CN105305491A - 一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其包括：光伏发电系统、储能装置和逆变装置；光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。根据负荷的波动，调节自身输出功率，能够维持光伏系统的频率与电压稳定，有效提高光伏电站并网发电性能。

Description

一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略

技术领域

本发明涉及太阳能光伏并网发电技术，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略。

背景技术

太阳能光伏并网发电技术是目前新能源研究开发的热点之一，然而光伏发电系统与传统发电方式存在很大差异，太阳能光伏发电具有间歇性、随机性、可调度性低的特点，光伏发电的功率输出往往会受制于外界环境因素，光照强度和环境温度的变化会导致光伏发电系统的功率输出产生波动，尤其是在多云的天气中，光伏发电的功率波动将会对微网中用户的供电质量产生严重负面影响。另外，光伏发电是基于电力电子接口接入微网，不具备传统旋转发电机的转动惯量，克服负荷波动的能力比较差，微网负载波动会引起电力系统的电压和频率波动问题。与传统大电网相比，微网容量不高，系统惯性比较小，而光伏发电具有随机性和不可控性，当光伏发电作为微网中的主要发电单元时，这些特性将会给微网和电网的安全稳定运行造成负面影响。

光伏发电通过逆变器接入微电网。当微电网处于联网运行模式，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，光伏发电工作在电压源或电流源状态，采用传统的光伏发电控制策略，调整功率输出，系统能够稳定运行。当大电网发生故障时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压(指电压幅值)和频率需由内部微电源控制器负责调节。根据微电网的不同运行模式对微源的控制要求，可知传统的光伏发电控制方式难以满足微电网灵活、稳定运行的要求。如何对微电网中光伏电源进行有效的控制，实现微电网不同运行模式的稳定运行以及模式间的平滑切换，是微电网能否可靠运行的关键。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其包括：光伏发电系统、储能装置和逆变装置；

光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。

所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，优选的，还包括：

同步发电机二阶模型主要包括转子运动方程和定子方程，如式(1)所示，当忽略凸极效应影响，并令极对数p＝1，则电角度等于机械角度；

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{E}=\stackrel{\·}{U}+(R_t+{\mathrm{jX}}_t)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)\\ \mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}\end{array}---\left(1\right)$

式中，J为转动惯量，kg.m²，D为阻尼系数，体现阻尼绕组的作用；

P_m为机械功率，P_e为电磁功率，

ω为转子角频率，θ为电角度，

E为定子内电动势，V为端电压，

R_t为电阻，X_t为同步电抗，

I为定子电流；

该算法得到多个信号，包括：三相定子内电动势e_a、e_b、e_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c，输出有功功率P_VSG，输出无功功率Q_VSG及转子角速度ω。

所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，优选的还包括：

通过所述虚拟同步发电机方法从逆变装置获取参考功率，通过逆变控制方法进行参考功率计算，发送到虚拟同步发电机方法与储能装置的能量管理控制方法进行比对，实时调整储能装置的输出功率。

所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，优选的，还包括：

通过电流互感器和电压互感器分别对LC滤波器中电流、电压进行检测，并将这些信号分别反馈给功频控制器和励磁控制器，实现对虚拟同步发电机的输入机械功率和励磁电动势的指令值进行实时调整，再经过虚拟同步发电机算法调整逆变装置输出，进而实现系统功率输出的平衡，维持系统电压和频率稳定。

所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，优选的，包括：

将功频特性调整方法应用于基于虚拟同步发电机的光伏逆变控制过程中，

其中f_ref为频率指令值，f为频率反馈值，P_N为有功功率额定值，K_i为积分系数，P_m为功频控制器输出功率，P_ref为功率给定值；P_m相当于同步机原动机输出机械功率，P_N值由微网中央控制器给定；由负荷波动引起的频率波动变化量Δf作用于功频控制器后，得到原动机的有功功率出力指令值P_ref，此时P_ref＝P_m，进而实现有功功率平衡，这相当于电力系统的一次调频，由于一次调频只针对波动周期短、变化幅度小的负荷波动，为了适应周期较长，范围较大的负荷波动，需要进一步调节虚拟同步发电机的输出有功功率；因此，可使频率偏差Δf经积分调节器实现对频率的无差调节，即可将频率维持在指令值f_ref，实现虚拟同步发电机的二次调频。

所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，优选的，包括：

形成同步发电机励磁控制器，当Q_N＝Q时，虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′_ref＝U_ref系统的输出电压为额定电压；当无功负载突变时，ΔQ≠0，励磁控制系统根据电压偏差△U对励磁电流进行调节，改变励磁电压值的大小；通过该励磁控制器对虚拟同步发电机本体的励磁电压进行控制，使机端电压随着无功功率输出的增加而增大，使之具有下垂特性；由于该励磁控制器中采用比例积分调节，所以能够实现励磁电压的无差控制；

光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方式，VSG算法得到相应的电压参考信号和电流参考信号；选择输出电压控制型光伏逆变器，采用LC型滤波器，VSG算法输出电压参考信号作为逆变器电压控制环的给定参考信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

同步发电机具有较好的组网特性，如果能使光伏发电系统模拟同步发电机特性将有效避免光伏发电规模化应用存在的隐患，对光伏发电技术发展具有重要意义。因此，本发明设计出一种基于虚拟同步发电机(VirtualSynchronousGenerator，VSG)思想的光伏并网发电系统结构和控制策略，使得光伏发电系统向电网输送的功率平滑，并对大电网体现同步发电机的特性，根据负荷的波动，调节自身输出功率，能够维持光伏系统的频率与电压稳定，有效提高光伏电站并网发电性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于虚拟同步发电机的光伏并网示意图；

图2是本发明基于VSG算法的电压控制方式并网逆变器控制框图；

图3是本发明VSG本体算法示意图；

图4是本发明虚拟同步发电机功频控制器示意图；

图5是本发明虚拟同步发电机励磁控制器示意图；

图6是本发明基于虚拟同步发电机算法的功率控制方法。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明借鉴同步发电机在电力系统中运行的诸多优点和调频调压方法，采用同步发电机二阶经典模型，将同步发电机算法加入到逆变器控制环节中，发明了虚拟同步发电机及其功频控制器和励磁控制器，使分布式光伏发电具备同步发电机的特性，同步发电机实现过程示意图如图1：

本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其包括：光伏发电系统、储能装置和逆变装置；

光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。

图1中虚线框内所包含的分布式电源、储能装置和逆变装置作为虚拟同步发电机的硬件部分，通过对这些装置的参数进行调试，将虚拟同步发电机控制算法通过逆变装置来实现。

目前，采用常用的并网逆变器控制策略的光伏发电系统不具有惯性。为了使光伏发电系统模拟同步发电机虚拟惯性，虚拟同步发电机(VSG)算法在光伏发电系统中的实现的最直接办法是将其与逆变器控制策略相结合。光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方式，VSG算法既可以得到相应的电压参考信号，也可以得到电流参考信号。

本发明借鉴同步发电机在电力系统中运行的诸多优点和调频调压方法，采用同步发电机二阶经典模型，将同步发电机算法加入到逆变器控制环节中，发明出虚拟同步发电机及其功频控制器和励磁控制器，比较真实的模拟同步发电机的运行特性，使分布式光伏发电具备同步发电机的特性。

同步发电机二阶模型主要包括转子运动方程和定子方程，如式(1)所示，当忽略凸极效应影响，并令极对数p＝1，则电角度等于机械角度。

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{E}=\stackrel{\·}{U}+(R_t+{\mathrm{jX}}_t)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)\\ \mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}\end{array}---\left(1\right)$

式中，J为转动惯量，kg.m²，D为阻尼系数，体现阻尼绕组的作用；

P_m为机械功率，P_e为电磁功率，

ω为转子角频率，θ为电角度，

E为定子内电动势，V为端电压，

R_t为电阻，X_t为同步电抗，

I为定子电流；

根据式(1)所示方程可得如图3所示虚拟同步发电机控制框图，该图表示了针对三相系统的VSG算法模型，由于未计及原动机及励磁系统，称其为VSG本体算法。该算法可以得到多个信号，包括：三相定子内电动势e_a、e_b、e_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c，输出有功功率P_VSG，输出无功功率Q_VSG及转子角速度ω。

本发明借鉴传统同步发电机控制结构，建立基于虚拟同步发电机的光伏逆变电源，并以功频控制器和励磁控制器分别代替调速器和励磁系统，如图2所示。通过电流互感器和电压互感器分别对LC滤波器中电流、电压进行检测，并将这些信号分别反馈给功频控制器和励磁控制器，实现对虚拟同步发电机的输入机械功率和励磁电动势的指令值进行实时调整，再经过虚拟同步发电机算法调整逆变装置输出，进而实现系统功率输出的平衡，维持系统电压和频率稳定。

(1)、虚拟同步发电机功频控制器

借鉴同步发电机的频率调整的方法，将功频特性调整方法应用于基于同步发电机的光伏逆变控制过程中，控制算法如图4所示：

其中f_ref为频率指令值，f为频率反馈值，P_N为有功功率额定值，K_i为积分系数，P_m为功频控制器输出功率，P_ref为功率给定值。P_m相当于同步机原动机输出机械功率，P_N值由微网中央控制器给定。由负荷波动引起的频率波动变化量Δf作用于功频控制器后，得到原动机的有功功率出力指令值P_ref(此时P_ref＝P_m)，进而实现有功功率平衡，这相当于电力系统的一次调频。由于一次调频只针对波动周期短、变化幅度小的负荷波动，为了适应周期较长，范围较大的负荷波动，需要进一步调节虚拟同步发电机的输出有功功率。因此，可使频率偏差Δf经积分调节器实现对频率的无差调节，即可将频率维持在指令值f_ref，实现虚拟同步发电机的二次调频。

(2)、虚拟同步发电机的励磁控制器

本发明的同步发电机励磁控制器如图5所示，当Q_N＝Q时，虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′_ref＝U_ref系统的输出电压为额定电压。当无功负载突变时，ΔQ≠0，励磁控制系统根据电压偏差△U对励磁电流进行调节，改变励磁电压值的大小。通过该励磁控制器可对虚拟同步发电机本体的励磁电压进行控制，使机端电压随着无功功率输出的增加而增大，使之具有下垂特性。由于该控制器中采用比例积分调节，所以能够实现励磁电压的无差控制。

虚拟同步发电机(VSG)算法在光伏发电系统中的实现的最直接办法是将其与逆变器控制策略相结合。光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方式，VSG算法既可以得到相应的电压参考信号，也可以得到电流参考信号。本发明选择输出电压控制型光伏逆变器，采用LC型滤波器，VSG算法输出电压参考信号作为逆变器电压控制环的给定参考信号。采用VSG算法的电压控制方式并网逆变器及整体控制框图如图3：

针对光伏发电系统，虚拟惯性的作用主要体现为在暂态过程中对其功率输出特性的影响，因此，可以通过采用特殊的功率控制实现虚拟惯性的作用，有功功率的调节需要结合储能装置，而逆变器本身具有调节无功功率的功能，且常用的并网逆变器控制策略均可以实现无功功率按给定输出，给定电流参考信号计算时的瞬时无功功率即可精确调节其输出无功功率，本发明基于对VSG算法特性的分析，发明出一种基于VSG算法的功率控制策略，如图6所示：

当逆变器采用电压电流双闭环控制策略时，其输出有功功率随前级提供至直流母线的功率进行动态调整，则只需要令光伏阵列与储能装置输出功率之和与VSG算法实时有功功率P_VSG相等，则光伏系统整体将具有虚拟惯性作用下的有功功率输出特性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其特征在于，包括：光伏发电系统、储能装置和逆变装置；

光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包括：

同步发电机二阶模型主要包括转子运动方程和定子方程，如式(1)所示，当忽略凸极效应影响，并令极对数p＝1，则电角度等于机械角度；

$\begin{array}{c}\stackrel{\·}{E}=\stackrel{\·}{U}+\left(R_t+{\mathrm{jX}}_t\right)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D\left(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N\right)\end{array}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}$

式中，J为转动惯量，kg.m²，D为阻尼系数，体现阻尼绕组的作用；

P_m为机械功率，P_e为电磁功率，

ω为转子角频率，θ为电角度，

E为定子内电动势，V为端电压，

R_t为电阻，X_t为同步电抗，

I为定子电流；

该算法得到多个信号，包括：三相定子内电动势e_a、e_b、e_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c，输出有功功率P_VSG，输出无功功率Q_VSG及转子角速度ω。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包括：

通过所述虚拟同步发电机方法从逆变装置获取参考功率，通过逆变控制方法进行参考功率计算，发送到虚拟同步发电机方法与储能装置的能量管理控制方法进行比对，实时调整储能装置的输出功率。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包括：

通过电流互感器和电压互感器分别对LC滤波器中电流、电压进行检测，并将这些信号分别反馈给功频控制器和励磁控制器，实现对虚拟同步发电机的输入机械功率和励磁电动势的指令值进行实时调整，再经过虚拟同步发电机算法调整逆变装置输出，进而实现系统功率输出的平衡，维持系统电压和频率稳定。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，包括：

将功频特性调整方法应用于基于虚拟同步发电机的光伏逆变控制过程中，

其中f_ref为频率指令值，f为频率反馈值，P_N为有功功率额定值，K_i为积分系数，P_m为功频控制器输出功率，P_ref为功率给定值；P_m相当于同步机原动机输出机械功率，P_N值由微网中央控制器给定；由负荷波动引起的频率波动变化量Δf作用于功频控制器后，得到原动机的有功功率出力指令值P_ref，此时P_ref＝P_m，进而实现有功功率平衡，这相当于电力系统的一次调频，由于一次调频只针对波动周期短、变化幅度小的负荷波动，为了适应周期较长，范围较大的负荷波动，需要进一步调节虚拟同步发电机的输出有功功率；因此，可使频率偏差Δf经积分调节器实现对频率的无差调节，即可将频率维持在指令值f_ref，实现虚拟同步发电机的二次调频。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，包括：

形成同步发电机励磁控制器，当Q_N＝Q时，虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U′_ref＝U_ref系统的输出电压为额定电压；当无功负载突变时，ΔQ≠0，励磁控制系统根据电压偏差△U对励磁电流进行调节，改变励磁电压值的大小；通过该励磁控制器对虚拟同步发电机本体的励磁电压进行控制，使机端电压随着无功功率输出的增加而增大，使之具有下垂特性；由于该励磁控制器中采用比例积分调节，所以能够实现励磁电压的无差控制；

光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方式，VSG算法得到相应的电压参考信号和电流参考信号；选择输出电压控制型光伏逆变器，采用LC型滤波器，VSG算法输出电压参考信号作为逆变器电压控制环的给定参考信号。