CN110943478B - 可再生能源发电系统输出功率利用率最大化控制方法 - Google Patents
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Abstract
可再生能源发电系统输出功率利用率最大化控制方法，涉及可再生能源发电最大功率控制技术，属于控制领域。本发明的目的是在无附加储能装置的条件下，使可再生能源逆变器持续追踪最大功率运行工作点，维持系统的稳定。本发明采用使可再生能源逆变器在并联系统中始终以最大功率运行，其余逆变器补足负载剩余功率法方式，当可再生能源功率或本地负载功率发生波动时，可以使可再生能源逆变器持续追踪最大功率运行工作点，维持系统的稳定。由改进的下垂控制方程式使可再生能源逆变器的输出有功功率始终稳定在最大功率输出点上。本发明适用于可再生能源发电最大功率控制。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源发电最大功率控制技术，属于控制领域。
背景技术
由于分布式发电具有低环境污染、高能量利用率、安装灵活和低传输功率损耗等优点，近些年得到了快速的发展。相比于传统的发电机，分布式发电单元，具有高度的可控性和可操作性，这也使得基于分布式发电的微网系统可以在维持电网稳定性方面扮演重要的角色。虽然微网的电力需求在不断增加，但逆变器开关器件的额定功率往往受到技术或经济因素的限制。因此，通常多采用多逆变器并联运行的方式来提升系统容量。
下垂控制由于可以在无通讯线的条件下解决逆变器自身电压频率调节和逆变器间的功率分配问题，已经被广泛地应用到可再生能源(renewable energy sources，RES)分布式发电系统(如光伏、风力发电)逆变器控制中。现有下垂控制(感性线路)使用的方程如式(1)所示。
ωn＝ω0n-kpn(Pn-P0n)
Vn＝V0n-kqn(Qn-Q0n)
式中，n为逆变器编号，ωn为逆变器输出电压角频率参考值，ω0n为逆变器额定输出电压角频率，kpn为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pn为逆变器输出的有功功率，P0n为逆变器额定输出有功功率，Vn为逆变器输出电压幅值参考值，V0n为逆变器额定输出电压幅值，kqn为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qn为逆变器输出的无功功率，Q0n为逆变器额定输出无功功率。
在现有的控制方法中，通常将可再生能源电源假设为输出功率无限大恒压直流电源。然而，可再生能源发电存在间歇性和天气因素带来的不稳定性，这种假设忽略了可再生能源逆变器实际运行中存在的一些问题。
为了克服可再生能源逆变器实际运行中存在的的问题，提出了很多改进，例如：改进下垂控制以解决可再生能源逆变器实际离并网切换应用中存在的暂态冲击问题、改进下垂控制以确保可再生能源逆变器并网模式下始终以最大功率输出并维持直流母线稳定、提出一种光/储协调运行下垂控制策略，抑制储能变流器的暂态功率波动或者提出一种具有快速频率响应和功率震荡抑制的控制策略，减小大功率可再生能源系统的频率偏差，并能抑制大功率波动下传统下垂导致的功率震荡。
然而，上述的多个改进中，为最大化利用可再生能源逆变器的输出功率，均需要配置辅助储能系统，否则无法在无附加储能装置的条件下利用下垂控制实现可再生能源最大功率输出。但是增加辅助储能系统造成可再生能源逆变器的结构复杂度，同时增加了控制难度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有可再生能源逆变器需要配置辅助储能系统实现输出功率的最大化利用，增加系统的复杂度的问题，提出一种可再生能源发电系统输出功率利用率最大化控制方法。
在无附加储能装置的条件下，使可再生能源逆变器持续追踪最大功率运行工作点，维持系统的稳定。提出了一种发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制方法。
本发明所述可再生能源发电系统输出功率利用率最大化控制方法，该方法为利用下垂控制方程：
ωn＝ω0n-kpn(Pn-P0n)+(kRESpn+kRESin/s)(VRESrefn-VRESn) (1)
Vn＝V0n-kqn(Qn-Q0n) (2)
实现对可再生能源逆变器的电压电流双闭环控制；进而实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制；
其中，式(1)是有功下垂方程，式(2)是无功下垂方程，n为逆变器编号，ωn为逆变器输出电压角频率参考值，ω0n为逆变器额定输出电压角频率，kpn为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pn为逆变器输出的有功功率，P0n为逆变器额定输出有功功率，kRESpn为最大功率PI控制比例系数，kRESin为最大功率PI控制积分系数，s为拉普拉斯变换算子，VRESrefn可再生能源逆变器输出功率最大点对应的电压；VRESn为可再生能源逆变器输出电压Vn为逆变器输出电压幅值参考值，V0n为逆变器额定输出电压幅值，kqn为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qn为逆变器输出的无功功率，Q0n为逆变器额定输出无功功率。
进一步地，所述控制方法具体为：
步骤一、利用逆变器的输出电压vacn和输出电流iacn计算输出有功功率Pn和无功功率Qn；
步骤二、利用可再生能源逆变器输出的电压VRESn和电流IRESn计算可再生能源逆变器输出最大功率，获得所述输出最大功率点对应的电压VRESrefn；
步骤三、对输出最大功率点对应的电压VRESrefn和可再生能源逆变器输出的电压VRESn做差后进行PI闭环控制，得到输出频率平移量Δωn；
步骤四、将平移量Δωn和有功功率Pn送入到有功下垂方程中生成逆变器输出角频率参考ωrefn；
步骤五、将无功功率Qn送入到无功下垂方程中生成逆变器输出电压参考幅值Vrefn；
步骤六、对Vrefn和ωrefn进行正弦参考生成，获得输出电压参考信号Vacrefn；
步骤七、以电压参考信号Vacrefn为逆变器输出参考，利用逆变器全桥逆变电路的电容电压vacn、电感电流iLn进行电压电流双环控制，生成全桥逆变电路中开关管的驱动信号，所述驱动信号经SPWM调制后，输入至全桥逆变电路，实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制。
本发明采用使可再生能源逆变器在并联系统中始终以最大功率运行，其余逆变器补足负载剩余功率法方式，当可再生能源功率或本地负载功率发生波动时，可以使可再生能源逆变器持续追踪最大功率运行工作点，维持系统的稳定。由改进的下垂控制方程式(2)可以看出，所提出的控制方法可以使可再生能源逆变器的输出有功功率始终稳定在最大功率输出点上，通过闭环调节可以使系统具有一定的抗干扰能力，即可再生能源输入功率波动或本地负载功率波动不会对系统稳定性产生影响。
附图说明
图1是本发明所述发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制原理原图；
图2是光伏逆变器输出电压电流及光伏电压波形图；
图3是非光伏逆变器输出电压电流及直流母线电压波形图；
图4是两台逆变器输出有功功率及无功功率波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制方法，该方法为利用有功下垂方程：
ωn＝ω0n-kpn(Pn-P0n)+(kRESpn+kRESin/s)(VRESrefn-VRESn) (1)
Vn＝V0n-kqn(Qn-Q0n) (2)
实现对可再生能源逆变器的电压电流双闭环控制；进而实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制；
其中，式(1)是有功下垂方程，式(2)是无功下垂方程，n为逆变器编号，ωn为逆变器输出电压角频率参考值，ω0n为逆变器额定输出电压角频率，kpn为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pn为逆变器输出的有功功率，P0n为逆变器额定输出有功功率，kRESpn为最大功率PI控制比例系数，kRESin为最大功率PI控制积分系数，s为拉普拉斯变换算子，VRESrefn可再生能源逆变器输出功率最大点对应的电压；VRESn为可再生能源逆变器输出电压Vn为逆变器输出电压幅值参考值，V0n为逆变器额定输出电压幅值，kqn为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qn为逆变器输出的无功功率，Q0n为逆变器额定输出无功功率。
本实施方式所述的方法用于向光伏全桥逆变电路中输入可再生能源(如光伏电池)，光伏全桥逆变电路后接母线电容及全桥逆变电路，输出侧接LC滤波器，经过线路阻抗给本地负载供电。
本发明所提出的控制策略主要分为两个部分，即下垂控制和RES功率控制。首先根据系统采样得到逆变器的输出电压vacn(即电容电压)和输出电流iacn并送入功率计算模块得到输出有功功率Pn和无功功率Qn。然后将系统采样得到的可再生能源电压VRESn和电流IRESn送入到最大功率跟踪控制模块(MPPT)计算得到可再生能源输出功率最大点电压VRESrefn，并通过可再生能源输出电压的PI闭环控制得到输出频率平移量Δωn。将平移量Δωn送入到有功下垂方程中生成输出电压参考信号Vacrefn，最后实现对可再生能源逆变器的电压电流双闭环控制。
进一步地，所述控制方法具体为：
步骤一、利用逆变器的输出电压vacn和输出电流iacn计算输出有功功率Pn和无功功率Qn；
步骤二、利用可再生能源逆变器输出的电压VRESn和电流IRESn计算可再生能源逆变器输出最大功率，获得所述输出最大功率点对应的电压VRESrefn；
步骤三、对输出最大功率点对应的电压VRESrefn和可再生能源逆变器输出的电压VRESn做差后进行PI闭环控制，得到输出频率平移量Δωn；
步骤四、将平移量Δωn和有功功率Pn送入到有功下垂方程中生成逆变器输出角频率参考ωrefn；
步骤五、将无功功率Qn送入到无功下垂方程中生成逆变器输出电压参考幅值Vrefn；
步骤六、对Vrefn和ωrefn进行正弦参考生成，获得输出电压参考信号Vacrefn；
步骤七、以电压参考信号Vacrefn为逆变器输出参考，利用逆变器全桥逆变电路的电容电压vacn、电感电流iLn进行电压电流双环控制，生成全桥逆变电路中开关管的驱动信号，所述驱动信号经SPWM调制后，输入至全桥逆变电路，实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制。
为了验证本发明方法的实用性，采用单级式逆变器拓扑结构，设计了两台额定功率1kW的实验样机。可再生能源以光伏电池为例，光伏输入电压为390V～460V，逆变器输出额定电压为220V AC、50Hz，开关频率为10kHz。
图2是光伏逆变器输出电压电流及光伏电压波形图；图3是非光伏逆变器输出电压电流及直流母线电压波形图；图4是两台逆变器输出输出有功功率及无功功率波形图。通过图2和图4获得，t1时刻前，两台逆变器单独运行，逆变器1输出电流iac1＝2.4A(峰值)，输出有功功率Pac1＝376W，直流母线电压VPV＝440V；逆变器2输出电流iac2＝5.8A，输出有功功率Pac2＝907W，无功功率Qac2＝130Var。t1时刻静态开关闭合，逆变器1追踪光伏最大功率电压VPVref并按最大功率输出运行，逆变器2适应负载需求补足剩余功率运行。经过六个基波周期调整系统达到稳态，逆变器1直流母线电压稳定在400V，输出有功功率为910W，无功功率为-600Var；逆变器2补足有功功率325W和无功功率700Var。实验结果表明，所提控制算法可以在逆变器并联运行时最大化光伏电池的能量输出，有助于提升可再生能源的利用率。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (1)
1.可再生能源发电系统输出功率利用率最大化控制方法，其特征在于，该方法为利用下垂控制方程：
ωn＝ω0n-kpn(Pn-P0n)+(kRESpn+kRESin/s)(VRESrefn-VRESn) (1)
Vn＝V0n-kqn(Qn-Q0n) (2)
实现对可再生能源逆变器的电压电流双闭环控制；进而实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制；
其中，式(1)是有功下垂方程，式(2)是无功下垂方程，n为逆变器编号，ωn为逆变器输出电压角频率参考值，ω0n为逆变器额定输出电压角频率，kpn为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pn为逆变器输出的有功功率，P0n为逆变器额定输出有功功率，kRESpn为最大功率PI控制比例系数，kRESin为最大功率PI控制积分系数，s为拉普拉斯变换算子，VRESrefn可再生能源逆变器输出功率最大点对应的电压；VRESn为可再生能源逆变器输出电压，Vn为逆变器输出电压幅值参考值，V0n为逆变器额定输出电压幅值，kqn为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qn为逆变器输出的无功功率，Q0n为逆变器额定输出无功功率；
控制方法具体为：
步骤一、利用逆变器的输出电压vacn和输出电流iacn计算输出有功功率Pn和无功功率Qn；
步骤二、利用可再生能源逆变器输出的电压VRESn和电流IRESn计算可再生能源逆变器输出最大功率，获得所述输出最大功率点对应的电压VRESrefn；
步骤三、逆变器有独立运行和并联运行的两种模式，并联运行时：
对输出最大功率点对应的电压VRESrefn和可再生能源逆变器输出的电压VRESn做差后进行PI闭环控制，得到输出频率平移量Δωn；独立运行时，Δωn＝0；
步骤四、将平移量Δωn和有功功率Pn送入到有功下垂方程中生成逆变器输出角频率参考ωrefn；
步骤五、将无功功率Qn送入到无功下垂方程中生成逆变器输出电压参考幅值Vrefn；
步骤六、对Vrefn和ωrefn进行正弦参考生成，获得输出电压参考信号Vacrefn；
步骤七、以电压参考信号Vacrefn为逆变器输出参考，利用逆变器全桥逆变电路的电容电压vacn、电感电流iLn进行电压电流双环控制，生成全桥逆变电路中开关管的驱动信号，所述驱动信号经SPWM调制后，输入至全桥逆变电路，实现发电系统可再生能源输出功率利用率最大化控制。
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