CN110336317A - 一种光伏并网发电系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏并网发电系统的控制方法，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。光伏并网发电系统由光伏组件、前级Boost变换器和后级并网逆变器组成，本发明在高比例可再生能源大量接入的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种光伏并网发电系统的控制方法。
背景技术
近年来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，发展绿色清洁能源已经成为世界的共识。其中，光伏发电作为最具有发展前景的发电技术之一，受到人们的广泛关注。
然而，随着公用电网中光伏渗透率的不断增加，以低惯量、弱阻尼为特征的光伏并网逆变器大规模地接入电力系统，给电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战。电动汽车和分布式储能不断普及，电网的源荷界限更加模糊且存在极大的不确定性，使得电力系统的“运行方式”将更加多样化、分散化和差异化。未来，可再生能源将需要承担一部分负荷平衡的责任。同时如何评估典型控制策略下光伏并网发电系统的惯量阻尼以及同步水平，以实现可再生能源友好兼容地接入电网已成为亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种光伏并网发电系统的控制方法，通过建立系统的直流时间尺度数学模型，有利于选择合适的控制策略与参数，使光伏并网发电系统对外呈现较好的惯量阻尼与同步特性，提高电力系统的稳定性。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种光伏并网发电系统的控制方法，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。通过频率下垂模拟，能够提高电力系统的稳定性。光伏并网发电系统由光伏组件、前级 Boost变换器和后级并网逆变器组成，本发明在高比例可再生能源大量接入的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
具体地，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，可以使光伏并网发电系统具有调频特性,参与电网频率调节,提高电力系统的频率稳定性。
频率下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压。
而本申请不考虑无功对系统的影响，仅考虑有功，即有功频率下垂控制。将频率下垂控制前级Boost变换器，频率下垂控制光伏输出电流Ipv，间接控制输出功率Ppv。通过频率来控制输出功率，模拟一次调频过程。
作为本发明的进一步改进，所述频率下垂控制具体为：(1)光伏组件的最大输出功率远大于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器采用去MPPT控制，工作在下垂控制模式来满足供需平衡；(2)光伏组件的输出功率远小于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器以最大功率输出来维持光伏并网发电系统的稳定。通过这样的控制方式，合理利用光伏输出功率，且能响应电网频率和负荷波动。
本申请中，通过去MPPT控制，使得光伏系统有功率余量去响应电网的频率变化。
现有技术都采用MPPT控制，光伏始终以最大功率输出，不响应电网的动态。
去MPPT控制的具体方案是将频率下垂控制前级Boost变换器，频率下垂控制光伏输出电流Ipv，间接控制输出功率Ppv。
作为本发明的进一步改进，电网发生功率波动，所述前级Boost 变换器还给光伏并网发电系统提供惯量阻尼支撑，使光伏并网发电系统尽快达到功率平衡。具体地，惯量阻尼特性皆可以通过频率来间接反应，惯量表现为频率变化的快慢，而阻尼反映抑制频率振荡的能力。频率的变化实质是功率的变化，即系统的输出功率。
惯量阻尼特性皆可以通过频率来间接反应，惯量表现为频率变化的快慢，而阻尼反映抑制频率振荡的能力。惯量使功率振荡的第一摆减小，而阻尼会减小功率振荡的幅度，加快平衡的响应速度。
作为本发明的进一步改进，所述频率下垂控制中，具体为频率下垂作为外环，光伏电流作为电流内环进行控制。
作为本发明的进一步改进，所述前级Boost变换器的输出功率线性化的数学模型为：
作为本发明的进一步改进，所述后级并网逆变器采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制。
作为本发明的进一步改进，所述电压外环是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，所述电流内环实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因素正弦波电流控制，同时限制并网电流以保证后级并网逆变器安全运行。
作为本发明的进一步改进，所述后级并网逆变器还可以采用只控制直流外环的控制过程。此时可以忽略内环的动态过程，采用多时间尺度建模的分析方法，利用多时间尺度的建模思想，聚焦所关注的时间尺度，可以简化系统的数学模型。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种光伏并网发电系统的控制方法，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。利用这种控制策略可以在高比例可再生能源大量接入电网的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
附图说明
图1为本发明提供的基于下垂控制的光伏并网发电系统图；
图2为本发明提供的光伏P-U特性曲线图；
图3为本发明提供的光伏U-I特性曲线图；
图4为本发明提供的前级Boost变换器控制框图；
图5为本发明提供的后级并网逆变器的常规双闭环控制框图；
图6为本发明提供的后级并网逆变器的电路简化图。
图7为本发明提供的基于电网电压定向的并网逆变器矢量图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本发明公开了一种光伏并网发电系统的控制方法，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。通过频率下垂模拟，能够提高电力系统的稳定性。光伏并网发电系统由光伏组件、前级Boost变换器和后级并网逆变器组成，本发明在高比例可再生能源大量接入的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
具体地，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，可以使光伏并网发电系统具有调频特性,参与电网频率调节,提高电力系统的频率稳定性。
频率下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压。
而本申请不考虑无功对系统的影响，仅考虑有功，即有功频率下垂控制。将频率下垂控制前级Boost变换器，频率下垂控制光伏输出电流Ipv，间接控制输出功率Ppv。通过频率来控制输出功率，模拟一次调频过程。
作为本发明的进一步改进，所述频率下垂控制具体为：(1)光伏组件的最大输出功率远大于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器采用去MPPT控制，工作在下垂控制模式来满足供需平衡；(2)光伏组件的输出功率远小于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器以最大功率输出来维持光伏并网发电系统的稳定。通过这样的控制方式，合理利用光伏输出功率，且能响应电网频率和负荷波动。
本申请中，通过去MPPT控制，使得光伏系统有功率余量去响应电网的频率变化。
现有技术都采用MPPT控制，光伏始终以最大功率输出，不响应电网的动态。
去MPPT控制的具体方案是将频率下垂控制前级Boost变换器，频率下垂控制光伏输出电流Ipv，间接控制输出功率Ppv。
作为本发明的进一步改进，电网发生功率波动，所述前级Boost 变换器还给光伏并网发电系统提供惯量阻尼支撑，使光伏并网发电系统尽快达到功率平衡。具体地，惯量阻尼特性皆可以通过频率来间接反应，惯量表现为频率变化的快慢，而阻尼反映抑制频率振荡的能力。频率的变化实质是功率的变化，即系统的输出功率。
惯量阻尼特性皆可以通过频率来间接反应，惯量表现为频率变化的快慢，而阻尼反映抑制频率振荡的能力。惯量使功率振荡的第一摆减小，而阻尼会减小功率振荡的幅度，加快平衡的响应速度。
作为本发明的进一步改进，所述频率下垂控制中，具体为频率下垂作为外环，光伏电流作为电流内环进行控制。
作为本发明的进一步改进，所述前级Boost变换器的输出功率线性化的数学模型为：
作为本发明的进一步改进，所述后级并网逆变器采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制。
作为本发明的进一步改进，所述电压外环是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，所述电流内环实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因素正弦波电流控制，同时限制并网电流以保证后级并网逆变器安全运行。
作为本发明的进一步改进，所述后级并网逆变器还可以采用只控制直流外环的控制过程。此时可以忽略内环的动态过程，采用多时间尺度建模的分析方法，利用多时间尺度的建模思想，聚焦所关注的时间尺度，可以简化系统的数学模型。
实施例1
参照附图1所示，本发明提供的一种光伏并网发电系统的控制方法，包括前级Boost变换器的调频过程以及后级并网逆变器的控制，参照附图1所示的控制方法采用的控制系统原理图，本实施例中，控制方法采用的控制系统如图1所示，该系统由光伏组件、前级Boost 变换器和后级并网逆变组成。其中，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。利用这种控制策略可以在高比例可再生能源大量接入的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
为了更好地使光伏并网逆变器响应负荷均衡的责任，在电网发生功率波动时，给系统提供合理的惯量阻尼支撑，使系统尽快达到功率平衡。当光伏的最大输出功率远大于系统的负荷功率或者调度需求时，前级Boost变换器采用去MPPT控制，工作在下垂控制模式来满足供需平衡，否则，前级Boost变换器只能以最大功率输出来维持系统稳定。而当光伏的输出功率远小于系统的负荷功率或者调度需求时，前级Boost变换器只能以最大功率输出来维持系统稳定。
控制中，根据公式：可知，当光伏组件的最大输出功率远大于负荷功率或者调度需求,电网频率会大于系统的设定频率,那么Δω为负值，ΔPin为负值，前级Boost变换器的输出功率减小，按照去MPPT控制模式进行工作。反之，当光伏组件的输出功率远小于负荷功率或者调度需求，电网的频率小于系统的设定频率，那么Δω为正值，ΔPin为正值，前级Boost变换器的输出功率受光伏的最大功率点限制，只能运行在最大功率跟踪点。
光伏P-U特性曲线如图2所示，当进行功频下垂控制时，从光伏的P-U曲线可以看出，任何时刻的一个功率指令P1，2都对应两个光伏板的输出端电压U1和U2，然而每个端电压却与功率一一对应。因此可以将功频下垂控制改进为压频下垂控制，频率下垂控制光伏组件输出端的电压作为外环，光伏组件输出端的电流作为内环的控制策略。以P-U曲线的最大功率点为分界，区间(0，Ump)和(Ump，Uoc) 与功率的单调性相反。在区间(0，Ump)，光伏组件输出电压Upv与功率Ppv成正相关，能够调节的功率有限且调节速度较慢，同时受直流侧逆变失败的最低电压UDCmin限制。在区间(Ump，Uoc)，光伏组件输出电压Upv与功率Ppv成负相关，能够全范围地调节输出功率Ppv，且由于斜率较大，使得系统的灵敏度好。为了保证光伏并网逆变器安全稳定运行且能够以较快的调节速度全功率范围运行，选择(Ump， Uoc)为光伏组件输出端电压的运行区间。
为了简化建模，根据图3所示的光伏U-I特性曲线可知，电压频率下垂控制下的光伏组件输出端电压Upv和电流Ipv存在重复控制的问题。光伏组件输出端电压Upv与输出电流Ipv相乘，共同决定光伏组件输出的功率Ppv。为此，只需要选择Upv和Ipv之中的一个变量进行控制。可以采用频率下垂控制光伏组件输出电流Ipv间接控制输出功率Ppv。为了保证光伏并网逆变器稳定、快速和全功率范围来响应负荷平衡，选(0，Imp)作为研究区间。
本实施例采用10串5并的Suntech Power STP200-18-UB-1组成光伏阵列，其在特定光照和温度下的光伏U-I特性曲线与图3 一致。在标准条件下，该光伏阵列的电气参数如表1所示：
表1标准条件下的光伏阵列电气参数
在区间(0，Imp)，利用线性拟合模型来建立光伏电池组件的数学模型，在标准条件下，图3所示的U-I曲线可以用直线方程进行简化分析，其简化表达式为：
Ipv＝-Kpv(Upv-Uoc) (1)
式中：Kpv为Ipv∈(0，Imp)的U-I曲线简化斜率，Dp为频率控制环的下垂系数，Ump和Imp分别是光伏最大功率输出所对应的电压和电流。
光伏电池组件输出的电压、电流线性化表示为：
考虑光伏电池组件的以上因素，光伏组件与前级Boost变换器的控制策略如图4所示，采用频率下垂作为外环，光伏电流作为电流内环进行，通过频率下垂控制光伏组件输出电流，间接控制光伏组件输出功率。相对于功频和压频下垂控制，本申请中所采用的控制结构是最简单的。
本实施例中，由于前级Boost变换器相当于控制功率，后级并网逆变器只能控制电压才能正常逆变，为直流母线电压在一定的范围内波动。而控制直流母线电压，实质是在控制并网电流，为此，采用直流电压外环、电流内环的控制策略。
由于采用多时间尺度的建模方法，电流内环是一个ns级电磁时间尺度的动态过程，而电压外环是一个ms级的直流电压时间尺度动态过程，研究直流电压外环的动态，可以忽略电流内环的动态。因此，数学模型只考虑直流电压时间尺度的动态即可。
在图4所示的频率、电流的双闭环控制策略中，一般内环的带宽远远大于外环，即对于外环的频率控制过程(直流电压时间尺度)而言，电流内环的动态过程(电磁时间尺度)可以忽略。要维持直流母线电压稳定，满足上式，才可以实现功率平衡。
考虑直流电压时间尺度的动态过程，前级Boost变换器输出的电流可以表述为：
式中：Dp为频率控制环的下垂系数，ω0是系统设定的角频率，ωg是电网实时检测的角频率，Ipv0是系统的稳态工作点且Ipv0∈(0，Imp)。
式(3)进行线性化，可表示为：
针对于功率节点1，电容C1与LCL滤波器类似，动态响应速度很快，属于电磁时间尺度范畴，可以忽略其动态过程，即：
Ipv≈Ib (5)
对于前级Boost变换器而言，在忽略其自身损耗的情况下，认为变换器前后的功率保持不变，用公式可表述为：
Pin＝UpvIpv＝UdcIdc (6)
对于小干扰稳定性分析而言，一般考虑变量之间的增量关系。因此，将式(6)进行线性化后，可得：
ΔPin＝ΔUpvIpv0+Upv0ΔIpv＝ΔUdcIdc0+Udc0ΔIdc (7)
式中：Upv0和Ipv0为光伏组件的稳态工作点。
将式(2)和(4)代入式(7)，可将前级Boost变换器的输出功率线性化表述为：
本实施例的后级并网逆变器采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制策略，如图5所示，其中电压外环是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，而电流内环则主要实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因素正弦波电流控制，同时限制并网电流以保证后级并网逆变器安全运行。在L型并网逆变器的拓扑中，Rs和Ls分别表示L型无源滤波器以及并网逆变器的等效串联电阻和电感，Lg表示并网逆变器与无穷大电网之间的等效电抗，Lg的大小也代表并网逆变器与无穷大电网之间的电气连接强弱程度。
由图5可知，电流闭环的实现依靠网侧电压的锁相过程，以锁相后的结果ωt为基准，实现坐标变换，进而完成电流闭环，最终实现并网电流与电网电压相位一致，达到跟踪控制。
对后级并网逆变器的主电路进行简化分析如图6所示，其中Us为并网逆变器的励磁电势幅值，与并网逆变器滤波前出口电压的基波分量对应；δ为后级并网逆变器与电网端电压之间的相角差；Ug为并网逆变器的幅值，与电网端电压对应。
在并网逆变器的建模与分析中，常采用基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系，使电网电压矢量Ug与同步旋转坐标系的d轴重合，如图7所示。其中并网逆变器的励磁电势幅值Us以同步角频率ω0旋转，而电网端电压Ug以d轴为基准，按照角频率ωg进行旋转，为并网逆变器的端电压与输出电流之间的相差角，φ为并网逆变器的励磁电势与输出电流之间的相角差。
根据瞬时功率理论，从图7可以计算出系统的瞬时有功功率P 和无功功率Q分别为：
根据图7和式(9)，可得后级并网逆变器输出的电磁功率Pe和无功功率Q分别为：
式中：结构参数X≈ω0L。
在后级并网逆变器部分，采用常规双闭环的控制策略，也可以采用多时间尺度建模的分析方法，忽略电流内环的动态过程，只考虑直流电压外环的控制过程。本文仅对光伏并网发电系统的有功部分进行分析，因此在图5的控制框图中，无功电流给定Iq *设为0，有功电流 Id的动态过程可以表述为：
式中：Kp为直流电压外环PI控制器的比例控制增益，Ki为直流电压外环PI控制器的积分控制增益。
本发明提供了一种光伏并网发电系统的控制方法，前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。
具体实施方法如下：
(1)光伏组件的最大输出功率远大于负荷功率或者调度需求，前级 Boost变换器采用去MPPT控制，工作在下垂控制模式来满足供需平衡；(2)光伏组件的输出功率远小于负荷功率或者调度需求，前级 Boost变换器以最大功率输出来维持光伏并网发电系统的稳定。
本发明利用这种控制策略可以在高比例可再生能源大量接入电网的情况下，模拟传统的调峰电厂，使可再生能源承担一部分负荷平衡的责任。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种光伏并网发电系统的控制方法，包括以下步骤：前级Boost变换器采用频率下垂控制模拟原动机的一次调频过程，后级并网逆变器采用常规电压、电流的双闭环控制与旋转式同步发电机对应。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述频率下垂控制具体为：(1)光伏组件的最大输出功率远大于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器采用去MPPT控制，工作在下垂控制模式来满足供需平衡；(2)光伏组件的输出功率远小于负荷功率或者调度需求，前级Boost变换器以最大功率输出来维持光伏并网发电系统的稳定。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，电网发生功率波动，所述前级Boost变换器还给光伏并网发电系统提供惯量阻尼支撑，使光伏并网发电系统尽快达到功率平衡。
4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述频率下垂控制中，所述频率下垂控制中，具体为频率下垂作为外环，光伏电流作为电流内环进行控制。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述频率下垂控制中，所述前级Boost变换器的输出功率线性化的数学模型为：
上述公式中，Kpv为Ipv∈(0，Imp)的U-I曲线简化斜率，Dp为频率控制环的下垂系数，Ump和Imp分别是光伏最大功率输出所对应的电压和电流。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述后级并网逆变器采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述电压外环是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，所述电流内环实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因素正弦波电流控制，同时限制并网电流以保证后级并网逆变器安全运行。
8.根据权利要求1-7之一所述的控制方法，其特征在于，所述后级并网逆变器还可以采用只控制直流外环的控制过程。
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