CN105262096A - 计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，包括以下步骤，得到光伏电池在最大功率运行模式下的参考电压V_mpp；得到的光伏电池输出直流电压V_dc；经V_dc直流电压调频得到频率调节量Δω；计算出光伏逆变器的输出有功功率的平均值P和无功功率的平均值Q；计算自适应下垂控制的下垂系数；经考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制后，得到光伏逆变器交流侧输出的参考电压幅值U^*和参考角频率ω′；得到频率调节后的参考角频率ω^*；计算光伏逆变器PWM驱动电路的输入信号U_ref。本发明既能保证分布式光伏最大功率输出，同时考虑线路阻抗的影响，当负荷或环境变化时，又能通过在光伏逆变器间精确分配有功和无功功率，达到提高分布式光伏的供电可靠性目的。

Description

计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法

技术领域

本发明涉及一种计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，属于主动配电网中光伏发电控制技术领域。

背景技术

太阳能作为一种清洁的新能源，在追求低碳社会的今天，越来越受到世界各国的重视，成为解决环境问题、能源危机和发展智能电网技术的有效手段之一。分布式光伏接入主动配电网是太阳能发电应用的主要形式。并网逆变器作为光伏发电与电网接口的重要设备，其控制技术也是研究热点和难点之一。

由于分布式光伏发电的输出功率受光照强度、温度和负载的影响而具有随机性、波动性、间歇性等特点，为提高光电转换效率和光伏发电的输出电压的稳定，保证光伏逆变器输入侧的正常运行，在主动配电网中应尽量保持光伏电池在最大功率跟踪模式下运行。同时，由于分布式光伏惯性较小，和其他微电源有所不同，存储在直流母线上的有限的能量是分布式光伏发电仅有的惯性，因此当负载和周围环境急剧变化时分布式光伏电源侧的直流母线更容易崩溃。其次，负载瞬态变化会引起直流母线电压V_dc的波动，导致直流母线电压偏离它的最大功率点(MPP)，这表明分布式光伏电源侧直流母线电压V_dc不再是一个固定值。当直流母线电压波动变化时可能会导致光伏逆变器的交流母线电压的变化，从而导致系统运行的不稳定。

同时，分布式光伏接入配电网时，不仅可以提供有功功率，还可以提供无功功率，并且分布式光伏电源应具备根据并网点电压水平调节有功和无功输出，从而参与配电网的电压和频率调节。功率因数在一定范围内能够连续可调的分布式光伏电源并网运行时，可以提高配电网无功补偿能力，并可改善配电线路的电压质量。而下垂控制广泛应用在无互联线的UPS并联系统中，通过模拟同步发电机组的外特性，根据光伏逆变器输出电压的幅值和相角，实现功率在逆变器间的合理分配，提高并网点电压水平。但是传统下垂控制受线路阻抗和负荷波动的影响较大，在实际应用中常常无法实现功率的合理分配。

综上所述，在分布式光伏接入配电网时需要一种计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，在保证光伏最大功率跟踪的同时考虑线路阻抗的影响，通过自适应功率下垂控制方法实现功率的合理分配，提高分布式光伏的供电可靠性。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有传统下垂控制的不足，以及分布式光伏接入主动配电网时直流电压稳定性问题，本发明提供了一种计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，包括以下步骤，

步骤一，根据分布式光伏最大功率跟踪算法得到光伏电池在最大功率运行模式下的参考电压V_mpp；

步骤二，根据测量单元得到的光伏电池输出直流电压V_dc；

步骤三，将V_mpp和V_dc进行比较，判断直流电压是否稳定，经V_dc直流电压调频得到频率调节量Δω；

步骤四，根据测量单元得到光伏逆变器交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，计算出光伏逆变器的输出有功功率的平均值P和无功功率的平均值Q；

步骤五，将P和Q分别与光伏逆变器的额定有功功率P_n和额定无功功率Q_n比较，计算自适应下垂控制的下垂系数；

步骤六，根据下垂系数，经考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制后，得到光伏逆变器交流侧输出的参考电压幅值U^*和参考角频率ω′；

步骤七，将Δω与ω′相加，得到频率调节后的参考角频率ω^*；

步骤八，根据U^*和ω^*，计算光伏逆变器PWM驱动电路的输入信号U_ref。

V_dc直流电压调频的过程为，通过一个具有防止积分饱和现象PID控制器，比较V_mpp和V_dc，确定频率调节量Δω的大小；若V_dc≥V_mpp时，V_dc稳定，V_dc直流电压调频环节输出的Δω＝0；当V_dc＜V_mpp时，V_dc不稳定，负荷的突增会引起V_dc下降，V_dc的下降降低了光伏逆变器的输出功率，进一步降低V_dc，V_dc直流电压调频环节输出的Δω为负值。

计算自适应下垂控制的下垂系数公式为，

$\left\{\begin{array}{c}m=m_1-\mathrm{\α}|P-P_n|\\ n=n_1-\mathrm{\β}|Q-Q_n|\end{array}\right.$

其中，

m为有功—角频率下垂系数；

n为无功—电压下垂系数；

m₁初始额定有功—角频率下垂系数；

n₁初始额定无功—电压下垂系数；

α为正数，为有功—角频率下垂系数步长因子；

β为正数，为无功—电压下垂系数步长因子。

考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制的过程为，

A1)传统的下垂控制策略模拟高压大电网同步发电机接口特性，采用大电网的高压输电线来分析，忽略线路电阻；

表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{X}{UE}\·P\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=-\frac{X}{U}\·Q\end{array}\right.$

其中，

U为光伏逆变器出口处电压有效值；

δ为光伏逆变器出口处电压相角；

E为并网点处电压有效值，设并网点处电压相角为0；

ΔU为光伏逆变器出口处电压有效值与并网点处电压有效值的差值；

R+jX为光伏逆变器所连线路综合阻抗；

A2)根据线路潮流公式，简化光伏逆变器出口潮流与线路阻抗的关系；

简化后的公式为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{XP-RQ}{UE}=\frac{X}{UE}(P-\frac{R}{X}Q)\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=\frac{RP-XQ}{U}=-\frac{X}{U}(-\frac{R}{X}P+Q)\end{array}\right.;$

A3)比较步骤A1和步骤A2可知，考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}={\mathrm{\ω}}_n-m(P-P_n)+n{K}_R(Q-Q_n)\\ U^{*}=U_n-K_{R}m(P-P_n)-n(Q-Q_n)\end{array}\right.$

其中，

$K_R=\frac{R}{X},$ 为线路阻感比

ω_n为叫频率额定值；

U_n为电压额定值。

本发明所达到的有益效果：1、本发明既能保证分布式光伏最大功率输出，同时考虑线路阻抗的影响，当负荷或环境变化时，又能通过在光伏逆变器间精确分配有功和无功功率，达到提高分布式光伏的供电可靠性目的；2、本发明简捷易于实现，对主动配电网运行工况适应性强，便于实际工程应用。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明V_dc直流电压调频的控制原理图。

图3为自适应下垂控制的有功—角频率下垂系数计算原理图。

图4为自适应下垂控制的无功—电压下垂系数计算的原理图。

图5为考虑线路阻抗因素的自适应功率下垂控制原理图。

图6为分布式光伏接入主动配电网时的系统控制原理图；

图7为分布式电源互联接入主动配电网系统图；

图8为各电源输出有功功率仿真图；

图9为各电源输出无功功率仿真图；

图10为系统频率f仿真图；

图11为PV和DG并网点电压幅值仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，包括以下步骤：

步骤一，根据分布式光伏最大功率跟踪算法得到光伏电池在最大功率运行模式下的参考电压V_mpp。

步骤二，根据测量单元得到的光伏电池输出直流电压V_dc。

步骤三，将V_mpp和V_dc进行比较，判断直流电压是否稳定，经V_dc直流电压调频得到频率调节量Δω。

图2为本发明V_dc直流电压调频的控制原理图，可以看出，V_dc直流电压调频的过程为，通过一个具有防止积分饱和现象PID控制器，比较V_mpp和V_dc，确定频率调节量Δω的大小。

由于分布式光伏惯性较小，若V_dc≥V_mpp时，负荷的突增对V_dc影响较小，V_dc稳定，V_dc直流电压调频环节输出的Δω＝0，不参与系统控制环节；当V_dc＜V_mpp时，V_dc不稳定，负荷的突增会引起V_dc下降，V_dc的下降降低了光伏逆变器的输出功率，进一步降低V_dc，V_dc直流电压调频环节输出的Δω为负值，通过调节光伏逆变器的角频率，并与下垂控制相结合，将多余功率转移到其他分布式电源上，达到调压调频效果。

步骤四，根据测量单元得到光伏逆变器交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，计算出光伏逆变器的输出有功功率的平均值P和无功功率的平均值Q。

计算自适应下垂控制的下垂系数公式为，

$\left\{\begin{array}{c}m=m_1-\mathrm{\α}|P-P_n|\\ n=n_1-\mathrm{\β}|Q-Q_n|\end{array}\right.$

其中，

m为有功—角频率下垂系数；

n为无功—电压下垂系数；

m₁初始额定有功—角频率下垂系数；

n₁初始额定无功—电压下垂系数；

α为正数，为有功—角频率下垂系数步长因子；

β为正数，为无功—电压下垂系数步长因子。

步骤五，将P和Q分别与光伏逆变器的额定有功功率P_n和额定无功功率Q_n比较，计算自适应下垂控制的下垂系数。

图3和图4分别为自适应下垂控制的有功—角频率下垂系数和无功—电压下垂系数计算的原理图。当光伏实际运行点偏离额定运行点较远时，如图2中B和图3中B点，为保证系统在额定运行点附近，应适当的减小下垂系数，此时系统的运行点如图2中C和图3中C点。

鉴于此，本方法取实际运行点与额定运行点之差的绝对值为变步长因子，当实际运行点离额定运行越远，则自适应下垂系数越小，保证系统在额定运行点附近运行。

步骤六，根据下垂系数，经考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制后，得到光伏逆变器交流侧输出的参考电压幅值U^*和参考角频率ω′。

图5为考虑线路阻抗因素的自适应功率下垂控制原理图，依据实际运行点与额定运行点的偏差，通过有功功率和无功功率在光伏逆变器之间的合理分配，输出光伏逆变器交流侧输出的参考电压幅值U^*和参考角频率ω′。

具体过程为，

A1)传统的下垂控制策略模拟高压大电网同步发电机接口特性，采用大电网的高压输电线来分析，忽略线路电阻；

表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{X}{UE}\·P\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=-\frac{X}{U}\·Q\end{array}\right.$

其中，

U为光伏逆变器出口处电压有效值；

δ为光伏逆变器出口处电压相角；

E为并网点处电压有效值，设并网点处电压相角为0；

ΔU为光伏逆变器出口处电压有效值与并网点处电压有效值的差值；

R+jX为光伏逆变器所连线路综合阻抗；

A2)根据线路潮流公式，简化光伏逆变器出口潮流与线路阻抗的关系；

简化后的公式为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{XP-RQ}{UE}=\frac{X}{UE}(P-\frac{R}{X}Q)\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=\frac{RP-XQ}{U}=-\frac{X}{U}(-\frac{R}{X}P+Q)\end{array}\right.;$

A3)比较步骤A1和步骤A2可知，考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}={\mathrm{\ω}}_n-m(P-P_n)+n{K}_R(Q-Q_n)\\ U^{*}=U_n-K_{R}m(P-P_n)-n(Q-Q_n)\end{array}\right.$

其中，

$K_R=\frac{R}{X},$ 为线路阻感比；

ω_n为叫频率额定值；

U_n为电压额定值步骤七，将Δω与ω′相加，得到频率调节后的参考角频率ω^*。

步骤八，根据U^*和ω^*，计算光伏逆变器PWM驱动电路的输入信号U_ref。

图6为分布式光伏接入主动配电网时的系统控制原理图。上述方法首先从分布式光伏直流电压稳定性出发，在下垂控制和最大功率跟踪控制的基础上增加了V_dc直流电压调频环节，在实现最大功率跟踪的同时降低分布式光伏随机性和波动性对系统稳定的影响；同时充分考虑线路阻抗的影响，对传统下垂控制进行改进，提出一种自适应有功无功下垂控制方法，实现对分布式电源输出功率的控制，提高系统电压质量。

为验证上述方法的正确性和可行性，建立电压等级为380V(线电压)的分布式电源互联接入主动配电网系统如图7所示，两台分布式电源并联通过开关S与主动配电网相连，其中一台为分布式光伏电源(PV)，另外一台为其他类型分布式电源(DG)。在图6中，Z₁为PV所连线路的等效阻抗，Z₁＝R₁+jX₂＝0.1+j0.314(Ω)，Z₂为DG所连线路的等效阻抗，Z₂＝R₂+jX₂＝0.1+j0.314(Ω)；P₁+jQ₁为PV输出功率，P₂+jQ₂为DG输出功率；本地负荷有功功率为35kW，无功功率为13kvar，假设在系统仿真时间内环境未变化，PV在最大功率跟踪下的有功功率为20kW，初始条件下，PV输出功率为20+j6.2KVA，DG输出功率为10+j2.9KVA，为满足本地负荷需求，主动配电网的输出功率为5+j3.9KVA，在t＝0.2s时开关S断开，在上述工况下进行仿真实验。

图8为各电源输出有功功率仿真图。图8中，P1为PV输出有功功率,，P2为DG输出有功功率，Pg为大电网向负荷输送的有功功率。可以看出，在t＝0.2s时开关S断开后，Pg从5kW变为0kW，PV输出有功功率P1经过短暂波动后重新恢复到20kW，而此时为满足负荷有功功率的需求，P2由原来的10kW增加到15kW。

图9为各电源输出无功功率仿真图。图9中，Q1为PV输出无功功率，Q2为DG输出无功功率，Qg为大电网向负荷输送的无功功率。可以看出，在t＝0.2s时开关S断开后，Qg从3.9kvar变为0kvar，PV输出无功功率Q1从6.2kvar增加到8.7kvar，而此时为满足负荷无功功率的需求，Q2由原来的2.9kvar增加到4.3kW。

图10为系统频率f仿真图。图10中，f1为PV的频率，f2为DG的频率。可以看出，开关S未断开之前，系统的频率稳定在50Hz，在t＝0.2s时开关S断开后，f1和f2经过短暂的波动可以重新稳定在50Hz，实现频率无差调节，并且在此波动过程中f1和f2的波动大小始终在±0.2Hz范围内。

图11为PV和DG并网点电压幅值仿真图。可以看出，在t＝0.2s时开关S断开后，并网点电压先下降增加，经过短暂波动后能够重新稳定在额定值，并且在此波动过程中电压幅值的波动大小始终在稳定范围内。

由仿真结果可知，应用本发明所提的方法，在保证分布式光伏最大功率输出的情况下，合理分配有功和无功功率，可以有效提高系统的频率和电压质量。

综上所述，上述方法既能保证分布式光伏最大功率输出，同时考虑线路阻抗的影响，当负荷或环境变化时，又能通过在光伏逆变器间精确分配有功和无功功率，达到提高分布式光伏的供电可靠性目的；同时简捷易于实现，对主动配电网运行工况适应性强，便于实际工程应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，根据分布式光伏最大功率跟踪算法得到光伏电池在最大功率运行模式下的参考电压V_mpp；

步骤二，根据测量单元得到的光伏电池输出直流电压V_dc；

步骤三，将V_mpp和V_dc进行比较，判断直流电压是否稳定，经V_dc直流电压调频得到频率调节量Δω；

步骤四，根据测量单元得到光伏逆变器交流侧输出电压u_abc和输出电流i_abc，计算出光伏逆变器的输出有功功率的平均值P和无功功率的平均值Q；

步骤五，将P和Q分别与光伏逆变器的额定有功功率P_n和额定无功功率Q_n比较，计算自适应下垂控制的下垂系数；

步骤六，根据下垂系数，经考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制后，得到光伏逆变器交流侧输出的参考电压幅值U^*和参考角频率ω′；

步骤七，将Δω与ω′相加，得到频率调节后的参考角频率ω^*；

步骤八，根据U^*和ω^*，计算光伏逆变器PWM驱动电路的输入信号U_ref。

2.根据权利要求1所述的计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，其特征在于：V_dc直流电压调频的过程为，通过一个具有防止积分饱和现象PID控制器，比较V_mpp和V_dc，确定频率调节量Δω的大小；

若V_dc≥V_mpp时，V_dc稳定，V_dc直流电压调频环节输出的Δω＝0；当V_dc＜V_mpp时，V_dc不稳定，负荷的突增会引起V_dc下降，V_dc的下降降低了光伏逆变器的输出功率，进一步降低V_dc，V_dc直流电压调频环节输出的Δω为负值。

3.根据权利要求1所述的计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，其特征在于：计算自适应下垂控制的下垂系数公式为，

$\left\{\begin{array}{c}m=m_1-\mathrm{\α}|P-P_n|\\ n=n_1-\mathrm{\β}|Q-Q_n|\end{array}\right.$

其中，

m为有功—角频率下垂系数；

n为无功—电压下垂系数；

m₁初始额定有功—角频率下垂系数；

n₁初始额定无功—电压下垂系数；

α为正数，为有功—角频率下垂系数步长因子；

β为正数，为无功—电压下垂系数步长因子。

4.根据权利要求1所述的计及光伏最大功率跟踪的主动配电网电压频率调整方法，其特征在于：考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制的过程为，

A1)传统的下垂控制策略模拟高压大电网同步发电机接口特性，采用大电网的高压输电线来分析，忽略线路电阻；

表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{X}{UE}\·P\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=-\frac{X}{U}\·Q\end{array}\right.$

其中，

U为光伏逆变器出口处电压有效值；

δ为光伏逆变器出口处电压相角；

E为并网点处电压有效值，设并网点处电压相角为0；

ΔU为光伏逆变器出口处电压有效值与并网点处电压有效值的差值；

R+jX为光伏逆变器所连线路综合阻抗；

A2)根据线路潮流公式，简化光伏逆变器出口潮流与线路阻抗的关系；

简化后的公式为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{XP-RQ}{UE}=\frac{X}{UE}(P-\frac{R}{X}Q)\\ \mathrm{\Δ}U=U-E=\frac{RP-XQ}{U}=-\frac{X}{U}(-\frac{R}{X}P+Q)\end{array}\right.;$

A3)比较步骤A1和步骤A2可知，考虑线路阻抗因素的自适应下垂控制表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}={\mathrm{\ω}}_n-m(P-P_n)+n{K}_R(Q-Q_n)\\ U^{*}=U_n-K_{R}m(P-P_n)-n(Q-Q_n)\end{array}\right.$

其中，

为线路阻感比；

ω_n为叫频率额定值；

U_n为电压额定值。