CN108512247A - 基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法。该方法采用功率叠加方程获得功率指令，并通过拉格朗日插值预测法预测功率，根据基于多项式拟合功率追踪方法获得直流侧参考电压，经过电压环和功率外环后获得d轴有功功率指令；通过一次调压方程获得无功功率指令，进而得到电流dq轴指令，进行电流闭环控制。本发明通过拉格朗日插值预测法可以减小因锁相环低带宽和滤波器造成的延迟，达到超前控制，对电网频率有更好的调节效果。
Description
技术领域
本发明属于光伏逆变器并网控制领域，具体涉及一种基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法。
背景技术
随着环境恶化、能源危机的加重以及技术进步、器件生产成本降低，光伏、风电等新能源发电技术迅速发展，成为国内外研究热点。
分布式发电系统是通过逆变器等电力电子装置输出电能与电网相连，虽然暂态响应速度快，但其不具备惯性，也无法支撑电网的一次调频。大规模新能源的并网时电网渗透率不断增加，传统同步发电机的装机比例不断下降，这导致电力系统旋转惯量和系统阻尼的降低，使电网鲁棒性变弱。目前，光伏发电系统多采用最大功率跟踪方式并网，和传统同步发电机相比，光伏发电系统响应速度快，控制简单灵活，同时能够最大程度利用光能。但是，光伏发电系统“只管发电，不管电网”，导致电网能量过剩，同时自身几乎不含惯性和阻尼，难以参与到电网调频过程中来。
近年来国内外学者提出了虚拟同步发电机(VSG)的控制方法，借鉴传统电力系统中对电网天然友好的同步发电机的运行特点和控制方式，使光伏并网系统模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，有助于其实现友好并网，虚拟同步技术借鉴其运行特性以及控制方式，模拟传统同步发电机的转动惯性和阻尼的外特性，实现友好并网。现今高渗透率电网的功率供需关系不再要求光伏发电系统时刻处于最大功率追踪状态，也迫切希望其能够参与到电网调频调压的过程中来，如何依托灵活可控的电力电子技术提高光伏系统的可靠性，使其成为共同维护电网安全稳定的“参与者”，具有非常重要的意义。
应用于弱电网的光伏虚拟同步技术，由于弱电网条件下负荷对电网影响比较大，电网频率电压波动比较严重，为保证光伏虚拟同步发电机的稳定性，锁相环的带宽较低，同时对锁相频率也需增加滤波环节，这两者使得控制系统延时增大，对虚拟同步发电机表现为输出有功功率滞后，不能及时有效的调节弱电网的频率，影响系统性能。
目前，对于光伏虚拟同步发电机技术，已有多篇学术论文进行分析并提出解决方案，例如：
1、题为(“基于虚拟同步发电机的光伏并网系统及仿真分析”，毛弋，向海燕，康伦，《湖南师范大学自然科学学报》，2013年第36卷第3期27-32页)文章中将虚拟同步控制策略应用于光伏并网系统，使光伏逆变器具有同步发电机的外特性，但文章对系统的稳定性问题并未做深入研究，同时也不能使光伏逆变器的出力灵活可控。
2、题为“A consensus-based frequency control for photovoltaic connectedvirtual synchronous generators in microgrid”，Guo Y,Chen L,《IEEE InternationalConference on Power System Technology》2016:1-6.(“一种基于一致性频率控制的光伏微网虚拟同步发电机”，郭岩，陈来军，IEEE电力系统技术国际会议，2016年第1-6页)文章将虚拟同步技术和光伏逆变器的最大功率追踪技术结合，使光伏逆变器在没有储能的情况下具有调频调压功能。但是文章存在以下不足：该文并未对MPPT的方法进行改进，使系统稳定性依靠限幅PI控制器来调节，但是参数不易整定。
3、题为(“考虑源端动态特性的光伏虚拟同步机多模式运行控制”，郑天文,陈来军,刘炜,《中国电机工程学报》，2017年第37卷第2期第454-463页)文章中增加了虚拟同步发电机的电磁部分和机电特性，在运行特性上和传统同步发电机更接近。但此方法存在对光伏虚拟同步发电机的稳定性未作过多研究，针对在功率和电压上额外增加一个PI控制器，控制器的参数不易整定，且当光伏功率不足时，并网状态减小电压幅值容易造成逆变器脱网。
对于控制延时和功率预测方面，也有多篇学术论文进行分析并提出解决方案，例如：
1、题为(“有功调度超前控制和在线水火电协调控制策略”.滕贤亮,高宗和,张小白，《电力系统自动化》，2008年第22期第16-20页)该文提出了超短期负荷预测的实际应用模型，探讨了超短期负荷预测结果实现水火电机组协调超前控制的可能性，但是该文以区域系统为研究目标，该模型对单台光伏逆变器并不适用，只有当上层控制器下发预测指令来对单台进行调控，又增加了通信，其控制延时也对光伏系统功率输出有影响。
2、题为(“拉格朗日插值法光伏并网逆变器无差拍控制”，康劲松，夏伟，杨纯义，《太阳能学报》,2017年第38卷第3期第751-757页”该文应用拉格朗日插值法和无差拍控制结合抑制入网电流中的谐波，为了减小控制延时，将电流转化为相位信号。但是该文仍存在以下问题：
(1)该文应用拉格朗日插值预测电流来弥补无差拍控制预测电流的不足，以达到超前控制的目的，但该文针对电网电能质量领域，并不针对本文调频调压领域，同时该应用方法对改造的光伏逆变器的电流源光伏虚拟同步发电机实现较为复杂。
(2)相位本质信号还是电流信号，仅通过数学反三角变换转换为相位，而且由于引入并网电流峰值信号，其值的大小也需通过电流检测获得，又引入新的误差。
发明内容
本发明目的是针对光伏虚拟同步机的动态调频过程中由于滤波滞后导致对惯性调频较差的问题，提供一种基于数值插值预测的光伏虚拟同步控制方法，本方法无需额外增加复杂预测算法，简化运算量，仅需对光伏虚拟同步策略加以改进，可对功率超前控制，使光伏虚拟同步发电机具有更好的调频效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，包括光伏逆变器输出相电压的采集，步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]；
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i网侧电感电流Ioai,Iobi,Ioci，并经网侧电感电流坐标变换方程得到网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经桥臂电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)；
步骤3、设置电网角频率基准值ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
步骤4、根据步骤3中得到的功率指令通过拉格朗日插值预测法得到期望参考功率指令
步骤5、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，通过功率计算方程获得平均有功功率Poi；
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤4中得到的期望参考功率指令和步骤5中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi；
步骤7、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤6中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压环获得光伏板参考功率Prefi；
步骤8、根据步骤7中得到的光伏板参考功率Prefi和步骤5中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi；
步骤9、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤8中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi；
步骤10、将步骤9中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤9中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi；
步骤11、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤10中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
Umdi＝Uodi+Uidi
Umqi＝Uoqi+Uiqi；
步骤12、将步骤11中得到的dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
优选地，步骤3所述通过功率叠加方程获得功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。
优选地，步骤4中所述拉格朗日插值预测法包含以下步骤：
(1)对步骤3中得到的功率指令进行采样处理，采样时间为拉格朗日插值时间T，并按时间先后顺序记录三次采样获得的功率指令：
其中，为光伏逆变器#i在k-2时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k-1时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k时刻的功率指令；
(2)计算期望参考功率指令其计算公式如下：
其中，t为预测的时间间隔，t取值为t＝2T，T为拉格朗日插值时间，T取值为T＝5Ts，Ts为光伏逆变器#i的ADC采样时间。
优选地，步骤5所述通过功率计算方程获得平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤6所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括以下步骤：
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Ustep为电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值；
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志；
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量；
(4)求直流侧参考电压Urefi；
当期望参考功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当期望参考功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
优选地，步骤7所述经过电压环获得光伏板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤8所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤9所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
优选地，步骤10所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
Uidi＝(Icdrefi-ILdi)GI(s)
Uiqi＝(Icqrefi-ILqi)GI(s)
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数。
本发明公开的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，与现有的光伏并网逆变器相比，其有益效果体现在：
1、本控制方法减小了锁相环低带宽以及滤波器造成控制延时的影响，使功率超前控制。
2、本控制方法仅对现有的光伏逆变器的控制策略进行改进，无需增加额外储能设备，节约成本；
3、本控制方法使光伏逆变器具有更好的调频效果，并实现系统稳定安全可靠的运行，实现友好并网；
4、本控制方法基于多项式拟合的功率追踪，实现了对功率的快速精确的追踪，提高了光伏发电系统的快速性和稳态精度，对同步发电机的转动惯量和阻尼模拟更精确；
5、本控制方法容易对光伏电站进行实现改造，在光伏电站预留一部分逆变器，对控制策略加以改进，使整个电站具有调频调压能力。
6、本控制方法实现了光伏逆变器功率输出灵活可控，使光伏逆变器兼顾PQ并网优势。
附图说明
图1为本发明实施例光伏虚拟同步机并网结构图。
图2为本发明实施例光伏虚拟同步机控制结构框图。
图3为本发明实施例光伏虚拟同步机多项式拟合示意图。
图4为本发明实施例加入采用拉格朗日插值预测法的光伏虚拟同步发电机前后增减负荷电网频率变化波形。
图5为本发明实施例加入采用拉格朗日插值预测法的光伏虚拟同步发电机后增减负荷输出有功功率波形。
具体实施方式
下面结合附图对本实施例进行具体的描述。
图1为本发明实施例光伏虚拟同步机并网结构图。具体参数如下：逆变器编号为#i＝1。逆变器#i额定输出线电压为380V/50Hz，直流侧滤波电容Cin＝15mF，桥臂侧滤波电感Lf＝0.06mH，交流测滤波电容Cf＝300uF，网侧滤波电感值为Lg＝0.02mH，逆变器额定容量为500KVA。逆变器#1联线阻抗为ZL＝0.001+j0.001Ω。
图2为本发明实施例光伏虚拟同步发电机控制结构框图，由该图可见，本发明控制方法的步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]。本实施例中，n＝1，逆变器编号#i为#1。
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i网侧电感电流Ioai,Iobi,Ioci，并经网侧电感电流坐标变换方程得到网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经桥臂电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)。
所述离线测量方法如下：每天在北京时间5：00-21：00期间，在光伏电池板所在位置，整点开始测量温度T和光照强度Wd，并测量光伏电池板最大功率点的功率为PMPP、最大功率点的电压为UMPP和开路电压为Uoc，测量时间为一年。
所述电网频率ωg的计算公式为：
其中，ω0为公共耦合点电压的额定角频率，Kp_pll为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_pll为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，温度T＝25℃和光照强度Wd＝1000W/m2下，PMPP＝500KW，UMPP＝645.4V，Uoc＝839.2V，锁相环中ω0＝100πrad/s，Kp_pll＝0.5，Ki_pll＝1。
所述输出相电压坐标变换方程的表达式为：
所述网侧电感电流坐标变换方程的表达式为：
所述桥臂电感电流坐标变换方程的表达式为：
以上六个公式中，θ为d轴和q轴的相位差，
步骤3、设置电网角频率基准值ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
所述功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。本实施例中Pref0i＝0W，为防止系统超调过大且充分利用逆变器容量，Ji＝20kg·m2，有功下垂系数mi＝6.2832e-06。
步骤4、根据步骤3中得到的功率指令通过拉格朗日插值预测法得到期望参考功率指令
所述拉格朗日插值预测法包含以下步骤：
(1)对步骤3中得到的功率指令进行采样处理，采样时间为拉格朗日插值时间T，并按时间先后顺序记录三次采样获得的功率指令：
其中，为光伏逆变器#i在k-2时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k-1时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k时刻的功率指令；
(2)计算期望参考功率指令其计算公式如下：
其中，t为预测的时间间隔，t取值为t＝2T，T为拉格朗日插值时间，T取值为T＝5Ts，Ts为光伏逆变器#i的ADC采样时间。本实施例Ts＝0.2ms，T＝1ms，t＝2ms。
步骤5、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，通过功率计算方程获得平均有功功率Poi。
所述平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，本实例中Tf＝1e-4s。
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤4中得到的期望参考功率指令和步骤5中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi；
所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括两部分，第一部分为通过多项式拟合方法求直流侧参考电压Urefi步长的大小，第二部分为通过功率跟踪法求直流侧参考电压Urefi的方向，具体分为以下5个步骤，其中，(1)属于第一部分，(2)—(4)属于第二部分。
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Ustep为电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值；
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志；
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量；
(4)求直流侧参考电压Urefi；
当期望参考功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当期望参考功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
电压步长Ustep的大小根据多项式曲线确定，多项式拟合曲线如图3所示，多项式曲线为二次曲线的一部分，二次曲线的顶点为光伏曲线的最大功率点(UMPP，PMPP)，且二次曲线经过光伏曲线的(Uoc，0)点，本实施例中，Uthreshold_low＝0.3V，Uthreshold_high＝100V，PMPP＝500KW，UMPP＝645.4V，Uoc＝839.2V。
步骤7、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤6中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压环获得光伏板参考功率Prefi。
所述经过电压环获得光伏板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，本实例中kdcki＝4550，kdcpi＝1.05e6。
步骤8、根据步骤7中得到的光伏板参考功率Prefi和步骤5中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi。
所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数。本实例中取ni＝1/4000，kpki＝0.7，kppi＝1200，Qref0i＝0var。
步骤9、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤8中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi。
所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
步骤10、将步骤9中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤9中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi。
所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数，本实例中取kIi＝40。
步骤11、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤10中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
步骤12、将步骤11中得到的dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
所述坐标反变换方程的表达式为：
Umai＝Umdi cosθ+Umqi sinθ
其中，θ为d轴和q轴的相位差。
本实施例中发明适用于传统集中式三相光伏逆变器。以下所示为500KW三相光伏逆变器系统加入拉格朗日插值预测法的仿真波形。
光伏逆变器采用光伏虚拟同步电机算法，0s时并网运行，0.25s时突加400KW公共阻性负载，在1.00s突降200KW阻性负载。
图4为增加拉格朗日插值预测法的光伏虚拟同步机前后增减负荷电网频率变化波形，加入拉格朗日插值预测法前，突增负载电网频率跌落较快，加入拉格朗日插值预测法后频率跌落变缓，突降负载时，相较未加入拉格朗日插值预测法，电网频率更迟缓恢复，因此加入拉格朗日插值预测法后增加了电网的惯性和阻尼。
图5为加入采用拉格朗日插值预测法的光伏虚拟同步发电机后增减负荷输出有功功率波形，加入采用拉格朗日插值预测法的光伏虚拟同步发电机后，平均有功功率超前于功率指令，在动态过程中有更好的调频效果。
Claims (9)
1.一种基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，包括光伏逆变器输出相电压的采集，其特征在于，步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]；
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i网侧电感电流Ioai,Iobi,Ioci，并经网侧电感电流坐标变换方程得到网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经桥臂电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)；
步骤3、设置电网角频率基准值ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
步骤4、根据步骤3中得到的功率指令通过拉格朗日插值预测法得到期望参考功率指令
步骤5、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和网侧电感电流dq轴分量Iodi,Ioqi，通过功率计算方程获得平均有功功率Poi；
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤4中得到的期望参考功率指令和步骤5中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi；
步骤7、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤6中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压环获得光伏板参考功率Prefi；
步骤8、根据步骤7中得到的光伏板参考功率Prefi和步骤5中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi；
步骤9、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤8中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi；
步骤10、将步骤9中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤9中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi；
步骤11、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤10中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
步骤12、将步骤11中得到的dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤3中通过功率叠加方程获得功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。
3.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤4中所述拉格朗日插值预测法包含以下步骤：
(1)对步骤3中得到的功率指令进行采样处理，采样时间为拉格朗日插值时间T，并按时间先后顺序记录三次采样获得的功率指令：
其中，为光伏逆变器#i在k-2时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k-1时刻的功率指令，为光伏逆变器#i在k时刻的功率指令；
(2)计算期望参考功率指令其计算公式如下：
其中，t为预测的时间间隔，t取值为t＝2T，T为拉格朗日插值时间，T取值为T＝5Ts，Ts为光伏逆变器#i的ADC采样时间。
4.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤5中的通过功率计算方程获得平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。
5.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤6所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括以下步骤：
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Ustep为电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值；
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志；
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量；
(4)求直流侧参考电压Urefi；
当期望参考功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当期望参考功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
6.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤7中的经过电压环获得光伏板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤8所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
8.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤9所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
9.根据权利要求1所述的基于拉格朗日插值预测的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于，步骤10所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
Uidi＝(Icdrefi-ILdi)GI(s)
Uiqi＝(Icqrefi-ILqi)GI(s)
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数。
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| CN110277797A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-09-24 | 合肥工业大学 | 基于共直流母线的光伏虚拟同步发电机协调控制方法 |
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