CN107221957B - 光储并网接口系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光储并网接口系统控制方法。所述光储并网接口系统控制方法，有功‑频率控制运用下垂控制和同步发电机机械模型控制，无功‑电压控制采用下垂控制以及同步发电机电磁特性控制，使得光储并网接口系统具有类似于同步发电机的外特性，具有一定抑制电网故障的能力，并能够减少对电网的冲击。

Description

光储并网接口系统控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种光储并网接口系统控制方法。

背景技术

随着全球的环境问题和能源危机日益严重，太阳能、风能等可再生清洁能源收到越来越广泛的关注。在大力发展分布式能源的同时，分布式能源在并网时的问题也引起了专家学者的关注。一般地，目前光储并网系统主要通过逆变器接入电网，相比于传统的同步发电机，并网逆变器相应速度快，缺少转动惯量和阻尼作用，不便于的电网调节。再者，并网逆变器的控制方式各不相同，加之分布式能源输出功率不稳定性的影响，难以实现多台并网逆变器的协调工作。

在此背景下，国内外学者提出了，通过改进并网逆变器的控制方式，使得逆变器具有同步发电机特性。基于该思想，有学者提出，在功率外环中引入类似于同步发电机的电压和频率调差特性，并提出了相应的下垂控制策略。在离网运行模式下时的下垂控制策略，通过引入电网电压和频率的偏差反馈，使得并网逆变器在离网运行模式下能根据偏差反馈及自身的额定容量均衡负荷功率；在联网模式下的下垂控制策略，使得并网逆变器能对电网的电压频率异常做出响应，在故障时能提供必要的有功和无功支撑。然而，基于下垂控制的一些方法只是对同步发电机外特性来做适当的近似，还不足以模拟同步发电机的真实运行特性。

有鉴于此，有必要提供光储并网接口系统控制方法，以解决上述问题。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明的目的在于提供一种光储并网接口系统控制方法，模拟同步发电机的机械方程和电磁方程来设计并网逆变器的控制，使得光储并网逆变器在原理上和外特性上与同步发电机类似，使得光储并网接口系统具有了同步发电机的惯性和阻尼特性，并且依然有功-频率控制以及无功-电压下垂特性，适合用于储能装置与电网之间的连接，有望在光能并网发电领域发挥重要作用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

光储并网接口系统控制方法，其特征在于，所述光储并网接口系统控制方法，有功-频率控制采用虚拟同步发电机的机械模型，所采用的机械控制模型用如下方程描述：

T_m、T_e和T_d分别为光储并网接口系统模拟同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；J为虚拟转动惯量；D_p为虚拟阻尼系数，ω为逆变器输出电压角速度，ω₀为额定电网同步角速度。

进一步地，所述光储并网接口系统控制方法，取消了频率调节器，直接通过修改虚拟阻尼系数D_p调整T_d的值，从而实现有功-频率下垂控制，所述光储并网接口系统控制方法也同时具有传统的下垂控制的下垂特性。

进一步地，所述光储并网接口系统控制，所述电磁转矩

i,θ为瞬时输出电流和相位，M_f为虚拟的励磁绕组与定子绕组间的互感，i_f为虚拟的励磁电流，<，>表示内积，<i,sinθ>＝i_asinθ_a+i_bsinθ_b+i_csinθ_c。

进一步地，所述光储并网接口系统输出电压

所述光储并网接口系统的无功-电压控制采用类似于下垂控制：△Q＝-D_q(V_ref-V)，其中D_q为无功调节系数，V_ref为并网逆变器的指令电压，V为光储并网接口机端输出的瞬时电压值。

进一步地，所述虚拟互感M_f，虚拟励磁电流i_f的乘积M_fi_f由全部无功环节偏差除以变换系数k积分得到，即M_fi_f＝∫(Q_set+△Q-Q)/kdt初始值

V^*为电网额定相电压幅值，f^*为电网额定频率，一般取50Hz，Q_set为预设有功功率，可由协调运行控制系统远程设定，Q为实际的瞬时无功功率，△Q为电压下垂特性控制得到的无功偏差量。

进一步地，所述逆变控制器可与电网控制平台通信，能够自动设定额定电压和额定频率启动和运行，也可接收外部电压给定指令和频率给定指令进行电压和频率的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明技术方案中，一种光储并网接口系统控制方法，主要功能实现直流汇集母线与交流电网之间有功功率控制功能，交直流混合柔性并网接口系统可根据调度指令控制其有功功率输出。为实现有功功率调节功能，交直流混合柔性并网接口系统应能接收并实时跟踪执行协调控制系统发送的有功功率控制信号，根据并网侧电压和频率以及协调控制器指令信号调节有功输出，确保其最大输出功率及功率变化率不超过给定值，以便在电网故障和特殊运行方式下保证电力系统稳定性。

2、本发明技术方案中，一种光储并网接口系统控制方法，主要功能实现直流汇集母线与交流电网之间无功调节功能，交直流混合柔性并网接口系统可根据交流侧电压水平、协调控制系统控制指令等信号实时跟踪调节无功输出，其调节方式、参考电压、电压调整率、功率因数等参数可由协调运行控制系统远程设定。

3、本发明技术方案中，交直流混合柔性并网接口系统具备离网V/F控制功能，交直流混合柔性并网接口系统具备离网运行模式下，具备电压和频率的调节功能，能够自动设定额定电压和额定频率启动和运行，也可接收外部电压给定指令和频率给定指令进行电压和频率的调节。

4、本发明技术方案中，交直流混合柔性并网接口系统具备离网软启动功能，交直流混合柔性并网接口系统具备离网模式下，根据设定曲线平滑启动，减小冲击电流，减小对接入配电网的冲击。

5、本发明技术方案中，一种光储并网接口系统控制方法，具有一定的耐受电压异常能力，避免在电网电压异常时无条件脱离，引起电网电源的损失，能够更好的为分布式能源提供电压支撑，有效提高微电网接纳可再生能源的能力。

6、本发明技术方案中，一种光储并网接口系统控制方法，具有同步发电机的外特性，具有惯性和阻尼特性，能够提高系统应对故障的能力，提高系统的稳定性。

附图说明

图1：本发明实施例中光储系统拓扑图。

图2：本发明实施例中光储并网接口系统等效电磁机械模型。

图3：本发明实施例中光储并网接口系统控制框图。

图4：本发明实施例中光储并网接口系统相同J不同D_P系统输出有功响应。

图5：本发明实施例中光储并网接口系统相同D_P不同J系统输出有功响应。

图6：本发明实施例中光储并网接口系统输出电压频率。

图7：本发明实施例中光储并网接口系统输出a相电压。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

本发明提供了一种光储并网接口系统控制策略，一个实际的光储系统拓扑如图1所示，本发明主要对后级的光储并网接口即逆变并网部分控制方式进行研究。所述光储并网接口系统拓扑：三相PWM逆变器经电感、滤波电容和dyn11变压器相连，经线路与EMI单元、断路器QF、滤波电路FL与电网相连，针对该拓扑提出了一种控制方案如图2所示，用功-频率控制运用下垂控制和同步发电机机械模型控制，无功-电压控制采用下垂控制以及同步发电机电磁特性控制，使得光储并网接口系统具有类似于同步发电机的外特性，具有一定抑制电网故障的能力，并能够减少对电网的冲击。

1、光储并网接口系统与同步发电机电路等效

本发明中一种光储并网接口系统控制方法的实施例如图1黑色方框内，具体为：

三相PWM逆变器经电感、滤波电容和dyn11变压器相连，经线路与EMI单元、断路器QF、滤波电路FL与电网相连。

图1为光储能的主电路拓扑结构，现主要研究其光储并网接口三相逆变部分，提供一种具有同步发电机特性的控制模型。主电路为基于LC滤波器的三相逆变电路，L_g,R_g为电网的等效线路电感和电阻。

同步电机的电气模型：

式中：L_s为同步发电机的同步电感；R_s为同步发电机的同步电阻；u_abc为同步发电机的机端电压。对比图1可以发现，同步发电机的同步电感可以用并网逆变器的输出滤波电感等效，滤波电感和功率器件的等效电阻可以等效为同步发电机的同步电阻，三相逆变器各个桥臂中点的输出电势可以等效为同步发电机的暂态电动势。

将电网的等效线路电感、电阻及逆变器的等效阻抗看成同步发电机的同步电抗及定子绕组电阻。那么通过适当的控制逆变器的输出电压便可以使得光储并网接口具有同步发电机的外特性。

2、光储并网接口系统的虚拟电磁模型

根据同步发电机定转子电磁关系,感应电动势为：

M_f励磁绕组与定子绕组间的互感，i_f为励磁电流，θ为同步电机电气角度，

为电气角速度，当极对数为一时，电机角速度和机械转速相同。

假设励磁电流i_f恒定，则：

同步发电机有功及无功表达式为：

电磁转矩为：

式中<，>表示内积，<i,sinθ>＝i_asinθ_a+i_bsinθ_b+i_csinθ_c，P和Q分别表示同步发电机输出的输出用功和无功。

对于一个光储并网接口系统模拟实际的同步发电机的电磁特性，也就是模拟上述几个等式，只是M_f、i_f为光储并网接口系统虚拟的互感和励磁电流，P和Q此时为实际光伏逆变器输出有功及无功，θ为逆变器输出电压的相位，

为输出电压的角速度。

由于，所述M_f、i_f都为虚拟的量，控制过程中也只关注其乘积M_fi_f，M_fi_f可由全部无功环节偏差除以变换系数k积分得到，即M_fi_f＝∫(Q_set+△Q-Q)/kdt初始值

V^*为电网额定相电压幅值，f^*为电网额定频率，一般取50Hz。Q_set为预设有功功率，可由协调运行控制系统远程设定，Q为实际的瞬时无功功率，△Q为电压下垂特性控制得到的无功偏差量。

△Q＝-D_q(V_ref-V) (6)

式中：D_q为无功调节系数；V_ref为光储并网接口系统并网逆变器的指令电压；V为逆变器机端输出的瞬时电压值。

需要注意的是，如果逆变器输出端接了升压变压器，会造成变压器输入端和输出端电压有相位偏差θ_c，此时应用θ-θ_c，来代替θ，反馈到控制回路。

3、光储并网接口系统虚拟机械模型

机械运动方程反映了同步发电机的转子惯性以及阻尼特征，针对机械部分建模主要利用同步发电机的转子运动方程，光储并网接口系统的虚拟机械特性表达式如下

式中：T_m、T_e和T_d分别为光储并网接口模拟同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；J为虚拟转动惯量；D_p为虚拟阻尼系数，ω为光伏逆变器输出电压的角速度，ω₀为实际的电网同步角速度；

一般情况下电机电磁转矩T_e可由同步发电机电势e_abc和输出电流i_abc计算得到：

T_e＝P_e/ω＝(e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c)/ω (8)

式中：P_e为同步发电机输出的电磁功率。

但在本发明中利用虚拟电磁模型分析得到了T_e的另外一种表达形式，如式5所示。

机械转矩：

T_m＝P_set/ω₀ (9)

式中：P_set为光储并网接口系统并网逆变器的有功指令，ω₀为电网额定频率。

由于J的存在，使得光储并网接口系统在功率和频率动态响应过程中有了类似同步发电机的惯性；而D_p的存在，使得光储并网接口系统也具有了类似同步发电机阻尼电网频率振荡的能力，提高了光储并网接口系统的稳定性。

根据式(2)～(4)及同步发电机的转子机械方程可以得出光储并网接口系统的电磁机械模型.如图2所示。

4、有功频率调节

传统同步发电机通过对机械转矩的调节，来调节发电机的有功输出，并且通过添加调频器实现对电网频率偏差的响应，一般取为比例环节，即机械功率偏差指令△T可表示为

△T＝-k_f(f-f₀) (10)

由式(7)可知T_d＝D_p(ω-ω₀)，通过D_p，进而调节T_d能够起到有功频率的下垂控制特性，实际同步发电机D_p是一个定量，但是此处D_p是一个虚拟的量，因此本方案取消了额外的调频器，通过调整D_p的值，实现相同的功能。

完整的控制框图如图3。

图4和图5分别为本发明实施例中光储并网接口系统相同J不同D_P以及相同D_P不同J系统离网启动输出有功功率波形，其响应具有类似同步发电机的惯性和阻尼特性，J模拟了同步发电机的转动惯量，D_P模拟了同步发电机的阻尼特性。

图6为输出电压频率波形，从图中可以看出，系统启动后能够快速的到达314rad/s附近，该控制方式能够使系统根据所带负载自适应的提供稳定的频率。

图7以为系统输出的a相电压波形，电压能够快速的到达额定电压，谐波较小。

本发明提供的一种光储并网接口系统控制方法，能够实现离网软启动功能，交直流混合柔性并网接口系统具备离网模式下，根据设定曲线平滑启动，减小冲击电流，减小对接入配电网的冲击，实现有功功率控制功能，无功调节功能，模拟同步发电机的转动惯量和阻尼特性，提高了光伏并网的稳定性，方便了传统同步发电机算法运用于光伏逆变器的控制中，提高了控制算法的兼容性，能够更好地满足光储并网需求。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.光储并网接口系统控制方法，其特征在于，所述光储并网接口系统控制方法，有功-频率控制采用虚拟同步发电机的机械模型，所采用的机械控制模型用如下方程描述：

T_m、T_e和T_d分别为光储并网接口系统模拟同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；J为虚拟转动惯量；D_p为虚拟阻尼系数，ω为逆变器输出电压角速度，ω₀为额定电网同步角速度；

所述光储并网接口系统控制方法，取消了频率调节器，直接通过修改虚拟阻尼系数D_p调整T_d的值，从而实现有功-频率下垂控制，所述光储并网接口系统控制方法也同时具有传统的下垂控制的下垂特性；

所述电磁转矩

i,θ为瞬时输出电流和相位，M_f为虚拟的励磁绕组与定子绕组间的互感，i_f为虚拟的励磁电流，<，>表示内积，<i,sinθ>＝i_a sinθ_a+i_bsinθ_b+i_c sinθ_c；

所述光储并网接口系统输出电压

所述光储并网接口系统的无功-电压控制采用：△Q＝-D_q(V_ref-V)，其中D_q为无功调节系数，V_ref为并网逆变器的指令电压，V为光储并网接口机端输出的瞬时电压值；

所述虚拟互感M_f，虚拟励磁电流i_f的乘积M_fi_f由全部无功环节偏差除以变换系数k积分得到，即M_fi_f＝∫(Q_set+△Q-Q)/kdt，初始值

V^*为电网额定相电压幅值，f^*为电网额定频率，取50Hz，Q_set为预设有功功率，由协调运行控制系统远程设定，Q为实际的瞬时无功功率，△Q为电压下垂特性控制得到的无功偏差量。

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