CN106505617A - 一种光伏微电网频率恢复方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏微电网频率恢复方法和系统。方法包括：确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度，获取设定电角速度、获取待控状态量，待控状态量为虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值；根据分布式一致性算法确定待控状态量对时间t的求导公式；根据求导公式、虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；利用调控量对虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值进行调整。本发明将电力系统的调频特性与一致性算法相结合，使得各不同性质的光伏电源可以按照与最大可用容量一致的比例进行出力，并且，调节系统频率恢复到设定值。

Description

一种光伏微电网频率恢复方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种光伏微电网频率恢复方法及系统。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭和由此带来的环境危机日益加剧，新能源发电成为未来世界的发展趋势。其中，分布式光伏发电作为新能源之一，由于其分布广泛，取之不尽，用之不竭特点，近年来取得了快速发展。另外，微电网作为一种能够对分布式电源进行就地消纳，提高用户用电可靠性的新的电力系统运行方式，近年来也有了一定的发展。因此，将分布式光伏电源应用于微电网中，为微电网中的负荷进行供电是一种理想的选择。然而，光伏电源的出力具有随机性，波动性与有限性的特点，受温度、光照强度等外界条件影响较大，很有可能出现各光伏电源出力不均衡的现象，这会使得光伏电源可用容量不能均等分配而导致系统不平衡；另一方面，各个光伏电源出力不易控制，电力系统由于发电和额定负荷不匹配会导致系统频率偏差，影响用户的电能质量。因此，难以对这种类型的光伏微电网进行传统的控制运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏微电网频率恢复方法及系统，将电力系统的调频特性与一致性算法相结合，使得各不同性质的光伏电源可以按照与最大可用容量一致的比例进行出力，并且，调节系统频率恢复到设定值。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光伏微电网频率恢复方法，所述方法包括：

确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率值进行调整。

可选的，在所述确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度之前，还包括，判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，

如果是，则确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

如果否，则在利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值进行调整之后，调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频。

可选的，所述根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式，具体包括：

根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。

可选的，所述根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量，具体包括：

求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；

利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量。

一种光伏微电网频率恢复系统，所述系统包括：

输出虚拟电角速度获取单元，用于确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

设定电角速度获取单元，用于获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

待控状态量获取单元，用于获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

求导公式确定单元，用于根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

调控量计算单元，用于根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

调整单元，用于利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行调整。

可选的，所述系统还包括，

判断单元，用于判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，如果是，则确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；如果否，则在利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值进行调整之后，调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频。

可选的，所述求导公式确定单元具体包括：

求导公式确定子单元，用于根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。

可选的，所述调控量计算单元具体包括：

差值计算子单元，用于求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；

调控量计算子单元，用于利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明利用系统中的输出量形成反馈回路对系统的输入量进行调控，在反馈环节中加入了一致性算法部分和频率恢复部分，一方面保障了各虚拟同步电机之间出力的一致性，另一方面，保障了各虚拟同步发电机的输出频率与设定频率的一致性。而且，本发明的没有改变虚拟同步发电机的内部控制算法内部，也不需要对控制算法的内部变量进行通信。更有利于含分布式发电系统的友好利用与灵活调控，提高分布式电源的消纳能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例光伏微电网与虚拟同步发电机对应的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制算法示意图；

图3为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制流程图；

图4为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光伏微电网频率恢复方法及系统，将电力系统的调频特性与一致性算法相结合，使得各不同性质的光伏电源可以按照与最大可用容量一致的比例进行出力，并且，调节系统频率恢复到设定值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

PV为光伏电池，为直流源，需要经由逆变器接入电力系统，而传统的逆变器缺少惯性和阻尼，会影响电力系统的安全稳定。VSG为虚拟同步发电机，包括三相逆变器、LCL电路、电网连接端口功率计算、VSG控制算法、PWM发生器等5个子系统，它可以模拟同步发电机的机械特性与电磁特性，使逆变器的接口特性与同步发电机的外特性相似，可以为电网提供有好的惯性与阻尼。因此将PV以VSG的方式接入电力系统，是安全消纳光伏的一种良好解决方法，该系统称作PV-VSG。

图1为本发明实施例光伏微电网与虚拟同步发电机对应的拓扑结构示意图，如图1所示e＝[e_a e_b e_c]^T，u＝[u_a u_b u_c]^T，i＝[i_a i_b i_c]^T，分别表示PV-VSG的三相感应电动势、三相输出端电压与输出电流；R_s和L_s可分别模拟同步发电机的定子电枢电阻与同步电感；P_e与Q_e分别表示PV-VSG输出的有功功率与无功功率。

PV-VSG主要包括硬件部分与控制系统部分。其中，硬件部分包含直流侧的光伏电池(可类比同步发电机中的原动机)、三相三线逆变器及LCL电路等(可类比为同步发电机的机电能量转换过程)；控制系统主要是考虑了PV直流侧输入特性的虚拟同步发电机，是系统运行控制的核心。控制系统可以控制PV-VSG的硬件特性和VSG算法共同作用，模拟同步发电机的机械特性与电磁关系。

在多个智能体的分布式系统中，如果出于安全与公平考虑，需要每个智能体的某个运行状态保持一致，可以运用分布式一致性算法进行控制。分布式一致性算法是一种在特定的通信拓扑要求下，控制多系统协调一致运行的理论。在分布式电源中运用分布式一致性的控制方法可以不需要中央控制器，减小通信成本，并增加运行可靠性。

本发明主要根据分布式一致性算法，充分考虑了PV-VSG的输入量与输出量之间的关系，并且结合含有同步发电机的电力系统的有功频率特性，提出了一种基于一致性算法的频率恢复控制策略，所提出的算法最大的优点是可以不改变PV-VSG系统中虚拟同步发电机的内部控制算法，是一种比PV-VSG更高层的控制策略，避免了各层控制中相互影响的问题；也不需要对控制算法的内部变量进行通信。更有利于含分布式发电系统的友好利用与灵活调控，提高分布式电源的消纳能力。

图2为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制算法示意图，如图2所示，本发明本发明利用系统中的输出量形成反馈回路，在反馈回路中加入了频率恢复部分与一致性算法部分，一方面保障了各虚拟同步电机之间出力的一致性，另一方面，保障了各虚拟同步发电机的输出频率与设定频率的一致性。

图3为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制流程图，如图3所示，光伏微电网一致性频率恢复方法步骤如下：

步骤301：判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，如果是，则执行步骤302-307，如果不是，则执行步骤302-308；

步骤302：确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

步骤303：获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

步骤304：获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

步骤305：根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

步骤306：根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

步骤307：利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行调整；

步骤308：调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频。

步骤305中，根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式为所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。在分布式系统中存在n个设备，第i个设备的某个状态量为x_i，所有设备构成的网络拓扑结构的有向图模型的邻接矩阵为邻接矩阵那么若设备i能够单向接收到设备j的信息，则矩阵AG中的元素a_ij＝1，若设备i,j之间没有信息交流，则a_ij＝a_ji＝0，利用邻接矩阵A_G得到拉普拉斯矩阵对应的如果该拉普拉斯矩阵的有向图存含有一簇有向生成树，那么利用式算法得到的系统的各个状态量会收敛一致。

本发明的控制目标可细化为两个方面：代表系统中所有PV-VSG的有功出力和该PV对应的最大出力的比例最终都趋于一致，f＝f_i＝f₀代表所有PV-VSG的控制策略的虚拟频率都与系统频率相等并且无差于标准频率f₀，一般取50Hz。因此，本发明将频率偏差作为对有功功率设定值的导数的影响部分考虑，对频率偏差进行负反馈调节，完成系统频率恢复的控制目标。因此，本发明在步骤306中求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量，即频率与电角速度为2π倍的关系。

本发明提供的方法可以直接利用PV-VSG控制的输入变量和输出变量作为一致性理论中的被控状态变量，由此也可以对PV-VSG的输出量进行通信，避免了将控制算法里的内部变量进行通信的复杂工程要求；并且所提方法的输入变量与通信变量中不需要考虑VSG控制策略中的内部控制参数(比如设置的虚拟阻尼等)，将整个控制系统清晰地分层，各层之间的耦合程度非常低，使得控制策略简单，并且可以灵活调整。在实际应用中充分考虑电力系统中的实际情况，有利于分布式电源的友好接入、就地消纳与协调运行，降低了系统各发电设备协调控制的成本，更利于光伏发电的发展和推广。

为达到上述目的，本发明还提供了一种光伏微电网频率恢复系统，如图4所示，图4为本发明实施例光伏微电网对应的虚拟同步发电机的一致性频率恢复控制系统结构示意图，光伏微电网频率恢复系统包括：

判断单元401，用于判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，如果是，则确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；如果否，则在利用所述频率调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值进行调整之后，调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频；

输出虚拟电角速度获取单元402，用于确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

设定电角速度获取单元403，用于获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

待控状态量获取单元404，用于获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

求导公式确定单元405，用于根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

调控量计算单元406，用于根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

调整单元，用于利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行调整。

其中，求导公式确定单元405具体包括：求导公式确定子单元，用于根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。

调控量计算单元406具体包括：差值计算子单元，用于求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；调控量计算子单元，用于利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量。

本发明提供的系统可以直接利用PV-VSG控制的输入变量和输出变量作为一致性理论中的被控状态变量，由此也可以对PV-VSG的输出量进行通信，避免了将控制算法里的内部变量进行通信的复杂工程要求；并且所提方法的输入变量与通信变量中不需要考虑VSG控制策略中的内部控制参数(比如设置的虚拟阻尼等)，将整个控制系统清晰地分层，各层之间的耦合程度非常低，使得控制策略简单，并且可以灵活调整。在实际应用中充分考虑电力系统中的实际情况，有利于分布式电源的友好接入、就地消纳与协调运行，降低了系统各发电设备协调控制的成本，更利于光伏发电的发展和推广。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光伏微电网频率恢复方法，其特征在于，所述方法包括：

确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率的实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率值进行调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度之前，还包括，判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，

如果是，则确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

如果否，则在利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值进行调整之后，调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式，具体包括：

根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量，具体包括：

求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；

利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量。

5.一种光伏微电网频率恢复系统，其特征在于，所述系统包括：

输出虚拟电角速度获取单元，用于确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；

设定电角速度获取单元，用于获取虚拟同步发电机的设定电角速度；

待控状态量获取单元，用于获取待控状态量，所述待控状态量为所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值与所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值的比值，所述虚拟同步发电机能够输出的最大功率值为定值；

求导公式确定单元，用于根据分布式一致性算法确定所述待控状态量对时间t的求导公式；

调控量计算单元，用于根据所述求导公式、所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度和所述虚拟同步发电机的设定电角速度计算得到调控量；

调整单元，用于利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述系统还包括，

判断单元，用于判断由虚拟同步发电机构成的分布式光伏电网的总输出功率是否能够达到功率预设值，如果是，则确定虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度；如果否，则在利用所述调控量对所述虚拟同步发电机输出的有功功率实际值进行调整之后，调用系统中的同步发电机对所述虚拟同步发电机的频率进行二次调频。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述求导公式确定单元具体包括：

求导公式确定子单元，用于根据分布式一致性算法计算得到所述虚拟同步发电机的待控状态量对时间t的求导公式所述虚拟同步发电机为第i个虚拟同步发电机，其中，P_iref为所述第i个虚拟同步发电机有功功率的设定值，P_iMPP、P_jMPP分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机能够输出的最大功率值，P_ie、P_je分别为所述第i个、第j个虚拟同步发电机有功功率的实际输出值，n为分布式系统中虚拟同步发电机的个数，a_ij为邻接矩阵中的元素。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调控量计算单元具体包括：

差值计算子单元，用于求取所述虚拟同步发电机输出的虚拟电角速度与所述虚拟同步发电机的设定电角速度的差值；

调控量计算子单元，用于利用所述求导公式减去所述差值与正数K的乘积，得到调控量。