CN107257138B - 一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，具体包括：应用改进的扰动观测法寻找需要的光伏电源输出功率点和通过光伏电源侧DC/DC变换器的控制策略使光伏电源输出需要的功率。本发明打破传统虚拟同步发电机技术的应用限制，将光伏发电技术与虚拟同步发电机技术融合，充分考虑光伏电源的动态特性和同步发电机原动机的输出功率特性，通过改进的扰动观察法，实现光伏电源输出功率的上下可调，充分行使其作为虚拟原动机的功能，虚拟同步发电机得以继承传统同步发电机的优良性能，同时储能装置只需要用来提供惯性，不需要补偿系统功率的缺口，故需要的储能容量较小，大大节约了成本，该发明方法具有较好的发展潜力和推广空间。

Description

一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，特别涉及一种改进的扰动观测法。
背景技术
出于经济、技术以及环境的综合考虑，诸如风能、太阳能等可再生能源渐渐地被广泛应用。然而，伴随着越来越多分布式电源的接入，电力系统也承受着前所未有的能源安全、经济效益等方面的挑战。微电网概念的提出，在一定程度上解决了分布式电源接入配电网的某些难题。但是，大规模的分布式电源通过逆变器接入电网，由于缺少惯性和阻尼，导致电网旋转备用容量及转动惯量相对减少，影响电网稳定性。
同步发电机对于电网具有天然的友好性，对于逆变型电源，若采用适当的并网逆变器控制策略，使其从外特性上模拟同步发电机的频率及电压控制特性，将减小分布式发电的不利影响，提高含高渗透率分布式电源电网的稳定性。这就是所谓的虚拟同步发电机技术。
目前多数的虚拟同步发电机技术研究中，直流侧都为恒定电压源，且默认储能容量足够大，这就造成该技术的应用范围受限。近年来，光伏产业得到大力发展，使得光伏发电成为分布式发电的重要组成部分。由于光伏电源的输出功率会因为温度和光照等因素的变化而波动，具有较强的不确定性，其直流侧电压也会产生波动。因此，传统的虚拟同步发电机控制策略已经不适用于这种场合。在基于光伏电源的虚拟同步发电机技术中，光伏电源模拟传统同步发电机的原动机，储能装置用于保证虚拟同步发电机能实现虚拟惯性。现有技术中，提出了计及光伏电源动态特征的光伏虚拟同步机及其控制策略，通过设计光伏电源附加控制策略，保证光伏电源最大可用功率不足不会造成的直流电压跌落，但是该控制策略下光伏电源并没有真正实现虚拟原动机的功能，其输出功率只能下调。
综上所述，本发明为充分模拟同步发电机的工作机理，实现光伏电源的输出功率上下可调，真正实现虚拟同步发电机原动机的功能，提出一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，电路拓扑结构如图1所示，其中包括一种改进的扰动观测法，用于寻找需要的光伏电源输出功率点，其流程图如图2所示，以及实现光伏电源输出想要的功率的直流变换器控制策略，如图3所示，两者结合实现虚拟原动机输出功率的上下可调。
本发明的技术方案为：
一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，其特征在于：包括：
步骤1，基于改进的扰动观测法，具体是通过给定功率指令值，根据光伏电源P-U曲线进行比较计算，得到相应的电压指令值；
步骤2，基于步骤1得到的电压指令值，采用光伏电源侧DC/DC变换器控制策略实现对光伏电源输出电压的调节，具体是将步骤1计算得到的电压指令值与光伏电源实际的电压值做差，经过PI控制器得到调制信号，与载波信号比较得到IGBT的触发脉冲信号，通过调节DC/DC变换器的占空比实现对光伏电源输出电压的调节。
在上述一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，所述步骤1具体包括以下子步骤：
步骤1：根据光照和温度条件确定光伏电源的P-U曲线，设定光伏电源输出功率的初始值Pstart，为了让光伏电源行使虚拟原动机的功能，光伏电源的输出功率就必须上下可调，那么功率初始值不能为它的最大功率点，需留有一定裕度，使Pstart＝nPmax，其中Pmax为光伏电源在MPPT工作模式下输出的功率，n取0.8～0.9；
步骤2：光伏电源稳定工作的前提是当光伏电源工作电压U≥Umpp，即光伏P-U曲线斜率为负值，在调节输出功率时必须保证U≥Umpp，其中，Umpp是P-U曲线上最大功率点对应的电压值；
步骤3：给定步长step和功率指令值Pref，取值范围是0＜Pref＜Pmax，初始时刻有负荷功率Pload＝Pref＝Pstart＝nPmax；
步骤4：采集光伏电源输出电压UPV(k)和电流I(k)计算输出功率P，计算|ΔP|＝|P-Pref|，令U(k)＝UPV(k)，由光伏电源输出功率P和输出电压U的函数关系求P-U曲线斜率gk，
Figure BDA0001353812750000031
步骤5：判断|ΔP|与ε的大小关系，若满足|ΔP|≤ε，则进入步骤6，否则执行步骤8，其中，ε为接近0的正实数，即lim(ε)＝0；
步骤6：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，其中Uref为光伏电源电压的指令值，同时返回步骤4，否则执行步骤7；
步骤7：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4；
步骤8：判断ΔP与0的大小关系，若满足ΔP＜0，则有U(k+1)＝U(k)-step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤9；
步骤9：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)+step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤10；
步骤10：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4。
在上述一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，光伏电源侧DC/DC变换器控制策略中，在直流侧电容电压值稳定的情况下，将改进的扰动观测法计算得到的电压指令值Uref与光伏电源实际的电压值UPV(k)做差，差值经过PI控制器得到调制信号，其与载波信号比较得到IGBT的触发脉冲信号，因此调节了DC/DC变换器的占空比，从而实现对光伏电源电压的调节，最终完成对光伏电源输出功率的调节。
本发明的优势在于打破传统虚拟同步发电机技术的应用限制，将光伏发电技术与虚拟同步发电机技术融合，充分考虑光伏电源的动态特性和同步发电机原动机的输出功率特性，通过改进的扰动观察法，实现光伏电源输出功率的上下可调，充分行使其作为虚拟原动机的功能，虚拟同步发电机得以继承传统同步发电机的优良性能，同时储能装置只需要用来提供惯性，不需要补偿系统功率的缺口，故需要的储能容量较小，大大节约了成本，该发明方法具有较好的发展潜力和推广空间。
附图说明
图1为虚拟同步发电机的等效电路拓扑结构图。
图2为改进的扰动观测法的实现流程图。
图3为光伏电源侧DC/DC变换器控制结构图。
具体实施方式
传统的虚拟同步发电机技术中其直流侧为恒压源，不具有在光伏发电系统中推广应用的可能性，本发明为实现光伏发电技术与虚拟同步发电机技术的有效结合，充分考虑光伏电源的动态特性和同步发电机原动机的输出功率特性，通过一种改进的扰动观察法和光伏侧DC/DC变换器的控制策略实现基于光伏电源的虚拟原动机输出功率的上下可调，保证了光伏电源的友好接入。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
第一步：应用改进的扰动观测法寻找需要的光伏电源输出功率点。如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：根据光照和温度条件确定光伏电源的P-U曲线，设定光伏电源输出功率的初始值Pstart，为了让光伏电源行使虚拟原动机的功能，光伏电源的输出功率就必须上下可调，那么功率初始值不能为它的最大功率点，需留有一定裕度，例如Pstart＝0.9Pmax，其中Pmax为光伏电源在MPPT工作模式下输出的功率；
步骤2：根据分析得知，只有当光伏电源工作电压U≥Umpp，即光伏P-U曲线斜率为负值时，光伏电源才能稳定工作，那么在调节输出功率时必须保证U≥Umpp。其中，Umpp是最大功率点对应的电压值；
步骤3：给定步长step和功率指令值Pref，功率指令值由中央控制器给出，取值范围是0＜Pref＜Pmax，初始时刻有负荷功率Pload＝Pref＝Pstart＝0.9Pmax；
步骤4：采集光伏电源输出电压UPV(k)和电流I(k)计算输出功率P，计算|ΔP|＝|P-Pref|，令U(k)＝UPV(k)，由光伏电源输出功率P和输出电压U的函数关系求P-U曲线斜率gk，
Figure BDA0001353812750000061
步骤5：判断|ΔP|与ε的大小关系，若满足|ΔP|≤ε，则进入步骤6，否则执行步骤8，其中，ε为接近0的正实数，即lim(ε)＝0；
步骤6：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，其中Uref为光伏电源电压的指令值，同时返回步骤4，否则执行步骤7；
步骤7：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4；
步骤8：判断ΔP与0的大小关系，若满足ΔP＜0，则有U(k+1)＝U(k)-step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤9；
步骤9：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)+step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤10；
步骤10：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4。
第二步：通过光伏侧DC/DC变换器的控制策略使光伏电源输出需要的功率。如图3所示，包括以下步骤：
在直流侧电容电压值稳定的情况下，将改进的扰动观测法计算得到的电压指令值Uref与光伏电源实际的电压值U做差，差值经过PI控制器得到调制信号，其与载波信号比较得到IGBT的触发脉冲信号，因此调节了DC/DC变换器的占空比，从而实现对光伏电源电压的调节，最终完成对光伏电源输出功率的调节。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，其特征在于：包括：
步骤1，基于改进的扰动观测法，具体是通过给定功率指令值，根据光伏电源P-U曲线进行比较计算，得到相应的电压指令值；
步骤2，基于步骤1得到的电压指令值，采用光伏电源侧DC/DC变换器控制策略实现对光伏电源输出电压的调节，具体是将步骤1计算得到的电压指令值与光伏电源实际的电压值做差，经过PI控制器得到调制信号，与载波信号比较得到IGBT的触发脉冲信号，通过调节DC/DC变换器的占空比实现对光伏电源输出电压的调节；
所述步骤1具体包括以下子步骤：
步骤1：根据光照和温度条件确定光伏电源的P-U曲线，设定光伏电源输出功率的初始值Pstart，为了让光伏电源行使虚拟原动机的功能，光伏电源的输出功率就必须上下可调，那么功率初始值不能为它的最大功率点，需留有一定裕度，使Pstart＝nPmax，其中Pmax为光伏电源在MPPT工作模式下输出的功率，n取0.8～0.9；
步骤2：光伏电源稳定工作的前提是当光伏电源工作电压U≥Umpp，即光伏P-U曲线斜率为负值，在调节输出功率时必须保证U≥Umpp，其中，Umpp是P-U曲线上最大功率点对应的电压值；
步骤3：给定步长step和功率指令值Pref，取值范围是0＜Pref＜Pmax，初始时刻有负荷功率Pload＝Pref＝Pstart＝nPmax；
步骤4：采集光伏电源输出电压UPV(k)和电流I(k)计算输出功率P，计算|ΔP|＝|P-Pref|，令U(k)＝UPV(k)，由光伏电源输出功率P和输出电压U的函数关系求P-U曲线斜率gk，
Figure FDA0002269124510000021
其中，Iph是光伏电池产生的电流，I0是二极管的方向饱和电流，q是电子电量，m是二极管曲线因子，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。
步骤5：判断|ΔP|与ε的大小关系，若满足|ΔP|＜ε，则进入步骤6，否则执行步骤8，其中，ε为接近0的正实数，即lim(ε)＝0；
步骤6：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，其中Uref为光伏电源电压的指令值，同时返回步骤4，否则执行步骤7；
步骤7：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4；
步骤8：判断ΔP与0的大小关系，若满足ΔP＞0，则有U(k+1)＝U(k)+step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤9；
步骤9：判断gk与0的大小关系，若满足gk≤0，则有U(k+1)＝U(k)-step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4，否则执行步骤10；
步骤10：令U(k+1)＝U(k)+3*step，将U(k+1)的值赋给Uref用于生成新的PWM信号来调节光伏电源的输出电压值UPV(k)，同时返回步骤4。
2.根据权利要求1所述的在上述一种基于光伏电源的虚拟原动机输出功率调节方法，光伏电源侧DC/DC变换器控制策略中，在直流侧电容电压值稳定的情况下，将改进的扰动观测法计算得到的电压指令值Uref与光伏电源实际的电压值UPV(k)做差，差值经过PI控制器得到调制信号，其与载波信号比较得到IGBT的触发脉冲信号，因此调节了DC/DC变换器的占空比，从而实现对光伏电源电压的调节，最终完成对光伏电源输出功率的调节。
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