CN109586344A - 基于vsg和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法 - Google Patents

Abstract

对于分散式孤岛微电网中的光伏发电家庭用户，存在不止一个电源，如何协调好各个电源之间的分工，并且互相之间高效配合，以有效提高家庭供电的稳定性和电能质量，是需要解决的技术难题。为了解决上述问题，本发明针对家庭式光伏发电用户，提出一种基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，设计了一套家庭式多电源供给的拓扑结构和配套的控制方案，该方案合理调配每个家庭的电源出力，实现功能互补，有效提高基于分布式发电孤岛微电网的供电可靠性和供电质量，同时控制方案不需要集中控制或通信链路，这种无通信分散式的自主电力交换的优点是易于操作并且提高了微网的的灵活性和可扩展性，节省了成本。

Description

基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法

技术领域

本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法。

背景技术

在微电网(micro-grid，MG)中，分布式发电是主要电源，为可再生能源的消纳提供了有效手段。近年来，由于逆变器的大规模集成引入微电网，导致系统惯性减小，这对未来的电能系统提出了重大挑战，增加了维持电网稳定性的难度。基于此，虚拟同步机技术(Virtual Synchronous Generator，VSG)应运而生。采用虚拟同步机技术的分布式电源具备与同步机组相同的运行机制，都能自主地参与电网的运行和管理。在实现一次调频和一次调压功能的同时能够在动态过程中为系统提供惯性、阻尼支撑。

对VSG本身的研究已基本成熟，现在研究目标已应转向有效利用VSG特征的组合方法的发展。对于基于光伏发电的家庭用户，可以引入VSG控制。而在传统的控制模式中，无惯性和VSG逆变器通常组合在位于上层的三级控制中。这种分级控制方法，其中最高层中的控制器监督较低层，也称为集中控制。在集中控制中，由于需要昂贵的通信链路，因此难以实现即插即用来扩展和减少家庭用户，并且相应的延迟可能导致电网不稳定问题。由于目前的集中控制方法复杂且受到通信挑战的影响，有学者研究了一种基于主从控制的新型分布式操作方法以及考虑电力传输和配电网络的分布式分层双层结构。然而，这些方法需要各种数学方法，例如分解求解算法，模糊场景降低技术等，并且参数不能容易地跟踪。最近，作为不涉及任何通信的分散式控制技术成为研究热点。

由于VSG在工作过程中需要储能装置为其提供能量支持。所以对于分散式孤岛微电网中的光伏发电家庭用户，存在不止一个电源，如何协调好各个电源之间的分工，并且互相之间高效配合，以有效提高家庭供电的稳定性和电能质量，是需要解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，其特征在于，所述控制方法针对由一组光伏用户家庭组成的孤岛微电网，使电力在微网内流动，基于虚拟同步发电机技术(VSG)，保证在各个家庭间无需通信的情况下，合理协调平衡光伏发电与家庭用电，以提高光伏供电稳定性和微网电能质量。

所述孤岛微电网中的光伏用户家庭由三部分组成：光伏电源、蓄电池储能装置、用电负载。其中光伏电源通过传统无惯性电流控制逆变器接入母线；蓄电池储能装置为VSG控制产生虚拟惯性力，通过VSG控制逆变器接入母线；光伏电源和蓄电池在功能上是互补的，蓄电池可以短暂补偿光伏电源的缓慢响应，进而提高供电质量，而光伏电源可以在需要的时候为蓄电池充电，保证其电量维持在正常水平。

所述电源管理方法为辅助控制，而VSG和传统电流控制作为主要控制；电源管理方法辅助控制只采集所在家庭的母线功率变化量，母线频率变化量以及蓄电池SoC三个参量，通过电源管理控制生成光伏电源和蓄电池的参考功率，并分别传送给光伏电源控制模块和蓄电池控制模块，电源管理辅助控制有两个主要原则：

1)微网内所有光伏电源互相协调配合，共同调节整个微网的功率波动；

2)每个光伏电源尽可能多的为本家庭负载供电，并且维持每个家庭内的蓄电池电量都在相同的水平。

所述电源管理辅助控制包括两部分：

1)光伏电源控制：通过调整光伏输出弥补微网频率变化和家庭内部功率波动；

2)蓄电池控制：将充电状态(SoC)维持在适当的水平以保证其长期稳定工作。

所述电源管理辅助控制的数学表达式为：

1)P_PV*ⁱ＝G₁(s)P_UN ⁱ+G₂(s)ΔF_MG

2)P_BY*ⁱ＝-G₃(s)(SoC_ref-SoCⁱ)

基于控制目标考虑，所述G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)用PI调节器实现，得到表达式新形式：

1)

2)P_BY ^*i＝-K_BYP(SoC_ref-SoCⁱ)

通过K_BYP、K_PVPP、K_PVPI、K_PVFP、K_PVFI五个参数的合理设置，利用PI调节器控制实现SoCⁱ趋近于SoC_ref，ΔF_MG趋近于0，P_UN ⁱ趋近于0。

所述各个家庭间无需通信的实现原理为：当光伏电源反应速度比负载功率波动小时，发生功率不平衡，引起系统频率波动，微网系统频率根据VSG的自主调控系统变化；因为系统频率在微网中的任何点几乎相同，可以在每个家庭内检测功率不平衡而不需要家庭间的通信链路或是更高层的集中控制。

有益效果为

本发明的目的不是提高与传统方法相比的控制性能，而是提出一种构建弹性微电网的新模式。针对家庭式光伏发电用户，设计了一套多电源供给的拓扑结构和配套的控制方案，该方案合理调配每个家庭的电源出力，实现功能互补，有效提高基于分布式发电孤岛微电网的供电可靠性和供电质量，同时控制方案不需要集中控制或通信链路，这种无通信分散式的自主电力交换的优点是易于操作并且提高了微网的的灵活性和可扩展性，节省了成本。

附图说明

图1为微电网光伏用户能量供给系统模型图。

图2为微电网的控制框图。

图3为VSG主电路拓扑和控制结构。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步详细说明。

图1展示了微网中单个家庭的的能量供给系统模型。每个家庭的母线上连接着一个蓄电池储能装置(bettry，BY),一个光伏发电装置(photovoltaic，PV),多个用电负载(loads，LDs)，但是这只是一个基础模型，不同家庭里，这些装置的数量可以根据实际要求变化。其中BY中，一个蓄电池通过一个VSG控制的逆变器接入母线。而PV中，光伏电池板通过一个无惯性的传统电流控制的逆变器接入母线。而光伏用户电源管理系统(photovoltaicmanagesystem，PMS)的控制目标是只通过采集本家庭内部的信息实现自主电力交换。PMS需要测量的信息有三个：所在单个家庭的母线功率变化量P_UN，母线频率变化量F_MG以及蓄电池SoC三个参量。并通过辅助控制算法生成光伏电源和蓄电池的参考功率P*_PV，P*_BY，并分别传送给光伏电源控制模块和蓄电池控制模块，如式(1)所示：

P*_PV/P*_BY＝f_PMS(P_UN,F_MG,SoC) (1)

电源管理辅助控制有两个主要原则：

1)微网内所有光伏电源互相协调配合，共同调节整个微网的功率波动；

2)每个光伏电源尽可能多的为本家庭负载供电，并且维持每个家庭内的蓄电池电量都在相同的水平。

因为VSG的自主调节特性，可以通过测量频率的变化F_MG检测功率的盈亏，而不用检测P_PV，P_BY，和负载功率P_LD

以上提到的目标可以用以下两个控制标准实现，即所述电源管理辅助控制包括两部分：

1)光伏电源控制：通过调整光伏输出弥补微网频率变化和家庭内部功率波动；

2)蓄电池控制：将充电状态(SoC)维持在适当的水平以保证其长期稳定工作。

由图1可知，整个微电网以及各个家庭(unit，UN)的功率平衡可分别表示为公式(2)(3)。各个不同家庭变量用角标i区分，i表示第i个家庭。

P_UN ⁱ+P_PV ⁱ+P_BY ⁱ＝P_LD ⁱ (3)

VSG的下垂特性由下式表示：

其中，K_P是可以根据情况自由设定的下垂系数。系统频率的变化可以体现功率的波动变化，原理如下：

上述电源管理辅助控制的实现方法如式(6)(7)所示，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)是调节器的传递函数，s是拉普拉斯算子。

P_PV*ⁱ＝G₁(s)P_UN ⁱ+G₂(s)ΔF_MG (6)

P_BY ^*i＝-G₃(s)(SoC_ref-SoCⁱ) (7)

蓄电池SoC定义为：

基于控制目标考虑，G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)用PI调节器实现。

图2展示了整个微电网的控制框图。图中各个部分的控制原理已通过对应原理公式标注。而对于PV电源的恒流控制，输出值和设定值相等，省去控制原理。以下详细介绍电源管理辅助控制(PMS)中的光伏电源控制和蓄电池控制。

光伏电源控制原理如式(6)，它包含两个PI控制器，为了避免两个积分控制器输出相互影响，把两个积分器合并到一个积分器中，假设

表达式变成如下形式：

蓄电池控制原理如式(7)。根据式(8)可知，SoCⁱ是对P_BY ⁱ积分而成。为了维持SoCⁱ在参考值水平，只需要PI调节器的比例控制器部分作为G₃(s)的控制器，因此设定G₃(s)＝K_BYP，K_BYP用来确保系统长时间的供需平衡和稳定。

P_BY*ⁱ是由PMS生成并提供给蓄电池储能装置的VSG控制。VSG主电路拓扑和控制结构如图3所示：逆变器通过LC滤波器接到公共母线上。控制部分主要包括：有功/频率控制环，无功/电压控制环，电压电流控制环，虚拟阻抗控制，PWM调制。图3(b)为基于二阶模型的有功和频率控制框图，有功和频率控制环由惯量阻尼模型和频率调节器模型二部分构成。有功和频率控制的微分方程为：

式中：P_ref为有功功率参考值，ω_s为系统参考角速度，P_e为VSG输出的电磁功率，J为VSG转动惯量，D为阻尼系数，K_ω为有功调频系数，θ是相角，ω是角速度。为了维持蓄电池的SoC，P_ref应该由更高一层的PMS控制生成，即P_ref＝P_BY*ⁱ

最终通过K_BYP、K_PVPP、K_PVPI、K_PVFP、K_PVFI五个参数的合理设置，使得PI调节器发挥最佳调节性能，控制实现SoCⁱ趋近于SoC_ref，ΔF_MG趋近于0，P_UN ⁱ趋近于0，则PMS控制目标实现，理论上证明了本发明方法的正确性。

Claims (8)

1.一种基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，其特征在于，所述控制方法针对由一组光伏用户家庭组成的孤岛微电网，使电力在微网内流动，基于虚拟同步发电机技术(VSG)，保证在各个家庭间无需通信的情况下，合理协调平衡光伏发电与家庭用电，以提高光伏供电稳定性和微网电能质量。

2.根据权利要求1所述的基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，其特征在于，所述孤岛微电网中的光伏用户家庭由三部分组成：光伏电源、蓄电池储能装置、用电负载；其中光伏电源通过传统无惯性电流控制逆变器接入母线；蓄电池储能装置为VSG控制产生虚拟惯性力，通过VSG控制逆变器接入母线；光伏电源和蓄电池在功能上是互补的，蓄电池可以短暂补偿光伏电源的缓慢响应，进而提高供电质量，而光伏电源可以在需要的时候为蓄电池充电，保证其电量维持在正常水平。

3.根据权利要求1所述的基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，其特征在于，所述电源管理方法为辅助控制，而VSG和传统电流控制作为主要控制；电源管理方法辅助控制只采集所在家庭的母线功率变化量，母线频率变化量以及蓄电池SoC三个参量，通过电源管理控制系统生成光伏电源和蓄电池的参考功率，并分别传送给光伏电源控制模块和蓄电池控制模块，电源管理辅助控制有两个主要原则：

1)微网内所有光伏电源互相协调配合，共同调节整个微网的功率波动；

2)每个光伏电源尽可能多的为本家庭负载供电，并且维持每个家庭内的蓄电池电量都在相同的水平。

4.根据权利要求3所述的电源管理辅助控制，其特征在于，所述电源管理辅助控制包括两部分：

1)光伏电源控制：通过调整光伏输出弥补微网频率变化和家庭内部功率波动；

2)蓄电池控制：将充电状态(SoC)维持在适当的水平以保证其长期稳定工作。

5.根据权利要求4所述的电源管理辅助控制，其特征在于，所述电源管理辅助控制的数学表达式为：

1)P_PV ^*i＝G₁(s)P_UN ⁱ+G₂(s)ΔF_MG

2)P_BY ^*i＝-G₃(s)(SoC_ref-SoCⁱ)

6.根据权利要求5所述的电源管理辅助控制的数学表达式，其特征在于，基于控制目标考虑，所述G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)用PI调节器实现，得到表达式新形式：

1)

2)P_BY ^*i＝-K_BYP(SoC_ref-SoCⁱ)

7.根据权利要求6所述的电源管理辅助控制的数学表达式新形式，其特征在于，通过K_BYP、K_PVPP、K_PVPI、K_PVFP、K_PVFI五个参数的合理设置，利用PI调节器控制实现SoCⁱ趋近于SoC_ref，ΔF_MG趋近于0，P_UN ⁱ趋近于0。

8.根据权利要求1所述的基于VSG和分散式微网结构的光伏用户电源管理方法，其特征在于，所述各个家庭间无需通信的实现原理为：当光伏电源反应速度比负载功率波动小时，发生功率不平衡，引起系统频率波动，微网系统频率根据VSG的自主调控系统变化；因为系统频率在微网中的任何点几乎相同，可以在每个家庭内检测功率不平衡而不需要家庭间的通信链路或是更高层的集中控制。