光伏并网发电系统的建模与数字仿真

光伏并网发电系统的建模与数字仿真

一、电力系统数字仿真概述

系统数字仿真是一门新兴学科，是计算机科学、计算数学、控制理论和专业应用技术等学科的综合。生产和科学技术的发展使完成某种特定功能的各事物相互之间产生了一定的联系，形成各种各样的系统。为研究、分析和设计系统，需要对系统进行试验。

由于电力系统数字仿真具有不受原型系统规模和结构复杂性的限制，能保证被研究、试验系统的安全性和具有良好的经济性、方便性等许多优点，正被愈来愈多的科技人员所关注，并已在研究、试验、工程、培训等多方面获得广泛的应用。电力系统数字仿真技术(器)的研究、开发，包括数学模型、仿真软件、模型结构、仿真算法分析方法等，不断有新的成果涌现。各种培训仿真器和研究用实时仿真器的研制和应用也大大推动了电力系统数字仿真技术的发展。随着电力系统的发展和一些最新的计算机技术、人工智能技术、新的数值计算方法和实时仿真技术在电力系统数字仿真中的应用，数字仿真对电力工业的发展将会做出更大的贡献。

1.1系统仿真的含义

仿真（simulation）这个词被引入科技领域，受到广大科技人员的认可，但是其含义在许多科技文献中说法并不一致。其中认为仿真的广义定义为“仿真是用模型研究系统”。精确的定义为“仿真是用数值模型研究系统在规定时间内的工作特征”。有的论著把在数字计算机上的“活的”模型做试验称为系统数字仿真。

1.2系统数字仿真的用途

由于系统数字仿真作为一种研究、试验和培训手段具有极好的经济性和实用性，几乎可以应用于任何一种工程与非工程领域。就工程领域应用而言，它的应用范围主要在以下几个方面：

a.系统规划、设计与试验;

b.系统动态特征的分析与研究;

c.系统在运行中的辅助决策、管理与控制;

d.系统运行人员的教学培训，例如载体的操纵、系统的控制与操作、系统过程的博奕决策等。

1.3系统数字仿真的特点

a.不受原型系统规模和结构复杂性的限制;

b.保证被研究和试验系统的安全性;

c.系统数字仿真试验具有很好的经济性、有效性和方便性;

d.可用于对设计中未来系统性能的预.

1.4建立数学模型和仿真模型的任务

建立数学模型的任务是根据系统仿真目的和原型与模型的数学相似原则构造模型的数学描述。在具体做法上应考虑以下几个问题。

明确仿真目的，考虑数学模型的简化条件，确定数学模型的规模;如果系统是由若干子系统组成，应保证整个系统数学模型的统一性，例如系统的统一坐标系;系统模型的数学描述有明确的逻辑关系，有灵活和可扩充的模型结构;数学模型有利于数值计算程序的设计，尽可能减少计算工作量。

建立仿真模型指的是根据数学模型设计一个可在数字计算机上执行的仿真程序，成为在

数字计算机上“’活的”数学模型。在建立仿真模型时应考虑到以下几个问题：选择数值稳定性高、误差可以控制、计算工作量少和尽可能节省内存空间的算法;吸收计算机硬件和软件系统的新成果、新技术，提高仿真系统的功能，降低造价;引用先进的程序设计技术和技巧，提高仿真软件的可靠性、可扩展性和调试维修方便，具有直观友好的人机界面。

1.5电力系统数字仿真

电力系统数字仿真是系统仿真的一个分支。在电力系统领域，人们很早就采用系统仿真的方法研究电力系统，从直流计算台、交流计算台、电力系统动态模型和模拟计算机等物理仿真到电力系统数字仿真。电力系统的科学研究和试验从来都离不开系统仿真技术。在某种意义上，电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学研究水平。电力系统工作者一般把在物理模型上的仿真称为动态模拟，而在数字计算机上数学模型的试验称为数字仿真。

二、光伏发电系统的建模与仿真

2.1用于光伏发电系统仿真软件的综合比较

由于光伏电池的特殊性质，在光伏发电系统中，整个系统的优化设计十分重要，它是降低系统成本，提高系统可靠性和系统效率的保证。再进行一系列化光伏发电系统或者产品设计时，会形成仿真和计算机辅助设计系统，该系统在技术和经济上都具有广泛的优势。

光伏发电系统的主要元件——光伏电池正处在不断发展和更新换代中，与之相对的系统控制策略也在不断进步，在这种情况下，要想缩短光伏发电系统的设计和开发周期，同时确保其性能优良和可靠，节约成本，就要充分重视相关的计算机仿真和辅助设计技术。

对于光伏发电系统的计算机仿真和辅助设计，首先就是选择仿真平台软件，它是实现仿真和辅助设计的基础。光伏发电系统属于电力电子应用系统的一种，有很多可以用于电力电子应用系统仿真的商用软件，如PSPICE、MATLAB、SABER、SIMPLORER和PSIM等，这些商用软件各有各的特点和适用范围。对于PSPICE来说，其主要应用于电子电路的仿真，虽然人们在PSPICE下实现了电力电子器件模型，但是在将这些模型用于电路仿真并采用比较灵活的控制策略时仍有很大局限性，因此在PSPICE下实现像光伏发电闭环控制这种复杂控制策略，具有相当难度。MA TLAB下的SIMULINK/power system工具包也具有仿真电力电子电路的功能，并且在实现控制策略方面具有很大的优势，但是其采用的功率器件模型过于简单，电力电子主电路建模也不够灵活。SABER和SIMPLORER是功能强大的电力电子仿真软件，作为仿真和设计工具，它们有自己的描述语言，可以进行用户界面开发，适用于长期开发同类产品的设计。但是这一类软件需要较长的学习过程，需要专业的软件工程师来开发和维护，不适合单独的项目研究和短期开发行为。PSIM是针对电力电子电路以及电力拖动而设计的软件，其中的器件都基本采用理想模型，计算速度非常快，虽然不能直接分析复杂的电力电子开关过渡过程，但是用户可以建立自己的器件模型，给建模带来了很大的灵活性。另外，PSIM软件具有C语言和MA TLAB/SIMULINK借口，在容易实现电力电子主电路建模的基础上，充分扩展了控制策略的实现方式，集合了几个仿真软件的优势。PSIM 商用软件的价格相对便宜很多，这也是PSIM的优势之一。

2.2直流变换器中的分岔现象

在电力系统中直流变换器的实际应用过程中会出现大量非线性现象，这些非线性现象大多是由开关器件引起的。这些非线性因素就造成了许多不规则的现象，如电磁噪声、和间歇振荡等，甚至会出现临界运行现象。由于对变换器非线性现象认识的局限性，研究者大多把这些现象认为是随机干扰和系统故障。随着研究的发展，逐渐发现系统的参数变化是引起这些非线性现象的重要原因，并使系统出现分岔、混沌等运行状态。在常规电力系统中已有学者对boost变换器中的分岔、混沌现象进行多种研究，本文利用了电流不连续模型的方法，将其引入到并网光伏系统的boost变换器中，分析其分岔产生的参数条件。电压反馈型boost