光伏和风力发电系统的动态建模分析研究

    杜强　张小雷　洪楠

    

    

    

    摘? 要：针对电力系统的运行特点，对光伏及风力发电系统的动态建模进行研究，旨在通过光伏发电系统以及风力发电系统运行状况的分析，确定动态化的运行分析方法，充分发挥电力系统的运行效果，满足发电系统与电网稳定交互及安全运行的需求。

    关键词：光伏发电系统;风力发电系统;动态建模

    中图分类号：TM61? ? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：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

    伴随智能电网的建设及发展，光伏发电机风力发电成为行业的焦点，通过多样化发电系统的构建，不仅可以提高发电系统的运行效率，也会降低能源损耗，满足发电企业的可持续运行。在电力企业运行及发展中，通过光伏发电系统以及风力发电系统的动态建模，可以改变以往发电系统的运行模式，避免电力系统运行中出现消耗时间长、计算机内存大等问题的出现，充分满足电力行业的可持续运行需求。因此，在发电企业运行中，应该根据光伏发电系统以及风力发电系统的运行状况，进行动态化仿真模型的构建，并在并网系统建立的同时，对发电系统的运行模式进行细致描述，从而建立可再生的能源系统，而且，通过光伏和风力发电系统的动态建模，可以针对生态能源系统的使用状况确定发电系统的运行模型，避免以往电力系统运行中资源损耗严重的问题，并结合现代化及可持续化能源的利用，提高发电厂的运行效率，有效降低系统运行的难度，为发电企业的可持续运行提供参考。

    1 光伏发电系统的动态建模

    1.1 光伏发电系统

    光伏发电系统主要使用太阳能发电，存在着无噪音、无污染以及能源随处可利用的优势。一般情况下，光伏发电系统可以分为：第一，含有蓄电池组的可调度式光伏发电系统，在该种系统运行中，可以增加蓄电功能，但是，该系统存在着蓄电池寿命短以及价格较高的问题，因此，可以针对这些问题构建针对性的处理方案，以实现光伏发电系统运行的目的。第二，不含蓄电池环节的不可调度式光伏发电系统。

    1.2 光伏发电系统的动态建模

    1.2.1 光伏电池模型

    在光伏电池模型建立中，一般使用半导体材料PN结的电子特性，将太阳能直接转换为电能的固态器件。例如，在光伏电池单二极管模型构建中，太阳能电池的电路如图1所示。

    光伏电池等效电路运行中的电流方程式如（1）。公式（1）中，I是太阳能电池的输出量;V是太阳能电池的工作电压;Iph为光生电池;I0是二极管饱和电流，q是电子的电荷量，为1.6×1019C;Rs是太阳能电池的串联电阻;n是二极管特性的因子;k是太阳能电池的串联电阻;T是太阳能的电池温度;Rsh是电池并联电阻。

    1.2.2 升压电路设计

    通过对光伏发电系统运行状况的分析，输出电压通常通过一级DC/DC升压电路提升到逆变电器系统之中，保证发电机电压的稳定性。在发电系统的运行中，为了提高系统的运行效率，应该细化各个系统的操作流程，通过Boost模型的设计，可以将电压控制在合理的范围内，保证电压在合理的范围内调整。

    1.2.3 逆变电路设计

    结合光伏发电系统的运行状况，需要对电网的交流电压进行调整，实现对发电厂电压的有效控制。为了保证光伏发电厂运行的稳定性，应该控制电网的电压及相位，避免系统运行不稳定现象的出现。因此，在光伏并网系统设计中，应该调整电压性电源系统，通过控制技术以及并网电流的使用，提高逆变电路的运行效率。而且，在逆变器控制方案确定中，应该使用电流滞环反馈系统进行控制，避免并网电流信号不真实现象的出现。

    1.2.4 锁相环设计

    在光伏发电系统的动态建模中，通过锁相环的设计可以保证并网电流及电压的稳定性。首先，在系统的软件锁使用中，可以实现对DSP系统的控制，整个系统操作灵活性较强，而且可以控制软件并网电流以及并网电压之间的相位差，达到对电网补偿的目的。其次，在软件锁相技术使用中，可以通过电压以及电流信号的获取，可以提高系统电压及电流的控制效果，提高光伏发电系统的运行效率。

    2 风力发电系统的动态建模

    2.1 风力发电系统

    风力发电系统运行中，其作为一种清洁型的可再生能源，可以满足发电企业的可持续运行需求。在风力发电系统运行中，受到风能动性的影响，可以利用风轮机将风能转化为机械能，提高电力发动机的运行效率。将风力发电系统运行在电力企业中，不仅可以实现可再生能源洁净、建设周期短的目的，也可以降低设备维护成本，满足发电系统的可持续使用需求。而且，在风力发电系统运行中，其中的异步发单机转速的波动范围较小，而且会根据电网的频率，保證发电系统运行的稳定性。

    2.2 风力发电系统的动态建模

    2.2.1 风速建模

    风能作为可再生能源，存在着密度低、稳定性差的特点，将其运用在发电系统之中，可以实现与其他能源的互换。一般情况下，在风能资源评估中，计算方法如（2）。公式（2）中，？棕（W/m2）为风能密度;？籽（kg/m3）为空气密度;v（m/s）是风速。在风速模型构建中，风力发电系统可以根据风速的变化状态，描述风的波形，逐渐得到精确性的仿真模型，以保证风力发电系统动态建模的准确性。

    2.2.2 风频模型

    在风力发电系统运行中，风速存在着随机性以及间接性的特点，风力发电系统为了更好的描述风速以及相关特性的变化，应该结合风频的变化特点，均衡处理风能资源的分布特点，在风电场风速计算中，其状态符合威布尔分布方法，计算公式如（3）。∧以及K是威布尔尺度系数以及形状系数。在风速频率特性的数学模型构建中，可以对风力发现系统的风电场以及风能源分布进行综合评价，避免风速影响电网发电功能，实现电力企业的可持续发展。

    通过风力发电系统的构建，会根据系统的运行状态以及运行原理，完善风速模型，及时完成风力发电厂的运行及处理需求，实现风力发电厂的运行目的。

    3 结束语

    总而言之，在发电系统构建中，通过光伏和风力发电系统的动态建模，可以针对生态能源系统的使用状况确定发电系统的运行模型，避免以往电力系统运行中资源损耗严重的问题，结合现代化及可持续化能源的利用，提高发电厂的运行效率，并通过动态建模系统的设计，实现对发电系统控制策略、元件及参数的设定，引导电力系统按照动态模型进行仿真计算，实现电力系统的网络化构建，充分满足发电系统的安全、稳定运行，为电力系统可再生资源的利用提供支持。

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