CN106356884A - 一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法、装置及系统，其中一种基于虚拟同步机的光伏并网系统包括光伏电池板，DC/DC变换器，DC/AC逆变器；所述光伏电池板连接直流母线，所述DC/DC变换器一端连接直流母线，一端连接储能电池，直流母线连接所述DC/AC逆变器的直流侧，所述DC/AC逆变器的交流侧接入变压器。该控制方法用于解决光伏并网系统不能兼顾实现光伏阵列端电压控制和实现虚拟同步机功能的问题。

Description

一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法、装置及系统

技术领域

本发明属于电气工程领域，特别涉及一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法、装置及系统。

背景技术

光伏出力具备大幅、频繁的随机波动性等特征，其对电网渗透率的升高将对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性，且不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子逆变器接入电网的光伏发电系统为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。

虚拟同步发电机是业内近年来的研究热点之一，是逆变器结合储能来模拟同步发电机特性的一种技术。其将同步发电机本体及其控制器数学模型引入逆变器的控制算法，使并网系统具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。虚拟同步发电机控制对象为交流侧机端电压和频率，然而常规光伏并网逆变器控制对象为直流侧光伏阵列端电压，可以实现阵列最大功率跟踪，难以兼顾实现虚拟同步发电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，用于解决光伏并网系统不能兼顾实现光伏阵列端电压控制和实现虚拟同步机功能的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，该方法包括以下步骤：

1)对于DC/DC变换器控制的步骤：基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；

2)对于DC/AC逆变器控制的步骤：基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。

所述同步发电机电磁功率控制器模型包括同步发电机本体模型和调频控制器模型两部分，同步发电机本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\\ P_e^{*}=\frac{V_t^{*}\·E^{*}\·\sin \mathrm{\δ}}{X^{*}}\\ d\mathrm{\θ}/dt=\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\δ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right.$

其中，J为转动惯量，单位为kg.m²，D为阻尼系数，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率，ω为机械角速度，单位为rad/s，即在极对数为1时的电气角速度，ω₀为电网角速度，V_t为机端电压，E为内电势，X为定子阻抗，δ为功角，θ为电角度，θ_g为电网相角，带*为标幺值；

同步发电机调频控制器模型为：

P_m＝k_ω(ω-ω_N)

其中，ω为机械角速度，单位为rad/s，ω_N为额定角速度，k_ω为调频系数，定义为有功功率变化量与角速度变化量的比值。

所述电压-无功下垂控制器为：

$i_{qref}^{*}=Q_{ref}^{*}=\frac{k_v(U_N-U_{rms})}{E_N}$

其中，为无功电流环指令标幺值，Q^* _ref为调压无功功率标幺值，U_N为电网额定电压，U_rms为电网电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值，E_N为虚拟同步机额定容量。

通过最大功率跟踪控制方式计算得到的直流电压作为直流电压环的指令值。

本发明还提供了一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，该装置包括：

对于DC/DC变换器控制的单元：基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；

对于DC/AC逆变器控制的单元：基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。

所述同步发电机电磁功率控制器模型包括同步发电机本体模型和调频控制器模型两部分，同步发电机本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\\ P_e^{*}=\frac{V_t^{*}\·E^{*}\·\sin \mathrm{\δ}}{X^{*}}\\ d\mathrm{\θ}/dt=\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\δ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right.$

其中，J为转动惯量，单位为kg.m²，D为阻尼系数，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率，ω为机械角速度，单位为rad/s，即在极对数为1时的电气角速度，ω₀为电网角速度，V_t为机端电压，E为内电势，X为定子阻抗，δ为功角，θ为电角度，θ_g为电网相角，带*为标幺值；

同步发电机调频控制器模型为：

P_m＝k_ω(ω-ω_N)

其中，ω为机械角速度，单位为rad/s，ω_N为额定角速度，k_ω为调频系数，定义为有功功率变化量与角速度变化量的比值。

所述电压-无功下垂控制器为：

$i_{qref}^{*}=Q_{ref}^{*}=\frac{k_v(U_N-U_{rms})}{E_N}$

其中，为无功电流环指令标幺值，Q^* _ref为调压无功功率标幺值，U_N为电网额定电压，U_rms为电网电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值，E_N为虚拟同步机额定容量。

该装置还包括用于通过最大功率跟踪控制方式计算得到的直流电压作为直流电压环的指令值的单元。

本发明还提供了一种基于虚拟同步机的光伏并网系统，包括光伏电池板，DC/DC变换器，DC/AC逆变器；所述光伏电池板连接直流母线；所述DC/DC变换器一端连接直流母线，一端连接储能电池，直流母线连接所述DC/AC逆变器的直流侧，所述DC/AC逆变器的交流侧接入变压器。

本发明的有益效果是：

在并网逆变器直流侧配置包含双向DC/DC变换器的储能系统，将同步发电机本体模型和频率控制器模型引入双向DC/DC变换器中，模拟同步发电机频率-有功响应特性，使并网系统具备类似于同步发电机的惯性/阻尼、频率-有功下垂等外特性。在并网逆变器DC/AC中引入电压-无功下垂控制器模型，在不影响最大功率跟踪功能的前提下，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。该控制方法能够兼顾实现光伏阵列端电压控制和实现虚拟同步机功能，增强并网点电压强度，提升电网间歇式能源的能力，延长系统整体寿命，方法简单有效，利于工程应用。

在DC/DC变换器一端连接储能电池，储能电池可以储存来自光伏电池板的能量，以供光伏系统逆变器DC/AC使用。

附图说明

图1为具备虚拟同步机外特性的光伏并网系统结构图；

图2为双向DC/DC变换器的控制框图；

图3为光伏并网DC/AC逆变器的控制框图。

具体实施方式

一种基于虚拟同步机的光伏并网系统，包括光伏电池板，DC/DC变换器，DC/AC逆变器；所述光伏电池板连接直流母线；所述DC/DC变换器一端连接直流母线，一端连接储能电池，直流母线连接所述DC/AC逆变器的直流侧，所述DC/AC逆变器的交流侧接入变压器。光伏阵列功率P_pv和电磁功率P_e通过逆变器送入电网，同时逆变器模拟同步发电机向电网输出无功Q。

本发明的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，该方法具体包括以下步骤：

1)对于DC/DC变换器控制的步骤：基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；

2)对于DC/AC逆变器控制的步骤：基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性；

在步骤1)中，双向DC/DC变换器的控制框图，具体的如图2所示，双向DC/DC变换器采用常规的功率外环、电流内环双闭环控制方式，工作于功率控制模式，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功下垂特性，输出虚拟电磁功率。

所述同步发电机电磁功率控制器模型包括同步发电机本体模型和调频控制器模型两部分，同步发电机本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\\ P_e^{*}=\frac{V_t^{*}\·E^{*}\·\sin \mathrm{\δ}}{X^{*}}\\ d\mathrm{\θ}/dt=\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\δ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right.$

其中，J为转动惯量，单位为kg.m²，D为阻尼系数，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率，ω为机械角速度，单位为rad/s，即在极对数为1时的电气角速度，ω₀为电网角速度，V_t为机端电压，E为内电势，X为定子阻抗，δ为功角，θ为电角度，θ_g为电网相角，带*为标幺值。

在同步发电机本体模型中，电磁功率P_e即为双向DC/DC变换器的功率环指令值，机械功率P_m由调频控制器计算得到，电网相角θ_g通过对采样的三相电网电压进行锁相计算得到。一方面机端电压和内电势幅值在电网正常情况下对电磁功率P_e影响较小，另一方面在电网故障穿越时，光伏逆变器需要限制有功输出，为避免电网故障时实际机端电压大幅跌落导致电磁功率P_e计算出现异常，可虚拟设置机端电压和内电势为定值1pu。

同步发电机调频控制器模型为：

P_m＝k_ω(ω-ω_N)

其中，ω为机械角速度，单位为rad/s，ω_N为额定角速度，k_ω为调频系数，定义为有功功率变化量与角速度变化量的比值。

电磁功率P_e与电池输出功率P_b的差值经功率环的PI调节器计算后，得到电流环的指令值i_bref，i_bref与电池电流i_b的差值经电流环的PI调节器后，得到双向DC/DC变换器的调制信号u_m。

在步骤2)中，光伏逆变器DC/AC的控制框图，具体的如图3所示，光伏并网逆变器采用常规的基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，工作于MPPT模式，控制直流母线电压，同时模拟同步发电机电压-无功下垂特性，输出无功功率；

所述电压-无功下垂控制器为：

$i_{qref}^{*}=Q_{ref}^{*}=\frac{k_v(U_N-U_{rms})}{E_N}$

其中，为无功电流环指令标幺值，Q^* _ref为调压无功功率标幺值，U_N为电网额定电压，U_rms为电网电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值，E_N为虚拟同步机额定容量。

与无功电流标幺值的差值输入到无功电流环的PI调节器。MPPT计算得到光伏阵列最大功率点对应的直流电压u_{dc_ref}，其作为直流电压环的指令值，与直流电压u_dc的差值经直流电压环的PI调节器计算后，得到有功电流环的指令标幺值与有功电流标幺值的差值输入到有功电流环的PI调节器。两个电流环PI调节器的输出经SVPWM模块计算后，得到逆变器的PWM信号。

本实施例中，采用MPPT的控制方式跟踪直流电压，使光伏并网系统能够兼顾实现光伏阵列端电压控制和实现虚拟同步机功能，做为其他实施方式，也可以采用除MPPT以外的控制方式来实现直流电压的控制。

本发明还提供了一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，该装置包括对于DC/DC变换器控制的单元和对于DC/AC逆变器控制的单元；对于DC/DC变换器控制的单元在基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式下，用于建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；对于DC/AC逆变器控制的单元在基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式下，用于建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性；

上述控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各单元是与上述控制方法的步骤1)-2)相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。

上述控制装置作为一种程序，在光伏并网系统中运行，在并网逆变器直流侧配置包含双向DC/DC变换器的储能系统，将同步发电机本体模型和频率控制器模型引入双向DC/DC变换器中，模拟同步发电机频率-有功响应特性，使并网系统具备类似于同步发电机的惯性/阻尼、频率-有功下垂等外特性。在并网逆变器DC/AC中引入电压-无功下垂控制器模型，在不影响最大功率跟踪功能的前提下，模拟同步发电机电压-无功下垂特性；该控制方法能够实现储能系统的虚拟同步机功能，增强并网点电压强度，提升电网间歇式能源的能力，延长系统整体寿命，方法简单有效，利于工程应用。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对于DC/DC变换器控制的步骤：基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；

2)对于DC/AC逆变器控制的步骤：基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，其特征在于，所述同步发电机电磁功率控制器模型包括同步发电机本体模型和调频控制器模型两部分，同步发电机本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\\ P_e^{*}=\frac{V_t^{*}\·E^{*}\·\sin \mathrm{\δ}}{X^{*}}\\ d\mathrm{\θ}/dt=\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\δ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right.$

其中，J为转动惯量，单位为kg.m²，D为阻尼系数，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率，ω为机械角速度，单位为rad/s，即在极对数为1时的电气角速度，ω₀为电网角速度，V_t为机端电压，E为内电势，X为定子阻抗，δ为功角，θ为电角度，θ_g为电网相角，带*为标幺值；

同步发电机调频控制器模型为：

P_m＝k_ω(ω-ω_N)

其中，ω为机械角速度，单位为rad/s，ω_N为额定角速度，k_ω为调频系数，定义为有功功率变化量与角速度变化量的比值。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，其特征在于，所述电压-无功下垂控制器为：

$i_{qref}^{*}=Q_{ref}^{*}=\frac{k_v(U_N-U_{rms})}{E_N}$

其中，为无功电流环指令标幺值，Q^* _ref为调压无功功率标幺值，U_N为电网额定电压，U_rms为电网电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值，E_N为虚拟同步机额定容量。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制方法，其特征在于，通过最大功率跟踪控制方式计算得到的直流电压作为直流电压环的指令值。

5.一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，其特征在于，该装置包括：

对于DC/DC变换器控制的单元：基于功率外环、电流内环双闭环的控制方式，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；

对于DC/AC逆变器控制的单元：基于d-q坐标系的直流电压外环、桥臂电流内环双闭环控制方式，建立电压-无功下垂控制器模型，以电压-无功下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，其特征在于，所述同步发电机电磁功率控制器模型包括同步发电机本体模型和调频控制器模型两部分，同步发电机本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)\\ P_e^{*}=\frac{V_t^{*}\·E^{*}\·\sin \mathrm{\δ}}{X^{*}}\\ d\mathrm{\θ}/dt=\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\δ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right.$

其中，J为转动惯量，单位为kg.m²，D为阻尼系数，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率，ω为机械角速度，单位为rad/s，即在极对数为1时的电气角速度，ω₀为电网角速度，V_t为机端电压，E为内电势，X为定子阻抗，δ为功角，θ为电角度，θ_g为电网相角，带*为标幺值；

同步发电机调频控制器模型为：

P_m＝k_ω(ω-ω_N)

其中，ω为机械角速度，单位为rad/s，ω_N为额定角速度，k_ω为调频系数，定义为有功功率变化量与角速度变化量的比值。

7.根据权利要求5所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，其特征在于，所述电压-无功下垂控制器为：

$i_{qref}^{*}=Q_{ref}^{*}=\frac{k_v(U_N-U_{rms})}{E_N}$

其中，为无功电流环指令标幺值，Q^* _ref为调压无功功率标幺值，U_N为电网额定电压，U_rms为电网电压有效值，k_v为无功调压系数，定义为无功功率变化量标幺值与电压变化量标幺值的比值，E_N为虚拟同步机额定容量。

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟同步机的光伏并网控制装置，其特征在于，还包括用于通过最大功率跟踪控制方式计算得到的直流电压作为直流电压环的指令值的单元。

9.一种应用如权利要求1所述方法的基于虚拟同步机的光伏并网系统，其特征在于，包括光伏电池板，DC/DC变换器，DC/AC逆变器；所述光伏电池板连接直流母线，所述DC/DC变换器一端连接直流母线，一端连接储能电池，直流母线连接所述DC/AC逆变器的直流侧，所述DC/AC逆变器的交流侧接入变压器。