光伏和風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)建模分析研究

杜強　張小雷　洪楠

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

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

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(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。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(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的目的。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，一般使用半導體材料PN結的電子特性，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(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 升壓電路設計

通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)之中，保證發(fā)電機電壓的穩(wěn)定性。在發(fā)電系統(tǒng)的運行中，為了提高系統(tǒng)的運行效率，應該細化各個系統(tǒng)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(nèi)，保證電壓在合理的范圍內(nèi)調(diào)整。

1.2.3 逆變電路設計

結合光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況，需要對電網(wǎng)的交流電壓進行調(diào)整，實現(xiàn)對發(fā)電廠電壓的有效控制。為了保證光伏發(fā)電廠運行的穩(wěn)定性，應該控制電網(wǎng)的電壓及相位，避免系統(tǒng)運行不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設計中，應該調(diào)整電壓性電源系統(tǒng)，通過控制技術以及并網(wǎng)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(huán)反饋系統(tǒng)進行控制，避免并網(wǎng)電流信號不真實現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.2.4 鎖相環(huán)設計

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)建模中，通過鎖相環(huán)的設計可以保證并網(wǎng)電流及電壓的穩(wěn)定性。首先，在系統(tǒng)的軟件鎖使用中，可以實現(xiàn)對DSP系統(tǒng)的控制，整個系統(tǒng)操作靈活性較強，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，達到對電網(wǎng)補償?shù)哪康?。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(tǒng)電壓及電流的控制效果，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)建模

2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，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)運行需求。在風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，受到風能動性的影響，可以利用風輪機將風能轉(zhuǎn)化為機械能，提高電力發(fā)動機的運行效率。將風力發(fā)電系統(tǒng)運行在電力企業(yè)中，不僅可以實現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)使用需求。而且，在風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，其中的異步發(fā)單機轉(zhuǎn)速的波動范圍較小，而且會根據(jù)電網(wǎng)的頻率，保證發(fā)電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)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(wěn)定性差的特點，將其運用在發(fā)電系統(tǒng)之中，可以實現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)風速的變化狀態(tài)，描述風的波形，逐漸得到精確性的仿真模型，以保證風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)建模的準確性。

2.2.2 風頻模型

在風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，風速存在著隨機性以及間接性的特點，風力發(fā)電系統(tǒng)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(tài)符合威布爾分布方法，計算公式如（3）?！囊约癒是威布爾尺度系數(shù)以及形狀系數(shù)。在風速頻率特性的數(shù)學模型構建中，可以對風力發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(wǎng)發(fā)電功能，實現(xiàn)電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

通過風力發(fā)電系統(tǒng)的構建，會根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及運行原理，完善風速模型，及時完成風力發(fā)電廠的運行及處理需求，實現(xiàn)風力發(fā)電廠的運行目的。

3 結束語

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

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