混合型风光互补发电运维模拟仿真方法及设备与流程

本发明涉及风光发电模拟仿真领域，具体的说，涉及了一种混合型风光互补发电运维模拟仿真方法及设备。

背景技术：

由于实际运行的光伏、风力新能源发电系统，其直流系统回路存在较高的直流电压，并网后随意操作对电网质量造成侧冲击、带电运行培训存在人员安全隐患，不适合作为安装接线练习、故障模拟仿真的培训环境。

而目前国内主流的新能源发电仿真系统的培训教学中，多使用真实的气象环境检测设备以及固定的组件规模、电气参数等，一般难以对真实运行环境中可能出现的故障进行全面再现，也无法实现通过随意设置当前气象环境、组件数量、设备电气参数来模拟不同场景、不同规模及不同设备型号下的新能源发电系统，所以其不能完全满足现实中复杂的应用环境，导致培训效果不够全面。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种混合型风光互补发电运维模拟仿真方法及设备。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种混合型风光互补发电运维模拟仿真方法，包括以下步骤：

构建环境模型，根据环境模型生成温度参数t、辐照度参数e和风速参数f2；

构建光伏组件选型库，通过光伏组件选型库确定第一关键参数；基于所述温度参数t、所述辐照度参数e和所述第一关键参数，生成单块光伏组件发电信息；通过生成的单块光伏组件发电信息和组件数量，模拟生成光伏方阵发电运行信息；

构建风机库选型库，根据风机库选型库确定第二关键参数；基于所述风速参数f2和所述第二关键参数，模拟生成风力发电机运行信息；

获取所述光伏方阵发电运行信息和所述风力发电机运行信息，根据选择的发电模式进行风光互补发电流程的模拟仿真。

本发明第二方面提供一种混合型风光互补发电运维模拟仿真设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的混合型风光互补发电运维模拟仿真程序，所述混合型风光互补发电运维模拟仿真程序被所述处理器执行时实现如上述的混合型风光互补发电运维模拟仿真方法的步骤。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

1)本发明提供一种混合型风光互补发电运维模拟仿真方法及设备，根据环境模型生成温度参数t、辐照度参数e和风速参数f2，无需借助真实的气象环境检测设备来生成真实环境参数，实现了当前气象环境的动态设置，进而模拟不同场景对应的环境参数；构建光伏组件选型库，通过光伏组件选型库确定第一关键参数，根据风机库选型库确定第二关键参数，无需设置固定的组件规模和电气参数等，通过动态设置当前气象环境、组件数量、设备电气参数来模拟不同场景、不同规模及不同设备型号下的新能源发电系统；本发明能够满足现实中复杂的应用环境，使得培训效果更加全面；

2)本发明可以进行在风电离网发电系统、风电并网发电系统、光伏离网发电系统、光伏并网发电系统、风光互补离网发电系统结构形式下的运行、调试、检修维护等日常工作内容的模拟仿真；

3)所述环境模型包括温度自动模型、辐照度自动模型和风速自动模型，基于温度自动模型计算所述温度参数t，基于辐照度自动模型计算所述辐照度参数e，基于风速自动模型计算所述风速参数f2，实现不同场景对应的环境参数的模拟仿真；

4)可以选择时间倍数(比如10倍、100倍、1000倍等)来加速，以加速推演环境因素对发电量及发电设备运行情况的影响，进而缩短混合型风光互补发电运维模拟仿真占用时间，提高了培训效率；

5)通过人工置位进行故障现象的展示或者在模拟运行操作时自行产生的故障现象，来模拟真实运行环境中所发生的各种故障现象，由于，在并网后即使随意操作对电网质量造成侧冲击、带电运行培训存在人员安全隐患，不适合作为安装接线练习、故障模拟仿真的培训环境。

附图说明

图1是本发明的温度自动模型示意图。

图2是本发明的辐照度自动模型示意图。

图3是本发明的风速自动模型示意图。

图4是本发明的光伏组件计算逻辑模型示意图。

图5是本发明的风力发电机发电计算逻辑模型示意图。

图6是本发明混合型风光互补发电运维模拟仿真方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

一种混合型风光互补发电运维模拟仿真方法，包括以下步骤：

构建环境模型，根据环境模型生成温度参数t、辐照度参数e和风速参数f2；其中，所述环境模型包括温度自动模型、辐照度自动模型和风速自动模型；

构建光伏组件选型库，通过光伏组件选型库确定第一关键参数；基于所述温度参数t、所述辐照度参数e和所述第一关键参数，生成单块光伏组件发电信息；通过生成的单块光伏组件发电信息和组件数量，模拟生成光伏方阵发电运行信息；

构建风机库选型库，根据风机库选型库确定第二关键参数；基于所述风速参数f2和所述第二关键参数，模拟生成风力发电机运行信息；

获取所述光伏方阵发电运行信息和所述风力发电机运行信息，根据选择的发电模式进行风光互补发电流程的模拟仿真。

现有技术中由于使用真实的气象环境检测设备以及固定的组件规模、电气参数等，不能完全满足现实中复杂的应用环境。本申请借助混合型风光互补发电运维模拟仿真方法，动态设置当前气象环境、组件数量、设备电气参数来模拟不同场景、不同规模及不同设备型号下的新能源发电系统，进而动态调整光伏方阵发电运行信息和风力发电机运行信息，也可以对真实运行环境中可能出现的故障进行全面再现。

进一步的，根据环境模型计算温度参数t时，执行：设置温度下限值a1和温度上限值a2，提取时间参数t0；在时间参数t0等于0或者第一预设时间时，所述温度参数t为温度下限值a1；在时间参数t0大于0且小于第一预设时间时，所述温度参数t为a1+(a2-a1)×cos(t0×0.125-90)。

需要说明的是，附图1示出了温度自动模型，基于温度自动模型计算所述温度参数t；将一天内时间按分钟折合成时间参数t0，不同数值区段内设置不同的计算公式，以构建温度自动模型；在确定温度参数t时，可以通过温度自动模型和时间参数t0计算所述温度参数t；也可以自定义温度参数t，，即通过手动可自行调节为固定的数值的控制方式调节环境参数。

具体的，第一预设时间为1440，本实施在此不作限制。

进一步的，根据环境模型计算辐照度参数e时，执行：设置辐照度下限值b1、辐照度上限值为b2，提取时间参数t0；在时间参数t0大于等于0且小于等于第四预设时间，或者时间参数t0大于等于第二预设时间且小于等于第一预设时间时，所述辐照度参数e为辐照度下限值b1；在时间参数t0大于第四预设时间且小于等于第三预设时间时，所述辐照度参数e为b1+(b2-b1)×cos[(t0-420)×0.3-90]；在时间参数t0大于第三预设时间且小于第二预设时间时，所述辐照度参数e为b1+(b2-b1)×cos[(t0-720)×0.214]；其中，所述第一预设时间>所述第二预设时间>所述第三预设时间>所述第四预设时间。

需要说明的是，附图2示出了辐照度自动模型，基于辐照度自动模型计算所述辐照度参数e；首先将一天内时间按分钟折合成时间参数t0，不同数值区段内设置不同的计算公式，以构建辐照度自动模型；在确定辐照度参数e时，可以通过辐照度自动模型和时间参数t0计算所述辐照度参数e；也可以自定义辐照度参数e，即通过手动可自行调节为固定的数值的控制方式调节环境参数。

具体的，所述第一预设时间为1440，所述第二预设时间为1140，所述第三预设时间位720，所述第四预设时间为420；当0≤t0≤420或1140≤t0≤1440时，辐照度e＝辐照度下限值b1；当420＜t0≤720时，辐照度e＝b1+(b2-b1)×cos[(t0-420)×0.3-90]；当720＜t1＜1140时，辐照度e＝b1+(b2-b1)×cos[(t0-720)×0.214]。

进一步的，根据环境模型计算风速参数f2时，执行：设置风速下限值c1、风速上限值c2，提取时间参数t0；在时间参数t0等于0或者第一预设时间时，所述风速参数f2为风速上限值c2；在时间参数t0大于0且小于第一预设时间时，所述风速参数f2为c2+(c2-c1)×cos(t0×0.125+90)。

需要说明的是，附图3示出了风速自动模型，基于风速自动模型计算所述风速参数f2；将一天内时间按分钟折合成时间参数t0，不同数值区段内设置不同的计算公式，以构建风速自动模型；在确定风速参数f2时，可以通过风速自动模型和时间参数t0计算所述风速自动模型；也可以自定义风速参数f2，即通过手动自行调节为固定的数值的控制方式调节环境参数；风级f1根据标准的风级风速对应关系表由风速计算得到，风级f1用于向用户展示当前模拟风级。

具体的，第一预设时间为1440，本实施在此不作限制。

在一种具体实施方式中，模拟一个时间从00：00：00到23：59：59循环变化的电子表，电子表走时速度默认为正常速度，并根据建立的环境变化逻辑算法(温度自动模型、辐照度自动模型和风速自动模型)来模拟不同时段内环境的变化。为了缩短混合型风光互补发电运维模拟仿真过程，可以选择时间倍数(比如10倍、100倍、1000倍等)来加速，以加速推演环境因素对发电量及发电设备运行情况的影响。

附图4示出了本发明的光伏组件计算逻辑模型示意图，表示a)温度对光伏组件性能的影响；

进一步的，所述第一关键参数包括实时最大功率pmax1、实时开路电压voc1、实时短路电流isc1、实时最大功率点工作电压vmpp1和实时最大功率点工作电流impp1，计算公式如下：

实时最大功率pmax1＝pvmax×[(t-25)×kpmax/100+1]；

实时开路电压voc1＝voc×[(t-25)×kvoc/100+1]；

实时短路电流isc1＝isc×[(t-25)×kisc/100+1]；

实时最大功率点工作电压vmpp1＝vmpp×[(t-25)×kvoc/100+1]；

实时最大功率点工作电流impp1＝impp×[(t-25)×kisc/100+1]；

其中，t表示温度参数，pvmax(单位wp)表示预设第一最大功率，kpmax(单位％/℃)表示最大功率温度系数，voc(单位v)表示预设开路电压，kvoc(单位％/℃)表示开路电压温度系数，isc(单位a)表示预设短路电流，kisc(单位％/℃)表示短路电流温度系数，vmpp(单位v)表示预设最大功率点的工作电压，impp(单位a)表示预设最大功率点的工作电流。

可以理解，所述光伏组件选型库包括光伏组件性能参数、电池板规格等信息；设置组串中电池板的数量(组件数量)，并在光伏组件库中选择当前应用的组件，系统会按照选择后的组件数量和组件规格参与发电逻辑计算中。

进一步的，基于所述温度参数t、所述辐照度参数e和所述第一关键参数，生成单块光伏组件发电信息时，执行：所述单块光伏组件发电信息包括单块组件实时发电量pzj1、单块组件实时短路电流izj1sc、单块组件最大功率点工作电压vzj1mpp、单块组件最大功率点工作电流izj1mpp、单块组件实时开路电压vzj1oc，计算公式如下：

单块组件实时发电量pzj1＝e×s×ηm/100；

单块组件实时短路电流izj1sc＝√[pzj1/(pmax1/isc1²)]；

单块组件最大功率点工作电压vzj1mpp＝vmpp1；

单块组件最大功率点工作电流izj1mpp＝pzj1/vzj1mpp；

单块组件实时开路电压vzj1oc＝[arccos(izj1mpp/impp1)]/[90/(voc1-vzj1mpp)]+vzj1mpp；

其中，e表示辐照度参数，s表示单块组件面积，ηm(％)表示组件效率，pmax1表示实时最大功率，isc1表示实时短路电流，vmpp1表示实时最大功率点工作电压，impp1表示实时最大功率点工作电流，voc1表示实时开路电压。

可以理解，输入组件尺寸(l、w、h)，根据组件尺寸l、w计算得到单块组件面积s。

进一步的，通过生成的单块光伏组件发电信息和组件数量，模拟生成光伏方阵发电运行信息时，执行：所述光伏方阵发电运行信息包括光伏方阵实时发电量pfz1、光伏方阵实时短路电流ifz1sc、光伏方阵最大功率点工作电压vfz1mpp、光伏方阵最大功率点工作电流ifz1mpp和光伏方阵实时开路电压vfz1oc，计算公式如下：

光伏方阵实时发电量pfz1＝k1×pzj1；

光伏方阵实时短路电流ifz1sc＝izj1sc；

光伏方阵最大功率点工作电压vfz1mpp＝k1×vzj1mpp；

光伏方阵最大功率点工作电流ifz1mpp＝izj1mpp；

光伏方阵实时开路电压vfz1oc＝k1×vzj1oc；

其中，k1表示组件数量，pzj1表示单块组件实时发电量，izj1sc表示单块组件实时短路电流，vzj1mpp表示单块组件最大功率点工作电压，izj1mpp表示单块组件最大功率点工作电流，vzj1oc表示单块组件实时开路电压。

图5示出了本发明的风力发电机发电计算逻辑模型示意图；

进一步的，基于所述风速参数f2和所述第二关键参数，模拟生成风力发电机运行信息时，执行：在所述风速参数f2小于等于启动风速fqd时，所述实时发电功率pfj、所述实时发电电压ufj和所述实时发电电流ifj均为0；

在所述风速参数f2大于启动风速fqd且小于等于额定风速fe时，实时发电功率pfj＝pwmax×{cos[(f2-fqd)×90/(fe-fqd+2)+180]+1}，实时发电电压ufj＝1.2×ue×cos[(f2-fqd)×90/(fe-fqd+2)-90]，实时发电电流ifj＝pfj/ufj；

在所述风速参数f2大于额定风速fe时，实时发电功率pfj＝pwmax，实时发电电压ufj＝1.2×ue，实时发电电流ifj＝pfj/ufj；

其中，所述第二关键参数包括额定功率p(单位w)、第二最大功率pwmax(单位w)、额定风速fe(单位m/s)、额定转速fez(单位r/min)、启动风速fqd(单位m/s)、工作风速fgd(单位m/s)、风轮直径(单位m)和工作电压ue(单位v)等；所述风力发电机运行信息包括实时发电功率pfj、实时发电电压ufj和实时发电电流ifj。

实施例2

获取所述光伏方阵发电运行信息和所述风力发电机运行信息，根据选择的发电模式进行风光互补发电流程的模拟仿真时，执行：自定义汇流箱、逆变器、控制器、蓄电池及市电的参数，获取所述光伏方阵发电运行信息和所述风力发电机运行信息，计算各种发电模式下的运行信息。

可以理解，发电模式包括风电离网、风电并网、光伏离网、光伏并网、风光互补等发电模式：在发电模式为风电离网时，调用所述风力发电机运行信息，模拟风电离网模式下通过风光互补控制器和离网逆变器为负载用户供电的场景，或者通过风力充电控制器为电池组充电的场景；在发电模式为风电并网时，调用所述风力发电机运行信息，模拟风电并网模式下通过风力并网逆变器为交流电网供电的场景；在发电模式为光伏离网时，调用所述光伏方阵发电运行信息，模拟光伏离网模式下通过光伏汇流箱、风光互补控制器和离网逆变器为负载用户供电的场景，或者通过太阳能控制器为电池组充电的场景；在发电模式为光伏并网时，调用所述光伏方阵发电运行信息，模拟光伏并网模式下通过光伏并网逆变器为交流电网供电的场景；在发电模式为风光互补时，调用所述光伏方阵发电运行信息和所述风力发电机运行信息，模拟风光互补模式下二者同时为负载用户供电的场景或者为交流电网供电的场景。

需要说明的是，风光互补控制器、离网逆变器、电池组、风力充电控制器、太阳能控制器、光伏汇流箱、光伏并网逆变器、风力并网逆变器等，可以为实际硬件设备，即通过软硬件结合实现发电运维模拟仿真过程，也可以通过软件仿真风光互补控制器、离网逆变器、电池组和风力充电控制器等设备，自定义各自运行参数，实现各自的常规功能。

在一种具体实施方式中，根据选定运行模式确定逆变器工作于并网还是离网运行模式，逆变器根据光伏方阵输出电压电流数据和光伏特性曲线关系和实时负载数据进行mppt最大功率点计算并跟踪调节，输出最大功率点工作时按一定效率转换后的交流电压电流数据，预置负载在逆变输出的电压电流数据下工作，根据电压值、负载重新计算实时负载数据，根据实时负载数据重新倒退逆变器输出电压电流数据，重复循环计算至逆变器输出数据较上一次输出偏差≤0.1％，确定逆变器输出功率稳定，进发电计量表、用户计量表数据通讯模块确定发电数据、用电数据、卖电数据整个发电流程的模拟。

在另一种具体实施方式中，根据选定运行模式确定逆变器和控制器工作于并网还是离网运行模式，控制器根据风力发电机组输出电压数据和实时负载数据进行输出电压调节和三相卸荷或制动控制，按一定效率转换为直流输出给逆变器或蓄电池组。逆变器将控制器或蓄电池组提供的电量按一定效率转换后转换为交流电压电流数据，经发电计量、用电计量装置分别供给用户负载或卖给供给电网，实现整个风力发电流程的模拟。

实施例3

本实施例与上述实施例的区别在于，所述混合型风光互补发电运维模拟仿真方法还包括：设置故障类型，根据所述故障类型修改所述光伏方阵发电运行信息和/或所述风力发电机运行信息，以模拟不同故障下风光互补发电运维场景。

可以理解，在系统正常运行的过程中，根据以上建立的模型及逻辑算法，参照附图6中的软件操作流程，从而实现模拟仿真混合型风光互补发电在各种运行模式下的发电信息。具体的，在初始化后，通过模式选择模块选择单机模式(适用于学员机)或者联网模式(适用于教师机)，单机模式只能控制与计算机连接的实训装置和仿真台区，联网模式可以控制多台实训装置和仿真台区；然后，切换发电模式，发电模式包括风电离网、风电并网、光伏离网、光伏并网、风光互补等。确定发电模式后，启动计算机和相应实训装置，计算机在处理器上运行的混合型风光互补发电运维模拟仿真程序，模拟输出相应的光伏方阵发电运行信息和风力发电机运行信息。

如果需要进行故障模拟，可以通过操作控制模块进行光伏组件、逆变器、计量回路中不同点的开路、短路故障的设置，或者通过操作控制模块进行调整风速、辐照度、温度等环境数据，或者增加、减少用户负载输出，进行各种故障现象的模拟。

在系统正常运行过程中，如果通过模拟方式设置故障或者改变开关状态及自产设备状态，可以反映不同故障情况下的运行情况，因为这些状态也会参于到发电逻辑计算中，以此来模拟真实运行环境中所发生的各种故障现象。

需要说明的是，模拟故障分两种情况，一种是人工置位进行故障现象的展示，另一种是在模拟运行操作时自行产生的故障现象。

1)人工置位故障的逻辑说明：

人工置位的故障模拟通过pc人机界面进行光伏组件、逆变器、计量回路中不同点的开路、短路故障设置实现，可以模拟光伏方阵直流开路、汇流输出直流开路、风力发电机输出交流开路、互补控制器直流输出开路、并网逆变器直流输入开路、并网逆变器交流输出开路、380v公共电网失电、储能装置开路、孤岛运行等故障。

在接收到pc端的故障设置命令后，故障的设置状态将会参与到光伏组件的光伏特性曲线计算公式、风机的伏安特性曲线运行公式、控制器交直流转换运行公式、逆变器的逆变输出及mppt跟踪计算公式中，作为变量参与计算，改变各级元件模拟数据输出，并对后级元件的运行数据造成连锁反应，驱动装置表计数据显示、指示灯状态指示、自动装置联跳动作等现象。比如，设置光伏方阵直流开路故障后，汇流箱的输出电压为0，输出功率为0，依此类推，汇流箱的输出电压为0会导致光伏阵列电压、电流为0，综上所述，所设置的任何故障都可以模拟现实应用中的实际故障现象。

2)模拟运行状态下自行故障的逻辑说明：

模拟运行状态下自行发生的故障是在系统自动运行时，通过手动调整风速、辐照度、温度等环境数据，或者增加、减少用户负载输出，从而可能会造成发电量过多或不足，导致各元件发生过压、低压、过流、过频、低频、孤岛运行、孤岛动作、逆变器不输出等故障现象，最终达到模拟现实环境中不同环境或场景下的运行状况。

实施例4

一种混合型风光互补发电运维模拟仿真设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的混合型风光互补发电运维模拟仿真程序，所述混合型风光互补发电运维模拟仿真程序被所述处理器执行时实现如上述的混合型风光互补发电运维模拟仿真方法的步骤。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

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