1.本发明涉及电力系统领域，更具体的，涉及一种光伏发电单元的模型构建方法。
背景技术：2.为了应对全球气候变化、保障能源安全与发展经济相协调，全球各国都在大力推广可再生能源。在诸多可再生能源中，太阳能无疑是最具潜力的，具有安全清洁、普遍广泛和资源丰富等特点。开发太阳能对于满足全球能源需求，减少对传统能源的依赖具有重要意义。
3.光伏发电系统已经广泛应用于电力系统的建设中，为电力系统提供新的能源接入方式。为了确保这种新式能源能够有效的并入电网中，参与电力系统的各类调节，实现电力系统整体的平稳运行，光伏发电系统并网的建模仿真过程必不可少。
4.目前，光伏发电系统通常采用光伏并网逆变器实现对电网的接入。这类逆变器通常采用电压外环和电流内环的方式实现对逆变器能量交换过程的控制，具体受到控制的器件为逆变器中的绝缘栅双极型晶体管(igbt，insulated gate bipolar transistor)。为了探究光伏发电系统的并网特性，就需要对光伏并网逆变器进行仿真，并通过仿真模型模拟各类网络状态下的逆变器调节能力。然而，现有技术中针对光伏逆变器的仿真方式较为单一，仿真模型的运行耗时过长，仿真规模受限，对于仿真输出数据的采样率要求过高。
5.针对上述问题，本发明中提供了一种光伏发电单元的模型构建方法。
技术实现要素：6.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种光伏发电单元的模型构建方法，通过构建基础模型和简化模型，并在上述模型中添加各类扰动，从而实现对模型调节效果的采集，并基于调节效果在不同需求下选用不同的模型。
7.本发明采用如下的技术方案。
8.本发明涉及一种光伏发电单元的模型构建方法，其中，方法包括以下步骤：
9.步骤1，对光伏发电单元的并网逆变器进行模型仿真，仿真模型包括基础模型和简化模型，其中简化模型用于在仿真过程中将并网逆变器的半桥结构简化为三相电源；步骤2，将并网逆变器的仿真模型输入至电力系统仿真软件中，对仿真模型添加运行扰动以获取仿真模型对运行扰动的调节效果；步骤3，基于仿真模型的调节效果以及待分析的网络规模选择采用基础模型或所述简化模型。
10.优选的，基础模型包括光伏电源、直流输入电容、控制开关t1至t6、滤波电感、电流互感器、电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，控制开关t1至t6，两两串联接入至直流输入电容、光伏电源的两端，并且，控制开关两两串联的连接点分别提供三相电流并与滤波电感连接；滤波电感的另一端经过电流互感器、电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。
11.优选的，简化模型包括三相电源pvaref、pvbref、pvcref、滤波电感、电流互感器、
电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，三相电源并联后分别接入至滤波电感上；滤波电感的另一端经过电流互感器、电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。
12.优选的，三相电源可以为三相电流源或三相电压源；其中，三相电源的大小可以采集于并网逆变器中pwm控制单元的三相输入信号。
13.优选的，运行扰动包括第一运行扰动和第二运行扰动；其中，第一运行扰动，用于将光伏电站并网时的有功功率参考值提高至仿真模型初始稳定运行状态时有功功率的120％；第二运行扰动，用于将电网侧电源的电压降低至仿真模型稳定运行时电压的72％，并持续3秒。
14.优选的，调节效果包括：仿真模型稳定运行时的仿真时长，仿真模型受到第一运行扰动后的有功功率、无功功率、超调量、仿真时长；仿真模型受到第一运行扰动后的有功功率、无功功率、电压互感器的采集电压、超调量、仿真时长。
15.优选的，电力系统仿真软件为pscad/emtdc软件。
16.优选的，待分析的网络规模包括并网逆变器的数量。
17.优选的，当待分析的网络规模超过设定门限时，采用简化模型进行仿真。
18.优选的，当待分析的网络规模未超过设定门限时，采用基础模型进行仿真。
19.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种光伏发电单元的模型构建方法，通过构建基础模型和简化模型，并在上述模型中添加各类扰动，从而实现对模型调节效果的采集，并基于调节效果在不同需求下选用不同的模型。本发明方法简单、对仿真模型的改进准确有效，充分符合大规模仿真下模型计算效率的需求。
附图说明
20.图1为本发明中一种光伏发电单元的模型构建方法的步骤流程示意图；
21.图2为本发明中一种光伏发电单元的基础模型的仿真电路示意图；
22.图3为本发明中一种光伏发电单元的简化模型的仿真电路示意图；
23.图4为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第一运行扰动时电网侧有功功率随时间变化的示意图；
24.图5为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第一运行扰动时电网侧无功功率随时间变化的示意图；
25.图6为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电网侧有功功率随时间变化的示意图；
26.图7为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电网侧无功功率随时间变化的示意图；
27.图8本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电压互感器的采集电压随时间变化的示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
29.图1为本发明中一种光伏发电单元的模型构建方法的步骤流程示意图。如图1所示，一种光伏发电单元的模型构建方法，其方法包括步骤1至步骤3。
30.步骤1，对光伏发电单元的并网逆变器进行模型仿真，仿真模型包括基础模型和简化模型，其中简化模型用于在仿真过程中将并网逆变器的半桥结构简化为三相电源。
31.可以理解的是，本发明中为了实现对光伏发电单元并网后效果的模拟会构建相应的仿真模型。为了同时保证模拟的准确度和仿真速度，本发明中采取了两种不同的方式实现建模。
32.优选的，基础模型包括ibgt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件tch、0.1ohm的寄生电阻、直流断路器brk_dc、理想电压源、直流输入电容、控制开关t1至t6、滤波电感、电流互感器、电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，控制开关t1至t6，两两串联接入至直流输入电容、光伏电源的两端，并且，控制开关两两串联的连接点分别提供三相电流并与滤波电感连接；滤波电感的另一端经过电流互感器、电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。
33.图2为本发明中一种光伏发电单元的基础模型的仿真电路示意图。如图2所示，本发明方法中，分别采用了基础模型和简化模型两种不同的对于并网逆变器的建模方法。其中图2中的基础模型，将三相电路汇总为一相，并采用图中滤波电感lrs、等效电阻0.001ohm来实现对于输出电路的模拟。其中，变压器在光伏电源侧和电网侧的变比为1：5，同时在并网点上设置电压互感器和电流互感器来实现对于电路上电压、电流数据的采集。
34.在基础模型中，本发明并未简化开关t1至t6，因此，仿真数据会实时且准确的输出每一个时间点上三相开关的开启或关断状态，以对变压器的电能交换提供实时不同的输出。由此，该模型能够非常精确的模拟出来逆变器的电能交换状态，并当扰动发生时，能够最大化的采集到逆变器针对扰动所进行的调节。
35.优选的，简化模型包括三相电源pvaref、pvbref、pvcref、滤波电感、电流互感器、电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，三相电源并联后分别接入至滤波电感上；滤波电感的另一端经过电流互感器、电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。
36.图3为本发明中一种光伏发电单元的简化模型的仿真电路示意图。可以理解的是，本发明中的简化模型，对于基础模型进行了进一步的改进，该模型将基础模型中的控制开关、电容、电源等相关参数化简为三相参考电源。当逆变器和电网稳定时，该三相参考电源能够保持在直流状态下基本不发生变化，因此，极大程度上的使得模型的瞬时响应的仿真计算被消除，而通过较长时段的逆变器平均状态来对于逆变器进行仿真。
37.这种仿真方式无需再增加更多的仿真数据或采样时刻点，就能够准确的得到逆变器在较长时间上的平均调节效果，因而也是非常准确的，同时又保证了计算量较小，计算速度较快，仿真规模更大。
38.优选的，三相电源可以为三相电流源或三相电压源；其中，三相电源的大小可以采集于并网逆变器中pwm控制单元的三相输入信号。
39.可以理解的是，三相电源可以为三相电流源或三相电压源。采用什么样的电源实际上取决于并网逆变器的调节方式。如果并网逆变器是基于电压进行调节的，那么就可以将其仿真为三相电压源，如果是基于电流进行调节的，则可以将其仿真为三相电流源。
40.如图3所示，需要说明的是，这里电压源和电流源大小的设置方式可以参考模型本身中pwm(脉冲宽度调制，pulse width modulation)单元的三相输入电流或三相输入电压来确定。
41.步骤2，将并网逆变器的仿真模型输入至电力系统仿真软件中，对仿真模型添加运行扰动以获取仿真模型对运行扰动的调节效果。
42.在实现模型的构建后，本发明还可以将仿真模型输入至相应的仿真软件中，以实现运行扰动的调节。
43.具体来说，第一运行扰动，用于将光伏电站并网时的有功功率参考值提高至仿真模型初始稳定运行状态时有功功率的120％；第二运行扰动，用于将电网侧电源的电压降低至仿真模型稳定运行时电压的72％，并持续3秒。
44.可以理解的是，运行扰动可以是通过突然改变模型中某一个元件或多个元件的参数实现的。
45.例如，本发明中可以对电网的相关参数进行修改，可以在模型达到稳态运行后的某个时刻上将电网侧电源的相关参数进行修改。例如，可以修改该电源的输入输出电压从而进行相应的调节，同时还可以将电源的相位角进行调节，以实现对有功功率和无功功率的调节。无论采用何种调节方式，其本质是上能够实现本发明中的第一运行扰动和第二运行扰动的。
46.优选的，调节效果包括：仿真模型稳定运行时的仿真时长，仿真模型受到第一运行扰动后的有功功率、无功功率、超调量、仿真时长；仿真模型受到第一运行扰动后的有功功率、无功功率、电压互感器的采集电压、超调量、仿真时长。
47.可以理解的是，本发明可以将两种模型的仿真时间设置为10秒钟，同时将仿真步长设置为10μs，该模型中多个控制开关的开关频率设置为1950hz。另外，本发明中可以考虑将无功功率参考值设置为理想状态下的0mvar，经过短暂的仿真时间后，系统可以达到稳态，并在稳态后，为模型实施两种不同的扰动。
48.在实施扰动前，两个模型分别进行仿真和完成运行时间是不同的，其中，基础模型经过0.86391s之后达到稳态，而改进后的简化模型则只需要0.60187s的时间就达到了稳态。
49.另外，在模型达到稳态后，为模型施加第一运行扰动，并采集第一运行扰动实施后到模型再次达到稳态时整个过程的相关参数。本发明中采集了有功功率和无功功率。
50.图4为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第一运行扰动时电网侧有功功率随时间变化的示意图。图5为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第一运行扰动时电网侧无功功率随时间变化的示意图。如图4和图5所示，有功功率和无功功率的变化状态呈现出互补的态势。
51.其中，基础模型更加能够体现出扰动发生的短暂时刻下逆变器的调节过程，而由于简化模型只能够获取到逆变器的平均运行状态，因此无法获得瞬时的逆变器调节过程。
52.本发明中所述的超调量可以根据有功功率和无功功率波形中的局部峰值状态，与调节后的稳态状态的压差与稳态时的电压进行比较，从而得到。对于基础模型来说，增加第一运行扰动后，该模型在0.82013s后达到稳态，并存在着1.45％的超调量。而对于改进后的简化模型来说，模型在0.2402s后就达到了稳态，同时只仿真到了0.26％的超调量。
53.可见，改进后的模型，虽然在超调量的计算上略差于基础模型，但是其仿真时间被大幅度的缩短了，满足本发明大规模模型仿真时的需求。
54.图6为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电网侧有功功率随时间变化的示意图。图7为本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电网侧无功功率随时间变化的示意图。图8本发明一种光伏发电单元的模型构建方法中模型受到第二运行扰动时电压互感器的采集电压随时间变化的示意图。如图6-8所示，当模型再次达到稳定后，本发明可以再次增加第二运行扰动。在第二运行扰动中，基础模型的有功功率和无功功率经过0.54838s后达到稳态，简化模型的稳态时间则相对较长，需要0.95704s后才能够达到稳态。另外，基础模型有功功率的超调量为24.81％，而简化模型则为14.79％。需要说明的是，虽然在这种扰动下简化模型的有功功率需要较长时间才能够恢复，这只是因为控制开关实际上的瞬时控制更快速的克服了干扰，而仿真则没有那么准确。但即便达到稳态的时间延长了，在多个并网逆变器同时进行仿真运算时，仿真的速度被大幅的提升了。
55.当然这种仿真速度的提升是以超调量降低为代价的，不过在大规模的运算过程中，由于多个并网逆变器不太可能在同一时间点上同时发生干扰的调节，因此这种超调量的降低也不会影响实际的仿真结果。
56.类似的，基础模型中电压互感器的采集电压需要在0.32253s后达到稳定，而简化模型则需要0.94624s。同时，基础模型的采集电压超调量达到了30.15％，而简化模型中则为18.40％。
57.优选的，电力系统仿真软件为pscad/emtdc软件。
58.步骤3，基于仿真模型的调节效果以及待分析的网络规模选择采用基础模型或简化模型。
59.优选的，待分析的网络规模包括所述并网逆变器的数量。当待分析的网络规模超过设定门限时，采用简化模型进行仿真；当待分析的网络规模未超过设定门限时，采用基础模型进行仿真。
60.可以理解的是，本发明中可以预先设计网络规模的门限值。可以根据网络中电能转换的容量或者是并网逆变器的数量等参数设置相应的门限。当规模较大时，对整个模型进行仿真需要较长的时间和较大的计算量，此时，可以考虑超过门限值时的系统采用简化模型进行仿真，此时，仿真并不非常关注某一个并网逆变器的电压穿越能力，而是需要充分考虑到整个电网的协调控制。
61.另外，如果规模较小，则可以考虑采用基础模型，此时不需要将每个并网逆变器的仿真时间缩短的很小，只需要深入研究仿真模型的准确结果即可。
62.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种光伏发电单元的模型构建方法，通过构建基础模型和简化模型，并在上述模型中添加各类扰动，从而实现对模型调节效果的采集，并基于调节效果在不同需求下选用不同的模型。本发明方法简单、对仿真模型的改进准确有效，充分符合大规模仿真下模型计算效率的需求。
63.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发
明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，对所述光伏发电单元的并网逆变器进行模型仿真，仿真模型包括基础模型和简化模型，其中简化模型用于在所述仿真过程中将所述并网逆变器的半桥结构简化为三相电源；步骤2，将所述并网逆变器的仿真模型输入至电力系统仿真软件中，对所述仿真模型添加运行扰动以获取所述仿真模型对所述运行扰动的调节效果；步骤3，基于所述仿真模型的调节效果以及待分析的网络规模选择采用所述基础模型或所述简化模型。2.根据权利要求1中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述基础模型包括光伏电源、直流输入电容、控制开关t1至t6、滤波电感、电流互感器、电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，所述控制开关t1至t6，两两串联接入至所述直流输入电容、所述光伏电源的两端，并且，所述控制开关两两串联的连接点分别提供三相电流并与所述滤波电感连接；所述滤波电感的另一端经过所述电流互感器、所述电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。3.根据权利要求2中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述简化模型包括三相电源pvaref、pvbref、pvcref、滤波电感、电流互感器、电压互感器、等效电阻、变压器和电网侧电源；其中，三相电源并联后分别接入至所述滤波电感上；所述滤波电感的另一端经过所述电流互感器、所述电压互感器后依次经过等效电阻、变压器和电网侧电源后接地。4.根据权利要求3中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述三相电源可以为三相电流源或三相电压源；其中，所述三相电源的大小可以采集于所述并网逆变器中pwm控制单元的三相输入信号。5.根据权利要求4中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述运行扰动包括第一运行扰动和第二运行扰动；其中，所述第一运行扰动，用于将光伏电站并网时的有功功率参考值提高至所述仿真模型初始稳定运行状态时有功功率的120％；所述第二运行扰动，用于将所述电网侧电源的电压降低至所述仿真模型稳定运行时电压的72％，并持续3秒。6.根据权利要求5中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述调节效果包括：所述仿真模型稳定运行时的仿真时长，所述仿真模型受到所述第一运行扰动后的有功功率、无功功率、超调量、仿真时长；所述仿真模型受到所述第一运行扰动后的有功功率、无功功率、电压互感器的采集电压、超调量、仿真时长。7.根据权利要求6中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述电力系统仿真软件为pscad/emtdc软件。
8.根据权利要求7中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：所述待分析的网络规模包括所述并网逆变器的数量。9.根据权利要求8中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：当所述待分析的网络规模超过设定门限时，采用所述简化模型进行仿真。10.根据权利要求9中所述的一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于：当所述待分析的网络规模未超过设定门限时，采用所述基础模型进行仿真。
技术总结一种光伏发电单元的模型构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，对所述光伏发电单元的并网逆变器进行模型仿真，仿真模型包括基础模型和简化模型，其中简化模型用于在所述仿真过程中将所述并网逆变器的半桥结构简化为三相电源；步骤2，将所述并网逆变器的仿真模型输入至电力系统仿真软件中，对所述仿真模型添加运行扰动以获取所述仿真模型对所述运行扰动的调节效果；步骤3，基于所述仿真模型的调节效果以及待分析的网络规模选择采用所述基础模型或所述简化模型。本发明方法简单、对仿真模型的改进准确有效，充分符合大规模仿真下模型计算效率的需求。模仿真下模型计算效率的需求。模仿真下模型计算效率的需求。
技术研发人员：徐贤 周挺 周文俊 刘盛松 陈宁 韩华玲 张磊
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司 国家电网有限公司
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1
