CN111900749B - 光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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。本发明既可以为电网提供惯性和下垂支撑，又可以在源侧功率波动时自动调节其输出到电网的功率，从而减少弃光并减小对储能电池容量的需求。

Description

光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法

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的网源协调虚拟同步机控制方法。

背景技术

近年来，越来越多新能源经变换器并入电网。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。于是很多控制新能源并网逆变器为电网提供频率和电压支撑的策略被提出，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。

VSG通常假设逆变器的直流侧为理想电压源。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，而二者都是发电厂不愿意接受的。这严重限制了VSG策略在实际工程中的推广。

由于现有VSG策略存在这种弊端，所以在新能源储能系统中需要提出一种新的控制方法以实现光储一体化系统既能响应源侧功率波动又能响应网侧功率波动，并能管理不同工况下的光伏输出功率的目的。

发明内容

本发明针对既能响应源侧功率波动又能响应网侧功率波动并管理不同工况下光伏输出功率的目的，提供了一种光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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，逆变器通过惯性控制调节输出频率，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测量值与其额定值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乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir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；

无功下垂控制通过将无功功率的指令值和逆变器输出的无功功率测量值做差，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得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与电压指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值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电压幅值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，比例参数M_vir满足下式

式中，U_dc表示直流电容电压额定值，η_u表示直流电容电压允许的波动占直流电容电压额定值U_dc的比例，η_ω表示电网角频率允许的波动占电网角频率额定值ω_s的比例。

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

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，得到直流电容电压偏差值；将直流电容电压偏差值乘DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref；将直流电流指令值限幅在上限I_refuplimit，下限I_refdownlimit；计算限幅后的直流电流指令值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电池的DC/DC变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到电池的DC/DC变换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，当电池的DC/DC变换器为Buck变换器时，k_{i_bat}满足下式

当电池的DC/DC变换器为Boost变换器时，k_{i_bat}满足下式

式中，k_ω表示有功-频率下垂系数；U_bat表示电池电压。

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。

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，此时令V_pvmppt＝V_pv；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，得到直流电容电压偏差值；将直流电容电压偏差值上限限幅为0；将限幅后的直流电容电压偏差值经过PI控制计算得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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。本发明既可以在网侧功率发生波动时，为电网提供惯性和下垂支撑，又可以在源侧功率波动时自动调节其输出到电网的功率，从而减少弃光并减小对储能电池容量的需求。此外，本发明还可以管理不同工况下光伏输出功率，可以在直流电压过高时，实现光伏功率自动从最大功率输出控制无缝切换到弃光控制，从而保证系统安全。

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为网侧和源侧扰动下所公开方案与已有VSG方案控制效果对比波形—图5(a)传统VSG方案对网侧和源侧扰动的响应波形；图5(b)为所公开方案对网侧和源侧扰动的响应波形。

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。

本发明提供的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，采用两级变换器结构，其结构示意图如图1所示。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测量值与其额定值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乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir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变换器实现有功下垂控制，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，得到直流电容电压偏差值；

2)将直流电容电压变化值乘DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref；

3)将直流电流指令值限幅在上限I_refuplimit，下限I_refdownlimit；

4)计算限幅后的电流指令值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变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到DC/DC变换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变换器实现最大功率输出控制，如图4所示，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，此时令V_pvmppt＝V_pv；输出V_pvmppt。

5、对于光伏的DC/DC变换器实现弃光控制，如图4所示，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，得到直流电容电压偏差值；

2)将直流电容电压偏差值上限限幅为0；

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

实施例：

从网侧波动和源侧光伏出力波动两个方面，对比本发明所公开的控制策略相对传统VSG的控制效果的优越性。

两种策略均应用于图1所示的相同的拓扑，具有相同的硬件参数。初始状态下，都是电池输出电流为0A，光伏输出1kW功率通过逆变器送到电网。0.6s，电网侧突然发生-8°相位扰动导致电网侧吸收功率突然增加；1.2s，光伏输出功率开始斜坡上升(模拟光照增强)，0.1s内光伏功率上升到10kW。

当采用传统VSG控制策略时，光储一体化系统响应波形如图5(a)所示；当采用本发明所公开的控制方案时，光储一体化系统响应波形如图5(b)所示。从左到右从上到下波形依次为：频率f、逆变器输出有功Pe、逆变器无功Q、逆变器直流电压Vdc、光伏功率Ppv、电池电流Ibat。

对比两种策略的效果可见，本发明所公开的控制方案能够保证在0.6s网侧功率有扰动时，与传统VSG策略向网侧提供完全相同的有功Pe和无功Q，证明发发明所公开的控制方案具备足够的响应网侧扰动的能力。同时，由电池电流波形Ibat可以看出，本发明公开的控制方案在向网侧提供惯性和下垂支撑的同时，可以减小对电池的电流冲击。

当1.2s源侧光伏输出功率Ppv突然上升时，传统VSG策略会导致增加的光伏功率都被电池吸收，无法输送到电网，这一方面增大电池压力，另一方面，在电池达到最大充电功率后，由于电池充电电流被限幅在13A，不能再吸收更多功率，导致直流母线电压Vdc迅速上升到770V，为了防止直流母线过压，光伏不得不在1.6s弃光，这又导致了光能的浪费。而在本发明公开的控制方案下，1.2s光伏增加的输出功率逐渐被逆变器全部输送到电网，逆变器输出功率Pe逐渐由1kW增加到10kW，电池电流只需要在动态过程中辅助稳定直流电压，稳态后，电池电流归为0A。直流电压恢复700V且光伏不需要弃光。

可见，本发明所公开的控制方案既能响应网侧扰动又能响应源侧波动，显著提高了光伏利用率。

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 (6)

1.光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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网源协调的虚拟同步机控制方案进行控制；

其中，逆变器通过惯性控制调节输出频率，通过无功下垂控制调节逆变器交流电压幅值，其具体步骤如下：

惯性控制通过将直流电容电压测量值与其额定值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乘转子惯性模拟控制参数M_vir的倒数1/M_vir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；

无功下垂控制通过将无功功率的指令值和逆变器输出的无功功率测量值做差，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得到逆变器交流电压幅值调节量ΔE，再将ΔE与电压指令值E_ref加和得到逆变器交流电压幅值E；

由惯性控制得到的相位θ与无功下垂控制得到的电压幅值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变换器通过直流电容电压比例控制实现有功-频率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，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，得到直流电容电压偏差值；将直流电容电压偏差值乘DC/DC变换器的电压比例控制参数k_{i_bat}得到直流电流指令值I_ref；将直流电流指令值限幅在上限I_refuplimit，下限I_refdownlimit；计算限幅后的直流电流指令值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电池的DC/DC变换器调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到电池的DC/DC变换器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络；

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的网源协调虚拟同步机控制方法，其特征在于，比例参数M_vir满足下式

式中，U_dc表示直流电容电压额定值，η_u表示直流电容电压允许的波动占直流电容电压额定值U_dc的比例，η_ω表示电网角频率允许的波动占电网角频率额定值ω_s的比例。

3.根据权利要求2所述的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，其特征在于，当电池的DC/DC变换器为Buck变换器时，k_{i_bat}满足下式

当电池的DC/DC变换器为Boost变换器时，k_{i_bat}满足下式

式中，k_ω表示有功-频率下垂系数；U_bat表示电池电压。

4.根据权利要求1所述的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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。

5.根据权利要求4所述的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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，此时令V_pvmppt＝V_pv；输出V_pvmppt。

6.根据权利要求4所述的光储一体化系统的网源协调虚拟同步机控制方法，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，得到直流电容电压偏差值；将直流电容电压偏差值上限限幅为0；将限幅后的直流电容电压偏差值经过PI控制计算得到光伏电压指令修正值ΔV_pvmppt。

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