CN104679094A - 一种直流微电网中光伏发电功率控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流微电网中的光伏发电技术，旨在提供一种直流微电网中光伏发电功率控制系统及方法。该系统包括光伏发电功率控制器，由下垂控制模块、光伏功率-电压曲线拟合模块、额定点功率控制模块和电压电流内环控制模块组成，并以电连接的方式组成闭合回路：光伏功率-电压曲线拟合模块同时还与电压电流内环控制模块电连接以传递光伏直流母线电压参考值，并由后者输出脉宽调制信号。本发明是一种集多种功能于一体的统一控制结构，可运行于并网和孤岛二种状态。并网状态时光伏发电可运行在最大功率跟踪模式或定功率跟踪模式；孤岛状态时光伏发电可运行在最大功率跟踪模式或下垂控制模式，还可参与直流微电网的二次调压。

Description

一种直流微电网中光伏发电功率控制系统及方法

技术领域

本发明涉及直流微电网中的光伏发电技术领域，具体地，涉及一种直流微电网中光伏发电功率控制系统及方法。

背景技术

当前，基于可再生能源的分布式发电技术在世界范围内得到了广泛的重视和发展，尤其是光伏发电技术。为了利用分布式发电技术的某些互补特性，微电网作为一种有效集成、高效利用可再生能源的方式，受到大量研究。目前，微电网主要以交流微电网的形式存在，但直流微电网相较于交流微电网有着不少优势，如不需考虑频率和相位问题、只需控制直流母线电压、更少的变流装置、连接方式更简单，将会受到大量研究。光伏发电由于其输出直流特性，更易于接入直流微电网，故而直流微电网中的光伏发电功率控制将会受到重视。以往大量关于光伏发电功率控制的研究中，主要集中在交流微电网中，且主要是最大功率点跟踪(MPPT)控制。近几年光伏发电定功率跟踪控制受到重视。文献《Power control strategy for photovoltaic system based on the newton quadraticinterpolation》给出了一种基于牛顿二次插值的光伏定功率控制技术；并在此技术上，文献《A New Frequency Regulation Strategy for Photovoltaic Systems Without EnergyStorage》给出了一种光伏发电对电网频率支撑的方法，该方法仅是简单地设定额定点功率P_o为某一固定值。当额定点功率P_o取得较低时，光伏发电的经济性将变差；当额定点功率P_o取得较高时，若光照降低，则光伏其对电网频率的支撑能力将受到限制；故而该方法未很好地解决额定点功率P_o的选择问题。此外，目前直流微电网中的光伏控制也主要是最大功率跟踪控制，定功率控制、下垂控制的研究不多，且尚未有能将光伏最大功率跟踪控制、定功率跟踪控制、下垂控制、参与二次调压功能集成在一种控制架构中的方法。这些显然没有充分挖掘光伏发电的潜力，不利于光伏发电的高效利用与进一步发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种直流微电网中光伏发电功率控制系统及方法。该系统能增强光伏发电单元的可调度性，提高光伏发电单元对直流微电网母线电压的支撑能力。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种直流微电网中光伏发电功率控制系统，包括光伏发电功率控制器；该光伏发电功率控制器由下垂控制模块、光伏功率-电压曲线拟合模块、额定点功率控制模块和电压电流内环控制模块组成；所述下垂控制模块、光伏功率-电压曲线拟合模块和额定点功率控制模块以电连接的方式组成闭合回路：下垂控制模块向光伏功率-电压曲线拟合模块传递光伏输出功率指令P_ref，光伏功率-电压曲线拟合模块向额定点功率控制模块传递最大功率点功率值P_mppt，额定点功率控制模块向下垂控制模块传递额定点功率P₀；光伏功率-电压曲线拟合模块同时还与电压电流内环控制模块电连接以传递光伏直流母线电压参考值V_pvref，并由后者输出脉宽调制信号。

本发明还提供了直流微电网中光伏发电功率控制方法，包括：将采集到的直流微电网母线电压V_bus与额定点电压V₀做差，差值乘以下垂系数m后叠加到额定点功率P₀上，得到光伏输出功率指令P_ref；采样光伏电池直流输出电流i_pv和光伏直流母线电容电压值V_pv，通过拉格朗日多项式拟合得到光伏功率-电压曲线，在该曲线上找到满足光伏输出功率指令P_ref和最大功率点跟踪使能信号EN_mppt这两个条件的光伏直流母线电压参考值V_pvref和最大功率点功率值P_mppt；将得到的光伏直流母线电压参考值V_pvref通过电压电流内环控制得到脉宽调制信号用于控制光伏升压电路，实现直流微电网中的光伏发电功率控制；所述额定点功率P₀通过下述方式获得：孤岛情况下，最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_dtoop后，叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到额定点功率P₀；并网情况下，并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到额定点功率P₀。

本发明中，当并网信号IF_{grid_tied}为1时，即直流微电网处于并网状态，额定点功率P₀取值为并网额定点功率并网额定点功率由上级控制器发出的并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到，限幅范围为0～P_mppt；当并网信号IF_{grid_tied}为0时，即直流微电网处于孤岛状态，额定点功率P₀取值为孤岛额定点功率P′₀，孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到。

本发明中，所述孤岛额定点功率P′₀的计算方式为：

P′₀＝P_mppt×k_droop+ΔP    (8)

当直流微电网仅进行一次调压、未进行二次调压时，二次调压功率增量指令ΔP为0；当直流微电网需要进行二次调压时，通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令ΔP，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，能加快直流微电网母线电压的恢复；

下垂点系数k_droop代表着光伏发电的经济性与电压支撑能力的折衷，需综合考虑发电的经济性与电压支撑能力来取值；当下垂点系数k_droop取得越大，经济性越好，但是对电压的支撑能力越弱；当下垂点系数k_droop取得越小，对电压的支撑能力越强，但是经济性越差。为了合理地设置下垂点系数k_droop，可优先考虑直流微电网母线电压降至正常运行最小允许电压V_min时光伏才输出最大功率这一原则，则

下垂点系数k_droop的取值根据下式计算获得：

$k_{\mathrm{droop}}=\frac{m\×(V_{\min }-V_0)}{P_{\mathrm{mppt}}}+1---\left(9\right)$

式中：m是下垂系数，V_min是直流微电网母线电压正常运行最小允许电压，V₀是额定点电压，P_mppt是最大功率点功率值。

当光照、温度等因素变化时，下垂点系数k_droop取值随着最大功率点功率值P_mppt变化而变化。

本发明中，(1)直流微电网处于并网状态时，光伏发电可运行在最大功率跟踪模式或定功率跟踪模式；当光伏发电运行在定功率跟踪模式时，几乎不受光照、温度因素变化的影响：

直流微电网处于并网状态时，并网信号IF_{grid_tied}为1，额定点功率P₀与并网额定点功率相等；由于并网状态下直流微电网母线电压V_bus与额定点电压V₀的偏差为0，故光伏输出功率指令P_ref与额定点功率P₀相等，即光伏单元能够接受上级控制器的调度；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，直接将通过拉格朗日多项式拟合得出的最大功率点电压V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在最大功率跟踪模式；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，若并网调度功率指令P_mgcc大于最大功率点功率值P_mppt，仍将最大功率点电压V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在最大功率跟踪模式；

若并网调度功率指令P_mgcc小于最大功率点功率值P_mppt，则在拉格朗日多项式拟合得到的光伏功率-电压曲线上寻找到对应的电压值；由于光伏功率-电压曲线上有两个电压值对应P_mgcc，取较大的电压值作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在定功率跟踪模式；

此时，若光照、温度的环境因素不断变化，由于曲线拟合所采用的三个功率-电压点是光伏实际运行的最新三个功率-电压点，新拟合的光伏功率-电压曲线能保证足够高的拟合精度；在新拟合得到的光伏功率-电压曲线上，通过搜索能够找到新环境因素下功率指令所对应的新的光伏直流母线电压参考值，因而并网时光伏输出功率能够不受光照、温度的环境因素影响，保持光伏输出功率与上级控制器的并网调度功率指令相等；

(2)直流微电网处于孤岛状态时，光伏发电能运行在最大功率跟踪模式或下垂控制模式；运行在下垂模式时，不论光照、温度因素如何变化，光伏发电都能实现下垂控制，对直流微电网的母线电压进行支撑，且能参与直流微电网的二次调压；

直流微电网处于孤岛状态时，并网信号IF_{grid_tied}为0，额定点功率P₀与孤岛额定点功率P′₀相等，通过下垂控制模块的叠加得到光伏输出功率指令P_ref；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电单元将运行在最大功率点跟踪模式；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，在拟合得到的光伏功率-电压曲线上寻找到光伏输出功率指令P_ref对应的光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏运行在下垂控制模式，光伏发电输出功率与直流微电网母线电压成下垂关系，故而光伏发电对直流微电网的母线电压具有支撑能力；

由于孤岛额定点功率P′₀是由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop得到，下垂点系数k_droop取值随着最大功率点功率值P_mppt变化而变化，取值为

这样，不论光照、温度因素如何变化，即使光照强度很低时，仍能实现光伏下垂控制：由于拉格朗日多项式拟合采用的是最新的三个功率-电压点，新拟合的光伏功率-电压曲线能保证足够高的拟合精度，寻找到新环境下的最大功率点功率值P_mppt，下垂点系数k_droop随之变化，下垂曲线会随之进行上下平移，保证在高于正常运行最小允许电压V_min的范围内光伏输出功率与直流微电网母线电压成下垂关系，进而保持光伏发电对直流微电网的母线电压的支撑能力。

本发明中，当直流微电网需要进行二次调压时，通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令ΔP，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，以加快直流微电网母线电压的恢复。

综上，本发明的具体包括以下步骤：

(1)下垂控制模块1采集直流微电网母线电压V_bus，与给定的额定点电压V₀做差，差值乘以下垂系数m后叠加到额定点功率P₀上，得到光伏输出功率指令P_ref，其中额定点功率P₀由额定点功率控制模块3得到。下垂控制如下式所示：

P_ref＝P₀-m×(V_bus-V₀)    (1)

其中，下垂系数m，可根据系统调压需求确定；亦可和直流微电网中其他微源的下垂系数协调确定。

(2)光伏功率-电压曲线拟合模块2由步骤1)得到光伏输出功率指令P_ref，采集光伏电池直流输出电流i_pv、光伏直流母线电容电压V_pv和上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt；经过定周期T_sample采样、计算得到光伏输出直流功率P_pv和光伏直流母线电容电压V_pv，取最新的第k-2、k-1、k次的三个采样计算值组成的进行拟合得到光伏功率-电压曲线P_pv(V_pvref)。拟合方法如下：将三个功率-电压点按照电压值从小到大排序，不失一般性，假设则：

$P_{\mathrm{pv}}\left(V_{\mathrm{pvref}}\right)={\mathrm{aV}}_{\mathrm{dcref}}^2+{\mathrm{bV}}_{\mathrm{dcref}}+c---\left(2\right)$

$a=\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}---\left(3\right)$

$b=-[\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}]---\left(4\right)$

$c=\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}---\left(5\right)$

在该曲线上，寻找到第k次的最大功率点功率值P_mppt和电压值V_mppt，满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{mppt}}=-\frac{b}{2a}\\ P_{\mathrm{mppt}}=\frac{4a\×c-b^2}{4a}\end{array}\right.---\left(6\right)$

第k+1次采样计算值轮流替换掉或重排组成新的三组采样计算值进行拟合，由此不断更新迭代、拟合得到新的光伏功率-电压曲线。在新的曲线上，不断寻找到最大功率点功率值P_mppt和电压值V_mppt。

当上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为1，表示光伏处于最大功率点跟踪模式。当上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，若光伏输出功率指令P_ref大于P_mppt，则将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为1，表示光伏处于最大功率点跟踪模式；若光伏输出功率指令P_ref小于P_mppt，则在该曲线上寻找到光伏输出功率指令P_ref所对应的电压值，由于光伏功率-电压曲线上有二个电压值对应P_ref，取较大的电压值作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为0，表示光伏处于定功率跟踪模式。V_pvref的取值可由下式得到：

$V_{\mathrm{pvref}}=\frac{-b-\sqrt{(b^2-4a\×(c-P_{\mathrm{ref}}))}}{2a}---\left(7\right)$

(3)步骤1)中所述的额定点功率控制模块3，其特征在于：当直流微电网处于并网状态时，即并网信号IF_{grid_tied}为1，额定点功率P₀取值为并网额定点功率并网额定点功率由上级控制器向光伏发电控制器发来的并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到，限幅范围为0～P_mppt。当并网信号IF_{grid_tied}为0时，即直流微电网处于孤岛状态，额定点功率P₀取值为孤岛额定点功率P′₀，孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到。

其中孤岛额定点功率P′₀的计算方法，其特征在于：孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到。

即P′₀＝P_mppt×k_droop+ΔP    (8)

当直流微电网仅进行一次调压、未进行二次调压时，二次调压功率增量指令ΔP为0；当直流微电网需要进行二次调压时，可通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令ΔP，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，可加快直流微电网母线电压的恢复。

下垂点系数k_droop代表着光伏发电的经济性与电压支撑能力的折衷，需综合考虑发电的经济性与电压支撑能力来取值；当下垂点系数k_droop取得越大，经济性越好，但是对电压的支撑能力越弱；当下垂点系数k_droop取得越小，对电压的支撑能力越强，但是经济性越差。为了合理地设置下垂点系数k_droop，可优先考虑直流微电网母线电压降至正常运行最小允许电压V_min时光伏才输出最大功率这一原则，则下垂点系数k_droop的取值如下：

$k_{\mathrm{droop}}=\frac{m\×(V_{\min }-V_0)}{P_{\mathrm{mppt}}}+1---\left(9\right)$

式中：m是下垂系数，V_min是直流微电网母线电压正常运行最小允许电压，V₀是额定点电压，P_mppt是最大功率点功率值。

当光照、温度等因素变化时，下垂点系数k_droop取值随着最大功率点功率值P_mppt变化而变化。

(4)步骤2)中光伏功率-电压曲线拟合模块2得到的光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制模块，对光伏直流母线电容电压V_pv和光伏电池直流输出电流i_pv进行闭环控制，得到脉宽调制信号，从而控制光伏升压电路，实现直流微电网中的光伏发电功率控制。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明中的直流微电网光伏发电功率控制方法，是一种集最大功率跟踪控制、定功率跟踪控制、下垂控制及参与二次调压功能于一体的统一控制结构，可运行于并网和孤岛二种状态。并网状态时，光伏发电既可运行在最大功率跟踪模式；亦可运行在定功率跟踪模式，而几乎不受光照、温度等因素的变化而影响。直流微电网处于孤岛状态时，光伏可运行在最大功率跟踪模式，亦可运行在下垂控制模式，还可参与直流微电网的二次调压；运行在下垂控制模式时，光伏发电根据直流母线电压来调整输出功率，不论光照、温度等因素如何变化，即使光照强度很低，光伏发电都能实现下垂控制，增强了光伏发电对直流微电网母线电压的支撑能力；上级控制器通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，可加快直流微电网母线电压的恢复。

附图说明

附图1  为本发明优选实施例所述的直流微电网结构；

附图2  为下垂控制示意图；

附图3  为光伏功率-电压曲线拟合流程图；

附图4  为光伏发电功率控制方法框图。

具体实施方式

下面通过附图和优选实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此次所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明优选实施例所述的直流微电网结构，包含光伏电池、光伏直流母线电容、升压电路、直流微电网母线电容、储能、双向变流电路、直流断路器、逆变器、负载和电网。图2是下垂控制示意图，用于阐述光伏输出功率指令与直流微电网母线电压之间的下垂关系，以及下垂点系数的选取。图3是伏功率-电压曲线拟合流程图，用于阐述光伏功率-电压曲线拟合原理。图4是光伏发电功率控制方法框图，包含下垂控制模块1、光伏功率-电压曲线拟合模块2、额定点功率控制模块3、电压电流内环控制模块4。

图1、图2、图3、图4中，i_pv.光伏电池直流输出电流，V_pv.光伏直流母线电容电压，C_pv.光伏直流母线电容，C_bus.直流微电网母线电容，V_bus.直流微电网母线电压，V₀.额定点电压，m.下垂系数，P₀.额定点功率，P′₀.孤岛额定点功率，并网额定点功率，P_ref.光伏输出功率指令，EN_mppt.最大功率点跟踪使能信号，V_mppt.最大功率点电压，IF_mppt.最大功率点跟踪模式信号，P_mppt.最大功率点功率值，k_droop.下垂点系数，ΔP.二次调压功率增量指令，IF_{grid_tied}.并网信号，P_mgcc.并网调度功率指令，V_pvref.光伏直流母线电压参考值，V_min.直流微电网母线电压正常运行最小允许电压，P_pv.光伏输出直流功率，T_sample.采样时间，k.采样序号，第k次的第一个光伏输出直流功率采样点，第k次的第一个光伏直流母线电容电压采样点，第k次的第二个光伏输出直流功率采样点，第k次的第二个光伏直流母线电容电压采样点，第k次的第三个光伏输出直流功率采样点，第k次的第三个光伏直流母线电容电压采样点，第k+1次的第一个光伏输出直流功率采样点，第k+1次的第一个光伏直流母线电容电压采样点，第k+1次的第二个光伏输出直流功率采样点，第k+1次的第二个光伏直流母线电容电压采样点，第k+1次的第三个光伏输出直流功率采样点，第k+1次的第三个光伏直流母线电容电压采样点，a.拟合曲线二次幂系数，b.拟合曲线一次幂系数，c.拟合曲线常数项，P_pv(V_pvref).光伏功率-电压拟合曲线。

直流微电网中光伏发电功率控制系统包括光伏发电功率控制器，如图4所示，该光伏发电功率控制器由下垂控制模块1、光伏功率-电压曲线拟合模块2、额定点功率控制模块3和电压电流内环控制模块4组成；

所述下垂控制模块1、光伏功率-电压曲线拟合模块2和额定点功率控制模块3以电连接的方式组成闭合回路：下垂控制模块1向光伏功率-电压曲线拟合模块2传递光伏输出功率指令P_ref，光伏功率-电压曲线拟合模块2向额定点功率控制模块3传递最大功率点功率值P_mppt，额定点功率控制模块3向下垂控制模块1传递额定点功率P₀；光伏功率-电压曲线拟合模块2同时还与电压电流内环控制模块4电连接以传递光伏直流母线电压参考值V_pvref，并由后者输出脉宽调制信号。

本发明所述直流微电网中光伏发电功率控制方法，其具体步骤如下：

(1)下垂控制模块1采集直流微电网母线电压V_bus，与给定的额定点电压V₀(一般取标幺值1)做差，差值乘以下垂系数m后叠加到额定点功率P₀上，得到光伏输出功率指令P_ref，如图2所示，其中额定点功率P₀由额定点功率控制模块3得到。下垂控制如下式所示：

P_ref＝P₀-m×(V_bus-V₀)    (1)

其中，下垂系数m可根据系统调压需求确定，亦可和直流微电网中其他微源的下垂系数协调确定。

(2)光伏功率-电压曲线拟合模块2对应的流程图如图3所示。采集光伏电池直流输出电流i_pv、光伏直流母线电容电压V_pv和上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt；经过定周期T_sample采样、计算得到光伏输出直流功率P_pv和光伏直流母线电容电压V_pv，取最新的第k-2、k-1、k次的三个采样计算值组成的进行拟合得到光伏功率-电压曲线P_pv(V_pvref)。拟合方法如下：将三个功率-电压点按照电压值从小到大排序，不失一般性，假设则：

$P_{\mathrm{pv}}\left(V_{\mathrm{pvref}}\right)={\mathrm{aV}}_{\mathrm{dcref}}^2+{\mathrm{bV}}_{\mathrm{dcref}}+c---\left(2\right)$

$a=\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}---\left(3\right)$

$b=-[\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k+V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}]---\left(4\right)$

$c=\frac{P_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k)}+\frac{P_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k{V}_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k}{(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(1\right)}^k)(V_{\mathrm{pv}\left(3\right)}^k-V_{\mathrm{pv}\left(2\right)}^k)}---\left(5\right)$

在该曲线上，寻找到第k次的最大功率点功率值P_mppt和电压值V_mppt，满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{mppt}}=-\frac{b}{2a}\\ P_{\mathrm{mppt}}=\frac{4a\×c-b^2}{4a}\end{array}\right.---\left(6\right)$

第k+1次采样计算值轮流替换掉或重排组成新的三组采样计算值进行拟合，由此不断更新迭代、拟合得到新的光伏功率-电压曲线。在新的曲线上，不断寻找到最大功率点功率值P_mppt和电压值V_mppt。

当上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为1，表示光伏处于最大功率点跟踪模式。当上级控制器设定的最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，若光伏输出功率指令P_ref大于P_mppt，则将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为1，表示光伏处于最大功率点跟踪模式；若光伏输出功率指令P_ref小于P_mppt，则在该曲线上寻找到光伏输出功率指令P_ref所对应的电压值，由于光伏功率-电压曲线上有二个电压值对应P_ref，取较大的电压值作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，同时最大功率点跟踪模式信号IF_mppt设为0，表示光伏处于定功率跟踪模式。V_pvref的取值可由下式得到：

$V_{\mathrm{pvref}}=\frac{-b-\sqrt{(b^2-4a\×(c-P_{\mathrm{ref}}))}}{2a}---\left(7\right)$

(3)由额定点功率控制模块3获取步骤1)中所需的额定点功率P₀。当直流微电网处于并网状态时，即并网信号IF_{grid_tied}为1，额定点功率P₀取值为并网额定点功率并网额定点功率由上级控制器向光伏发电控制器发来的并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到，限幅范围为0～P_mppt。当并网信号IF_{grid_tied}为0时，即直流微电网处于孤岛状态，额定点功率P₀取值为孤岛额定点功率P′₀，孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到。

其中孤岛额定点功率P′₀的计算方法，其特征在于：孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令ΔP得到。

即P′₀＝P_mppt×k_droop+ΔP    (8)

当直流微电网仅进行一次调压、未进行二次调压时，二次调压功率增量指令ΔP为0；当直流微电网需要进行二次调压时，可通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令ΔP，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，可加快直流微电网母线电压的恢复。

下垂点系数k_droop代表着光伏发电的经济性与电压支撑能力的折衷，需综合考虑发电的经济性与电压支撑能力来取值；当下垂点系数k_droop取得越大，经济性越好，但是对电压的支撑能力越弱；当下垂点系数k_droop取得越小，对电压的支撑能力越强，但是经济性越差。为了合理地设置下垂点系数k_droop，可优先考虑直流微电网母线电压降至正常运行最小允许电压V_min时光伏才输出最大功率这一原则，如图2所示。则下垂点系数k_droop的取值如下：

$k_{\mathrm{droop}}=\frac{m\×(V_{\min }-V_0)}{P_{\mathrm{mppt}}}+1---\left(9\right)$

式中：m是下垂系数，V_min是直流微电网母线电压正常运行最小允许电压，V₀是额定点电压，P_mppt是最大功率点功率值。

当光照、温度等因素变化时，下垂点系数k_droop取值随着最大功率点功率值P_mppt变化而变化。

(4)步骤2)中光伏功率-电压曲线拟合模块2得到的光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制模块，对光伏直流母线电容电压V_pv和光伏电池直流输出电流i_pv进行闭环控制，得到脉宽调制信号，从而控制光伏升压电路，实现直流微电网中的光伏发电功率控制。

最后应当说明的是：以上具体实施方式仅用于以上实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照上述实施方式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等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种直流微电网中光伏发电功率控制系统，包括光伏发电功率控制器；其特征在于，该光伏发电功率控制器由下垂控制模块、光伏功率-电压曲线拟合模块、额定点功率控制模块和电压电流内环控制模块组成；

所述下垂控制模块、光伏功率-电压曲线拟合模块和额定点功率控制模块以电连接的方式组成闭合回路：下垂控制模块向光伏功率-电压曲线拟合模块传递光伏输出功率指令P_ref，光伏功率-电压曲线拟合模块向额定点功率控制模块传递最大功率点功率值P_mppt，额定点功率控制模块向下垂控制模块传递额定点功率P₀；光伏功率-电压曲线拟合模块同时还与电压电流内环控制模块电连接以传递光伏直流母线电压参考值V_pvref，并由后者输出脉宽调制信号。

2.一种直流微电网中光伏发电功率控制方法，其特征在于，包括：将采集到的直流微电网母线电压V_bus与额定点电压V₀做差，差值乘以下垂系数m后叠加到额定点功率P₀上，得到光伏输出功率指令P_ref；采样光伏电池直流输出电流i_pv和光伏直流母线电容电压值V_pv，通过拉格朗日多项式拟合得到光伏功率-电压曲线，在该曲线上找到满足光伏输出功率指令P_ref和最大功率点跟踪使能信号EN_mppt这两个条件的光伏直流母线电压参考值V_pvref和最大功率点功率值P_mppt；将得到的光伏直流母线电压参考值V_pvref通过电压电流内环控制得到脉宽调制信号用于控制光伏升压电路，实现直流微电网中的光伏发电功率控制；所述额定点功率P₀通过下述方式获得：孤岛情况下，最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_dtoop后，叠加上二次调压功率增量指令△P得到额定点功率P₀；并网情况下，并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到额定点功率P₀。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当并网信号IF_{grid_tied}为1时，即直流微电网处于并网状态，额定点功率P₀取值为并网额定点功率并网额定点功率由上级控制器发出的并网调度功率指令P_mgcc经过限幅环节得到，限幅范围为0～P_mppt；当并网信号IF_{grid_tied}为0时，即直流微电网处于孤岛状态，额定点功率P₀取值为孤岛额定点功率P′₀，孤岛额定点功率P′₀由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop后叠加上二次调压功率增量指令△P得到。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述孤岛额定点功率P′₀的计算方式为：

P′_0＝P^mppt×k^droop+△P   (8)

当直流微电网仅进行一次调压、未进行二次调压时，二次调压功率增量指令△P为0；当直流微电网需要进行二次调压时，通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令△P，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，能加快直流微电网母线电压的恢复；

下垂点系数k_droop的取值根据下式计算获得：

$k_{\mathrm{droop}}=\frac{m\×(V_{\min }-V_0)}{P_{\mathrm{mppt}}}+1---\left(9\right)$

式中：m是下垂系数，V_min是直流微电网母线电压正常运行最小允许电压，V₀是额定点电压，P_mppt是最大功率点功率值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

(1)直流微电网处于并网状态时，光伏发电能运行在最大功率跟踪模式或定功率跟踪模式；当光伏发电运行在定功率跟踪模式时，几乎不受光照、温度因素变化的影响：

直流微电网处于并网状态时，并网信号IF_{grid_tied}为1，额定点功率P₀与并网额定点功率P₀ ^*相等；由于并网状态下直流微电网母线电压V_bus与额定点电压V₀的偏差为0，故光伏输出功率指令P_ref与额定点功率P₀相等，即光伏单元能够接受上级控制器的调度；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，直接将通过拉格朗日多项式拟合得出的最大功率点电压V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在最大功率跟踪模式；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，若并网调度功率指令P_mgcc大于最大功率点功率值P_mppt，仍将最大功率点电压V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在最大功率跟踪模式；

若并网调度功率指令P_mgcc小于最大功率点功率值P_mppt，则在拉格朗日多项式拟合得到的光伏功率-电压曲线上寻找到对应的电压值；由于光伏功率-电压曲线上有两个电压值对应P_mgcc，取较大的电压值作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电运行在定功率跟踪模式；

此时，若光照、温度的环境因素不断变化，由于曲线拟合所采用的三个功率-电压点是光伏实际运行的最新三个功率-电压点，新拟合的光伏功率-电压曲线能保证足够高的拟合精度；在新拟合得到的光伏功率-电压曲线上，通过搜索能够找到新环境因素下功率指令所对应的新的光伏直流母线电压参考值，因而并网时光伏输出功率能够不受光照、温度的环境因素影响，保持光伏输出功率与上级控制器的并网调度功率指令相等；

(2)直流微电网处于孤岛状态时，光伏发电能运行在最大功率跟踪模式或下垂控制模式；运行在下垂模式时，不论光照、温度因素如何变化，光伏发电都能实现下垂控制，对直流微电网的母线电压进行支撑，且能参与直流微电网的二次调压；

直流微电网处于孤岛状态时，并网信号IF_{grid_tied}为0，额定点功率P₀与孤岛额定点功率P′₀相等，通过下垂控制模块的叠加得到光伏输出功率指令P_ref；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为1时，将最大功率点电压值V_mppt作为光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏发电单元将运行在最大功率点跟踪模式；

当最大功率点跟踪使能信号EN_mppt为0时，在拟合得到的光伏功率-电压曲线上寻找到光伏输出功率指令P_ref对应的光伏直流母线电压参考值V_pvref，经过电压电流内环控制，光伏运行在下垂控制模式，光伏发电输出功率与直流微电网母线电压成下垂关系，故而光伏发电对直流微电网的母线电压具有支撑能力；

由于孤岛额定点功率P′₀是由最大功率点功率值P_mppt乘以下垂点系数k_droop得到，下垂点系数k_droop取值随着最大功率点功率值P_mppt变化而变化，取值为

这样，不论光照、温度因素如何变化，仍能实现光伏下垂控制：由于拉格朗日多项式拟合采用的是最新的三个功率-电压点，新拟合的光伏功率-电压曲线能保证足够高的拟合精度，寻找到新环境下的最大功率点功率值P_mppt，下垂点系数k_droop随之变化，下垂曲线会随之进行上下平移，保证在高于正常运行最小允许电压V_min的范围内光伏输出功率与直流微电网母线电压成下垂关系，进而保持光伏发电对直流微电网的母线电压的支撑能力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当直流微电网需要进行二次调压时，通过向光伏发电发送二次调压功率增量指令△P，调节额定点功率P₀，对光伏下垂曲线进行上下平移，调节光伏发出功率，以加快直流微电网母线电压的恢复。