CN108599241B - 光伏虚拟同步机一次调频控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法及设备，该方法包括：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频。通过利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，能够充分利用光伏功率，减小一次调频功率消失的隐患。

Description

光伏虚拟同步机一次调频控制方法及设备

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法及设备。

背景技术

随着新能源技术与产业的发展，光伏等新能源发电在电网中的占比逐渐升高。由于光伏电站一般采用电力电子逆变器接入并网，相比传统发电设备(例如，同步发电机)，逆变器具有控制响应迅速、控制灵活等优势，但同时存在多种缺陷，例如，缺少惯量和阻尼，不能响应一次调频、调压。这导致火电等传统能源担负了区域电网几乎所有的一次调频、调峰任务。对此，研究者提出虚拟同步机(VSG)的概念，使得光伏逆变器具有了虚拟惯量、一次调频、调压的能力。

图1是一种现有光伏虚拟同步机的拓扑结构示意图。如图1所示，储能单元(电池)与双向DC/DC组合后并联在光伏直流母线上，储能单元和光伏电源均单独作为虚拟同步机的虚拟原动机。VSG采用电压电流双环闭合控制，当检测到电网频率、电压发生波动时，虚拟同步机控制系统经过分析计算后产生脉冲信号决定DC/AC、DC/DC功率输出值，实现响应虚拟惯量、一次调频及调压的功能。

然而，现有虚拟同步机存在以下缺点：

其一，为了获取最大的发电功率，常规光伏逆变器通常采用MPPT方式以获得最大出力。而MPPT控制方式属于被动控制，无论外界功率需求如何，光伏电源始终以最大功率方式运行，难以实现光伏出力的灵活可控，容易造成系统功率利用不充分。而且，在稳态运行过程中，光伏虚拟同步机(包括光伏逆变器)存在以下两种运行场景：

光伏VSG的储能虚拟原动机处于热备用状态，当光伏电源可用最大功率大于负载或者调度指令所需的功率需求时，会导致系统出现电压和频率越限。在此情形下，需适当弃光，即调度降低光伏电源功率输出，以满足系统功率匹配。

当负载或调度的功率需求大于光伏电源可用最大功率时，也可能导致电压或频率异常；此时若不采取控制措施保证光伏出力稳定，光伏电源则可能由于功率不匹配而导致直流侧电压跌落甚至崩溃。这种情形下，需控制分布式光伏电源以最大可用功率输出，且需保证直流电压稳定。

其二，当电网频率跌落时，光伏虚拟同步机应提高逆变器出口侧功率以响应一次调频。在常规的MPPT(Maximum Power Point Tracking，跟踪最大功率点)运行模式下，由储能单元支撑系统频率低于死区运行场景下的惯量和一次调频功率。然而，储能单元自身容量有限制，且充放电过程会导致储能单元的电压、SOC(State ofCharge,荷电状态)低于设定值，从而导致光伏虚拟同步机存在配置的分散式储能单元无法在系统发生频率事件时提供足够的惯量和一次调频功率的隐患。

其三，单机容量为P_N的光伏虚拟同步机会配备10％P_N的储能用于支撑功率。但一般支撑时间较短，小于二次调频的响应时间。图2是现有技术中限功率状态下储能独立响应一次调频的功率曲线图。如图2所示，当电网频率跌落时，只有储能侧支撑功率以响应一次调频，最大功率为10％P_N，即使光伏功率有可用容量也不参与调频；当储能系统电量消耗殆尽时，一次调频功率消失，二次调频还没有响应，电网频率出现二次跌落。

发明内容

本发明提供一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法及设备，以在电网频率跌落时使光伏和储能协调支撑功率，充分利用光伏功率，减小一次调频功率消失的隐患。

本发明实施例提供一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法，包括：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频。

一个实施例中，响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，包括：利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统优先响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率。

一个实施例中，利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，包括：获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

一个实施例中，获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流，包括：通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

本发明实施例还提供一种光伏虚拟同步机一次调频控制装置，包括：信号接收单元，用于：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；一次调频单元，用于：响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频。

一个实施例中，所述一次调频单元，包括：储能支撑模块，用于：利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；光伏支撑模块，用于：利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率。

一个实施例中，所述光伏支撑模块，包括：第一及第二参考电流获取模块，用于：获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；d轴参考电流生成模块，用于：将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；第二功率生成模块，用于：将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

一个实施例中，所述第一及第二参考电流获取模块，包括：第一参考电流生成模块，用于：通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；第二参考电流生成模块，用于：获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

本发明实施例另提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。

本发明实施例另提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各实施例所述方法的步骤。

本发明实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制方法、光伏虚拟同步机一次调频控制装置、计算机可读存储介质及计算机设备，通过接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号，响应所述频率跌落信号，并基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，能够在光伏储能单元快速响应电网频率跌落的情况下充分利用光伏电源中的备用容量对所述电网进行一次调频，减小一次调频功率消失的隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是一种现有光伏虚拟同步机的拓扑结构示意图。

图2是现有技术中限功率状态下储能独立响应一次调频的功率曲线图。

图3是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制方法的流程示意图。

图4是本发明一实施例中响应频率跌落信号基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率的方法流程示意图。

图5是本发明一实施例中利用光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率的方法流程示意图。

图6是本发明一实施例的光伏虚拟同步机拓扑结构图。

图7是本发明一实施例的光储协调控制策略控制框图。

图8是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制的流程图。

图9是根据本发明实施例在限功率状态下光伏独立支撑功率响应一次调频的功率曲线图。

图10是根据本发明实施例在限功率情况下光储协调控制响应一次调频的功率曲线图。

图11是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制装置的结构示意图。

图12是本发明一实施例中一次调频单元的结构示意图。

图13是本发明一实施例中光伏支撑模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

目前的光伏虚拟同步机控制策略，主要考虑光伏电源在出现可用最大功率不足的情形时，若仍需满足系统功率需求，则通过储能单元提供功率供给以弥补功率差额，而对于储能单元容量处于非运行区间及光伏电源具有一定备用容量情况下的调频控制策略考虑不足。基于该方面的考虑，本发明实施例提供了一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法。

图3是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制方法的流程示意图。如图3所示，该光伏虚拟同步机一次调频控制方法，可包括：

步骤S110：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；

步骤S120：响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频。

该稳定运行频率例如是50Hz，该第一频率例如是49.5Hz，该频率跌落信号包含降低频率例如0.5的信息。根据该频率跌落信号中的降低频率可以通过现有公式计算得到电网应上升的功率。该光伏虚拟同步机可以包含光伏逆变器、控制系统、储能系统等。该光伏储能单元可以属于该储能系统。该光伏电源一般是指光伏阵列。光伏储能单元和光伏电源均可以作为该光伏虚拟同步机的虚拟原动机。

本实施例中，通过接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号，响应所述频率跌落信号，并基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，能够在光伏储能单元快速响应电网频率跌落的情况下充分利用光伏电源中的备用容量对所述电网进行一次调频，减小一次调频功率消失的隐患。

图4是本发明一实施例中响应频率跌落信号基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率的方法流程示意图。如图4所示，在上述步骤S120中，响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，可包括：

步骤S121：利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统优先响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；

步骤S122：利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率。

在第一功率等于零的情况下，仅由光伏电源支持功率。

本实施例中，通过利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，并利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，能够实现在光伏储能单元只能提供部分的电网所需功率时，利用光伏电源的备用容量提供其余的电网所需功率。该备用容量是至光伏电源被限制掉的出力功率。

图5是本发明一实施例中利用光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率的方法流程示意图。如图5所示，在上述步骤S122中，利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，可包括：

步骤S1221：获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；

步骤S1222：将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；

步骤S1223：将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

本实施例中，通过获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流I_{dm_ref}，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流I_{VSG_ref}，将所述第一参考电流I_{dm_ref}和所述第二参考电流I_{VSG_ref}输入一比较器，得到d轴参考电流I_{d_ref}，能够将第一参考电流I_{dm_ref}附加于现有VSG参考电流(第二参考电流I_{VSG_ref})，从而实现同时利用储能单元和光伏电源提供支撑功率。

一些实施例中，d轴参考电流的初始值设置为所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流。以此可以保证初始状态光伏电源处于稳定运行区段。

一些实施例中，在上述步骤S1221中，获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流，可包括：通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

本实施例中，通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率P_max，根据所述最大运行功率P_max和储能单元的最大储能P_bat计算得到所述最大总功率P_max+P_bat，将所述最大总功率P_max+P_bat作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流I_{dm_ref}；获取所述光伏虚拟同步机的输出功率P_e和所述光伏逆变器出口侧的实际功率P_ac，根据所述输出功率P_e和所述实际功率P_ac计算得到所述差值P_e-P_ac，将所述差值P_e-P_ac作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流I_{d_ref}。

一些实施例中，当光伏侧处于MPPT模式，只由储能系统支撑功率，以响应一次调频。储能单元的最大支撑功率为最大储能，支撑时间由储能实际放电功率决定。当光伏处于限功率模式，MPPT模式下光伏功率P₀与限功率模式下光伏功率P′的差值为ΔP′，此时光伏储能系统协调配合以响应一次调频

(1)当光伏侧处于MPPT模式，只由储能系统支撑功率，以响应一次调频。储能单元的最大支撑功率为最大储能，支撑时间由储能实际放电功率决定。具体地，a.若一次调频所需功率ΔP小于或等于最大储能，则储能单元支撑功率P_bat＝ΔP；b.若一次调频所需功率ΔP大于最大储能，则储能单元支撑功率P_bat＝最大储能。

(2)当光伏处于限功率模式，MPPT模式下光伏功率P₀与限功率模式下光伏功率P′的差值为ΔP′，此时光伏储能系统协调配合以响应一次调频，具体分为以下几种情况：a.若一次调频所需功率ΔP小于或等于最大储能，则只由储能系统响应一次调频支撑口侧功率需增加的功率ΔP，待储能系统电量消耗殆尽后，光伏侧开始支撑功率：若ΔP′≥ΔP，则光伏侧功率上升ΔP，仍处于限功率模式，功率值为P′+ΔP，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式；若ΔP′≤ΔP，则光伏侧进入MPPT模式，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式。b.若一次调频所需功率ΔP大于最大储能，此时储能单元支撑功率为最大储能，光伏侧支撑功率ΔP-最大储能，待储能电量消耗殆尽，光伏侧继续支撑功率：若ΔP′≥ΔP，则光伏侧功率上升ΔP，仍处于限功率模式，功率值为P′+ΔP，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式；若ΔP′≤ΔP，则光伏侧进入MPPT模式，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式。

图6是本发明一实施例的光伏虚拟同步机拓扑结构图。如图6所示，一些实施例中，光伏虚拟同步机可包括逆变器、双向DC/DC、储能单元(电池)及虚拟同步控制系统，该虚拟同步控制系统包括DC/DC控制系统和DC/AC控制系统。储能单元与双向DC/DC组合后并联在光伏直流母线上，储能单元和光伏电源均作为虚拟同步机的虚拟原动机。

DC/DC采用的是模拟转子运动方程的控制策略，其DC/DC控制系统没有锁相环节，当电网频率发生变化Δf时，DC/DC控制系统中的控制器内部转子角速度ω与电网角速度ω_g发生偏差时，虚拟同步机控制系统按照公式(1)和公式(2)计算VSG输出的电磁功率P_e，电磁功率P_e则为储能系统输出功率P_bat。

P_m＝K_f(ω-ω_N) (1)

在公式(1)中，P_m表示机械功率(VSG原动机功率)，K_f表示一次调频系数(单位为1)，ω表示VSG内部生成的角速度(单位为rad/s)，ω_N表示电网额定角速度。在公式(2)中，t表示时间变量，P_e表示VSG输出的电磁功率，θ表示相角，J表示转子惯量，D表示阻尼系数，ω₀表示额定角速度(单位为100πrad/s)，V_t表示机端电压，E表示内电势，X表示定子阻抗，δ表示功角，θ_g表示电网相角。

DC/AC采用改变功率给定值控制策略实现调频功能，调频功率计算如公式(3)-(6)所示。其具体的实现过程为：VSG的DC/AC控制器通过锁相环(PLL)检测到电网频率的频差△f、频率变化率为△f/△t，经过式(3)-(6)计算出相应调频需输出的d轴电流参考值I_{boost_ref}。

虚拟惯量：

一次调频功率：

P_e＝V_dcI_{boost_ref} (6)

其中，ΔP_TJ表示虚拟惯量，ΔP_KF表示一次调频功率，K_f表示一次调频系数，T_j表示虚拟惯量时间常数(单位s)，表征VSG模拟传统同步机惯性时间常数的特征参数，Δf表示电网频率变化量(Hz)，Δt表示对应电网频率变化时间，P_N表示额定功率，f₀表示额定频率50Hz，K_f表示一次调频系数，I_{boost_ref}表示考虑调频后的电流参考值，I_{boost_0}表示初始电流给定值，f表示电网频率，V_dc表示直流母线电压(单位V)，P_e表示VSG电磁功率，即VSG交流侧实际输出功率。

图7是本发明一实施例的光储协调控制策略控制框图。如图7所示，本发明所提预留备用控制策略主要包括两部分：基本的VSG控制和光伏附加控制。光伏附加控制过程包括：通过MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)算法获得光伏电源PV的最大功率运行点P_max，并得到该点对应的直流电压(U_dc-mpp)，将U_dc-mpp与实测直流电压的差值作用于第一PI控制器(Proportional Integral Controller,比例积分控制器)(即，将最大功率运行点P_max与储能单元的最大储能P_bat之和作用于第一PI控制器)，形成直流电压外环，并输出附加控制变量光储最大出力对应的参考电流I_dm-ref，作为控制变量。VSG控制环(储能单元支撑功率后)输出的功率P_e与实测的光伏逆变器出口侧功率P_ac之差作用于第二PI控制器，形成功率外环，并输出VSG参考电流I_dm-ref；之后将参考电流I_dm-ref附加于参考电流I_vsg-ref，通过比较器，便可得到含有光伏电源动态特征的d轴电流参考设定值I_d-ref。由于比较器的存在，故有：

P_e≤P_max (7)

值得说明的是，为保证初始状态光伏电源处于稳定运行区段，d轴电流参考设定值I_d-ref初值可设为I_dm-ref；同时，当功率需求大于光伏可用最大功率时，保持d轴电流参考设定值I_d-ref等于I_dm-ref，实现功率匹，此时，光伏电源以最大可用功率输出，且保证直流侧电压不低于光伏电源稳定运行时的最小电压。当光伏电源最大可用功率大于功率需求时，则基于VSG功能，通过预留备用控制策略通过光伏电源支撑系统频率。

图8是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制的流程图。如图8所示，应用本发明所提控制策略，光伏虚拟同步机响应一次调频时，充分利用光伏备用容量，VSG响应调频时各部分出力。在图8中，ΔP为DC/AC控制器计算出的VSG应支撑的功率；ΔP'为光伏可上升的功率，T为电网频率超过死区的时间，t为储能可支撑时间，P_bat为储能响应调频支撑的功率，P_pv为光伏功率。T-t表示超出储能可支撑时间(T>t时)且尚处于电网频率超过死区的区段。

光伏与储能具体协调方式如下：当电网发生频率跌落Δf，跌落持续时间T，配备10％P_N kW·T h储能系统(P_N表示额定功率)的光伏虚拟同步机响应惯量和一次调频，在一次调频阶段，光伏VSG出口侧功率需增加的功率值ΔP为：

(1)当光伏侧处于MPPT模式，只由储能系统支撑功率，以响应一次调频。最大支撑功率为10％P_N，支撑时间由储能实际放电功率决定。

a.若ΔP≤10％P_N，则储能系统支撑功率P_bat＝ΔP；

b.若ΔP＞10％P_N，则储能系统支撑功率P_bat＝10％P_N。

(2)当光伏处于限功率模式，MPPT模式下光伏功率P₀与限功率模式下光伏功率P′的差值为ΔP′，此时光伏储能系统协调配合以响应一次调频，具体分为以下几种情况：

a.若ΔP≤10％P_N，则只由储能系统响应一次调频支撑口侧功率需增加的功率ΔP，待储能系统电量消耗殆尽后，光伏侧开始支撑功率：

若ΔP′≥ΔP，则光伏侧功率上升ΔP，仍处于限功率模式，功率值为P′+ΔP，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式；

若ΔP′≤ΔP，则光伏侧进入MPPT模式，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式。

b.若ΔP≥10％P_N，此时储能系统支撑功率10％P_N，光伏侧支撑功率ΔP-10％P_N，待储能电量消耗殆尽，光伏侧继续支撑功率：

若ΔP′≥ΔP，则光伏侧功率上升ΔP，仍处于限功率模式，功率值为P′+ΔP，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式；

若ΔP′≤ΔP，则光伏侧进入MPPT模式，直到电网频率恢复后恢复到调频前的限功率模式。

下面以一具体实施例说明本发明的实施及效果。

某光伏虚拟同步机逆变器额定容量为500kw，配备50kw*15s储能系统，一次调频系数K_f＝20。

图9是根据本发明实施例在限功率状态下光伏独立支撑功率响应一次调频的功率曲线图。如图9所示，光伏处于限功率模式下，由MPPT模式下光伏功率P₀＝400kw限功率到P′＝200kw，差值ΔP′＝200kw；限功率期间遇到电网频率跌落事件，电网频率由50Hz跌落到49.5Hz，跌落频率Δf＝0.5Hz，跌落持续时间50s。

由公式(1)可知虚拟同步机出口侧功率应提高ΔP＝100kw；此时储能系统没有能量，由光伏侧支撑功率，且ΔP′≥ΔP，光伏侧功率上升ΔP＝100kw达到300kw，如处于限功率状态，直到电网频率恢复后恢复到调频前的功率值200kw。

图10是根据本发明实施例在限功率情况下光储协调控制响应一次调频的功率曲线图。如图10所示，光伏处于限功率模式下，由P₀＝400kw限功率到P′＝300kw，ΔP′＝100kw；限功率期间遇到电网频率跌落事件，电网频率由50Hz跌落到49.5Hz，Δf＝0.5Hz，持续30s。

由公式(1)可知虚拟同步机出口侧功率应提高ΔP＝100kw；由于ΔP≥10％P_N，储能支撑50kw，光伏支撑ΔP-10％P_N＝50kw，持续15s后，储能能量消耗殆尽，光伏继续支撑功率，且ΔP′＝ΔP，光伏切换到MPPT模式，直到电网频率恢复后恢复到调频前的功率值300kw。

基于与图3所示的光伏虚拟同步机一次调频控制方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种光伏虚拟同步机一次调频控制装置，如下面实施例所述。由于该光伏虚拟同步机一次调频控制装置解决问题的原理与光伏虚拟同步机一次调频控制方法相似，因此该光伏虚拟同步机一次调频控制装置的实施可以参见光伏虚拟同步机一次调频控制方法的实施，重复之处不再赘述。

图11是本发明一实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制装置的结构示意图。如图11所示，该光伏虚拟同步机一次调频控制装置，可包括：信号接收单元210和一次调频单元220。

信号接收单元210，用于：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；

一次调频单元220，用于：响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频。

图12是本发明一实施例中一次调频单元的结构示意图。如图12所示，所述一次调频单元220，可包括：储能支撑模块221和光伏支撑模块222。

储能支撑模块221，用于：利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统优先响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；

光伏支撑模块222，用于：利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率。

图13是本发明一实施例中光伏支撑模块的结构示意图。如图13所示，所述光伏支撑模块222，可包括：第一及第二参考电流获取模块2221、d轴参考电流生成模块2222及第二功率生成模块2223。

第一及第二参考电流获取模块2221，用于：获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；

d轴参考电流生成模块2222，用于：将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；

第二功率生成模块2223，用于：将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

一些实施例中，所述第一及第二参考电流获取模块2221，包括：第一参考电流生成模块和第二参考电流生成模块。

第一参考电流生成模块，用于：通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；

第二参考电流生成模块，用于：获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各实施例所述方法的步骤。

综上所述，本发明实施例的光伏虚拟同步机一次调频控制方法、光伏虚拟同步机一次调频控制装置、计算机可读存储介质及计算机设备，通过接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号，响应所述频率跌落信号，并基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，能够在光伏储能单元快速响应电网频率跌落的情况下充分利用光伏电源中的备用容量对所述电网进行一次调频，减小一次调频功率消失的隐患。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光伏虚拟同步机一次调频控制方法，其特征在于，包括：

接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；

响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频；

其中，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率包括：

利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统优先响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；

利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率；

其中，利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，包括：

获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；

将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；

将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

2.如权利要求1所述的光伏虚拟同步机一次调频控制方法，其特征在于，获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流，包括：

通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

3.一种光伏虚拟同步机一次调频控制装置，其特征在于，包括：

信号接收单元，用于：接收电网由稳定运行频率下降至第一频率的频率跌落信号；

一次调频单元，用于：响应所述频率跌落信号，基于光伏虚拟同步机利用光伏储能单元和光伏电源协调提供支撑功率，以对所述电网进行一次调频；

其中，所述一次调频单元，包括：

储能支撑模块，用于：利用光伏虚拟同步机中的DC/DC控制系统优先响应所述频率跌落信号控制光伏储能单元提供第一功率，以使所述电网由所述第一频率上升至第二频率；所述第一功率小于或等于所述光伏单元的最大储能；所述第二频率小于所述稳定运行频率；

光伏支撑模块，用于：利用所述光伏虚拟同步机中的DC/AC控制系统控制光伏电源提供第二功率，以使所述电网由所述第二频率上升至第三频率；所述第二功率小于或等于所述光伏电源的备用容量；所述第三频率小于或等于所述稳定运行频率；

其中，所述光伏支撑模块，包括：

第一及第二参考电流获取模块，用于：获取所述光伏电源和所述储能单元的最大总功率对应的第一参考电流，以及获取所述光伏虚拟同步机的输出功率与光伏逆变器出口侧的实际功率之间的差值对应的第二参考电流；

d轴参考电流生成模块，用于：将所述第一参考电流和所述第二参考电流输入一比较器，得到d轴参考电流；在所述第一参考电流大于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第二参考电流，在所述第一参考电流小于或等于所述第二参考电流时，所述d轴参考电流等于所述第一参考电流；

第二功率生成模块，用于：将所述d轴参考电流输入所述光伏虚拟同步机的光伏逆变器电流内环，以控制所述光伏电源提供第二功率。

4.如权利要求3所述的光伏虚拟同步机一次调频控制装置，其特征在于，所述第一及第二参考电流获取模块，包括：

第一参考电流生成模块，用于：通过MPPT算法获得所述光伏电源的最大运行功率，根据所述最大运行功率和储能单元的最大储能计算得到所述最大总功率，将所述最大总功率作用于第一PI控制器，得到所述第一参考电流；

第二参考电流生成模块，用于：获取所述光伏虚拟同步机的输出功率和所述光伏逆变器出口侧的实际功率，根据所述输出功率和所述实际功率计算得到所述差值，将所述差值作用于第二PI控制器，得到所述第二参考电流。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1或2所述方法的步骤。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1或2所述方法的步骤。

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