CN111030159A - 一种光伏虚拟同步发电机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏虚拟同步发电机控制方法及系统，所述光伏虚拟同步发电机包括光伏模块、交流并网模块和储能模块，所述方法包括：根据电网当前频率确定电网频率状态，然后根据电网频率状态确定不同状态对应的控制策略并控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；本申请的技术方案通过基于不同的电网频率状态利用光伏模块、交流并网模块和储能模块实现对光伏虚拟同步发电机的控制，避免了电池容量过大的问题，且能够有效地克服光伏模块通过偏移工作电压导致的输出功率降低过大的问题，并将输出功率迅速调整至标准范围。

Description

一种光伏虚拟同步发电机控制方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源发电控制领域，具体涉及一种光伏虚拟同步发电机控制方法及系统。

背景技术

虚拟同步发电机技术中要求当电网电压或频率发生扰动时，虚拟同步发电机输出的有功和/或无功功率需对应的进行改变以模拟传统同步发电机的机电摇摆过程、减缓频率变化速度；系统频率增大超过标准范围时，储能模块吸收功率，系统频率低于标准范围时，储能模块释放功率。

常规方案中，电网过欠频时储能模块分别工作于充电和放电模式，其储能模块随电网频率的偏高或者偏低可能需要选择充电或者放电模式，则待机模式下的电池SOC需保持在50％左右，由于领域技术导则要求储能元件的工作时间为秒级，属于典型的功率型储能。常规储能装置可用的充放电电流上限通常差异过大，例如：放电电流可能高达2～3C，充电电流仅为0.5C左右，即放电速度仅为充电速度的20％左右，过大的充电电流会明显降低储能装置寿命，甚至导致电池起火爆炸，因此，装置设计时需以储能装置的充电特性为主要依据，这样一来储能单元的利用率非常低，导致虚拟同步发电机装置体积巨大，成本过高，难以实际应用。

发明内容

本发明提供一种光伏虚拟同步发电控制方法及装置，其目的是根据电网当前频率的值确定当前电网的频率状态，然后基于不同的电网频率状态分别确定对应的控制策略，并根据确定的控制策略分别控制光伏虚拟同步发电机的光伏模块、交流并网模块和储能模块电网送电，实现经济、有效地控制光伏虚拟同步发电机的功率。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种光伏虚拟同步发电控制方法，所述光伏虚拟同步发电机包括光伏模块、交流并网模块和储能模块，其改进之处在于，所述方法包括：

根据电网当前频率确定电网频率状态；

根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电。

优选地，所述根据电网当前频率确定电网频率状态，包括：

若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

优选地，所述根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电，包括：

若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

若电网的频率状态为欠频状态或过频状态，则通过所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电，以调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率。

进一步地，所述通过所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电，以调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率，包括：

若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至光伏虚拟同步发电机的输出功率为其前一时刻功率的90％。

进一步地，按下式确定所述差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

一种光伏虚拟同步发电机控制系统，其改进之处在于，所述系统包括：

确定模块，用于根据电网当前频率确定电网频率状态；

执行模块，用于根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；

其中，所述光伏虚拟同步发电机由光伏模块、交流并网模块和储能模块组成。

优选地，所述确定模块，用于：若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

优选地，所述执行模块，包括：

第一执行单元，用于：若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

第二执行单元，用于：若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

第三执行单元，用于：若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至的输出功率为其前一时刻功率的90％。

进一步地，按下式确定所述差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

采用本发明的技术方案，根据电网当前频率确定电网频率状态，然后根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；基于现实工况中的不同电网状态确定光伏虚拟同步发电机的控制策略，保证了控制方法的实用性；同时，分别基于光伏虚拟同步发电机的光伏模块、交流并网模块和储能模块进行控制，解决了现有控制方法中的输出功率降低过大、储能单元利用率低和经济性低的问题，基于本发明的技术方案，避免了储能模块充电性能较差而导致的电池容量过大的问题，且在满足标准要求的前提下，可以有效减小储能电池的配置容量，并迅速控制系统的功率处于标准范围。

附图说明

图1是本发明实施例一种光伏虚拟同步发电控制方法的流程图；

图2是本发明实施例光伏虚拟同步发电控制方法中光伏虚拟同步发电机的构造图；

图3是本发明实施例光伏虚拟同步发电控制方法过频状态控制功率曲线图；

图4是本发明实施例一种光伏虚拟同步发电控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

虚拟同步发电机的技术导则要求储能元件为工作时间秒级的为典型的功率型储能；这类储能可以用超级电容装置实现，但是超级电容体积较大，且成本昂贵，不适合应用到该场合，此外，锂电池是另一种可能应用于该场合的储能元件，而常规锂电池可用的充放电电流上限通常有较大差异，过大的充电电流会明显降低电池寿命，甚至导致电池起火爆炸；因此装置设计时需主要依据锂电池的充电特性考虑电池的使用量，这样一来储能单元的利用率非常低，例如储能装置的实际放电电流仅为元件可承受电流的20％，储能容量使用率仅为元件额定容量的2‰左右(假设实际使用时长15秒，充电电流1A，为满足上述要求，电池必须为2Ah容量，即可以2A持续放电1小时)；因此需要提供一种合理而具有经济性的光伏虚拟同步发电控制方法。

本发明提供了一种光伏虚拟同步发电控制方法及系统，下面进行说明：

图1示出了本发明实施例中光伏虚拟同步发电控制方法的流程图，如图1所示，所述方法可以包括：

101.根据电网当前频率确定电网频率状态；

102.根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；

其中，所述光伏虚拟同步发电机包括光伏模块、交流并网模块和储能模块。

图2示出了本发明实施例光伏虚拟同步发电控制方法中光伏虚拟同步发电机的构造图，如图2所示：光伏虚拟同步发电机通常为三个模块的组合，其中，光伏模块输入侧接光伏阵列，输出侧接装置的直流母线，储能模块低压侧接蓄电池组，高压侧接装置的直流母线；并网逆变模块输入侧接装置的直流母线，输出侧接电网；直流母线上有用于提供电压及功率支撑的电容器；交流并网模块主要功能为直流电和交流电之间变换，储能模块主要功能为吸收或释放功率，光伏模块主要功能为最大功率点跟踪(MPPT)和直流电压升压。现有光伏虚拟同步发电机的控制方式是光伏模块运行最大功率点跟踪，输出功率到直流母线，储能模块在正常状态不工作，维持电池剩余容量(SOC)在50％，交流并网模块负责稳定直流母线电压，将光伏模块输送过来的功率转化为交流功率输送到电网。当电网出现频率波动时，储能模块开始工作，根据需要吸收或者放出功率至直流母线，再由交流并网模块送出符合标准要求的更高或更低的功率至电网；

其中，所述根据电网当前频率确定电网频率状态，可以包括：

若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

所述根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电，可以包括：

若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

若电网的频率状态为欠频状态或过频状态，则通过控制所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率。

具体地，所述通过控制所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率，包括：

若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至光伏虚拟同步发电机的输出功率为其前一时刻功率的90％。

图3示出了本发明实施例光伏虚拟同步发电控制方法过频状态控制功率曲线图，如图3所示：通过软件估算可知，从A点到B点，光伏模块在B点输出的功率会较A点低15％左右；此时储能模块再根据需要进行放电，将光伏虚拟同步发电机并网侧的功率补足到输出功率较前一时刻恰好低10％；

本申请的技术方案不论电网频率如何变化，储能模块始终处于放电模式，则电池的理想SOC可以保持在100％，又因为最大放电功率和传统方案一致，可认为新方案的电池容量可减小为传统方案的50％，优于传统技术的储能模块随电网频率的偏高或者偏低可能需要选择充电或者放电模式，则待机模式下的电池SOC需保持在50％左右；

假设当前时刻光伏虚拟同步发电机(以下简称虚拟机)输出功率50kW，光伏输入侧工作电压600V，额定功率100kW，电网频率正常。下一时刻电网频率过频，虚拟机需要降低自身的输出功率至40kW。则装置的光伏模块首先通过升高光伏输入侧工作电压来降低光伏输入功率。例如工作电压升高至660V，光伏输入功率降低至35kW，由于不同组件特性不一致，同样的电压调整幅度可能会导致不同的输入功率变化值。此时通过调整储能模块输出功率给定至放电5kW，则母线上输入的功率净变化值为10kW，并网逆变模块输出功率自然随之降低10％，变流器完成对电网过频的功率响应。

具体地，按下式确定所述差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

图4示出了本发明实施例光伏虚拟同步发电控制系统的结构示意图，如图4所示，所述系统可以包括：

确定模块，用于根据电网当前频率确定电网频率状态；

执行模块，用于根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；

其中，所述光伏虚拟同步发电机由光伏模块、交流并网模块和储能模块组成。

其中，所述确定模块，用于：若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

所述执行模块，可以包括：第一执行单元，用于：若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

第二执行单元，用于：若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

第三执行单元，用于：若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至的输出功率为其前一时刻功率的90％。

具体地，按下式确定所述电网标准要求功率与光伏虚拟同步发电机的当前输出功率的差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏虚拟同步发电机控制方法，所述光伏虚拟同步发电机包括光伏模块、交流并网模块和储能模块，其特征在于，所述方法包括：

根据电网当前频率确定电网频率状态；

根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电网当前频率确定电网的频率状态，包括：

若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电，包括：

若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

若电网的频率状态为欠频状态或过频状态，则通过所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电，以调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述光伏虚拟同步发电机的储能系统放电，以调整光伏虚拟同步发电机到电网的送电功率，包括：

若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至光伏虚拟同步发电机的输出功率为其前一时刻功率的90％。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按下式确定所述差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

6.一种光伏虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：

确定模块，用于根据电网当前频率确定电网频率状态；

执行模块，用于根据电网频率状态控制光伏虚拟同步发电机向电网送电；

其中，所述光伏虚拟同步发电机由光伏模块、交流并网模块和储能模块组成。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述确定模块，用于：

若电网当前频率未超出电网标准频率范围，则电网的频率状态为正常状态；

若电网当前频率小于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为欠频状态；

若电网当前频率大于电网标准频率范围的下限，则电网的频率状态为过频状态。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述执行模块，包括：

第一执行单元，用于：若电网的频率状态为正常状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，储能模块不工作，交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送至电网；

第二执行单元，用于：若电网的频率状态为欠频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块采用最大功率点跟踪方式，所述交流并网模块将来自所述光伏模块的功率转化为交流功率并输送到电网，所述储能模块释放差额功率，使光伏虚拟同步发电机的输出功率达到电网需求功率；

第三执行单元，用于：若电网的频率状态为过频状态，则所述光伏虚拟同步发电机的光伏模块从最大功率点跟踪模式转换为稳定直流输入侧电压模式；偏移光伏模块光伏组串的工作电压直至其大于最大功率点的电压；所述储能模块放电直至的输出功率为其前一时刻功率的90％。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，按下式确定所述差额功率：

ΔP＝P_sta-P_now

式中，P_sta为电网需求功率，P_now为光伏虚拟同步发电机的当前输出功率。

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