[发明专利]基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法

权利要求书

1.基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法，其特征在于，包括多个光伏发电单元及各单元内部的光伏阵列，前级Boost升压电路，后级并网逆变器，变压器，最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器在内的详细模型，具有相同结构的聚合等值模型以及内部的等效的光伏阵列，等效的Boost升压电路，等效的并网逆变器，等效变压器，等效的最大功率点追踪控制器，等效的并网电压电流控制器，包括以下步骤：

S1、建立两级式光伏发电系统的详细时域数学模型，包括光伏阵列的数学模型、前级Boost电路的平均模型、并网逆变器的平均模型、滤波器的平均模型、变压器的简化模型，最大功率点追踪控制器数学模型，并网逆变器电压外环、电流内环控制器模型；

S2、确定任意两个并联的两级式光伏发电单元中存在的磁场能与电场能，利用能量守恒定律建立任意两个并联光伏发电单元磁场能、电场能与广义势能之间的能量关系，推导任意两个光伏发电单元之间状态变量的数学关系；

S3、保持聚合等值模型输出有功功率不变，确定详细模型与等值模型之间的电流关系；假设各并联光伏发电单元控制同步并且不存在误差，详细模型与等值模型通过同一个输电线路接入相同电压等级配电网，得到详细模型与等值模型之间的电压关系；

S4、将S1得到的两级式光伏发电系统数学模型推广建立聚合等值模型的状态方程；

S5、利用容量加权法计算等值光伏阵列的等效参数，根据S2、S3得到的详细模型与等值模型之间状态变量的关系，结合得到的详细模型与等值模型之间的电压、电流关系，比较详细模型与等值模型的状态方程，得到等值模型中Boost电路、并网逆变器、滤波器、变压器、最大功率点追踪控制器、并网电压电流控制器的聚合参数计算公式，建立大规模光伏系统的聚合等值模型；

步骤S1中建立两级式光伏发电系统详细数学模型，其具体步骤为：

S11、光伏阵列的数学模型：

光伏阵列输出电压v_pv与输出电流i_pv之间的关系为：

式中：N_s和N_p分别为光伏电池的串联数与并联数，n为二极管的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为二极管p-n结的温度，q为单位电荷常量，I_sc为光伏阵列的短路电流，I₀为二极管的饱和电流；

光伏阵列输出的电压电流，主要由光伏电池的串联数与并联数决定，因此，线性化后的光伏阵列数学模型为：

式中：I_pv0表示光伏阵列输出电流的稳态工作点，K_pv是与I_pv0有关的函数；

S12、前级Boost电路的平均模型：

两级式光伏发电系统中前级Boost电路起升压功能并且用于实现光伏阵列的最大功率点追踪控制，其平均模型为：

式中：C_pv为前级电路的平波电容，L为Boost电路储能电感，i_L为流过储能电感的电流，d为Boost电路占空比，v_dc为直流母线电压，C_dc为直流母线电容，i_dc为流入逆变器的电流；

S13、并网逆变器的平均模型：

三相并网逆变器采用PWM调制方式，通过逆变器在同步旋转坐标系d、q轴中的调制度m_d、m_q，建立逆变器的平均模型，其数学表达式为：

i_dc＝m_di_fd+m_qi_fq (6)

式中：i_fd、i_fq、v_sd、v_sq分别为滤波电流与逆变器输出电压在同步旋转坐标系下对应的d、q轴分量；

S14、输出滤波器，变压器的数学模型：

逆变器输出的电流经LC滤波器接入变压器，再接入系统的并网点，为了避免不同电压等级带来的参数计算复杂问题，将变压器与电网的参数折算到一次侧，将变压器简化为一个等效电感，这样将滤波器与变压器整体视为LCL滤波器，其数学模型为：

式中，L_f为滤波器电感，i_f为流过滤波器电感的电流，i_fd、i_fq分别为滤波器电感电流在同步旋转坐标系d、q轴的分量，C_f为滤波器电容，v_cf为滤波器电容电压，v_cfd、v_cfq分别为滤波器电容电压在同步旋转系下d、q轴的分量，R_f、R_c分别为滤波电感与滤波电容的寄生电阻，L_t为变压器等效电感，v_pcc为并网点电压，v_pccd、v_pccq分别为并网点电压在同步旋转坐标系下d、q轴分量，i_t为流过变压器等效电感的电流，i_td、i_tq分别为变压器等效电感电流在同步旋转坐标系下的d、q轴分量，ω为电网角频率；

S15、最大功率点追踪控制器，并网电压电流控制器的数学模型：

最大功率点追踪控制器用于产生前级Boost电路的占空比，光伏输出电压v_pv与最大功率点对应的电压值v_mp比较，误差信号输入PI控制器，产生前级Boost电路的占空比d，其数学表达式为：

式中：k_po、k_io分别为电压外环PI控制器的比例、积分增益，s为拉普拉斯算子；

并网逆变器的控制器由电压外环与电流内环组成，电压外环用于稳定直流母线电压v_dc，电流内环用于提升并网电流的动态响应，保证并网电流以单位因数并网，电压外环与电流内环的数学模型如下：

式中：是同步旋转坐标系下d轴、q轴电流参考值，是直流母线电压参考值，k_pdc、k_idc分别为电压外环PI控制器的比例、积分系数，m_d、m_q分别为逆变器在同步旋转坐标系下d、q轴下的调制度，k_pd、k_id分别为同步旋转坐标系下d轴电流内环PI控制器的比例、积分系数，k_pq、k_iq分别为同步旋转坐标系下q轴电流内环PI控制器的比例、积分系数。