光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模分析研究

杜強(qiáng)　張小雷　洪楠

摘? 要：針對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)光伏及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模進(jìn)行研究，旨在通過光伏發(fā)電系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的分析，確定動(dòng)態(tài)化的運(yùn)行分析方法，充分發(fā)揮電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果，滿足發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)穩(wěn)定交互及安全運(yùn)行的需求。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);動(dòng)態(tài)建模

中圖分類號(hào)：TM61? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(wǎng)的建設(shè)及發(fā)展，光伏發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電成為行業(yè)的焦點(diǎn)，通過多樣化發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅可以提高發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，也會(huì)降低能源損耗，滿足發(fā)電企業(yè)的可持續(xù)運(yùn)行。在電力企業(yè)運(yùn)行及發(fā)展中，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模，可以改變以往發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式，避免電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)消耗時(shí)間長、計(jì)算機(jī)內(nèi)存大等問題的出現(xiàn)，充分滿足電力行業(yè)的可持續(xù)運(yùn)行需求。因此，在發(fā)電企業(yè)運(yùn)行中，應(yīng)該根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)化仿真模型的構(gòu)建，并在并網(wǎng)系統(tǒng)建立的同時(shí)，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行細(xì)致描述，從而建立可再生的能源系統(tǒng)，而且，通過光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模，可以針對(duì)生態(tài)能源系統(tǒng)的使用狀況確定發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模型，避免以往電力系統(tǒng)運(yùn)行中資源損耗嚴(yán)重的問題，并結(jié)合現(xiàn)代化及可持續(xù)化能源的利用，提高發(fā)電廠的運(yùn)行效率，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行的難度，為發(fā)電企業(yè)的可持續(xù)運(yùn)行提供參考。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要使用太陽能發(fā)電，存在著無噪音、無污染以及能源隨處可利用的優(yōu)勢(shì)。一般情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為：第一，含有蓄電池組的可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在該種系統(tǒng)運(yùn)行中，可以增加蓄電功能，但是，該系統(tǒng)存在著蓄電池壽命短以及價(jià)格較高的問題，因此，可以針對(duì)這些問題構(gòu)建針對(duì)性的處理方案，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的目的。第二，不含蓄電池環(huán)節(jié)的不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)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(dǎo)體材料PN結(jié)的電子特性，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的固態(tài)器件。例如，在光伏電池單二極管模型構(gòu)建中，太陽能電池的電路如圖1所示。

光伏電池等效電路運(yùn)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(lián)電阻;n是二極管特性的因子;k是太陽能電池的串聯(lián)電阻;T是太陽能的電池溫度;Rsh是電池并聯(lián)電阻。

1.2.2 升壓電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的分析，輸出電壓通常通過一級(jí)DC/DC升壓電路提升到逆變電器系統(tǒng)之中，保證發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)定性。在發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行中，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，應(yīng)該細(xì)化各個(gè)系統(tǒng)的操作流程，通過Boost模型的設(shè)計(jì)，可以將電壓控制在合理的范圍內(nèi)，保證電壓在合理的范圍內(nèi)調(diào)整。

1.2.3 逆變電路設(shè)計(jì)

結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，需要對(duì)電網(wǎng)的交流電壓進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電廠電壓的有效控制。為了保證光伏發(fā)電廠運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)該控制電網(wǎng)的電壓及相位，避免系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該調(diào)整電壓性電源系統(tǒng)，通過控制技術(shù)以及并網(wǎng)電流的使用，提高逆變電路的運(yùn)行效率。而且，在逆變器控制方案確定中，應(yīng)該使用電流滯環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行控制，避免并網(wǎng)電流信號(hào)不真實(shí)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.2.4 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模中，通過鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)可以保證并網(wǎng)電流及電壓的穩(wěn)定性。首先，在系統(tǒng)的軟件鎖使用中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP系統(tǒng)的控制，整個(gè)系統(tǒng)操作靈活性較強(qiáng)，而且可以控制軟件并網(wǎng)電流以及并網(wǎng)電壓之間的相位差，達(dá)到對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｆ浯危谲浖i相技術(shù)使用中，可以通過電壓以及電流信號(hào)的獲取，可以提高系統(tǒng)電壓及電流的控制效果，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，其作為一種清潔型的可再生能源，可以滿足發(fā)電企業(yè)的可持續(xù)運(yùn)行需求。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，受到風(fēng)能動(dòng)性的影響，可以利用風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高電力發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在電力企業(yè)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)可再生能源潔凈、建設(shè)周期短的目的，也可以降低設(shè)備維護(hù)成本，滿足發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)使用需求。而且，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，其中的異步發(fā)單機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍較小，而且會(huì)根據(jù)電網(wǎng)的頻率，保證發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模

2.2.1 風(fēng)速建模

風(fēng)能作為可再生能源，存在著密度低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，將其運(yùn)用在發(fā)電系統(tǒng)之中，可以實(shí)現(xiàn)與其他能源的互換。一般情況下，在風(fēng)能資源評(píng)估中，計(jì)算方法如（2）。公式（2）中，？棕（W/m2）為風(fēng)能密度;？籽（kg/m3）為空氣密度;v（m/s）是風(fēng)速。在風(fēng)速模型構(gòu)建中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)速的變化狀態(tài)，描述風(fēng)的波形，逐漸得到精確性的仿真模型，以保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的準(zhǔn)確性。

2.2.2 風(fēng)頻模型

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，風(fēng)速存在著隨機(jī)性以及間接性的特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了更好的描述風(fēng)速以及相關(guān)特性的變化，應(yīng)該結(jié)合風(fēng)頻的變化特點(diǎn)，均衡處理風(fēng)能資源的分布特點(diǎn)，在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速計(jì)算中，其狀態(tài)符合威布爾分布方法，計(jì)算公式如（3）。∧以及K是威布爾尺度系數(shù)以及形狀系數(shù)。在風(fēng)速頻率特性的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建中，可以對(duì)風(fēng)力發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)以及風(fēng)能源分布進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，避免風(fēng)速影響電網(wǎng)發(fā)電功能，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行原理，完善風(fēng)速模型，及時(shí)完成風(fēng)力發(fā)電廠的運(yùn)行及處理需求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電廠的運(yùn)行目的。

3 結(jié)束語

總而言之，在發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建中，通過光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模，可以針對(duì)生態(tài)能源系統(tǒng)的使用狀況確定發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模型，避免以往電力系統(tǒng)運(yùn)行中資源損耗嚴(yán)重的問題，結(jié)合現(xiàn)代化及可持續(xù)化能源的利用，提高發(fā)電廠的運(yùn)行效率，并通過動(dòng)態(tài)建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)控制策略、元件及參數(shù)的設(shè)定，引導(dǎo)電力系統(tǒng)按照動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建，充分滿足發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，為電力系統(tǒng)可再生資源的利用提供支持。

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