器30及pwm控制器40，三相电压源型逆变器30右侧并联三阶滤波器以达到滤波效果，三阶滤波器右侧通过并网母线50接电网60。三相电压源型逆变器30采用同步旋转坐标系下的双闭环控制策略，通过pll（锁相环）跟踪电压相位，通过pi（比例积分控制器）将电压电流放大或积分计算，外环为电压环，以mppt（最大功率点跟踪太阳能控制器）提供的最大功率点电压作为参考电压；内环为电流环，通过交流直流变换器70采用d、q轴电流解耦控制方式实现对并网电流的控制，该控制策略结构简单，系统具有良好的动态稳定性能。在电流内环中，d轴电流调节三相电压源型逆变器30的有功功率输出，其参考电流来自电压外环的输出，并维持pv阵列10工作在mpp（最大功率点）附近；q轴电流调节三相电压源型逆变器30的无功功率输出，以控制并网功率因数。图2中：为pv阵列的工作电压；为pv阵列的输出电流；为boost升压电路的输入电容；为boost升压电路的输出电容；为三相电压源型逆变器直流侧电压；为直流参考电压；第一电感、滤波电容、第二电感构成三阶滤波器；为第一电感的内阻；为第二电感的内阻；为并网电流；为并网电压；ua, u
b, uc为三相电压源型逆变器的三相输出电压；ia, i
b, ic为三相电压源型逆变器的三相输出电流；i
ga
, i
gb, i
gc
为经过三阶滤波器滤波后的三相电流；u
g,d
为三相并网电压经过派克变换之后的d轴电压，u
g,q
为三相并网电压经过派克变换之后的q轴电压；id为三相并网电流经过派克变换之后的d轴电流、iq为三相并网电流经过派克变换之后的q轴电流；为直流电压外环
输出的d轴参考电流；为直流电压外环输出的d轴参考电压；为q轴参考电流；为q轴参考电压。
22.步骤s2、暂态仿真以分析光伏发电并网仿真模型的静态特性和动态特性。
23.由于在实际运行情况下，影响光伏发电并网系统输出功率的主要因素：光照强度和温度，在无任何故障发生时，短时间内不会发生剧烈变化，基于光伏发电并网仿真模型研究其静态特性，记录稳定后2s时间内的并网电压和并网功率数据；得到光伏发电并网仿真模型的静态功率曲线；基于光伏发电并网仿真模型，假定某时在电网60某处发生三相短路故障，并网母线50处发生持续0.8s的电压跌落，考虑到mppt具有一定延时，为充分展示光伏发电并网仿真模型的动态特性，取跌落持续时间为0.8s，跌落幅度分别取15%，20%，25%多次进行暂态仿真，记录电网电压跌落前后共2s时间内的并网功率数据；得到光伏发电并网仿真模型的动态功率曲线；步骤s3、提出光伏发电系统的等效负荷模型。
24.面向含分布式光伏发电系统的广义负荷模型需要满足负荷模型的一般要求且能够描述光伏发电系统在并网处的动态特性。也就是说，需要提出一种结构简单，参数尽可能少的等效负荷模型，能在给定输入条件下较好地描述光伏发电并网仿真模型的动态功率曲线。
25.由暂态仿真记录的并网功率数据（图3）发现，在相同激励下，其动态响应曲线与直流电压输入条件下rlc串联电路在过阻尼时流过电阻r的电流曲线相似，如果保留电流的形状并将量纲由电流换算成功率，则可采用rlc电路等效描述光伏发电系统的动态部分。基于此，对用于描述光伏发电系统动态部分的功率做如下约定：功率的大小取为电阻r上消耗的功率；功率的方向取为电流的方向，即流入rlc电路的功率为正，流出rlc电路的功率为负。
26.综合上述分析，分布式光伏发电系统输出功率的静态部分采用三阶同步电机模型，动态部分采用过阻尼状态的rlc电路描述，将两部分并联得到光伏发电系统的静态、动态等效模型，即为光伏发电系统等效负荷模型。光伏发电系统等效负荷模型由三阶同步电机模型gs和rlc电路并联而成，如图4所示；rlc电路由等效电阻、等效电感和等效电容三者串联而成。
27.步骤s4、构建含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型：如图 5所示，含三阶同步电机的分布式光伏发电系统广义负荷模型由光伏发电系统等效负荷模型和clm模型并联而成，clm模型由感应电动机模型和zip模型并联，其中感应电动机模型由三阶等效模型表示，这样既可以模拟pv发电系统的电源特性，又可以模拟常规负荷的用电特性。
28.zip模型用来模拟静态负荷，zip模型通过公式（2）表示：式中，ps表示端电压为电网电压ug时负荷吸收的有功功率、qs表示端电压为电网电
压ug时负荷吸收的无功功率；分别表示有功时恒阻抗、恒电流和恒定功率负荷所占的比重；分别表示无功时恒阻抗、恒电流和恒定功率负荷所占的比重，，。
29.rlc电路的电路关系方程如公式（3）所示：式中，uc为等效电容电压，r为等效电阻，c为等效电容，l为等效电感，i
l
为等效电感电流，t为时间。
30.三阶同步电机模型的方程如公式（4）所示：式中，δ为发电机转子功角，ω为发电机转子角速度，为发电机转子惯性时间常数，为同步电机输入机械转矩，为同步电机输出电磁转矩，d为阻尼系数，代表风阻摩擦对转子运动的影响，为同步电机d轴绕组暂态时间常数，p是对于时间标幺值的微分算子，是同步电机定子暂态电势，是空载时的同步电机定子暂态电势，是同步电机转子d轴绕组电抗，是同步电机转子d轴绕组的暂态电抗，是同步电机转子q轴绕组电抗，是同步电机转子d轴电流分量，是同步电机转子q轴电流分量，是同步电机转子d轴电压分量、是同步电机转子q轴电压分量，是同步电机定子a相绕组的电阻。
31.感应电动机模型的暂态方程如公式（5）、公式（6）、公式（7）所示：
式中，为感应电动机暂态电动势x轴分量，为感应电动机暂态电动势y轴分量，为感应电动机稳态负荷率，为感应电动机暂态负荷率，为感应电动机定子电抗，为感应电动机定子暂态电抗，为感应电动机电流x轴分量，为感应电动机电流y轴分量，为电网电压x轴分量，为电网电压y轴分量，为感应电动机稳态频率，h为感应电动机惯性时间常数，为感应电动机转子电阻， a、b、c为感应电动机机械转矩系数，为感应电动机转子转速，s为转差率，用转差速度除以同步速度的百分数来表示。
32.其中，为电网电压，为感应电动机电流，为感应电动机暂态电动势,j为虚数单位。