CN106712113B - 用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，将每一个光伏发电单元作为独立的受控电压源，不需要分布式电源间的通信信号，避免了物理连接的约束，确保了系统的高可靠性；并通过自适应下垂控制方程，引入直流侧电压PI调节器，以控制直流侧电容电压和直流侧给定参考电压相等，以调节有功‑频率曲线的上移或下移，来保证当其中一个光伏发电单元的输出功率改变时，不影响到其它光伏发电单元的输出功率，使每一个光伏发电单元都以最大功率输出，从而提高了储能单元的使用寿命，同时也能为系统的频率支撑做出辅助贡献。

Description

用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，更具体地，涉及一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法。

背景技术

可再生能源因具有清洁、环保和可持续发展的特点而受到越来越多的关注。微电网作为分布式电源(尤其是可再生能源)接入电网的一种有效手段，逐步成为电气工程领域的一个研究热点。在这些可再生能源中，光伏发电(PV)由于其逐年减少的安装成本渐渐成为主要的分布式电源之一。但是，其发电的间歇性和不确定性不利于光伏系统的大规模接入。为了克服光伏系统发电的不确定性，储能系统成为了保证供需功率平衡的不可缺少的部分。

目前，在微电网的光伏储能系统中，有两种代表性的结构：(1)光伏储能集成系统；(2)光伏储能独立系统。在第一种系统中，将储能与光伏整合成一个理想电源，由于局部光伏的功率变化，储能部分会频繁的进行充电和放电，导致系统效率低、使用寿命缩减。为了克服这些缺点，一种光伏储能独立系统被提出。光伏储能独立系统作为一个独立的单元，储能部分只负责交流母线电压，通过调节交流母线电压保证系统功率的供需平衡。因此，第二种系统在灵活调用储能部分和易于优化储能分配方面具有更好地特性。

而对于光伏储能集成式的微电网，目前广泛采用下垂控制的方法。由于下垂控制无需依赖通信便可以到达各微源间的同步运行及功率均分，可以实现系统的高可靠性及分布式电源(DG)的即插即用。在现有的研究当中，当局部光伏的输出能力降低时，蓄电池会自动提供额外的功率，这会使得蓄电池的能量被过早的耗尽，不利于系统的能量管理。也有一些控制策略提出将电压源逆变器控为受控电压源，控制器大部分时间工作在MPPT并且采用下垂控制以维持负载变化情况下的直流母线稳定。这些情况都是将光伏储能单元作为理想电源，忽略了光伏发电的间歇性和随机性。

对于光伏储能独立系统，主从控制是一种常用的控制策略。基于主从控制的光储系统中，储能系统作为主单元，被控为电压源来支撑系统的频率和电压，光伏作为从单元，被控为电流源来实现MPPT。在以往的研究中，有些使用通用接口为主控制器来改善系统管理效率，有些基于射频通信接口用来消除分布式电源之间物理连接的限制。但在主从控制中，实时通信非常重要，这也意味着系统可靠性的降低和成本的增加。同时，一旦主电源出现故障，整个微电网将会崩溃，因此，主电源作为其中的关键部分，其容量必须足够大来保证系统的稳定运行。

发明内容

本发明提供一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，以解决现有光伏储能独立微电网主从控制中仅靠储能单元来支撑系统的频率和电压而导致系统可靠性能低的缺点的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，包括以下步骤：

S1.基于电压源逆变器的输出电压和输出电流，获取光伏发电单元的有功功率和无功功率；

S2.获取直流侧电容电压和直流侧给定参考电压，基于所述光伏发电单元的有功功率和无功功率，通过自适应下垂控制方程，得到光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值；

S3.基于光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值，得到光伏发电单元输出电压的参考值，以控制电压源逆变器的开关状态。

在上述方案基础上优选，步骤S2中的所述自适应下垂控制方程包括角频率控制方程和幅值控制方程；

所述角频率控制方程，用于通过控制所述直流侧电容电压和直流侧给定参考电压相等，获取光伏发电单元输出电压的参考角频率，以调节有功-频率下垂控制曲线的上移或下移位置；

所述幅值控制方程，用于获取光伏发电单元输出电压的参考电压幅值。

在上述方案基础上优选，所述角频率控制方程为：

且i≥1；

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，P_i表示第i个光伏发电单元的输出有功功率，ω^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率ω_i，m_i表示有功-频率下垂曲线的下垂参数，u_dci表示第i个光伏发电单元的直流侧电容电压；表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压；Δω_i表示第i个光伏发电单元的偏移角频率；K_Pi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的改进的下垂控制中PI调节器的比例系数，K_Ii表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的改进的下垂控制中PI调节器的积分系数。

在上述方案基础上优选，所述第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压必须大于电压源逆变器输出的交流电压u_i的峰值，以避免过调。

在上述方案基础上优选，所述幅值控制方程为：

V_i ^ref＝V^*-n_iQ_i

其中，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Q_i表示第i个光伏发电单元输出的无功功率，V^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的电压幅值，n_i表示无功-电压下垂控制曲线的的下垂参数。

在上述方案基础上优选，步骤S3进一步包括：

S31.对光伏发电单元的参考角频率积分，以得到光伏发电单元的输出参考电压相位角；

S32.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值，以得到光伏发电单元的输出电压参考值，以控制电压源逆变器的开关状态。

在上述方案基础上优选，步骤S32进一步包括：

S321.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值，以得到光伏发电单元的输出电压参考值；

通过采样获取光伏发电单元的电压源逆变器输出电压和输出电流；

S322.基于电压环和电流环，将获得的光伏发电单元的电压源逆变器输出电压跟踪所得到的光伏发电单元的输出电压参考值，以控制电压源逆变器的开关状态。

在上述方案基础上优选，步骤S31获取光伏发电单元的输出参考电压相位角的表达式为：

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角，dt表示对时间的积分。

在上述方案基础上优选，步骤S321获取光伏发电单元的输出电压参考值的表达式为：

其中，表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角。

本发明提供的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，将每一个光伏发电单元作为独立的受控电压源，不需要分布式电源间的通信信号，避免了物理连接的约束，确保了系统的高可靠性；并通过自适应下垂控制方程，引入直流侧电压PI调节器，以控制直流侧电容电压和直流侧给定参考电压相等，以调节有功-频率曲线的上移或下移，来保证光伏发电单元的工作频率，不受到其它光伏发电单元的影响，使每一个光伏发电单元都以最大功率输出，从而提高了储能单元的使用寿命。

附图说明

图1为本发明基于最大功率点跟踪(MPPT)的下垂控制的光伏储能独立微电网控制框图；

图2为本发明基于最大功率点跟踪(MPPT)的下垂控制和传统下垂控制的静态特性曲线；

图3为本发明的带有两个光伏发电单元和一个储能单元的微电网等效电路图；

图4a为本发明输出有功功率与负载需求的波形图；

图4b为本发明随机扰动作用下的光伏输出电流波形图；

图4c为本发明直流母线电压波形图；

图4d为本发明负载的电压、电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种用于光伏储能独立微电网中的电压源逆变器的下垂控制方法，为了便于说明本发明的下垂控制方法，以下将对本分买那个的光伏储能独立微电网的结构予以介绍。

请参阅图1所示，本发明的光伏储能独立微电网包括若干个并联的光伏发电单元、储能单元、公共负载和交流母线，若干个并联的光伏发电单元输出端通过电压源逆变器与交流母线相连，储能单元通过储能逆变器与交流母线相连，公共负载连接在交流母线上。

本发明的电压源逆变器与储能逆变器分开独立控制，其中，储能逆变器采用传统的下垂控制，以调节公共连接点的电压和频率；而电压源逆变器采用以下的改进下垂控制方法得到MPPT，以辅助参与调节公共连接点的频率。以下将详细介绍电压源逆变器的下垂控制方法，请继续参阅图1，并结合图2所示。

本发明的提供一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，包括以下步骤：

S1.基于电压源逆变器的输出电压和电压源逆变器的输出电流，得到光伏发电单元的有功功率P_i和无功功率Q_i；

S2.获取光伏发电单元的直流侧电容电压u_dci和直流侧给定参考电压基于光伏发电单元的有功功率P_i和无功功率Q_i，通过自适应下垂控制方程，以得到光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值V_i ^ref；

S3.基于光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值V_i ^ref，得到光伏发电单元输出电压的参考值以控制电压源逆变器的开关状态。

在本发明的另一优选实施方案中，本发明步骤S2中的自适应下垂控制方程包括角频率控制方程和幅值控制方程；

其中，角频率控制方程，引入直流侧电压PI调节器，通过控制直流侧电容电压和直流侧给定参考电压相等，获取光伏发电单元输出电压的参考角频率，以调节有功-频率曲线的上移或下移位置，且该角频率控制方程为：

且i≥1；

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，P_i表示第i个光伏发电单元的输出有功功率，ω^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率ω_i，m_i表示有功-频率下垂曲线的下垂参数，u_dci表示第i个光伏发电单元的直流侧电容电压；表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压；Δω_i表示第i个光伏发电单元的偏移角频率；K_Pi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的改进的下垂控制中PI调节器的比例系数，K_Ii表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的改进的下垂控制中PI调节器的积分系数。

使用时，当其中一个光伏发电单元的输出功率收到外界光照条件或温度的改变而减小时，可通过获取光伏发电单元的直流侧电容电压与光伏发电单元的直流侧给定参考电压，通过直流侧电压PI调节器，以得到光伏发电单元的偏移角频率，然后，根据偏移角频率Δω_i将有功-频率下垂曲线向下移动，从而保证该光伏发电单元的工作频率不发生改变，以使得其它的光伏发电单元的工作频率不受影响，因此不会导致其它的光伏发电单元输出功率的改变，确保其它光伏发电单元的最大功率输出。

为了进一步说明本发明的技术效果，以下结合传统的下垂控制方法予以说明，具体请继续参阅图2所示。图2中P₁和P₂分别表示两个光伏发电单元PV#1、PV#2的输出功率，如果采用传统的下垂控制，当光伏发电单元PV#1的输出功率P₁由于外界原因而减小至P₁'时，由有功-频率下垂曲线和传统下垂控制方程表达式ω₁＝ω^*-m₁P₁可知，则光伏发电单元PV#1对应的工作点将由a₁点移至b₁点，光伏发电单元PV#1对应的角频率由ω_act1移至了ω_act2。为保持所有光伏发电单元的工作频率一致，光伏发电单元PV#2也将工作在新的角频率ω_act2，那么相应光伏发电单元PV#2的工作点由a₂移至b₂，导致光伏发电单元PV#2的输出功率由P₂减小至P₂'，使得光伏发电单元PV#2不能以最大功率输出，为保证能量的供需平衡，储能单元则不得不输出更多的功率作为能量补充，从而导致储能单元进行频繁的充放电，导致系统效率低、使用寿命缩短。而本发明通过将有功-频率下垂曲线适度下移Δω，光伏发电单元PV#1的工作点移至c₁，保证了该光伏发电单元的工作频率不变，从而不会影响到其他的光伏发电单元，保证了光伏发电单元PV#1的最大功率输出。

为了避免过度调节，本发明的第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压大于电压源逆变器输出交流电压u_i的峰值。

在本发明的另一优选实施方案中，本发明的幅值控制方程为：

V_i ^ref＝V^*-n_iQ_i

其中，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Q_i表示第i个光伏发电单元输出的无功功率，V^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的电压幅值，n_i表示无功-电压下垂曲线的的下垂参数。

为了进一步详细说明本发明的技术方案，以下将详细说明本发明步骤S3，步骤S3进一步包括：

S31.对光伏发电单元的参考角频率积分，以得到光伏发电单元的输出参考电压相位角

S32.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值V_i ^ref，以得到光伏发电单元的输出电压参考值以控制电压源逆变器的开关状态。

其中，步骤S32进一步包括：

S321.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值V_i ^ref，以得到光伏发电单元的输出电压参考值

通过采样获取光伏发电单元的电压源逆变器输出电压和输出电流；

S322.基于电压环和电流环，将获得的光伏发电单元的电压源逆变器输出电压跟踪所得到的与其对应的光伏发电单元的输出电压参考值再经过PWM调制控制电压源逆变器的开关状态。

其中，步骤S31获取光伏发电单元的输出参考电压相位角的表达式为：

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角，dt表示对时间的积分。

优选的，步骤S321获取光伏发电单元的输出电压参考值的表达式为：

其中，表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角。

为了进一步说明本发明的技术方案，以下将详细介绍本发明储能逆变器的控制方式，本发明的储能逆变器采用传统的下垂控制，通过传统下垂控制将储能单元控为电压源，传统下垂控制表达式如下：

其中ω是参考角频率，V是参考电压幅值，P是输出有功功率，Q是输出无功功率，ω^*和V^*分别表示空载情况下ω和V的值，m表示有功-频率下垂控制曲线的下垂参数，n表示无功-幅值下垂控制曲线的下垂参数。

本发明的储能单元在光伏储能独立微电网中，储能单元集中作为一个能量存储系统(ESS)，以一个独立的单元连接在电网母线上，储能单元只对母线电压负责，可以减少充放电次数，延长使用寿命。它只有当光伏发电单元产生的能量和负载需求不平衡才起作用，作为能量补充。

为了验证光伏储能独立微电网中基于最大功率点跟踪(MPPT)的下垂控制方法的可行性，以下搭建了有两个光伏发电单元和一个储能单元所构成的单相交流微电网仿真模型进行验证，其中，单相交流微电网仿真模型的等效电路如图3所示，实验所使用的仿真参数如表1所示。为了模拟自然条件下光伏发电系统的不确定性，在光伏发电单元中设计了随机干扰模块并得到输出电流i_PVi；此外，无负载情况下的参考电压设置为50Hz/311V；为避免过调，直流母线电压设置为350V；为证明系统的瞬态响应，设置负载在1.5s后动作。

表1

图4a表示了输出有功功率和负载需求波形，图4b表示随机扰动作用下的光伏输出电流波形，图4c表示直流母线电压波形，图4d表示负载的电压、电流波形。

由图4a、图4b可以看出，两个光伏发电单元一直输出可用的最大功率，而储能单元只有当光伏发电与负载需求不平衡时才输出功率，不仅如此，光伏发电单元还可以为系统的频率支撑作辅助帮助，图4c、图4d表示直流母线电压被控为给定的参考值，并且当负载改变时有较快的响应。

本发明提出一种基于下垂控制实现MPPT的光伏储能独立微电网控制方法，结合了传统下垂控制和主从控制的特点，将光伏发电单元控为电流控制的受控电压源，这种控制方法有以下几个优点：

(1)不需要分布式电源间的通信信号，避免了物理连接的约束，确保了系统的高可靠性；

(2)光伏发电单元作为电流控制的受控电压源可参与公共连接点的频率调节，能保证当储能单元故障时系统的稳定运行；

(3)确保光伏发电单元在离、并网模式下均能实现MPPT；

(4)储能单元作为一个独立的单元更方便系统的能量管理和调度

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.基于电压源逆变器的输出电压和输出电流，获取光伏发电单元的有功功率和无功功率；

S2.获取直流侧电容电压和直流侧给定参考电压，基于所述光伏发电单元的有功功率和无功功率，通过自适应下垂控制方程，得到光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值；

S3.基于光伏发电单元的参考角频率和参考电压幅值，得到光伏发电单元输出电压的参考值，以控制电压源逆变器的开关状态；

其中，步骤S2中的所述自适应下垂控制方程包括角频率控制方程和幅值控制方程；

所述角频率控制方程，用于通过控制所述直流侧电容电压和直流侧给定参考电压相等，获取光伏发电单元输出电压的参考角频率，以调节有功-频率下垂控制曲线的上移或下移位置；

所述幅值控制方程，用于获取光伏发电单元输出电压的参考电压幅值；

其中，所述角频率控制方程为：

且i≥1；

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，P_i表示第i个光伏发电单元的输出有功功率，ω^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率ω_i，m_i表示有功-频率下垂曲线的下垂参数，u_dci表示第i个光伏发电单元的直流侧电容电压；表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压；Δω_i表示第i个光伏发电单元的偏移角频率；K_Pi表示第i个光伏发电单元采用所述下垂控制方法中PI调节器的比例系数，K_Ii表示第i个光伏发电单元采用所述下垂控制方法中PI调节器的积分系数。

2.如权利要求1所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，

所述第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压必须大于电压源逆变器输出的交流电压u_i的峰值。

3.如权利要求1所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，所述幅值控制方程为：

V_i ^ref＝V^*-n_iQ_i

其中，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Q_i表示第i个光伏发电单元输出的无功功率，V^*表示空载情况下第i个光伏发电单元的电压幅值，n_i表示无功-电压下垂控制曲线的的下垂参数。

4.如权利要求1所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S31.对光伏发电单元的参考角频率积分，以得到光伏发电单元的输出参考电压相位角；

S32.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值，以得到光伏发电单元的输出电压参考值，以控制电压源逆变器的开关状态。

5.如权利要求4所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，步骤S32进一步包括：

S321.基于光伏发电单元的输出参考电压相位角和参考电压幅值，以得到光伏发电单元的输出电压参考值；

通过采样获取光伏发电单元的电压源逆变器输出电压和输出电流；

S322.基于电压环和电流环，将获得的光伏发电单元的电压源逆变器输出电压跟踪所得到的光伏发电单元的输出电压参考值，以控制电压源逆变器的开关状态。

6.如权利要求5所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，步骤S321获取光伏发电单元的输出电压参考值的表达式为：

其中，V_i ^ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角。

7.如权利要求4所述的一种用于光伏储能独立微电网中电压源逆变器的下垂控制方法，其特征在于，步骤S31获取光伏发电单元的输出参考电压相位角的表达式为：

其中，表示第i个光伏发电单元的参考角频率，表示第i个光伏发电单元的输出参考电压相位角，dt表示对时间的积分。