光伏和風力發電系統的動態建模分析研究

杜強　張小雷　洪楠

摘? 要：針對電力系統的運行特點，對光伏及風力發電系統的動態建模進行研究，旨在通過光伏發電系統以及風力發電系統運行狀況的分析，確定動態化的運行分析方法，充分發揮電力系統的運行效果，滿足發電系統與電網穩定交互及安全運行的需求。

關鍵詞：光伏發電系統;風力發電系統;動態建模

中圖分類號：TM61? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0066-02

Abstract： According to the operation characteristics of power system， the dynamic modeling of photovoltaic and wind power generation system is studied， in order to determine the dynamic operation analysis method through the analysis of the operation status of photovoltaic system and wind power generation system， give full play to the operation effect of the power system， and meet the needs of stable interaction and safe operation between the power generation system and the power grid.

Keywords： photovoltaic system; wind power system; dynamic modeling

伴隨智能電網的建設及發展，光伏發電機風力發電成為行業的焦點，通過多樣化發電系統的構建，不僅可以提高發電系統的運行效率，也會降低能源損耗，滿足發電企業的可持續運行。在電力企業運行及發展中，通過光伏發電系統以及風力發電系統的動態建模，可以改變以往發電系統的運行模式，避免電力系統運行中出現消耗時間長、計算機內存大等問題的出現，充分滿足電力行業的可持續運行需求。因此，在發電企業運行中，應該根據光伏發電系統以及風力發電系統的運行狀況，進行動態化仿真模型的構建，并在并網系統建立的同時，對發電系統的運行模式進行細致描述，從而建立可再生的能源系統，而且，通過光伏和風力發電系統的動態建模，可以針對生態能源系統的使用狀況確定發電系統的運行模型，避免以往電力系統運行中資源損耗嚴重的問題，并結合現代化及可持續化能源的利用，提高發電廠的運行效率，有效降低系統運行的難度，為發電企業的可持續運行提供參考。

1 光伏發電系統的動態建模

1.1 光伏發電系統

光伏發電系統主要使用太陽能發電，存在著無噪音、無污染以及能源隨處可利用的優勢。一般情況下，光伏發電系統可以分為：第一，含有蓄電池組的可調度式光伏發電系統，在該種系統運行中，可以增加蓄電功能，但是，該系統存在著蓄電池壽命短以及價格較高的問題，因此，可以針對這些問題構建針對性的處理方案，以實現光伏發電系統運行的目的。第二，不含蓄電池環節的不可調度式光伏發電系統。

1.2 光伏發電系統的動態建模

1.2.1 光伏電池模型

在光伏電池模型建立中，一般使用半導體材料PN結的電子特性，將太陽能直接轉換為電能的固態器件。例如，在光伏電池單二極管模型構建中，太陽能電池的電路如圖1所示。

光伏電池等效電路運行中的電流方程式如（1）。公式（1）中，I是太陽能電池的輸出量;V是太陽能電池的工作電壓;Iph為光生電池;I0是二極管飽和電流，q是電子的電荷量，為1.6×1019C;Rs是太陽能電池的串聯電阻;n是二極管特性的因子;k是太陽能電池的串聯電阻;T是太陽能的電池溫度;Rsh是電池并聯電阻。

1.2.2 升壓電路設計

通過對光伏發電系統運行狀況的分析，輸出電壓通常通過一級DC/DC升壓電路提升到逆變電器系統之中，保證發電機電壓的穩定性。在發電系統的運行中，為了提高系統的運行效率，應該細化各個系統的操作流程，通過Boost模型的設計，可以將電壓控制在合理的范圍內，保證電壓在合理的范圍內調整。

1.2.3 逆變電路設計

結合光伏發電系統的運行狀況，需要對電網的交流電壓進行調整，實現對發電廠電壓的有效控制。為了保證光伏發電廠運行的穩定性，應該控制電網的電壓及相位，避免系統運行不穩定現象的出現。因此，在光伏并網系統設計中，應該調整電壓性電源系統，通過控制技術以及并網電流的使用，提高逆變電路的運行效率。而且，在逆變器控制方案確定中，應該使用電流滯環反饋系統進行控制，避免并網電流信號不真實現象的出現。

1.2.4 鎖相環設計

在光伏發電系統的動態建模中，通過鎖相環的設計可以保證并網電流及電壓的穩定性。首先，在系統的軟件鎖使用中，可以實現對DSP系統的控制，整個系統操作靈活性較強，而且可以控制軟件并網電流以及并網電壓之間的相位差，達到對電網補償的目的。其次，在軟件鎖相技術使用中，可以通過電壓以及電流信號的獲取，可以提高系統電壓及電流的控制效果，提高光伏發電系統的運行效率。

2 風力發電系統的動態建模

2.1 風力發電系統

風力發電系統運行中，其作為一種清潔型的可再生能源，可以滿足發電企業的可持續運行需求。在風力發電系統運行中，受到風能動性的影響，可以利用風輪機將風能轉化為機械能，提高電力發動機的運行效率。將風力發電系統運行在電力企業中，不僅可以實現可再生能源潔凈、建設周期短的目的，也可以降低設備維護成本，滿足發電系統的可持續使用需求。而且，在風力發電系統運行中，其中的異步發單機轉速的波動范圍較小，而且會根據電網的頻率，保證發電系統運行的穩定性。

2.2 風力發電系統的動態建模

2.2.1 風速建模

風能作為可再生能源，存在著密度低、穩定性差的特點，將其運用在發電系統之中，可以實現與其他能源的互換。一般情況下，在風能資源評估中，計算方法如（2）。公式（2）中，？棕（W/m2）為風能密度;？籽（kg/m3）為空氣密度;v（m/s）是風速。在風速模型構建中，風力發電系統可以根據風速的變化狀態，描述風的波形，逐漸得到精確性的仿真模型，以保證風力發電系統動態建模的準確性。

2.2.2 風頻模型

在風力發電系統運行中，風速存在著隨機性以及間接性的特點，風力發電系統為了更好的描述風速以及相關特性的變化，應該結合風頻的變化特點，均衡處理風能資源的分布特點，在風電場風速計算中，其狀態符合威布爾分布方法，計算公式如（3）。∧以及K是威布爾尺度系數以及形狀系數。在風速頻率特性的數學模型構建中，可以對風力發現系統的風電場以及風能源分布進行綜合評價，避免風速影響電網發電功能，實現電力企業的可持續發展。

通過風力發電系統的構建，會根據系統的運行狀態以及運行原理，完善風速模型，及時完成風力發電廠的運行及處理需求，實現風力發電廠的運行目的。

3 結束語

總而言之，在發電系統構建中，通過光伏和風力發電系統的動態建模，可以針對生態能源系統的使用狀況確定發電系統的運行模型，避免以往電力系統運行中資源損耗嚴重的問題，結合現代化及可持續化能源的利用，提高發電廠的運行效率，并通過動態建模系統的設計，實現對發電系統控制策略、元件及參數的設定，引導電力系統按照動態模型進行仿真計算，實現電力系統的網絡化構建，充分滿足發電系統的安全、穩定運行，為電力系統可再生資源的利用提供支持。

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