CN112003262B - 一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法 - Google Patents

一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，光伏面板通过Buck电路接入直流微网，包括：在微网系统中加入比例调度部分、电压调节部分和下垂控制部分；主动采集配电网端口处的实际有功功率Ppcc；计算端口参考有功功率与实际有功功率Ppcc的功率差值ΔP，并将功率差值ΔP传递给各光伏电源；各光伏电源进行比例调度控制、电压调节控制和下垂控制，得到光伏电源输出dp/dv参考值；各光伏电源根据dp/dv参考值控制实际输出。利用本发明，使得光伏发电机保留一定热备功率以参与缓和功率波动，并实现微网系统中光伏发电机的等比例可调度控制，提高直流微网系统的稳定性和鲁棒性，实现直流微网系统并网‑孤岛运行和切换的可靠控制。

Description

一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法
技术领域
本发明属于光伏组网技术领域，尤其是涉及一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法。
背景技术
光伏发电，因其无污染、无噪音、低开销等优点使其逐渐成为燃料发电机的理想替代。此外，光伏的直流特性可以和其他直流负载在直流微网中被更高效的利用，所以基于光伏组网的直流微网得到了越来越多的重视。因光伏发电的随机性和间断性，功率输出不稳定会造成电压随机波动，所以需要额外的电压源来提供母线电压支撑。
一般直流微网有联网和孤岛两种运行模式：联网模式下，微网与主电网相连，从主电网获得电压支持；而孤岛模式下，需要的储能来提供电压支撑。但是，随着光伏渗透率的提升，其发电间断性将导致更大的功率波动，使其在联网状态对主电网的冲击更大，在孤岛状态则对储能容量有更大的需求，对微网的稳定性也造成了更大的威胁。
公开号为CN104065099A的中国专利文献公开了一种基于混合储能的交直流混合模块化微电网组网结构及方法，实现了交直流混合微电网内多类型负荷、多类型分布式电源的模块化封装，模块化微电网作为独立可控的电源/负荷单元主动参与大电网调度运行；通过混合储能系统结构及接入方式的合理设计，使得并网/孤岛双模式无缝切换成为模块化微电网的自然属性，但是其没有对内部的控制方式和组成具体分析。
公开号为CN103280844A的中国专利文献公开了一种交直流混合多级微电网系统，该发明结构灵活、模块化结构，可以构成多种系统结构及各级系统的并离网切换的研究，但是其解决的是分布式发电接入问题，不能发挥了微网中的可控资源的调节能力。
因此，寻找一种高效实用的微网系统控制方法，实现光伏高渗透率下的直流微网稳定控制，成了目前亟需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，使得光伏发电机保留一定热备功率以参与缓和功率波动，并实现微网系统中光伏发电机的等比例可调度控制，提高直流微网系统的稳定性和鲁棒性，实现直流微网系统并网-孤岛运行和切换的可靠控制。
一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，光伏面板通过Buck电路接入直流微网，包括以下步骤：
(1)在微网系统中加入比例调度部分、电压调节部分和下垂控制部分；
(2)主动采集配电网端口处的实际有功功率Ppcc；
(3)计算端口参考有功功率与实际有功功率Ppcc的功率差值ΔP，并将功率差值ΔP传递给各光伏电源；
(4)各光伏电源进行比例调度控制，根据来自调度中心的功率差值ΔP和预设的额定值
Figure BDA0002607748550000021
采集光伏输出的电流和电压，计算得到修正后的额定值
Figure BDA0002607748550000022
控制公式如下：
Figure BDA0002607748550000023
其中，
Figure BDA0002607748550000031
是修正后的额定dp/dv，KP-T，KI-T分别是比例调度控制的比例和积分系数，ΔP为联络线的功率差值，ΔP＝Pr-Ppcc，Pr为额定功率；
(5)各光伏电源进行电压调节控制，根据额定电压和采集的输出端口电压，计算得到修正后的额定电压
Figure BDA0002607748550000032
控制公式如下：
Figure BDA0002607748550000033
其中，
Figure BDA0002607748550000034
是修正后的额定电压，Vr是额定电压，KP-S为电压调节控制的比例系数，V为实际输出电压；
(6)各光伏电源进行下垂控制，输入得到的
Figure BDA0002607748550000035
和
Figure BDA0002607748550000036
通过下垂公式计算得到参考值
Figure BDA0002607748550000037
控制公式如下：
Figure BDA0002607748550000038
其中，
Figure BDA0002607748550000039
是光伏电源输出dp/dv参考值，
Figure BDA00026077485500000310
是修正后的额定dp/dv，m是下垂系数，V是光伏电源输出电压，
Figure BDA00026077485500000311
是修正后的额定电压；
(7)各光伏电源根据dp/dv参考值控制实际输出。
本发明的方法，基于dp/dv的控制，优势在于，可以在不同的环境条件下都能保持一定功率热备，而这个热备功率可以用来进行电压调节
为了实现各层控制之间的解耦，步骤(4)中，在比例调度控制中，增加一阶惯性模块，公式如下：
Figure BDA00026077485500000312
式中，T3为惯性时间常数，*是卷积符号，
Figure BDA00026077485500000313
是惯性模块，为了使各层之间的控制解耦。
步骤(5)中，在电压调节控制中，也增加一阶惯性模块，公式如下：
Figure BDA0002607748550000041
式中，T2为惯性时间常数，*是卷积符号，
Figure BDA0002607748550000042
是惯性模块，为了使各层之间的控制解耦。
步骤(4)中，进行比例调度控制时，当实际有功功率Ppcc输入小于额定值Pr，则ΔP>0，在积分环节的作用下
Figure BDA0002607748550000043
一直增加，直到Pr＝Ppcc。
步骤(5)中，进行电压调节控制时，当电压下降，
Figure BDA0002607748550000044
增加，从而使
Figure BDA0002607748550000045
也增加，光伏输出更多能量以抬升电压；反之，当电压上升，
Figure BDA0002607748550000046
减小，从而使
Figure BDA0002607748550000047
也减小，光伏输出更少能量以降低电压。
步骤(6)中，进行下垂控制时，当负载增加时，母线电压降低，使
Figure BDA0002607748550000048
减少，而
Figure BDA0002607748550000049
增加，各光伏电源控制输出功率增加；反之，当负载减少时，母线电压增加，使
Figure BDA00026077485500000410
增加，而
Figure BDA00026077485500000411
减少，各光伏电源控制输出功率减少。
当微网系统从并网运行模式切换到孤网运行模式时，先将联络线的有功功率ΔP设定为零，断开联络线，然后切换到孤网运行模式。
当微网系统从孤网运行模式切换到并网运行模式时，在微网电压PCC点两侧电压相等的情况下连接联络线，然后切换到并网运行模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可以使光伏电源始终保持一定热备功率参与调度，并出力缓和微网功率波动。
(2)本发明统一了最大功率输出控制和功率调节控制，无需复杂的控制模式切换。
(3)本发明可以调节光伏热备比例和控制参数，以满足不同的控制精度要求。
附图说明
图1为本发明实施例中光伏发电的控制框图；
图2为本发明实施例中KC200GT光伏面板在不同条件下的特性曲线；
图3为本发明实施例中加入一阶惯性模块后的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，为光伏面板在本发明下的控制结构图，光伏面板通过Buck电路接入直流微网。
其中Cpv和C为电容，L为电感，Rline为线路阻抗，Vpv、Ipv分别是光伏输出电压和电流，Il是电感电流，Iload为负载电流，Vbus为直流母线电压，
Figure BDA0002607748550000051
是dp/dv额定值，
Figure BDA0002607748550000052
是修正后的dp/dv额定值，Vr是额定电压，
Figure BDA0002607748550000053
是修正后的额定电压，ΔP是调度的功率差值，m是下垂系数。
本发明主要应用在控制部分(虚线框内)，控制部分可以分为三个部分，左侧虚线框内的为dp/dv比例调节部分，根据来自调度中心的功率差值ΔP和预设的额定值
Figure BDA0002607748550000054
采集光伏输出的电流和电压，计算得到修正后的额定值
Figure BDA0002607748550000055
右侧是电压调节部分，根据额定电压和采集的输出端口电压，计算得到修正后的额定电压
Figure BDA0002607748550000056
中间部分是V-dp/dv下垂控制，输入左右两侧得到的
Figure BDA0002607748550000057
和
Figure BDA0002607748550000058
通过下垂公式计算得到参考值
Figure BDA0002607748550000059
最后，内环根据dp/dv参考值生成PWM信号控制Buck电路输出。
如图2所示，为同一个光伏面板在不同光照温度条件下的输出特性曲线，从图2中(a)可知，当外界环境条件变化时，光伏的最大功率点也随之变动，所以要实现最大功率点输出则需要跟踪算法来追踪最大功率点，此外若是不想输出最大功率，则需要计算最大功率，根据当前的输出容量来调节输出值。而如图2中(b)所示，不同条件下的曲线具备一定的规律：i.dp/dv＝0时，输出最大功率；ii.dp/dv<0时，回撤一定的功率。所以，基于dp/dv值的控制，无需采集温度光照，也无需复杂计算和控制策略的切换，是一种高效的光伏控制策略，本发明正是基于此。
本发明中，光伏发电机采用基于
Figure BDA0002607748550000061
下垂的伪分层控制，控制结构分为三层，第一层的
Figure BDA0002607748550000062
控制，实现功率被动分散；第二层的电压调节，以修正电压偏移并增强惯性；第三层的
Figure BDA0002607748550000063
调度控制，实现光伏发电机之间的等比例调度。各层控制策略如下：
(1)第一层V-dp/dv下垂控制，控制公式为
Figure BDA0002607748550000064
其中，
Figure BDA0002607748550000065
是光伏电源输出dp/dv参考值，
Figure BDA0002607748550000066
是修正后的额定dp/dv，m是下垂系数，V是光伏电源输出电压，
Figure BDA0002607748550000067
是修正后的额定电压。
如上所示，
Figure BDA0002607748550000068
的值表示输出功率最最大功率之比，而节点之间的电压差表示功率流动的方向，所以V-dp/dv下垂通过检测电压输出值可以实现功率的分担。比如，当负载增加时，母线电压会降低，这将导致
Figure BDA0002607748550000069
减少，而
Figure BDA00026077485500000610
增加，也就是输出功率增加。反之，亦然。
(2)第二层电压调节控制，控制公式如下
Figure BDA00026077485500000611
其中Vr是额定电压，KP-S为第二层比例系数。
因为V-dp/dv的下垂特性和V与dp/dv之间的非线性特性，必然会存在电压偏差，而且当负荷切换、光伏输出波动和电源故障等情况下，电压会波动，所以此处需要电压调节。
当电压下降的时候，
Figure BDA00026077485500000612
会增加，从而使
Figure BDA00026077485500000613
也增加，光伏输出更多能量也支持电压。反之，亦然。
(3)第三层比例调度控制，控制公式如下
Figure BDA0002607748550000071
其中
Figure BDA0002607748550000072
为额定值，KP-T，KI-T分别是第三层的比例和积分系数，ΔP为联络线的功率差值ΔP＝Pr-Ppcc。
当PCC处实际功率输入小于额定值，即Pr>Ppcc，则ΔP>0，在积分环节的作用下
Figure BDA0002607748550000073
一直增加，直到Pr＝Ppcc。反之，亦然。
(4)为实现各层控制之间的解耦，在第二和第三层增加了一阶惯性模块。控制框图如图3所示，整体控制公式如下：
Figure BDA0002607748550000074
(5)模式切换
a)当微网系统从并网运行模式切换到孤网运行模式时，将联络线有功功率ΔP设定为零，断开联络线，然后切换到孤网运行模式；
b)当微网系统从孤网运行模式切换到并网运行模式时，在微网电压保持稳定的情况下连接联络线，然后切换到并网运行模式。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，光伏面板通过Buck电路接入直流微网，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在微网系统中加入比例调度部分、电压调节部分和下垂控制部分；
(2)主动采集配电网端口处的实际有功功率Ppcc；
(3)计算端口参考有功功率与实际有功功率Ppcc的功率差值ΔP，并将功率差值ΔP传递给各光伏电源；
(4)各光伏电源进行比例调度控制，根据来自调度中心的功率差值ΔP和预设的额定值
Figure FDA0002878845700000011
采集光伏输出的电流和电压，计算得到修正后的额定值
Figure FDA0002878845700000012
控制公式如下：
Figure FDA0002878845700000013
其中，
Figure FDA0002878845700000014
是修正后的额定dp/dv，KP-T，KI-T分别是比例调度控制的比例和积分系数，ΔP为联络线的功率差值，ΔP＝Pr-Ppcc，Pr为额定功率；
(5)各光伏电源进行电压调节控制，根据额定电压和采集的输出端口电压，计算得到修正后的额定电压
Figure FDA0002878845700000015
控制公式如下：
Figure FDA0002878845700000016
其中，
Figure FDA0002878845700000017
是修正后的额定电压，Vr是额定电压，KP-S为电压调节控制的比例系数，V为实际输出电压；
(6)各光伏电源进行下垂控制，输入得到的
Figure FDA0002878845700000018
和
Figure FDA0002878845700000019
通过下垂公式计算得到参考值
Figure FDA00028788457000000110
控制公式如下：
Figure FDA0002878845700000021
其中，
Figure FDA0002878845700000022
是光伏电源输出dp/dv参考值，
Figure FDA0002878845700000023
是修正后的额定dp/dv，m是下垂系数，V是光伏电源输出电压，
Figure FDA0002878845700000024
是修正后的额定电压；
(7)各光伏电源根据dp/dv参考值控制实际输出。
2.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，步骤(4)中，在比例调度控制中，增加一阶惯性模块，公式如下：
Figure FDA0002878845700000025
式中，T3为惯性时间常数，*是卷积符号，
Figure FDA0002878845700000026
是惯性模块，为了使各层之间的控制解耦。
3.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，步骤(5)中，在电压调节控制中，增加一阶惯性模块，公式如下：
Figure FDA0002878845700000027
式中，T2为惯性时间常数，*是卷积符号，
Figure FDA0002878845700000028
是惯性模块，为了使各层之间的控制解耦。
4.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，步骤(4)中，进行比例调度控制时，当实际有功功率Ppcc输入小于额定值Pr，则ΔP>0，在积分环节的作用下
Figure FDA0002878845700000029
一直增加，直到Pr＝Ppcc。
5.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，步骤(5)中，进行电压调节控制时，当电压下降，
Figure FDA0002878845700000031
增加，从而使
Figure FDA0002878845700000032
也增加，光伏输出更多能量以抬升电压；反之，当电压上升，
Figure FDA0002878845700000033
减小，从而使
Figure FDA0002878845700000034
也减小，光伏输出更少能量以降低电压。
6.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，步骤(6)中，进行下垂控制时，当负载增加时，母线电压降低，使
Figure FDA0002878845700000035
减少，而
Figure FDA0002878845700000036
增加，各光伏电源控制输出功率增加；反之，当负载减少时，母线电压增加，使
Figure FDA0002878845700000037
增加，而
Figure FDA0002878845700000038
减少，各光伏电源控制输出功率减少。
7.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，当微网系统从并网运行模式切换到孤网运行模式时，先将联络线的有功功率ΔP设定为零，断开联络线，然后切换到孤网运行模式。
8.根据权利要求1所述的光伏高渗透率下的直流微网系统伪分层控制方法，其特征在于，当微网系统从孤网运行模式切换到并网运行模式时，在微网电压PCC点两侧电压相等的情况下连接联络线，然后切换到并网运行模式。
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