三相单级光伏并网的电磁与机电暂态模型的建模方法

摘要

本发明公开了一种三相单级光伏并网系统的电磁与机电暂态模型的建模方法，基于MATLAB/SIMULINK平台，电磁暂态模型为基于电力电子器件的光伏阵列模型，机电暂态模型为基于微分方程的相量模型，适用于三相单级光伏并网系统接入配电网、高压输电网后，电力系统的电磁暂态、机电暂态的仿真分析、三相单级光伏并网系统的设计与控制，具有很强的自适应性，十分实用，具有良好的应用前景。

主权项

一种三相单级光伏并网的电磁与机电暂态模型的建模方法，其特征在于：电磁暂态模型为基于电力电子器件的光伏阵列模型，机电暂态模型为基于微分方程的相量模型，建模方法包括以下步骤，步骤(A1)，光伏阵列模型为电流受电压控制的受控电流源，列出其电流‑电压特性的方程式(1)，$i_{pv}=n_p{I}_{ph}-n_p{I}_{rs}\left(\exp \right(\frac{q}{kTA}\frac{{\upsilon }_{dc}}{n_s})-1)---\left(1\right)$其中，i_pv为光伏阵列发出的直流电流值；υ_dc为光伏阵列的端口电压；I_rs为光伏阵列内PN节的反向饱和电流；q为电子电荷量，为1.602×10^‑19C；k为波尔兹曼常数，为1.38×10^‑23J/K；T为光伏阵列内PN节的温度，单位为K；A为理想因子；n_s为光伏阵列中太阳能电池单元的串联个数；n_p为光伏阵列中太阳能电池单元的并联个数；I_ph为单个电池单元的短路电流；步骤(A2)，单个电池单元的短路电流I_ph，与光照强度、光伏阵列内PN节温度的关系，如公式(2)所示，$I_{ph}=[I_{scr}+k_T(T-T_r)]\frac{S}{100}---\left(2\right)$其中，T_r为参考温度；I_scr为单个太阳能电池单元在参考温度与参考光照强度下的短路电流值，S为参考光照强度1000W/m²；k_T为温度系数；步骤(A3)，将公式(2)代入方程式(1)，得到光伏阵列模型的电流‑电压特性的方程式(3)，$i_{pv}=n_p[I_{scr}+k_T(T-T_r)]\frac{S}{100}-n_p{I}_{rs}\left[\exp \right(\frac{q}{kTA}\frac{{\upsilon }_{dc}}{n_s})-1]=n_1-n_2\exp \left(n_3{\upsilon }_{dc}\right)---\left(3\right)$其中，$n_1=n_p[I_{scr}+k_T(T-T_r)]\frac{S}{100}+n_p{I}_{rs},n_2=n_p{I}_{rs},n_3=\frac{q}{{\mathrm{kTAn}}_s};$步骤(A4)，根据方程式(3)得到，光伏阵列的电流‑电压特性，由n₁、n₂、n₃三个参数决定，根据公式(4)，计算光伏阵列发出的有功功率P_pv，P_pv＝f(υ_dc,S,T)＝υ_dci_pv＝n₁υ_dc‑n₂υ_dcexp(n₃υ_dc)(4)；步骤(A5)，在不同的光照强度、不同PN节温度下，光伏阵列最大功率点所对应的电压是不同的，对于三相单级光伏并网系统的机电暂态模型，求解方程式(5)，得到光伏阵列最大功率点对应的电压，$\frac{{\mathrm{dP}}_{pv}}{{\mathrm{d\upsilon }}_{dc}}=0---\left(5\right);$步骤(A6)，对于三相单级光伏并网系统的电磁暂态模型，通过最大功率点追踪器MPPT动态输出电压控制器的参考电压，通过电压控制器，使光伏阵列的电压稳定在不同光照水平下最大功率点所对应的电压，使光伏阵列发出最大功率；三相单级光伏并网系统的机电暂态模型的建模方法，包括以下步骤，步骤(B1)，将电压型变流器有功、无功进行解耦控制；步骤(B2)，建立电流内环控制器的控制策略；步骤(B3)，根据步骤(B1)、步骤(B2)得到的电流内环控制器，配合MPPT、电压外环控制器，构建光伏控制系统的模型；所述步骤(B1)，将电压型变流器有功、无功进行解耦控制的方法为，(1)，构建与光伏阵列输出端连接的电压型变流器，根据方程式(6)，得到电压型变流器交流侧的动态特性，$L\frac{d\overrightarrow{i}}{dt}=-r\overrightarrow{i}+{\overrightarrow{u}}_t-{\overrightarrow{u}}_s---\left(6\right)$其中，r为耦合电抗器与变压器的电阻之和；L为耦合电抗器与变压器的漏感之和；为电压型变流器注入配网的电流空间相量；为变压器一次侧的电压空间相量；为网侧电压空间相量；(2)，电压型变流器的交直流侧电压u_dc，满足方程式(7)，${\overrightarrow{u}}_t=\frac{u_{dc}}{2}\overrightarrow{m}---\left(7\right)$其中，为电压型变流器的调制比信号空间相量，将方程式(7)代入方程式(6)，得到方程式(8)，$L\frac{d\overrightarrow{i}}{dt}=-r\overrightarrow{i}+\frac{u_{dc}}{2}\overrightarrow{m}-{\overrightarrow{u}}_s---\left(8\right);$(3)，将方程式(8)的各空间相量投影到d、q轴上得到方程式(9)、(10)，$L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-{\mathrm{ri}}_d+{\mathrm{L\omega i}}_q+\frac{u_{dc}}{2}{m}_d-u_{sd}---\left(9\right)$$L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\stackrel{·}{n}}_q-{\mathrm{L\omega i}}_d+\frac{u_{dc}}{2}{m}_q-u_{sq}---\left(10\right)$其中，i_d、i_q为状态变量；m_d、m_q为控制输入；u_sd、u_sq为扰动输入；(4)，方程式(9)、(10)为关于i_d、i_q的非线性方程，i_d、i_q是耦合的，i_d的动态特性受到i_q的动态特性的影响，i_q的动态特性也受到i_d的动态特性的影响，引入辅助控制变量u_d、u_q，使得i_d、i_q解耦控制，得到方程式(11)、(12)，$m_d=\frac{2}{u_{dc}}(u_d-{\mathrm{L\omega i}}_q+u_{sd})---\left(11\right)$$m_q=\frac{2}{u_{dc}}(u_q-{\mathrm{L\omega i}}_d+u_{sq})---\left(12\right);$(5)，将方程式(11)、(12)分别代入方程式(9)、(10)，得到方程式(13)、(14)，$L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-{\mathrm{ri}}_d+u_d---\left(13\right)$$L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{ri}}_q+u_q---\left(14\right);$(6)，根据方程式(13)、(14)，i_d、i_q分别由u_d、u_q单独控制，完成电压型变流器的d、q轴电流的解耦控制，实现电流内环控制器的干扰抑制；所述步骤(B2)，建立电流内环控制器的控制策略，(1)，分别将电流参考量i_dref、i_qref减去状态变量i_d、i_q，得到电流偏差信号e_d、e_q；(2),将电流偏差信号e_d、e_q分别经过电流控制器k_d(s)、k_q(s)得到，辅助控制变量u_d、u_q；(3)，电流控制器k_d(s)、k_q(s)的传递函数为公式(15)，$k_d\left(s\right)=k_q\left(s\right)=\frac{k_{p}s+k_i}{s}---\left(15\right)$其中，k_p为电流控制器的比例放大倍数，k_i为电流控制器的积分放大倍数k_p＝L/τ_i、k_i＝r/τ_i，τ_i为时间常数；(4)，构建的电流内环控制器的传递函数为公式(16)，$\frac{I_d\left(s\right)}{I_{dref}\left(s\right)}=\frac{I_q\left(s\right)}{I_{qref}\left(s\right)}=G_i\left(s\right)=\frac{1}{{\tau }_{i}s+1}---\left(16\right);$所述电流参考量i_qref的取值为i_qref＝0，使得构建的光伏控制系统的功率因数为1。