CN108923462B - 光伏发电系统虚拟同步机控制方法、装置、变流器及系统 - Google Patents

光伏发电系统虚拟同步机控制方法、装置、变流器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统虚拟同步机控制方法、控制装置、变流器及系统。本发明在光伏逆变器与光伏组件连接的直流侧接入储能设备及储能变流器；采集光伏组件的电压、电流并执行最大功率点追踪算法，获取直流电压目标值，根据所述直流电压目标值控制储能变流器以恒输出直流电压模式运行；将光伏组件输出的直流功率乘以光伏逆变器转换效率，叠加储能设备的SOC优化调节功率分量作为光伏逆变器的有功功率指令，根据所述有功功率指令控制光伏逆变器按虚拟同步机模式运行。本发明仅需较小的电池容量即可满足应用需求，保证了光伏板最大发电量，优化了电池的可用率和寿命，同时对电网提供了功率支撑。

Description

光伏发电系统虚拟同步机控制方法、装置、变流器及系统
技术领域
本发明属于电力电子变流器控制领域，特别是一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制方法、控制装置、变流器及系统。
背景技术
光伏逆变器通常以电流源形式并网以最大功率发电运行，通过锁相环与电网同步，通过最大功率点追踪(MPPT)算法实现最大发电量。光伏逆变器没有主动响应电网频率、电压变化的能力，且没有惯性，因此缺乏对电网的支撑能力。近年来，虚拟同步发电机(VSG)依靠其具备自主调频、自主调压、惯性、阻尼等优良特性，得到了越来越多的应用。
光伏逆变器按虚拟同步发电机运行时，自主调频的特性需要保证直流侧功率具备向上和向下双向调节的能力，由于直流侧运行在最大功率点，有功功率无法进一步向上调节，因此需要在直流侧配置储能设备以提供调频需要的有功双向调节能力。
常规方案是在传统逆变器的控制方法基础上，通过检测交流侧频率、电压的变化，生成逆变器的无功调节指令和储能有功调节指令，从而实现调频、调压等功能。其本质上仍然是电流源的控制，依赖于频率(需要通过锁相环获得)和电压的采样，存在控制延迟，对电网支撑能力较弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种新的附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制方法，实现真正意义上的虚拟同步发电机功能，通过储能变流器实现最大功率点追踪及光伏直流电压调节，光伏逆变器按虚拟同步机模式运行，既保证最大发电量，又维持电池的SOC在合理区间，同时对电网提供支撑。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：光伏发电系统虚拟同步机控制方法，在光伏逆变器与光伏组件连接的直流侧接入储能设备及储能变流器，其特征在于，包括步骤：
1)采集光伏组件的电压、电流并执行最大功率点追踪算法，获取直流电压目标值，根据所述直流电压目标值控制储能变流器以恒输出直流电压模式运行；
2)将光伏组件输出的直流功率乘以光伏逆变器转换效率，叠加储能设备的SOC优化调节功率分量作为光伏逆变器的有功功率指令，根据所述有功功率指令控制光伏逆变器按虚拟同步机模式运行。
本发明仅需较小的电池容量即可满足应用需求，保证了光伏板最大发电量，优化了电池的可用率和寿命，同时对电网提供了功率支撑。
进一步地，上述控制方法的步骤1)中，所述的恒输出直流电压模式包括直流电压外环和直流电流内环。
进一步地，上述控制方法的步骤2)中，所述的光伏逆变器转换效率为逆变器测量值或通过查表获得。
进一步地，上述控制方法的步骤2)中，所述的虚拟同步机模式包括：
1)通过虚拟同步发电机控制，得到光伏逆变器交流输出端口的电压幅值和相位目标值；
2)通过交流电压外环和交流电流内环，控制光伏逆变器输出跟踪所述电压幅值和相位目标值。
进一步地，上述控制方法的步骤2)中，所述的SOC优化调节功率分量通过如下步骤获取：
设定SOC阈值上限和上限返回值、下限和下限返回值、优化调节充电系数、优化调节放电系数；
获取电池SOC信息，并与设定的SOC阈值上限和下限比较；
若SOC超过阈值上限，则按优化调节放电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC低于上限返回值；
若SOC低于阈值下限，则按优化调节充电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC超过下限返回值；
若SOC在阈值上、下限之间，则SOC优化调节功率分量为零。
本发明的第二个目的是提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制装置，其包括光伏逆变器控制器和储能变流器控制器；所述光伏逆变器控制器和储能变流器控制器中存储附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制程序，并执行如前所述的控制方法。
本发明的第三个目的是提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机变流器，其包括光伏逆变器和储能变流器；所述的光伏逆变器，连接于光伏组件和交流电网之间，用于将直流逆变为交流向电网发电并实现虚拟同步机控制，包括：如前所述虚拟同步机控制装置中的光伏逆变器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换；
所述的储能变流器，连接于储能设备和光伏组件之间，用于直流变换，包括：如前所述虚拟同步机控制装置中的储能变流器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换。
本发明的第四个目的是提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机系统，其包括：光伏单元和储能单元；所述的光伏单元，包括光伏组件和如权利要求7所述的虚拟同步机变流器中的光伏逆变器；
所述的储能单元，并联于光伏组件与光伏逆变器之间，包括：储能设备和如前所述的虚拟同步机变流器中的储能变流器；所述储能设备，用于存储电能，可以是电池、电容。
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
1)本发明在光伏逆变器中实现了真正意义上电压源型虚拟同步机的控制，具备自主调频、自主调压、惯性、阻尼等优良特性，对电网提供了支撑。
2)本发明通过储能变流器实现最大功率点追踪及光伏直流电压调节，保证了最大发电量。光伏组件输出的功率，由光伏逆变器输送到电网，储能仅需要提供惯性和调频所需的功率，可按需求配置，减少了储能的容量需求。
3)在光伏逆变器虚拟同步机控制中加了储能SOC优化调节策略，维持电池的SOC在合理区间，从而充分发挥储能的可用空间，提升了电池的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1中储能变流器控制图；
图2是本发明实施例1中光伏逆变器控制图；
图3是本发明实施例1中光伏发电系统虚拟同步机系统的构成示意图；
图3中，Lg为交流电网等效电感，uga,gb,gc为交流电网三相电压，L,C为光伏逆变器的交流电感和电容，ioa,ob,oc为光伏逆变器三相交流输出电流，ia,b,c为光伏逆变器三相电感电流，uoa,ob,oc为光伏逆变器三相交流输出电压，Cdc为光伏逆变器直流侧电容，iINV为光伏逆变器输入电流，iES为储能系统输出电流；
图4是本发明实施例1中恒输出直流电压模式图；
图5是本发明实施例1中虚拟同步机模式图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
实施例1
如图3所示，通过在光伏组件直流侧增加储能环节，可以为光伏逆变器(DC/AC)提供调频响应所需的有功功率，从而满足光伏逆变器的虚拟同步机控制需求。其中储能环节包括储能设备和储能变流器(DC/DC)。本发明提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制方法，将附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制方法分为两部分：储能变流器控制、光伏逆变器控制，如图1-2所示，具体包括如下步骤：
(1)采集光伏组件的电压uPV、电流iPV并执行最大功率点追踪(MPPT)算法，获取直流电压目标值
Figure BDA0001729085430000041
控制储能变流器根据所述直流电压目标值以恒输出直流电压模式运行；
(2)将光伏组件输出的直流功率PPV乘以光伏逆变器转换效率η，叠加上储能设备的SOC优化调节功率分量PCal作为光伏逆变器的有功功率指令Pset，控制光伏逆变器根据所述有功功率指令Pset按虚拟同步机模式运行。
上述步骤(1)中，恒输出直流电压模式，如图4所示包括：直流电压外环和直流电流内环，直流电压外环通过直流电压目标值
Figure BDA0001729085430000042
与光伏组件电压uPV的差值经PI调节器后输出
Figure BDA0001729085430000043
作为直流电流内环的参考值，直流电流内环通过直流电流内环参考值
Figure BDA0001729085430000044
与光伏组件电流iPV的差值经PI调节器后最终输出占空比D用于储能变流器的PWM控制。
上述步骤(2)中，光伏逆变器转换效率η可以为逆变器测量值，也可以通过查表获得。所述的虚拟同步机模式，如图5所示，包括：
通过虚拟同步发电机的有功下垂控制，由交流电网额定频率ω0与逆变器实际输出频率ω的差值乘以有功下垂系数Dp后再叠加有功功率指令Pset与逆变器实际输出功率Po的差值，经惯性环节中虚拟同步发电机转动惯量J作用，并积分得到光伏逆变器交流输出端口的电压相位目标值θ；通过虚拟同步发电机的无功下垂控制，由无功功率指令Qset与实际输出无功功率Qo的差值乘以无功下垂系数Dq后再叠加交流电网电压ug得到光伏逆变器交流输出端口的电压幅值目标值
Figure BDA0001729085430000045
光伏逆变器交流输出端口的电压幅值目标值
Figure BDA0001729085430000046
设置为0；通过交流电压外环生成
Figure BDA0001729085430000047
并作为交流电流内环的参考值，交流电流内环生成调制波：uiα、uiβ，用于控制光伏逆变器PWM控制，从而跟踪所述电压幅值和相位目标值；
上述步骤(2)中，SOC优化调节功率分量，用于调整电池的SOC到合理区间，从而提高电池的可用率及使用寿命，通过如下步骤获取：
设定SOC阈值上限和上限返回值、下限和下限返回值、优化调节充电系数、优化调节放电系数；获取电池SOC信息，并与设定的SOC阈值上限和下限比较；若SOC超过阈值上限，则按优化调节放电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC低于上限返回值；若SOC低于阈值下限，则按优化调节充电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC超过下限返回值；若SOC在阈值上、下限之间，则SOC优化调节功率分量为零。
实施例2
本实施例提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制装置，包括：光伏逆变器控制器和储能变流器控制器。所述光伏逆变器控制器和储能变流器控制器中存储附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制程序，并执行所述的光伏发电系统虚拟同步机控制方法。
实施例3
本实施例提供一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机变流器，包括：光伏逆变器和储能变流器。所述的光伏逆变器，连接于光伏组件和交流电网之间，用于将直流逆变为交流向电网发电并实现虚拟同步机控制，包括：所述虚拟同步机控制装置中的光伏逆变器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换。所述的储能变流器，连接于储能设备和光伏组件之间，用于直流变换，包括：所述虚拟同步机控制装置中的储能变流器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换。
实施例4
一种附加储能的光伏发电系统虚拟同步机系统，如图3所示，其特征在于，包括：光伏单元和储能单元。所述的光伏单元，包括光伏组件和所述的虚拟同步机变流器中的光伏逆变器。所述的储能单元，并联于光伏组件与光伏逆变器之间，包括：储能设备和所述的虚拟同步机变流器中的储能变流器；所述储能设备，用于存储电能，可以是电池、电容。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.光伏发电系统虚拟同步机控制方法，在光伏逆变器与光伏组件连接的直流侧接入储能设备及储能变流器，其特征在于，包括步骤：
1）采集光伏组件的电压、电流并执行最大功率点追踪算法，获取直流电压目标值，根据所述直流电压目标值控制储能变流器以恒输出直流电压模式运行；所述的恒输出直流电压模式包括直流电压外环和直流电流内环；
2）将光伏组件输出的直流功率乘以光伏逆变器转换效率，叠加储能设备的SOC优化调节功率分量作为光伏逆变器的有功功率指令，根据所述有功功率指令控制光伏逆变器按虚拟同步机模式运行；
所述步骤2）中，所述的虚拟同步机模式包括：
1）通过虚拟同步发电机控制，得到光伏逆变器交流输出端口的电压幅值和相位目标值；
2）通过交流电压外环和交流电流内环，控制光伏逆变器输出跟踪所述电压幅值和相位目标值；
步骤2）中，所述的SOC优化调节功率分量通过如下步骤获取：
设定SOC阈值上限和上限返回值、下限和下限返回值、优化调节充电系数、优化调节放电系数；
获取电池SOC信息，并与设定的SOC阈值上限和下限比较；
若SOC超过阈值上限，则按优化调节放电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC低于上限返回值；
若SOC低于阈值下限，则按优化调节充电系数乘以储能变流器额定功率作为优化调节功率分量，直至SOC超过下限返回值；
若SOC在阈值上、下限之间，则SOC优化调节功率分量为零。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述的光伏逆变器转换效率为逆变器测量值或通过查表获得。
3.光伏发电系统虚拟同步机控制装置，其特征在于，包括光伏逆变器控制器和储能变流器控制器；所述光伏逆变器控制器和储能变流器控制器中存储附加储能的光伏发电系统虚拟同步机控制程序，并执行如权利要求1-2任一项所述的控制方法。
4.光伏发电系统虚拟同步机变流器，其特征在于，包括光伏逆变器和储能变流器；
所述的光伏逆变器，连接于光伏组件和交流电网之间，用于将直流逆变为交流向电网发电并实现虚拟同步机控制，包括：如权利要求3所述虚拟同步机控制装置中的光伏逆变器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换；
所述的储能变流器，连接于储能设备和光伏组件之间，用于直流变换，包括：如权利要求3所述虚拟同步机控制装置中的储能变流器控制器、二次回路及一次回路；所述一次回路用于实现功率的传输、变换及滤波；所述二次回路用于实现控制信号采样、传输及变换。
5.光伏发电系统虚拟同步机系统，其特征在于，包括：光伏单元和储能单元；
所述的光伏单元，包括光伏组件和如权利要求4所述的虚拟同步机变流器中的光伏逆变器；
所述的储能单元，并联于光伏组件与光伏逆变器之间，包括：储能设备和如权利要求4所述的虚拟同步机变流器中的储能变流器；所述储能设备，用于存储电能。
6.根据权利要求5所述的光伏发电系统虚拟同步机系统，其特征在于，所述的储能设备为电池或电容。
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