CN107910889A - 一种光伏微电网并网的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对光伏并联微电网结构，提出了一种基于下垂的类主从控制方法，用于解决光伏并联微电网并网时的最大功率输出及电压/频率稳定性问题。该微电网包括若干个光伏发电单元和公共母线，光伏发电单元是由光伏板、升压DC/DC变换器、DC/AC逆变器组成的模块化单元。提出的控制策略同时实现了光伏并联系统的电压/频率稳定运行和光伏单元的MPPT输出。改善了传统下垂无法实现光伏单元MPPT输出的问题，提高了并联光伏系统的功率输出效率。对比传统的下垂控制方法，该控制方法可以实现光伏单元的最大功率利用，提高可再生能源的利用率；对比传统的主从控制方法，该控制方法可以无通信运行，降低了系统的通信成本，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电网技术领域，涉及一种光伏微电网并网的控制方法。
背景技术
随着全球能源的短缺和用电需求的日益增长，以大机组、大电网、高电压为主要特征的传统电力系统已难以满足电力用户供电多样化和可靠性的要求[1]。微电网技术代表了未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义[2]。国家能源局近期连续出台《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》[3]、《配电网建设改造计划(2015-2020年)的通知》[4]等文件，明确指出应加快推进新能源微电网示范工程建设、探索适应新能源发展的微电网技术及运营管理体制。太阳能作为可再生能源的一种，具有储量丰富、清洁无污染等多方面的优点，得到了越来越多的关注。微电网在整合新能源方面有着重要的应用，近年来，基于光伏的微电网系统得到了越来越多的关注。
微电网可以工作于孤岛模式或是并网模式。孤岛模式中，分布式电源一起为负载提供能量，这种模式下，必须有柴油机等传统能源或是足够容量的储能单元来维持系统的供需平衡。并网模式中，由分布式电源和大电网一起为负载提供能量，不需要大容量的储能单元来维持系统的供需平衡。因此，光伏微电网系统一般工作在并网模式，通过最大功率跟踪(MPPT)算法，将其能提供的最大能量注入大电网。
光伏微电网系统有并联结构和串联结构，串联结构多用于光伏容量较小的中/高压并网，并联系统多用于电压等级较高的光伏系统，其电能质量相对较高，系统应用范围较广。本专利针对并联型微电网系统的并网控制策略进行设计。
目前，针对并联型光伏微电网的控制策略可以分为两类：(1)下垂控制及各种改进的下垂控制；(2)主从控制。下垂控制是一种无须通讯的控制策略，其中，光伏单元工作在电压源模式，彼此间可以独立地调节频率与大电网一致，具备可靠性高、成本低等优势，但下垂控制只能做到各微源间按照提前规划好的比例出力，对于光伏等可输出能量不确定的微源，无法做到实时地最大功率输出。主从控制中，光伏发电单元工作在电流源模式，通过采集并网点的电压，经过锁相环后获得其电压幅值和相角信息，通过通信线路将其传给各个光伏发电单元。光伏发电单元利用自身此刻可输出的功率及并网点电压的幅值/相角信息，计算出其电流参考值。该模式下，光伏单元可以简单地实现光伏单元的最大功率输出，但需要微源与母线间的相互通信。这减低了系统的可靠性，使系统容易发生单点故障，同时，通信线路也增加了系统的成本。
为了实现并联型光伏微电网的可靠并网，一种介于下垂控制和主从控制之间的控制策略亟待研究。该控制策略不仅要实时满足光伏单元的MPPT输出，还要维持系统的频率/电压稳定，同时，考虑到系统可靠性，还要避免通信的使用。
发明内容
本发明提供了一种用于光伏并联微电网MPPT并网的类主从控制方法。用于解决光伏并联微电网并网时的最大功率输出及电压/频率稳定性问题。
依据本发明的一个方面，提供了一种光伏并联微电网并网结构，包括若干个光伏发电单元和公共母线。其特征在于，所述若干光伏发电单元通过并联并网。所述光伏发电单元是由光伏板、升压DC/DC变换器、DC/AC逆变器组成的模块化单元。
依据本发明的另一个方面，提供了一种结合传统下垂和主从控制的类主从控制方法，用于光伏并联微电网系统的并网运行。传统的下垂控制可以实现无通信的分散控制，各微源间可以在没有通信的情况下协调运行，但只能用于前端功率无穷大的情况，当前端是光伏发电单元时，由于其发电能力的不确定性，传统的下垂控制不再适用。传统的主从控制中，光伏单元作为从单元被控制为电流源，可以实现光伏单元的MPPT输出，但其与母线间需要通信，容易发生单点故障等情况，可靠性较低。结合两者的优势，提出了一种准主从控制方法，将光伏单元控制为电压控制的电流源(CCVS)，实现了微源间无通信的协调控制，同时，通过实时调节下垂曲线，实现了光伏单元的MPPT输出。
一种用于光伏并联微电网的类主从控制方法，是一种无需通信的分散式控制方法，包括以下步骤：
步骤1：本地有功计算。
采样电压源逆变器的输出电压ui和输出电流ii，计算光伏发电单元的有功功率Pi和无功功率Qi。Pi和Qi的计算公式为：
其中，u′i为采样电压滞后π/2之后的电压信号，ωc为滤波器的截止频率。
步骤2：逆变器参考电压计算。
对于光伏逆变器，采样直流侧电容电压，基于步骤1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电压。
上述自适应下垂方程包括：
(1)参考角频率计算。
其中，表示第i个光伏发电单元计算得到的参考角频率，表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率，mi表示有功-频率下垂控制的下垂系数，Δωi表示第i个光伏发电单元根据光伏实际供电能力自动调节的角频率偏置，udci表示第i个光伏发电单元采样得到的自身的直流侧电容电压，表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压，KPi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中PI调节器的比例系数，KIi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中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为一个给定的固定值，其取值必须大于电压源逆变器输出的交流电压ui的峰值，以避免过调制。
(2)参考电压幅值计算。
光伏发电单元的电压幅值控制，采用传统的下垂控制：
Vi ref＝V*-niQi,i＝1,2,...,n
其中，Vi ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Qi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，ni表示无功-电压下垂控制曲线的下垂参数。
光伏发电单元参考电压的表达式为：
其中，
其中，Vi ref表示第i个微源的电压参考幅值，表示第i个微源的参考角频率，表示第i个微源的参考电压相位角。
步骤3：逆变器开关占空比计算。
参考电压和采样回来的逆变器输出电压、输出电流经过电压控制器和电流控制器后，得到逆变器开关的占空比，通过PWM信号产生器，对开关状态进行控制，跟踪参考电压
附图说明
图1为根据本发明的并联光伏微电网的拓扑结构示意图；
图2为根据本发明的类主从控制结构图；
图3为根据本发明的基于下垂的MPPT控制算法和传统下垂控制算法的静态特性曲线；
图4为根据本发明的由三个光伏发电单元组成的微电网并网系统等效电路图；
图5a为根据本发明实施例的光伏发电单元的输出有功功率波形；
图5b为根据本发明实施例的随机扰动作用下的光伏输出电流波形；
图5c为根据本发明实施例的光伏发电单元中的直流母线电压波形；
图5d为根据本发明实施例的光伏发电单元的频率波形；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明针对光伏并联微电网结构，提出了一种基于下垂的类主从并网控制方法。首先，对本发明针对的光伏并联微电网结构进行说明。图1为根据本发明的光伏并联微电网的拓扑结构示意图。其中，微电网包括若干个光伏发电单元和公共母线。其中，所述若干光伏发电单元并联后并网。所述光伏发电单元是由光伏板、升压DC/DC变换器、DC/AC逆变器组成的模块化单元。
本发明的基于下垂的MPPT控制框图如图2所示，其具体包括如下步骤：
(1)本地有功计算。
采样电压源逆变器的输出电压ui和输出电流ii，计算光伏发电单元的有功功率Pi和无功功率Qi。Pi和Qi的计算公式为：
其中，u′i为采样电压滞后π/2之后的电压信号，ωc为滤波器的截止频率。
(2)逆变器参考电压计算。
对于光伏逆变器，采样直流侧电容电压，基于步骤1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电压。
上述自适应下垂方程包括：
(a)参考角频率计算。
其中，表示第i个光伏发电单元计算得到的参考角频率，表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率，mi表示有功-频率下垂控制的下垂系数，Δωi表示第i个光伏发电单元根据光伏实际供电能力自动调节的角频率偏置，udci表示第i个光伏发电单元采样得到的自身的直流侧电容电压，表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压，KPi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中PI调节器的比例系数，KIi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中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为一个给定的固定值，其取值必须大于电压源逆变器输出的交流电压ui的峰值，以避免过调制。
该控制方法可以通过平移下垂曲线保证光伏发电单元的MPPT输出，对比传统的下垂控制，其原理分析如下：
由于光伏发电单元所处地域不同，其光照、温度等环境也不尽相同，假设某一时刻，光伏发电单元#1受环境影响，其可输出有功功率由P1减小至P′1。光伏发电单元#2的最大可输出有功功率保持在P2。如图3所示，系统在传统下垂的控制下，由于光伏发电单元#1的输出能力下降，其工作的频率将上升至ω2。由于稳态时各个光伏发电单元的频率必须同步，光伏发电单元#2的稳态频率也将工作在ω2，这将导致光伏发电单元#2的输出有功被迫降低至P′2，同时，由于并网运行时，大电网对接入能量的频率波动范围限制较窄，较大的频率波动可能会引起系统不稳，因此，传统下垂在光伏并网的情况下并不适用。在同样的假设情况下，若采用本发明提出的类主从控制方法，当光伏发电单元#1的输出有功功率减小时，直流侧电容电压udc1将会降低，此时，Δω项为负，将导致光伏发电单元#1的下垂曲线下降，直到系统达到稳态。这种情况下，光伏发电单元#1的稳态工作点在c1，光伏发电单元#2的稳态工作点仍然在a2，即，所有光伏发电单元都工作在其最大功率跟踪点。同时，光伏发电单元的工作频率保持不变。
(b)参考电压幅值计算。
光伏发电单元的电压幅值控制，采用传统的下垂控制：
Vi ref＝V*-niQi,i＝1,2,...,n
其中，Vi ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Qi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，ni表示无功-电压下垂控制曲线的下垂参数。
光伏发电单元参考电压的表达式为：
其中，
其中，Vi ref表示第i个微源的电压参考幅值，表示第i个微源的参考角频率，表示第i个微源的参考电压相位角。
(3)逆变器开关占空比计算。
参考电压和采样回来的逆变器输出电压、输出电流经过电压控制器和电流控制器后，得到逆变器开关的占空比，通过PWM信号产生器，对开关状态进行控制，跟踪参考电压
为了验证基于下垂的类主从并网控制方法的可行性，以下搭建由三个光伏发电单元组成的微电网并网仿真模型进行验证，其等效电路如图4所示，仿真参数如表1所示。为了模拟自然条件下光伏发电单元的不确定性，在光伏发电单元前级DC/DC整流器的输出电流中加入随机干扰，模拟其可输出功率的不确定性；此外，大电网的电压幅值和频率设置为311V/50Hz；为避免过调，直流母线电压参考值设置为350V。
表1
图5a表示光伏发电单元的输出有功功率波形，图5b为随机扰动作用下的光伏输出电流波形，图5c为直流侧电压波形图，5d为光伏发电单元的频率波形。
由图5a、图5c可以看出，四个光伏发电单元一直输出可用的最大功率，同时，系统可以在无通信条件下实现并网。图5c表示光伏发电单元直流侧电容两端的电压波形，可以看出，尽管光伏发电单元源端可输出功率随着外界环境的变化而变化，其电压总能维持在给定的参考值，验证了光伏单元的MPPT输出。图5d表示光伏发电单元的运行频率一直保持与大电网同步，系统稳定运行。
本发明针对光伏发电单元并联并网结构，提出一种基于下垂的MPPT并网控制方法，在传统下垂上进行改进，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)不需要各光伏发电单元间的通信信号，避免了物理连接的约束，提高了系统的可靠性；
(2)通过改进下垂控制，光伏发电单元可以输出其最大功率，提高了光伏并网系统的效率；
(3)光伏发电单元工作为电压源，有利于系统并/离网统一控制器的设计；
最后，本发明的实施例是为了实例和描述起见而给出的，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 (5)
1.一种光伏并联微电网并网结构，包括若干个光伏发电单元和公共母线。其特征在于，所述若干光伏发电单元通过并联并网。所述光伏发电单元是由光伏板、升压DC/DC变换器、DC/AC逆变器组成的模块化单元。
2.根据权利要求1所述的微电网结构，其特征在于，提供了一种结合传统下垂和主从控制的类主从控制方法，用于光伏并联微电网系统的并网运行。传统的下垂控制可以实现无通信的分散控制，各微源间可以在没有通信的情况下协调运行，但只能用于前端功率无穷大的情况，当前端是光伏发电单元时，由于其发电能力的不确定性，传统的下垂控制不再适用。传统的主从控制中，光伏单元作为从单元被控制为电流源，可以实现光伏单元的MPPT输出，但其与母线间需要通信，容易发生单点故障等情况，可靠性较低。结合两者的优势，提出了一种准主从控制方法，将光伏单元控制为电压控制的电流源(CCVS)，实现了微源间无通信的协调控制，同时，通过实时调节下垂曲线，实现了光伏单元的MPPT输出。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，提出的基于下垂的MPPT并网控制方法包括以下步骤：
步骤1：本地有功计算。基于电压源逆变器的输出电压和输出电流，计算光伏发电单元的有功功率和无功功率；
步骤2：逆变器参考电压计算。采样直流侧电容电压，基于步骤1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电压；
步骤3：逆变器开关占空比计算。参考电压和采样回来的逆变器输出电压、输出电流经过电压控制器和电流控制器后，得到逆变器开关的占空比，对开关状态进行控制，跟踪参考电压。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤1中的有功功率和无功功率的计算公式为：
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其中，ωc为滤波器的截止频率，ui和ii分别为电压源逆变器的输出电压和输出电流，ui′为采样电压滞后π/2之后的电压信号。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤2进一步包括：
(1)步骤2.1：参考角频率计算；
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其中，表示第i个光伏发电单元计算得到的参考角频率，表示空载情况下第i个光伏发电单元的角频率，mi表示有功-频率下垂控制的下垂系数，Δωi表示第i个光伏发电单元根据光伏实际供电能力自动调节的角频率偏置，udci表示第i个光伏发电单元采样得到的自身的直流侧电容电压，表示第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压，KPi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中PI调节器的比例系数，KIi表示第i个光伏发电单元采用本方法提出的基于下垂的MPPT控制算法中PI调节器的积分系数。
其中，所述第i个光伏发电单元的直流侧给定参考电压为一个给定的固定值，其取值必须大于电压源逆变器输出的交流电压ui的峰值，以避免过调制。
(2)步骤2.2：参考电压幅值计算。
Vi ref＝V*-niQi,i＝1,2,...,n
其中，Vi ref表示第i个光伏发电单元的参考电压幅值，Qi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，ni表示无功-电压下垂控制曲线的下垂参数。
光伏发电单元参考电压的表达式为：
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其中，
其中，Vi ref表示第i个微源的电压参考幅值，表示第i个微源的参考角频率，表示第i个微源的参考电压相位角。
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