CN112217204B - 包含波浪能发电装置的微网仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含波浪能发电装置的微网仿真方法，先对波浪能发电***进行仿真，并获取波浪能发电***模型，然后采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模，获得光伏及储能模型，光伏及储能模型生成电网三相分量注入到微网模型中；构建光伏及储能子微网能量管理策略模型后，将波浪能发电***模型并入到微网模型中，由光伏及储能子微网能量管理策略模型对并网后的微网模型进行仿真分析，通过仿真分析的方式解决了波浪能并入微网后与光伏以及储能方面耦合难的问题，保证了微网的可靠运行，为未来波浪能实际应用到微网中提供理论基础。

Description

包含波浪能发电装置的微网仿真方法
技术领域
本发明涉及电力***仿真技术领域，特别涉及一种包含波浪能发电装置的微网仿真方法。
背景技术
波浪能是海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最重要的能源之一，而由于南海诸岛地理位置上远离大陆，供电主要靠燃油发电，用电成本较高，并且对环境污染较大，因此作为可再生清洁能源的波浪能，在未来将会成为深渊孤岛的主要供能方式，而微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电***，凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行、降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量，将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一，因此对于接入波浪能发电装置的微网***的仿真测试就显得尤为重要。
公开号为CN107403047A的一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台及仿真方法，公开了包含太阳能以及风能等分布式电源的微网的仿真方法，其虽然涉及到包含分布式电源的微网的仿真，但其分布式电源并不包含波浪能发电装置，无法实现含波浪能发电装置的微网的仿真，即无法为波浪能的实际应用提高指导。
公开号为CN209044031U的一种便携式波浪能发电仿真测试装置，公开了仿真测试主机、信号转换箱以及功率放大器，通过仿真测试主机模拟波浪能发电时的电信号，并通过信号转换箱以及功率放大器以及功率放大器的联合作用将所模拟的信号传输至电力二次设备中，模拟波浪能发电***接入对实际电网的影响，其仅公开了部分硬件设备，对于仿真过程中模型的建立以及能量的管理并没有涉及，仅属于硬件层面的内容，无法完全实现波浪能的仿真和测试。
电工技术刊号为Cn50-1072/tm的《波浪能发电***的建模与仿真》中，仅是对波浪能发电***进行建模与仿真，而在海岛微电网***中，不仅包含波浪能发电机等常规电源，也包含光伏、储能等分布式新能源发电装置，如何对包含多种类型电源的微电网进行建模并保证其可靠运行成为了一个待解决的问题。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种包含波浪能发电装置的微网仿真方法，可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是这样实现的：
包含波浪能发电装置的微网仿真方法，基于机电电磁暂态仿真平台进行仿真，包括以下步骤：
步骤S1、在机电电磁暂态仿真平台上对波浪能发电***进行仿真，获得波浪能发电***模型；
步骤S2、采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模，获得光伏及储能模型，光伏及储能模型生成电网三相分量注入到微网模型中；
步骤S3、构建光伏及储能子微网能量管理策略模型；
步骤S4、将波浪能发电***模型并入到微网模型中，由光伏及储能子微网能量管理策略模型对并网后的微网模型进行仿真分析。
所述步骤S1中对波浪能发电***进行仿真包括对蓄能器及其特性、液压马达及其输出转矩、永磁发电机及其负载进行仿真。
所述步骤S2在采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模前，需要采集模型参数，所述光伏***的技术参数包括开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流、光照强度、环境温度，所述储能***的技术参数包括电池容量、额定电流、额定电压、开路电压、电池内阻、环境温度、最大充电功率、最大放电功率。
所述步骤S2的光伏及储能模型包括有功/无功功率控制模型以及并网电流源控制模型。
所述有功/无功功率控制模型的具体步骤包括：
步骤S21、获取有功参数值Pref；
步骤S22、根据运行控制字确定是闭环环节还是开环环节，若是闭环环节，则转步骤S23、若是开环环节，转步骤S24；
步骤S23、将有功参数值Pref减去当前输出有功的测量值，得到有功偏差后，经过比例积分环节后得到有功电流指令Ipcmd；
步骤S24、将有功参数值Pref除以并网点处电压后，经过惯性环节获得有功电流指令Ipcmd。
所述并网电流源控制模型根据有功/无功功率控制模型生成的有功电流指令Ipcmd，产生所需的注入电流并入电网，其具体步骤为：
步骤S25、将有功电流指令Ipcmd输入惯性环节；
步骤S26、将惯性环节输出的电流参数与并网点测量电压Vt输入到高电压穿越判断逻辑环节中，高电压穿越判断逻辑环节将输入转换成电网三相分量并注入电网。
所述步骤S3的光伏及储能子微网能量管理策略模型包括模型输入、策略模式选择以及模型输出。
所述模型输入包括子微网符合功率、当前储能功率、当前光伏功率、策略模式控制字、上层功率服从指令、上层光伏消纳指令，所述模型输出包括储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率。
所述策略模式包括功率服从模式、消纳服从模式以及内部平衡模式，
所述功率服从模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000031
所述消纳服从模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000032
所述内部平衡模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000033
其中P0、Q0为子微网光伏***的实时功率，P1、Q1为子微网符合的实时有功和无功功率，Pin、Qin为上层能量管理策略发来的功率服从指令，Pout、Qout为电池储能***的有功和无功参考定值，K为子微网光伏消纳率。
所述步骤S4将波浪能发电***模型并入到微网模型中后，由光伏及储能子微网能量管理策略模型进行处理并生成储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种包含波浪能发电装置的微网仿真方法，可以对并网后的波浪能、光伏以及储能等多种能源多个模块进行耦合仿真，为实际使用提供理论支持，保证实际使用下的微网的可靠运行，实现了包含波浪能发电装置的微网控制策略验证、微网运行分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的流程图；
图2为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的光伏发电***结构示意图；
图3为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的光伏/储能模型的功能划分示意图；
图4为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的光伏/储能模型的有功/无功功率控制模型的功能框图；
图5为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的光伏/储能模型的有功/无功功率控制模型的流程图；
图6为本发明的包含波浪能发电装置的微网仿真方法的光伏/储能模型的并网电流源控制模型的功能框图。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，基于机电电磁暂态仿真平台进行仿真，包括以下步骤：
步骤S1、在机电电磁暂态仿真平台上对波浪能发电***进行仿真，获得波浪能发电***模型；
优选的，所述步骤S1中对波浪能发电***进行仿真包括对蓄能器及其特性、液压马达及其输出转矩、永磁发电机及其负载进行仿真。
步骤S2、采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模，获得光伏及储能模型，光伏及储能模型生成电网三相分量注入到微网模型中；
对于本发明来说光伏和储能***的建模采用外特性等值建模方式进行相关的建模工作，原因是光伏和储能等新能源发电***最终都需要采用四象限变流器才能接入电网；从接入点往外看，其相当于一个可控电流源向电网注入或者吸收电能，目前，电网接入点的四象限变流器大多采用PQ解耦的控制方式，可以针对电流分量中的有功和无功分量分别进行控制，在建模前，需要对光伏和储能的模型参数进行采集，所采集的参数主要是物理组件的额定参数，其中光伏***的参数如下：
Figure GDA0002746718710000051
储能***的参数如下：
Figure GDA0002746718710000061
采集参数后，需要确定相关模型控制逻辑，光伏和储能在组成结构上由相似之处，以下以光伏为例，参照图2所示的光伏发电***结构示意图，光伏面板组件PV经过稳压电容C后与逆变器DC/AC相连，再经过滤波器后并入电网，如果是储能***，则将光伏电池更换成储能电池即可，光伏/储能模型可以划分成有功/无功功率控制模型以及并网电流源控制模型，如图3所示，对于光伏***来说，其有功输出取决于光伏电池面板对太阳能的转换效果；对于储能***来说，其有功输出取决于其储能电池电量SOC水平以及上层控制***发过来的功率控制信号(如后面介绍的子微网能量管理策略)，光伏/储能***一般只输出有功功率，所以无功参考值一般设置为0。
对于光伏***，有如下光伏组件的实用工程模型方程：
Figure GDA0002746718710000062
其中，
Figure GDA0002746718710000063
Figure GDA0002746718710000064
式中，ISC、VOC、IM、VM分别是技术参数中的短路电流，开路电压、最大功率电流和最大功率电压，代入上述公式即可求出光伏面板的运行曲线和最大可输出功率点的数值。
通过求出C1和C2在代入上式，即可求出光伏电池在标准试验条件下的I-V曲线。由于I-V曲线在不同的光照强度S和电池温度T下是会变化的，所以还需要根据不同光照强度和电池温度来确定一组I-V曲线。令光照强度参考值
Figure GDA0002746718710000074
则有如下计算公式：
Figure GDA0002746718710000075
Figure GDA0002746718710000071
Figure GDA0002746718710000072
Figure GDA0002746718710000076
Figure GDA0002746718710000073
Figure GDA0002746718710000077
其中，系数a、b、c的典型值分别为0.0025、0.5和0.00288，通过上述公式，求出不同光照强度和温度情况下的ISC、VOC、IM、VM、，即可最终求得一系列I-V特性曲线。
有功/无功(PQ)功率控制模型用来模拟并网逆变器的相关控制逻辑，其功能框图如图4所示，具体的控制流程如图5所示，步骤包括：
步骤S21、由光伏面板运行曲线或子微网能量管理策略***获取有功参数值Pref；
步骤S22、根据运行控制字确定是闭环环节还是开环环节，若是闭环环节，则转步骤S23、若是开环环节，转步骤S24；
步骤S23、将有功参数值Pref减去当前输出有功的测量值，得到有功偏差后，经过比例积分环节后得到有功电流指令Ipcmd；
步骤S24、将有功参数值Pref除以并网点处电压后，经过惯性环节获得有功电流指令Ipcmd。
并网电流源控制模型的功能是根据PQ功率控制模型发来的电流指令，产生所需的注入电流并入电网，其功能框图如图6所示，其具体步骤为：
步骤S25、有功电流指令Ipcmd和无功电流指令Iqcmd输入惯性环节，用来模拟逆变器的滞后效应；
步骤S26、将惯性环节输出的电流参数与并网点测量电压Vt输入到高/低电压穿越判断逻辑环节中，用来模拟高/低电压情况下光伏/储能***的保护功能，最后将有功/无功电流指令转换成电网三相分量并注入电网。
步骤S3、构建光伏及储能子微网能量管理策略模型；
所述步骤S3的光伏及储能子微网能量管理策略模型包括模型输入、策略模式选择以及模型输出。
优选的，所述模型输入包括子微网符合功率、当前储能功率、当前光伏功率、策略模式控制字、上层功率服从指令、上层光伏消纳指令，所述模型输出包括储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率，储能有功指令直接作为储能控制***的输入；断路器分合信号可用来跳开子微网和主网的联网开关；当前光伏消纳率则对应消纳模式下的功率分配效果。
对于符合、储能和光伏功率数值，可通过将测量元件如功率表串接在对应支路，并将其信号引入模型来实现，策略模式控制字由人工指定，如1对应功率服从模式、2对应消纳服从模式，3对应内部平衡模式，上层功率服从指令由人工指定，如有功10Mw、无功2MVar的含义为主网向子微网输入10Mw和2MVar无功，上层光伏消纳率指令由人工指定，如0.7的含义是光伏发电功率的70％由上层电网消纳。
对于策略模式而言，其包括功率服从模式、消纳服从模式、子微网内部平衡模式，在功率服从模式下，子微网能量管理器的目标为：通过控制储能模块的功率，在满足本地负载的前提下，根据上层能量管理器下发的P、Q指令尽量满足上层管理器的需求；在消纳服从模式下，能量管理器根据上层控制器的下发命令，改变光储***的输出功率，从而改变用于本地负载与提供给上层电网的功率比例，尽量满足“子微网光伏消纳率”与“上层电网光伏消纳率”；在内部平衡模式下，子微网能量管理器的目标为：通过控制储能模块的功率，不考虑上层能量管理器的需求，使子微网内部的发电与用电量达到平衡，从而尽量减少能量交换。
所述功率服从模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000091
所述消纳服从模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000092
所述内部平衡模式的控制逻辑为：
Figure GDA0002746718710000093
其中P0、Q0为子微网光伏***的实时功率，P1、Q1为子微网符合的实时有功和无功功率，Pin、Qin为上层能量管理策略发来的功率服从指令，Pout、Qout为电池储能***的有功和无功参考定值，K为子微网光伏消纳率。
光伏及储能子微网能量管理策略模型在仿真软件模型中属于自定义控制模型，在仿真的每个步长中，除了会求解电网常规网络的模型如发电机、线路或者变压器外，还会将各种控制模型进行统一求解，如前述的光伏/储能控制器以及光伏及储能子微网能量管理策略模型，由于光伏及储能子微网能量管理策略模型的输出量包括储能有功指令，所以会先求解该策略模型得到指令值后再运行储能的相关控制逻辑，进而调节储能***的功率输出。
步骤S4、将波浪能发电***模型并入到微网模型中，由光伏及储能子微网能量管理策略模型对并网后的微网模型进行仿真分析。
所述步骤S4将波浪能发电***模型并入到微网模型中后，由光伏及储能子微网能量管理策略模型进行处理并生成储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率。
所生成的指令可以用于调节光伏以及储能***的输出，使得并入波浪能后的微电网可以兼容多种能源的使用，保证微电网的可靠运行，当波浪能电源正常发电并顺利并网的情况下，如果工作在功率服从模式或消纳服从模式，子微网能量管理器所接收的PQ指令数值都将有所降低；工作在子微网内部平衡模式时不受影响，因为其不考虑上层管理策略所下发的指令。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.包含波浪能发电装置的微网仿真方法，基于机电电磁暂态仿真平台进行仿真，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在机电电磁暂态仿真平台上对波浪能发电***进行仿真，获得波浪能发电***模型；
步骤S2、采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模，获得光伏及储能模型，光伏及储能模型生成电网三相分量注入到微网模型中；
步骤S3、构建光伏及储能子微网能量管理策略模型；
步骤S4、将波浪能发电***模型并入到微网模型中，由光伏及储能子微网能量管理策略模型对并网后的微网模型进行仿真分析；
所述步骤S2的光伏及储能模型包括有功/无功功率控制模型以及并网电流源控制模型；所述有功/无功功率控制模型的具体步骤包括：
步骤S21、获取有功参数值Pref；
步骤S22、根据运行控制字确定是闭环环节还是开环环节，若是闭环环节，则转步骤S23、若是开环环节，转步骤S24；
步骤S23、将有功参数值Pref减去当前输出有功的测量值，得到有功偏差后，经过比例积分环节后得到有功电流指令Ipcmd；
步骤S24、将有功参数值Pref除以并网点处电压后，经过惯性环节获得有功电流指令Ipcmd。
2.根据权利要求1所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中对波浪能发电***进行仿真包括对蓄能器及其特性、液压马达及其输出转矩、永磁发电机及其负载进行仿真。
3.根据权利要求1或2所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述步骤S2在采用外特性等值建模法对光伏和储能***进行建模前，需要采集模型参数，所述光伏***的技术参数包括开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流、光照强度、环境温度，所述储能***的技术参数包括电池容量、额定电流、额定电压、开路电压、电池内阻、环境温度、最大充电功率、最大放电功率。
4.根据权利要求1所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述并网电流源控制模型根据有功/无功功率控制模型生成的有功电流指令Ipcmd，产生所需的注入电流并入电网，其具体步骤为：
步骤S25、将有功电流指令Ipcmd输入惯性环节；
步骤S26、将惯性环节输出的电流参数与并网点测量电压Vt输入到高电压穿越判断逻辑环节中，高电压穿越判断逻辑环节将输入转换成电网三相分量并注入电网。
5.根据权利要求1所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述步骤S3的光伏及储能子微网能量管理策略模型包括模型输入、策略模式选择以及模型输出。
6.根据权利要求5所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述模型输入包括子微网符合功率、当前储能功率、当前光伏功率、策略模式控制字、上层功率服从指令、上层光伏消纳指令，所述模型输出包括储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率。
7.根据权利要求5所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述策略模式包括功率服从模式、消纳服从模式以及内部平衡模式，所述功率服从模式的控制逻辑为：
Figure FDA0003620488800000021
所述消纳服从模式的控制逻辑为：
Figure FDA0003620488800000022
所述内部平衡模式的控制逻辑为：
Figure FDA0003620488800000023
其中P0、Q0为子微网光伏***的实时功率，P1、Q1为子微网符合的实时有功和无功功率，Pin、Qin为上层能量管理策略发来的功率服从指令，Pout、Qout为电池储能***的有功和无功参考定值，K为子微网光伏消纳率。
8.根据权利要求6所述的包含波浪能发电装置的微网仿真方法，其特征在于，所述步骤S4将波浪能发电***模型并入到微网模型中后，由光伏及储能子微网能量管理策略模型进行处理并生成储能有功指令、断路器分合信号以及当前光伏消纳率。
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