一種大規模光伏電站併網的動態等值方法
2023-06-19 13:28:36
一種大規模光伏電站併網的動態等值方法
【專利摘要】本發明公開了一種大規模光伏電站併網的動態等值方法，屬於電力系統控制【技術領域】。本發明首先計算每個處於非均勻光照條件下的光伏併網發電單元的等效均勻輸入光照強度，然後根據等效均勻輸入光照強度對光伏併網發電單元進行分群，同群的光伏併網發電單元將被聚合為一個併網發電等值單元，最後計算每個等值單元的等值輸入光照強度。本發明解決了大規模光伏電站併網的動態等值問題，顯著減少了模型的階數和仿真時間，同時能夠正確反映光伏電站對系統的影響。
【專利說明】一種大規模光伏電站併網的動態等值方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力系統控制【技術領域】，更準確地說本發明涉及一種大規模光伏電站集中接入電網的等值方法。
【背景技術】
[0002]光伏發電系統因其具備安全可靠、零排放、無噪聲、規模大、小組件靈活以及基本不受地理條件制約等優點而成為了重要的能源發展形式。隨著越來越多的大型光伏電站開始接入電網，必須對大型光伏電站接入電網所帶來的影響開展深入研究。光伏電站中光伏併網發電單元數目眾多，如果對每個單元分別進行詳細建模，則方程的個數將會顯著增加，仿真時間就會過長；而對光伏電站進行動態等值可顯著減少模型的階數和仿真時間，同時能夠正確反映光伏電站對系統的影響。
[0003]文獻一《一種併網光伏發電系統的等效模擬方法》(專利申請公布號:CN102412596A)提出了一種PV的配電網綜合負荷建模方法，將正常運行的光伏陣列等效為一個恆流源，併網發電系統的數學模型用三階動態微分方程表徵，該方法能準確模擬光伏發電系統在併網運行條件下的穩態和暫態特性。文獻二《大規模光伏電站動態等值阻抗的建模方法》(專利申請公布號:CN101882896B)將光伏陣列、斬波電路和逆變器等組件有機結合在一起，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，可以直接應用到大規模光伏併網發電的電力系統運行分析及規劃等研究中。
[0004]但是，文獻一和文獻二都沒有考慮非均勻光照強度問題。而光伏陣列在實際工作中可能會出現這樣的情況:光伏陣列可能由於外部擾動影響，如周圍建築物、樹木、天上的雲層、飛過的鳥甚至光伏陣列表面的灰塵(或其中部分損壞)等因素而被遮擋，但陣列的其餘部分仍處於陽光曝曬之下，此時光伏陣列就處在非均勻光照條件下。圖1 (參考文獻三《MATLAB-Based Modeling to Study the Effects of Partial Shading on PV ArrayCharacteristics)) (IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY C0NVERS10N2008 年 3 月號第 23 卷第I期第302-310頁))給出了一個處在非均勻光照條件下的光伏陣列。該圖中環境溫度為25°C, S為光照強度，單位為kW/m2。
[0005]在實際應用中，常利用旁路二極體來避免非均勻光照條件下的局部過熱現象，這就導致了光伏組件P-U、1-U特性的變化。參考文獻四《Effect of Shading on Series andParallel Connected Solar PV Modules)) (Modern Applied Science2009 年 10 月號第 3卷第10期第32-41頁)，在非均勻光照條件下，當流過單串陣列的電流大於單串陣列中被遮擋光伏組件在陰影下的短路電流時，被遮擋光伏組件的旁路二極體導通，被遮擋光伏組件短路，其上的電壓為旁路二極體的導通電壓；當流過單串陣列的電流小於單串陣列中被遮擋光伏組件在陰影下的短路電流時，被遮擋光伏組件的旁路二極體截止，被遮擋光伏組件正常工作。
[0006]因此，在非均勻光照條件下，光伏陣列的輸出特性會發生變化，光伏陣列的輸出伏安特性曲線會呈階梯狀，相應的功率電壓曲線也會含有多個局部峰值。非均勻光照的程度直接影響整個光伏發電系統的發電量。因此，在大規模光伏電站併網的等值研究中，必須考慮在非均勻光照強度下的等值問題。
[0007]在非均勻光照條件下，光伏併網發電單元內各光伏陣列的輸入光照強度各不相等、難以統一，光伏電站等值問題將遇到阻礙。針對該問題，本發明提出了一種求等效均勻輸入光照強度的方法。可以有效地將非均勻光照強度等效為理想光照情況下的均勻光照強度。
[0008]本發明方法涉及的現有技術如下:
[0009]1、光伏發電模型
[0010]光伏電池是光伏電源的最小單元，其基本結構是能夠將光能轉換為電能的PN 結，圖 2 (參考文獻五《Maximum photovoltaic power tracking:an algorithmfor rapidly changing atmospheric conditions)) (IEE Proceedings Generation,Transmission&Distribution 1995年I月號第I卷第142期第59-64頁))顯不其精確的等效模型，由二極體、光生電流源、串聯電阻Rs和並聯電阻Rsh組成。
[0011 ] 光伏電池單體不能直接做電源使用，必須將若干個光伏電池進行適當的串並聯連接，經過封裝後組成一個可以單獨對外供電的最小單元，這就是光伏組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百餘瓦。為了滿足實際應用所需的電壓和功率，通常將多個光伏組件再經過串、並聯並裝在支架上，構成光伏陣列。因此，光伏陣列是由若干光伏組件根據負載容量大小要求，通過串並聯的方式組成的較大功率的裝置。
[0012]本發明採用的光伏陣列的數學模型如下(參考文獻五):
【權利要求】
1.一種大規模光伏電站併網的動態等值方法，其特徵在於: 本方法採用的基本假設為: (1)在等值計算的過程中認為光伏電站的環境溫度保持不變，設為Ttl； (2)光伏電站中每個光伏併網發電單元的光伏陣列數目和聯接結構都相同，並且所有光伏陣列所用的光伏組件均為同型號； (3)每個光伏陣列中光伏組件均接有一個旁路二極體，防止局部過熱現象的產生；每條支路串接一個阻塞二極體，防止並聯運行時逆電流的產生； 本方法包括以下步驟: a)讀入各光伏併網發電單元的輸入數據，包括等值計算過程中光伏電站的環境溫度Ttl、光伏併網發電單元的模型參數、光伏併網發電單元的輸入光照強度及分布情況、環境溫度Ttl時在均勻光照條件下光伏併網發電單元的功率/光照強度特性曲線、環境溫度Ttl時在均勻光照條件下光伏併網發電單元的光照強度/功率特性曲線； b)計算各光伏併網發電單元的等效均勻輸入光照強度； c)根據等效均勻輸入光照強度對光伏併網發電單元進行分群，同群的單元被等值在一起，計算等值單元的等值輸入光照強度； d)輸出光伏電站併網等值的計算結果，包括光伏併網發電單元的分群信息、等值單元的模型參數、等值單元的等值輸入光照強度曲線。
2.根據權利要求1所述的大規模光伏電站併網的動態等值方法，其特徵在於，步驟b中包括以下步驟:` bl)求解光伏併網發電單元在非均勻光照條件下的最大輸出功率曲線: blI)求解單串陣列輸出特性曲線上的轉折點 為了準確反映光伏併網發電單元的輸出特性，需要求出不同光照強度分布下，單串陣列伏安特性曲線上每個階梯的轉折點，光照強度分布相同的單串陣列具有相同的轉折點，轉折點的電流就是單串陣列中被遮擋光伏組件在陰影下的短路電流，轉折點的電壓就是單串陣列在被遮擋光伏組件的旁路二極體即將截止時的輸出電壓；轉折點的計算公式如下:
'(a \ Ic = L-2 = Iph2 -4,2 exP -JT^U^2 -1(7)
L [aH0 J _ Usc2 = O (8)
_ ( \ Ic= Iphl-L.exp-1(9)
L yA'K' 10 J _ 其中，Ic為單串陣列轉折點的電流，Isc2> Iph2> Irs2、Usc2分別為被遮擋且旁路二極體處於導通狀態的光伏組件在陰影下的短路電流、光生電流、反向飽和電流和短路電壓，Iphl、Irsl分別為沒被遮擋或被遮擋但旁路二極體處於截止狀態的光伏組件的光生電流和反向飽和電流，U1為一個處於工作狀態的光伏組件的輸出電壓；A為二極體的理想因子；波爾茲曼常數 k = 1.38 X ΙΟ—23J/K ;電子電荷 q = 1.6 X KT19C ； 先通過公式(7)和公式(8)求得I。，再將I。代入公式(9)求出U1，然後將U1代入公式(10)，得到單串陣列轉折點的電壓U。: Uc = U1XUN-VpnXSN (10)其中，UN為單串陣列中處於工作狀態的光伏組件個數，SN為單串陣列中被遮擋且旁路二極體處於導通狀態的光伏組件個數，Vpn為旁路二極體的導通電壓； bl2)求解光伏併網發電單元在非均勻光照條件下的最大輸出功率曲線根據步驟bll)求出的光伏併網發電單元中所有光照強度分布不同的單串陣列的轉折點，將光伏併網發電單元的輸出電壓按所求轉折點的電壓進行分段，分段後光伏併網發電單元內的光伏陣列在每段電壓下的工作狀態各不相同，每段的功率與電壓方程的計算公式如式(11)和式(12)所示:
3.根據權利要求2所述的大規模光伏電站併網的動態等值方法，其特徵在於，所述步驟c中包括以下步驟: Cl)對光伏併網發電單元進行分群，將型號相同且等效均勻輸入光照強度相近的光伏併網發電單元定義為一群，步驟如下: ell)按下式計算各光伏併網發電單元在仿真過程中的等效均勻輸入光照強度的平均值:
4.根據權利要求3所述的大規模光伏電站併網的動態等值方法，其特徵在於
【文檔編號】H02S10/00GK103730910SQ201310713171
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】孟昭軍, 薛峰, 李威, 宋曉芳, 常康, 方勇傑, 崔曉丹, 許曉彤, 王海潮 申請人:南京南瑞集團公司