CN111900709B - 光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，该方法基于的光储一体化系统为两级结构，其中光伏和储能采用同一个逆变器接入电网，光伏和储能电池分别通过各自的DC/DC变换器并联到逆变器的直流母线上，两个DC/DC变换器与逆变器采用网源协调的虚拟同步机控制方案进行控制；逆变器实现惯性控制以及无功下垂控制；电池的DC/DC变换器实现有功下垂控制；在直流电容电压不高于上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制；在直流电容电压超过上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器自动进入弃光控制。本发明有效降低储能系统在响应电网扰动时电池电流的变化幅度，延长电池寿命。

Description

光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法

技术领域

本发明属于光伏、储能及微电网控制技术领域，具体涉及一种光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法。

背景技术

越来越多新能源经变流器并入电网。最初，新能源都以最大功率输出控制策略并网，因此不响应网侧功率需求变化，这导致电网惯性降低，稳定性变差。所以新能源系统逐渐开始被要求具备调压调频能力以及惯性支撑能力。于是很多新能源并网逆变器支撑电网的控制策略被提出，其中VSG由于具备能够同时提供下垂和惯性支撑的优点，得到了广泛关注。

在新能源机组中，直流侧为理想电压源的假设，通常通过在直流侧配置储能电池去实现。实际上，新能源功率具有明显的随机波动性，电网也是允许在不破坏电网稳定的前提下新能源将其随机波动的功率输送到电网的。但对于直流侧加装储能的新能源机组，若逆变器采用VSG控制策略，逆变器根本不会响应源侧功率波动，它把所有的源侧功率波动都交给储能电池去平衡，这不可避免地会要求储能电池的容量增大或者弃光，而二者都是不能接受的。而且实现直流电容提供惯性支撑的现有技术方案在电网频率偏离额定值时，均不能使直流母线电压在完成动态响应后回到指令值，而是随着网源侧的扰动幅度的不同改变直流母线电压偏离指令值的幅度。如此就让直流侧模拟理想电压源恒定电压的努力失败了，这显然也是不能接受的。

由于现有VSG策略存在这种弊端，在新能源储能系统中需要提出一种新的控制方法以实现既能响应源侧功率波动又能响应网侧功率波动，还能管理不同工况下的光伏输出功率并在稳态时恢复直流母线电压的目的。

发明内容

本发明针对实现同时响应源侧功率波动和网侧功率波动、管理不同工况下的光伏输出功率并在稳态时恢复直流母线电压的目的，提供了一种光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法

本发明是通过以下技术方案实现的：

光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，该方法基于的光储一体化系统为两级结构，其中光伏和储能采用同一个逆变器接入电网，光伏和储能电池分别通过各自的DC/DC变换器并联到逆变器的直流母线上，两个DC/DC变换器与逆变器采用网源协调的虚拟同步机控制方案进行控制；

其中，逆变器实现惯性控制以及无功下垂控制，电池的DC/DC变换器实现有功下垂控制；光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制和弃光控制的自动切换；逆变器通过惯性控制输出频率，通过无功下垂控制调节逆变器交流电压幅值；电池的DC/DC变换器通过直流电容电压比例控制实现有功下垂控制的调频功能，得到直流电流指令值，再利用直流电流指令值经过电流环计算的结果得到电池的DC/DC变换器调制信号；在直流电容电压不高于上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器采用最大功率输出控制；在直流电容电压高于直流电容电压上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器根据直流电容电压偏差和PI控制计算得到光伏电压指令修正值并自动进入弃光控制。

本发明进一步的改进在于，逆变器实现惯性控制和无功下垂控制的具体步骤如下：

惯性控制通过将直流电容电压与其额定值U_dc做差，得到直流电容电压变化值，并将直流电容电压变化值带入到PI控制中运算，得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

逆变器的无功下垂控制通过测量无功功率指令和逆变器输出的无功功率的偏差，得到无功功率偏差值；将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器内电势变化值ΔE，再将ΔE与内电势指令值E_ref加和得到逆变器内电势E。

本发明进一步的改进在于，由惯性控制得到的相位θ与无功下垂控制得到的内电势E构成逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号。

本发明进一步的改进在于，电池的DC/DC变换器实现下垂控制的具体实现步骤如下：

通过将直流电容电压额定值U_dc和直流电容电压的测量值做差，得到直流电容电压变化值；将直流电容电压变化值限幅在上限U_dc-U_dcdownlimit，下限U_dc-U_dcuplimit；将限幅后的直流电容电压变化值乘直流变流器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref；

计算直流电流指令值I_ref和直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变流器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到直流变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，k_{i_bat}满足下式

式中，k_p表示有功-频率下垂系数；U_bat表示电源电压。

本发明进一步的改进在于，光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制和自动进入弃光控制的具体实现步骤如下：

通过最大功率输出控制得到光伏电压指令值V_pvmppt，通过自动弃光控制得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt；将光伏电压指令值V_pvmppt与光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt相减得到修正后的光伏电压指令值；计算修正后的光伏电压指令值和光伏电压测量值V_pv的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为光伏电路开关管的调制信号，调制信号经过PWM调制器得到光伏电路开关管的开关控制信号，进而用于驱动开关管。

本发明进一步的改进在于，光伏的DC/DC变换器通过最大功率输出控制得到V_pvmppt的具体步骤如下：

1)给定某个ΔV_pv；

2)扰动V_pv使其等于V_pv-ΔV_pv和V_pv+ΔV_pv；

3)设V_pv-ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv-，V_pv对应的光伏功率测量值为P_pv，V_pv+ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv+，若P_pv-<P_pv且P_pv+>P_pv，则令V_pv＝V_pv+ΔV_pv；若P_pv->P_pv且P_pv+<P_pv，则令V_pv＝V_pv-ΔV_pv；

4)将步骤3)得到的V_pv带入步骤2)，并重复步骤2)～3)直到P_pv-<P_pv且P_pv+<P_pv，令此时的V_pvmppt＝V_pv；

5)输出V_pvmppt。

本发明进一步的改进在于，光伏的DC/DC变换器通过自动弃光控制得到ΔV_pvmppt的具体步骤如下：

通过将直流电容电压上限值U_dcuplimit与直流电容电压的测量值做差，得到直流电容电压变化值；将直流电容电压变化值限幅为上限0；将限幅后的直流电容电压变化值经过PI控制计算得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，该方法有效降低储能系统在响应电网扰动时电池电流的变化幅度，延长电池寿命；避免了测量在新能源集成度高的情况下很难准确得到的电网频率，可以在变换器的频率不是控制回路的输入而是输出的电压控制型变换器上使用；实现简单且避免引入现有技术中由测量频率偏差并经过计算而得到惯性支持所必需的微分算子，避免引入高频振荡；既可以响应源侧功率波动又可以响应网侧功率波动并管理不同工况下的光伏功率输出；可以在不同电网频率下都保证稳态时将直流母线电压恢复到指令值，为下一次动态响应做准备。

附图说明

图1为光储一体化系统示意图。

图2为DC/AC逆变器控制框图。

图3为电池的DC/DC变换器控制框图。

图4为光伏的DC/DC变换器控制框图。

图5为网侧扰动下所公开方案控制效果波形图，图5(a)、(b)、(c)分别为：逆变器直流母线电压Udc、电池电流Ibat、逆变器输出频率f。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的一种光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其结构示意图如图1所示，该方法基于的光储一体化系统为两级结构，其中光伏和储能采用同一个逆变器接入电网，光伏和储能电池分别通过各自的DC/DC变换器并联到逆变器的直流母线上，两个DC/DC变换器与逆变器采用网源协调的虚拟同步机控制方案进行控制。逆变器实现惯性控制以及无功下垂控制；电池的DC/DC变换器实现有功下垂控制；在直流电容电压不高于上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制；在直流电容电压超过上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器自动进入弃光控制。

1、对于逆变器实现惯性控制和无功下垂控制，如图2所示，包括以下步骤：

1)惯性控制通过将直流电容电压与其额定值U_dc做差，得到直流电容电压变化值，并将直流电容电压变化值带入到PI控制中运算，得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；

2)将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

3)无功下垂控制通过测量无功功率指令和逆变器输出的无功功率的偏差，得到无功功率偏差值；

4)将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与交流电压幅值指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值E；

5)根据该电压幅值E与相位θ得到逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号。

2、对于电池的DC/DC变换器实现下垂控制，如图3所示，包括以下步骤：

1)通过将直流电容电压额定值U_dc和直流电容电压的测量值做差，得到直流电容电压变化值；

2)将直流电容电压变化值限幅在上限U_dc-U_dcdownlimit，下限U_dc-U_dcuplimit；

3)将限幅后的直流电容电压变化值乘直流变流器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref，k_{i_bat}满足下式：

式中，k_p表示有功-频率下垂系数；U_bat表示电源电压。

4)计算直流电流指令值I_ref和直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变流器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到直流变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

3、对于光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制和自动进入弃光控制，如图4所示，包括以下步骤：

通过最大功率输出控制得到光伏电压指令值V_pvmppt，通过自动弃光控制得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt；将V_pvmppt与ΔV_pvmppt做差得到修正后的光伏电压指令值；计算修正后的光伏电压指令值和光伏电压测量值V_pv的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为光伏电路开关管的调制信号，调制信号经过PWM调制器得到光伏电路开关管的开关控制信号，进而用于驱动开关管。

4、对于光伏的DC/DC变换器的最大功率输出控制，包括以下步骤：

1)给定某个ΔV_pv；

2)扰动V_pv使其等于V_pv-ΔV_pv和V_pv+ΔV_pv；

3)设V_pv-ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv-，V_pv对应的光伏功率测量值为P_pv，V_pv+ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv+，若P_pv-<P_pv且P_pv+>P_pv，则令V_pv＝V_pv+ΔV_pv；若P_pv->P_pv且P_pv+<P_pv，则令V_pv＝V_pv-ΔV_pv；

4)将步骤3)得到的V_pv带入步骤2)，并重复步骤2)～3)直到P_pv-<P_pv且P_pv+<P_pv，令此时的V_pvmppt＝V_pv；

5)输出V_pvmppt。

5、对于光伏的DC/DC变换器的弃光控制，包括以下步骤：

1)通过将直流电容电压的测量值与直流电容电压上限值U_dcuplimit做差，得到直流电容电压变化值；

2)将直流电容电压变化值限幅为上限0；

3)将限幅后的直流电容电压变化值经过PI控制计算得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt。

实施例

从网侧频率波动方面，验证本发明所公开的控制策略的有效性。

将本策略应用于图1所示的拓扑，具有如表1所示的硬件参数。初始状态下，电池输出电流为0A。0.9s，电网侧突然发生0.25Hz频率扰动导致逆变器输出频率缓慢增大。

光储一体化系统响应波形如图5所示。图5(a)、(b)、(c)分别为：逆变器直流母线电压Udc(V)、电池电流Ibat(A)、逆变器输出频率f(Hz)。

观察控制效果可见，本发明所公开的控制方案能够保证在0.9s网侧频率有扰动时，在动态过程中响应网侧变化，为系统提供惯性支撑并跟踪电网频率，并能在系统恢复稳定时，在稳态频率偏离额定值的情况下仍能使Udc恢复至指令值700V，为下一次动态响应做准备。

可见，本发明所公开的控制方案能在响应网侧扰动后恢复直流母线电压。

综上，该实施例证明了本发明所提控制方法的有效性。实施例的具体参数设置参见表1

表1实施例参数

Claims (5)

1.光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其特征在于，该方法基于的光储一体化系统为两级结构，其中光伏和储能采用同一个逆变器接入电网，光伏和储能电池分别通过各自的DC/DC变换器并联到逆变器的直流母线上，两个DC/DC变换器与逆变器采用直流母线电压可恢复的类同步机控制方法进行控制；

其中，逆变器实现惯性控制以及无功下垂控制，其具体步骤如下：

逆变器的惯性控制通过将直流电容电压与其额定值U_dc做差，得到直流电容电压变化值，并将直流电容电压变化值带入到PI控制中运算，得到逆变器输入到电网的角频率变化值Δω；将Δω与角频率额定值ω_s加和得到逆变器输入到电网的角频率ω，并对ω积分得到逆变器输入到电网的相位θ；

逆变器的无功下垂控制通过测量无功功率指令和逆变器输出的无功功率的偏差，得到无功功率偏差值；将无功功率偏差值乘无功下垂系数k_Q得到逆变器内电势变化值ΔE，再将ΔE与内电势指令值E_ref加和得到逆变器内电势E；

由惯性控制得到的相位θ与无功下垂控制得到的内电势E构成逆变器的调制电压，经调制后得到逆变器开关管驱动信号；

同时，电池的DC/DC变换器实现有功下垂控制，其具体步骤如下：

通过将直流电容电压额定值U_dc和直流电容电压的测量值做差，得到直流电容电压变化值；将直流电容电压变化值限幅在上限U_dc-U_dcdownlimit，下限U_dc-U_dcuplimit；将限幅后的直流电容电压变化值乘直流变流器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref；

计算直流电流指令值I_ref和直流电流的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为DC/DC变流器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到直流变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络；

同时，光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制和弃光控制的自动切换；逆变器通过惯性控制输出频率，通过无功下垂控制调节逆变器交流电压幅值；电池的DC/DC变换器通过直流电容电压比例控制实现有功下垂控制的调频功能，得到直流电流指令值，再利用直流电流指令值经过电流环计算的结果得到电池的DC/DC变换器调制信号；在直流电容电压不高于上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器采用最大功率输出控制；在直流电容电压高于直流电容电压上限值U_dcuplimit时，光伏的DC/DC变换器根据直流电容电压偏差和PI控制计算得到光伏电压指令修正值并自动进入弃光控制。

2.根据权利要求1所述的光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其特征在于，k_{i_bat}满足下式

式中，k_p表示有功-频率下垂系数；U_bat表示电源电压。

3.根据权利要求1所述的光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其特征在于，光伏的DC/DC变换器实现最大功率输出控制和自动进入弃光控制的具体实现步骤如下：

通过最大功率输出控制得到光伏电压指令值V_pvmppt，通过自动弃光控制得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt；将光伏电压指令值V_pvmppt与光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt相减得到修正后的光伏电压指令值；计算修正后的光伏电压指令值和光伏电压测量值V_pv的偏差，偏差经过PI控制计算后，再将PI控制计算的输出作为光伏电路开关管的调制信号，调制信号经过PWM调制器得到光伏电路开关管的开关控制信号，进而用于驱动开关管。

4.根据权利要求3所述的光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其特征在于，光伏的DC/DC变换器通过最大功率输出控制得到V_pvmppt的具体步骤如下：

1)给定某个ΔV_pv；

2)扰动V_pv使其等于V_pv-ΔV_pv和V_pv+ΔV_pv；

3)设V_pv-ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv-，V_pv对应的光伏功率测量值为P_pv，V_pv+ΔV_pv对应的光伏功率测量值为P_pv+，若P_pv-<P_pv且P_pv+>P_pv，则令V_pv＝V_pv+ΔV_pv；若P_pv->P_pv且P_pv+<P_pv，则令V_pv＝V_pv-ΔV_pv；

4)将步骤3)得到的V_pv带入步骤2)，并重复步骤2)～3)直到P_pv-<P_pv且P_pv+<P_pv，令此时的V_pvmppt＝V_pv；

5)输出V_pvmppt。

5.根据权利要求3所述的光储一体化系统直流母线电压可恢复的类同步机控制方法，其特征在于，光伏的DC/DC变换器通过自动弃光控制得到ΔV_pvmppt的具体步骤如下：

通过将直流电容电压上限值U_dcuplimit与直流电容电压的测量值做差，得到直流电容电压变化值；将直流电容电压变化值限幅为上限0；将限幅后的直流电容电压变化值经过PI控制计算得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt。

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