CN114123331A - 一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备、介质及终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源发电技术领域，公开了一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备、介质及终端，实时检测并网点电压，对光储并网发电系统状态进行判别；由判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；由判断系统正常运行时，进行第一区间控制；由判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。本发明在传统单储能系统辅助光伏电站低电压穿越的基础上做出了改进，通过在光伏发电系统直流侧并联超导磁储能系统SMES和全钒液流电池VRB储能系统组成的混合储能系统实现低电压穿越；通过分区控制策略可实现正常运行时平抑光伏发电功率波动，最大限度地向电网提供无功支撑。

Description

一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备、介质及终端

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备、介质及终端。

背景技术

目前，随着全球气候和能源危机的日益严峻，以光伏为代表的可再生能源发电受到了广泛的关注。但是受到自然条件因素的影响，可再生能源发电的应用也存在一定的局限性，其自身存在着输出功率波动较大、抵抗电网故障能力较弱等缺点。若在可再生能源发电系统中配备储能系统，则可有效增加系统的稳定性和可靠性，弥补上述缺陷。

随着新能源发电渗透率的不断提高，除了需要保证新能源自身功率输出保持稳定外，还须具备低电压穿越(LVRT)能力，混合储能系统的引入，为解决低电压穿越问题也提供了较好的解决方案。根据储能元件本身的功率和能量特性，可以将储能元件分为功率型和能量型两大类，由单一储能元件构成的储能系统很难同时满足能量和功率两方面的需求，故已有学者提出混合储能系统的概念，例如超级电容器和蓄电池构成的混合储能系统，在发生低电压穿越时，超级电容储能能够在极短时间内将不平衡的功率吸收或释放，增强了系统稳定性，蓄电池储能能够有效吸收不平衡能量并对并网点提供无功电压支持。

在加入了混合储能系统之后，考虑到储能系统自身的特性，需要在系统正常运行时对储能电池的荷电状态(SOC)以及系统发生故障时的功率指令分配进行有效的控制，对此已有不少学者进行了研究，但均只是考虑了如何对跌落点电压进行最大程度的无功补偿，并没有充分计及到混合储能中的储能单元的充放电特性，可能会严重损坏电池的寿命，故如何将储能电池的荷电状态实时反馈到充放电指令当中实现混合储能的最优调度，仍是有待解决的关键问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术均只是考虑了如何对跌落点电压进行最大程度的无功补偿，并没有充分计及到混合储能中的储能单元的充放电特性，并且很多学者在进行混合储能功率指令的分配时并不会考虑到混合储能实时的荷电状态，也可能会使储能电池过度充放电运行，可能会严重损坏电池的寿命。同时，现有的混合储能控制策略均是将两种储能系统同时投入运行，如此一来则会使多个储能设备在电压小幅跌落时投入运行，造成资源不必要的浪费，在发生大幅电压跌落故障时，为了短时间内获取较大的无功补偿从而抬升并网点电压，以往的策略均是使蓄电池进行无功功率的大幅补偿，而超导磁储能与超级电容这类储能电池进行有功功率的吸收与释放，这样则会容易使得系统中的有功功率产生缺额，从而导致并网点的频率产生波动，使得光伏发电系统脱网的可能性增大。另外，在光伏换流器层面，以往的策略是使其在任何运行状态下保持最大功率跟踪(MPPT)控制，而忽略了在发生低电压穿越时，光伏电池若保持最大功率输出则可能会使得所产生的不平衡功率变大的影响，给储能在低电压穿越时的调节带来了困难。

解决以上问题及缺陷的难度为：

为解决上述问题及缺陷，需要对光伏换流器以及混合储能系统的控制策略进行完善和改进，期间需要实时对并网点以及储能系统的电气量进行监测，根据监测量来进行运行状态的判断，针对光伏发电系统正常运行与故障期间对控制目标的不同，实现混合储能系统控制策略的动态切换，对数据处理与分析能力要求较高；更为重要地，混合储能系统中不同储能电池类型的充放电特性不同，而光伏发电系统由于低电压穿越控制的时间响应要求高，固需要储能系统根据不同储能电池类型的特性差异，有针对性地快速调节充放电功率，以使光伏系统保持稳定运行，如何合理利用各类储能电池的特点进行合理高效的协调控制，在实际运行过程中可能较为困难。

解决以上问题及缺陷的意义为：

解决以上问题及缺陷，可以使得在系统正常运行时平抑功率波动，使储能荷电状态保持在合理的范围内，在发生低电压穿越时，减小使得系统不稳定的因素，尽量降低不平衡功率的大小，并使得混合储能系统在考虑其自身充放电特性的情况下快速有效的调节系统运行状态，在保证光伏系统不脱网运行的同时，将储能电池的荷电状态维持在正常范围内，有效延长电池的使用寿命，并且根据电压跌落的程度采用分层控制，也大大的降低了电池的消耗程度，在经济上得到了显著的改善。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备、介质及终端，涉及混合储能和光伏并网系统，尤其涉及一种基于混合储能的光伏低电压穿越控制方法、系统、设备及终端。

本发明是这样实现的，一种光伏低电压穿越控制方法，所述光伏低电压穿越控制方法包括以下步骤：

步骤一，实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

步骤二，由步骤一判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

步骤三，由步骤一判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

步骤四，由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

进一步，步骤一中，所述实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别，如下式所示：

式中，U_N为网侧额定电压。

进一步，步骤二中，所述第一区间控制为系统正常运行控制，实现光伏功率平滑；第二区间控制为故障状态控制，使并网点电压U_PCC迅速抬升以及保持直流母线电压U_DC稳定，实现低电压穿越。

进一步，步骤三中，所述由步骤一判断系统正常运行时进行第一区间控制，包括：

光伏电池板侧单向DC/DC逆变器控制系统工作在最大功率跟踪MPPT模式，最大化的利用光伏能量；由于光照及温度的波动，会使光伏电池在直流侧产生不平衡的功率波动，考虑此波动性，以5min为时间尺度，将此段时间内所产生的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，通过经验模态分解EMD将储能参考功率分解为高频部分P_H和低频部分P_L，高频部分通过超导磁储能进行消纳，低频部分通过全钒液流电池储能进行消纳，再通过检测超导磁储能SMES与全钒液流电池储能VRB的初始荷电状态SOC₀，利用下垂控制得到SOC功率控制信号P_bat反馈给混合储能系统，实现混合储能系统SOC的均衡控制以及不平衡功率的消纳，保持系统稳定运行。

其中，所述通过经验模态分解EMD实现混合储能系统功率分配，包括：

(1)实时检测5min中内光伏电池阵列输出的有功功率最大值

和最小值

以全钒液流电池和超导磁储能组成的混合储能系统进行5min时间尺度的不平衡功率ΔP₀计算，如下式所示：

式中，

为光伏发电系统的额定有功功率。

(2)将所求得的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，即P_LH＝ΔP₀。

(3)采用经验模态分解EMD将储能参考功率进行分解，向光伏实时有功功率P_PV(t)中加入两组均值为0的正负白噪声P_z(t)和-P_z(t)：

式中，λ₁、λ₂为衰减系数，分别取1.5和2.5；f为震荡频率，取0.8；t为时间。

通过下式得到光伏有功功率的一阶本征模态函数IMF分量

即：

式中，P_PV(t)为实时检测到的光伏电池阵列输出有功功率值；P_z(t)为光伏有功功率添加的白噪声，z＝1，2，3…，n，n为添加的白噪声对数；m_z为白噪声的幅值，取3～5dB。

将得到的IMF分量

通过下式进行集成平均后，分别得到N个模态混叠量

式中，j为1～N的正整数，P_j(t)为添加的第j对白噪声，N为全部IMF的数量。

通过下式完成对模态混叠量高频和低频部分的划分：

式中，P_H为储能参考功率高频部分；P_L为储能参考功率低频部分。

其中，所述通过检测超导磁储能SMES与钒液流电池储能VRB的初始荷电状态SOC_0-SMES、SOC_0-VRB，利用下垂控制得到SOC功率控制信号反馈给混合储能系统，使混合储能系统对其SOC的状态实现均衡合理控制，包括：

(1)根据SMES和VRB储能单元的初始荷电状态SOC₀，利用下垂控制计算其输出电压参考值

式中，U_dcref为直流母线电压的参考值；P_SMES为监测到的超导磁储能SMES实时输出有功功率，P_VRB为监测到的钒液流电池储能VRB实时输出有功功率；R_d-SMES，R_d-VRB为混合储能模块的下垂系数。

(2)将求得的混合储能输出电压参考值与混合储能输出电流参考值相乘以得到反馈功率信号P_bat：

式中，

为SEMS和VRB的输出电流参考值；m为整合系数，取5％。

(3)利用求得的反馈功率信号P_bat以及求得的储能参考功率P_H、P_L，计算得出最终的储能功率指令如下：

式中，P′_H为最终储能参考功率高频部分；P′_L为最终储能参考功率低频部分。

(4)混合储能控制系统工作在第一区间控制模式，采用功率外环控制，即利用功率指令对混合储能系统的充放电进行控制，将求得的P′_H、P′_L分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值，以平抑光伏电源输出有功功率波动。

其中，所述钒液流电池储能VRB第一区间控制方法，包括：

VRB蓄电池组双向DC/DC逆变器以高功率因数为控制目标，工作于有功平抑状态，此时有功、无功控制环节选择上通道选通，有功电流参考值i_P由直流母线电压U_dc计算得到，无功电流参考值i_q＝0。

进一步，步骤四中，所述由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，进行光伏换流器的第二区间控制，包括：

低电压穿越时，光伏换流器将不再工作于MPPT模式，而是求出直流母线电压参考值

与实际直流母线电压测量值U_dc的差值ΔU_dc：

将ΔU_dc作为并网逆变器控制系统中比例积分控制器PI的输入，通过下式求得单向DC/DC逆变器的占空比α及光伏电池此时的输出有功功率参考值P_PV：

P_PV＝αP_PV(t)；

式中，i_PV为实时检测光伏电池输出的电流，P_PV(t)为光伏电池实时输出的有功功率。

通过控制单向DC/DC的占空比α使光伏电池按照P_PV输出有功功率，以维持直流母线电压的稳定。

进一步，步骤四中，所述由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，进行混合储能系统的第二区间控制，包括：

混合储能系统根据电压跌落的深度不同采取超导磁储能系统SMES优先调节、钒液流电池储能VRB后补调节的策略；在电压跌落深度小于40％时仅由SMES充放电维持功率稳定，VRB暂不投入运行，SMES进行无功功率调节；电压跌落深度大于40％时，VRB投入运行，则VRB进行有功功率调节，包括：

(1)发生电压跌落故障后，系统输入和输出之间产生一个不平衡功率ΔP₁：

通过经验模态分解EMD将不平衡功率ΔP₁分解为高、低频部分P_H1、P_L1；将求得的储能功率指令分配给混合储能系统进行功率的调节，P_H1、P_L1分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值。

(2)电压跌落深度小于40％时，仅由超导磁储能SMES侧的逆变器进行第二区间控制，由下式求得SMES储能输出的无功电流参考值i_SMES：

式中，P_H1为SMES功率前馈控制输入参考值；cosφ为SMES的功率因数，取0.5。

将i_SMES作为比例积分控制器PI的输入，再将PI控制器的输出信号经PWM控制器进行脉冲宽度调制，得到SMES储能需吸收或发出的无功功率Q_SMES：

式中，α为PWM调制比，X_ac为交流侧进线电感。

经过电流内环控制调节α使SMES按照Q_SMES最大程度吸收或发出无功功率。

(3)电压跌落深度大于40％时，在两种储能均投入运行，考虑到两种储能自身容量的约束，将步骤(1)中的高、低频功率指令进行储能充放电状态的实时跟踪，结合混合储能的总裕量及自身的最大充放电功率限制并且结合储能实时的SOC大小，对两种储能系统进行功率分配，通过混合储能系统充放电功率指令的动态更新，实现高质量的调度跟踪，包括：

1)通过下式求得混合储能实时的SOC大小，分别为SOC_SMES(t)和SOC_VRB(t)：

式中，

分别为SEMS储能和VRB储能的额定容量；t为时间；k为常系数，取1～2之间。

2)将步骤(1)中经验模态分解EMD得到的高、低频参考功率P_H1、P_L1和混合储能的实时SOC大小经过下述公式进行综合优化得到SMES和VRB的调度功率参考指令

如下式所示：

式中，P_SP(t)为系统调度功率，是上级电网运行部门给定的目标功率曲线；Δt为工作步长，取5min；T_V为滤波时间常数，取为26.02。

3)将所求得SMES和VRB的调度功率参考指令

分别反馈到SMES和VRB逆变器控制信号输入值当中，实现对两种储能进行功率指令的动态更新，如下式所示：

式中，

为SMES更新后的比例积分控制器输入值，

为VRB更新后的比例积分控制器输入值。

SMES根据更新后的无功电流参考值

进行步骤(2)中的无功功率控制；VRB则根据更新后的功率参考值

进行如下有功功率控制：

将更新后的功率参考值

作为VRB比例积分控制器PI的输入，经控制器调节后，运用下式计算出脉冲宽度调制器的输入量α_PWM：

经脉冲宽度调制器调节后，使VRB蓄电池按照P_VRB进行有功功率的充/放电控制：

式中，

分别为VRB蓄电池的有功、无功电流参考值。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的光伏低电压穿越控制方法的光伏低电压穿越控制系统，所述光伏低电压穿越控制系统包括：

系统状态判别模块，用于实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

控制策略划分模块，用于基于所述系统状态判别模块的判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

第一区间控制模块，用于在所述系统状态判别模块判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

第二区间控制模块，用于在所述系统状态判别模块判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；由判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；由判断系统正常运行时，进行第一区间控制；由判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；由判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；由判断系统正常运行时，进行第一区间控制；由判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的光伏低电压穿越控制系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的光伏低电压穿越控制方法，涉及混合储能和光伏并网系统，基于混合储能，在传统单元件储能系统的基础上做出了改进。本发明首先构建了由光伏电池板阵列、并网逆变器以及并联在直流母线侧的超导磁储能(SMES)和全钒液流电池(VRB)储能组成的光伏新能源发电系统，本发明所提控制策略对混合储能系统的功率分配及逆变器控制策略做了改进。本发明策略包括两个区间，通过第一区间控制实现光伏发电系统正常运行时光伏发电功率波动的平抑；通过第二区间控制实现电网电压跌落后的光伏发电系统低电压穿越，通过上述混合储能协同控制，达到储能电池最优充放电的目的。本发明提供的基于混合储能的光伏低电压穿越控制策略，兼顾了光伏发电系统正常运行时光伏发电功率波动平抑和电网电压跌落后光伏低电压穿越，保证系统不脱网运行，达到更加合理的功率指令分配以及储能系统最优充放电的目的，使得系统运行的稳定性和经济性得到了提升。

针对光伏并网发电系统低电压穿越的问题，本发明提出了一种基于混合储能的光伏低电压穿越控制策略。该策略在传统单储能系统辅助光伏电站低电压穿越的基础上做出了改进，通过在光伏发电系统直流侧并联超导磁储能系统(SMES)和全钒液流电池(VRB)储能系统组成的混合储能系统来实现低电压穿越；不仅如此，该策略对于混合储能系统的功率分配问题以及连接在两个储能单元旁的双向DC/DC逆变器控制策略均做了改进；本发明采用分区控制的方法对应控制两种状态的系统；第一区间控制，系统正常运行时，通过对光伏电池板侧的单向DC/DC逆变器的控制实现光伏发电的最大功率跟踪，并利用经验模态分解(EMD)法将光伏电池板侧产生的不平衡功率进行分频，运用混合储能系统进行不平衡功率的消纳，同时采用储能电池SOC下垂控制将功率信号反馈到控制系统中实现储能电池SOC的均衡控制；第二区间控制，当电网侧发生电压跌落时，光伏电池板侧单向DC/DC逆变器切换为恒压控制，超导磁储能和全钒液流电池均进行控制策略切换，根据电压跌落的深度采用SMES优先调节，VRB后补的策略，在两种储能同时投入运行时，结合储能的总裕量、自身的最大充放电功率限制以及实时的SOC状态采用协同功率分配策略，实现高质量的调度跟踪。本发明通过分区控制策略可实现正常运行时平抑光伏发电功率波动，电网电压跌落后短时间内系统不脱网运行并最大限度地向电网提供无功支撑，同时将直流母线电压稳定在一定的范围内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制方法原理图。

图3是本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制系统结构框图；

图中：1、系统状态判别模块；2、控制策略划分模块；3、第一区间控制模块；4、第二区间控制模块。

图4是本发明实施例提供的光伏混合储能并网结构图。

图5是本发明实施例提供的混合储能协调控制示意图。

图6是本发明实施例1提供的直流母线电压变化情况示意图。

图7是本发明实施例1提供的光伏阵列输出功率变化情况示意图。

图8是本发明实施例2提供的电压跌落0.3时直流母线电压变化情况示意图。

图9是本发明实施例2提供的单独SMES控制时的SOC变化情况示意图。

图10是本发明实施例3提供的电压跌落0.6时直流母线电压变化情况示意图。

图11是本发明实施例3提供的SMES与VRB的SOC变化情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光伏低电压穿越控制方法、系统、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制方法包括以下步骤：

S101，实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

S102，由S101判断的结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

S103，由S101判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

S104，判断系统发生电压跌落故障后，进行光伏换流器第二区间控制；

S105，判断系统发生电压跌落故障后，进行混合储能系统第二区间控制。

本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制方法原理图如图2所示。

如图3所示，本发明实施例提供的光伏低电压穿越控制系统包括：

系统状态判别模块1，用于实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

控制策略划分模块2，用于基于所述系统状态判别模块的判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

第一区间控制模块3，用于在所述系统状态判别模块判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

第二区间控制模块4，用于在所述系统状态判别模块判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

本发明实施例提供的光伏混合储能并网结构图如图4所示，本发明实施例提供的混合储能协调控制示意图如图5所示。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明提出了一种基于混合储能的光伏低电压穿越控制策略，该策略在传统单元件储能系统的基础上做出了改进。首先，构建了由光伏电池板阵列、并网逆变器以及并联在直流母线侧的超导磁储能(SMES)和全钒液流电池(VRB)储能组成的光伏新能源发电系统，本发明所提控制策略对混合储能系统的功率分配及逆变器控制策略做了改进。该策略包括两个区间，通过第一区间控制实现光伏发电系统正常运行时光伏发电功率波动的平抑；通过第二区间控制实现电网电压跌落后的光伏发电系统低电压穿越，通过上述混合储能协同控制，达到储能电池最优充放电的目的。

本发明采用的技术方法如下：

Step1：实时检测并网点电压U_PCC，以对光储并网发电系统的运行状态进行判别，如式所示：

其中U_N为网侧额定电压。

Step2：由Step1判断的结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间：第一区间控制为系统正常运行控制，实现光伏功率平滑；第二区间控制为故障状态控制，使并网点电压U_PCC迅速抬升以及保持直流母线电压U_DC稳定，实现低电压穿越。

Step3：由Step1判断系统正常运行时，进行第一区间控制；此时，光伏并网逆变器控制光伏发电系统工作在最大功率跟踪(MPPT)模式，以最大化的利用太阳能。但由于光照及温度的波动，会使光伏出力产生功率波动，考虑此波动性，以5min为时间尺度，将此段时间内所产生的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，然后通过经验模态分解(EMD)将储能参考功率P_LH分解为高频部分P_H和低频部分P_L，高频部分通过超导磁储能进行消纳，低频部分通过全钒液流电池储能进行消纳，具体步骤如下：

步骤一：实时检测5min中内光伏电池阵列输出的有功功率最大值

和最小值

以全钒液流电池和超导磁储能组成的混合储能系统进行5min时间尺度的不平衡功率ΔP₀计算，如式所示：

式中

为光伏发电系统的额定有功功率。

步骤二：将所求得的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，即P_LH＝ΔP₀。

步骤三：采用经验模态分解(EMD)将储能参考功率进行分解，

首先向光伏实时有功功率P_PV(t)中加入两组均值为0的正负白噪声P_z(t)和-P_z(t)：

式中λ₁、λ₂为衰减系数，分别取1.5和2.5；f为震荡频率，取0.8；t为时间。

然后通过下式得到光伏有功功率的一阶本征模态函数IMF分量

即：

式中，P_PV(t)为实时检测到的光伏电池阵列输出有功功率值；P_z(t)为光伏有功功率添加的白噪声，z＝1，2，3…，n，n为添加的白噪声对数；m_z为白噪声的幅值，一般取3～5dB。

将(4)式得到的IMF分量

通过(5)式进行集成平均后，分别得到N个模态混叠量

式中j为1～N的正整数，P_j(t)为添加的第j对白噪声，N为全部IMF的数量。

最后通过下式完成对模态混叠量高频和低频部分的划分：

式中：P_H为储能参考功率高频部分；P_L为储能参考功率低频部分；

同时，通过检测超导磁储能SMES与钒液流电池储能VRB的初始荷电状态SOC_0-SMES、SOC_0-VRB，利用下垂控制得到SOC功率控制信号反馈给混合储能系统，使混合储能系统对其SOC的状态实现均衡合理控制，具体方法如下所示

步骤一，根据SMES和VRB储能单元的初始荷电状态SOC₀，利用下垂控制计算其输出电压参考值

式中U_dcref为直流母线电压的参考值；P_SMES为监测到的超导磁储能SMES实时输出有功功率、P_VRB为监测到的钒液流电池储能VRB实时输出有功功率；R_d-SMES、R_d-VRB为混合储能模块的下垂系数。

步骤二，将上式求得的混合储能输出电压参考值与混合储能输出电流参考值相乘以得到反馈功率信号P_bat：

其中

为SEMS和VRB的输出电流参考值；m为整合系数，取5％。

步骤三，利用上式求得的反馈功率信号P_bat以及(6)(7)式求得的储能参考功率P_H、P_L，可以计算得出最终的储能功率指令如下：

式中P′_H为最终储能参考功率高频部分；P′_L为最终储能参考功率低频部分。

最后，混合储能控制系统工作在第一区间控制模式，采用功率外环控制，即利用功率指令对混合储能系统的充放电进行控制，将步骤三中求得的P′_H、P′_L分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值，以平抑光伏电源输出有功功率波动。

Step4：由Step1判断系统发生电压跌落故障后，进行光伏换流器的第二区间控制：

此时光伏换流器将不再工作于MPPT模式，而是求出直流母线电压参考值

与实际直流母线电压测量值U_dc的差值ΔU_dc：

将ΔU_dc作为并网逆变器控制系统中比例积分控制器(PI)的输入，通过下式(12)求得单向DC/DC逆变器的占空比α以及光伏电池此时的输出有功功率参考值P_PV：

P_PV＝αP_PV(t) (12)

式中i_PV为实时检测光伏电池输出的电流，P_PV(t)为光伏电池实时输出的有功功率。

此时通过控制单向DC/DC的占空比α使光伏电池按照P_PV输出有功功率，以维持直流母线电压的稳定；

Step5：由Step1判断系统发生电压跌落故障后，进行混合储能系统的第二区间控制；

混合储能系统根据电压跌落的深度不同采取超导磁储能系统SMES优先调节、钒液流电池储能VRB后补调节的策略；在电压跌落深度小于40％时仅由SMES充放电维持功率稳定，VRB暂不投入运行，此时SMES进行无功功率调节；电压跌落深度大于40％时，VRB投入运行，此时VRB进行有功功率调节。

具体步骤如下：

步骤一，发生电压跌落故障后，系统输入和输出之间会产生一个不平衡功率ΔP₁：

再利用Step3中同样的方法，通过经验模态分解(EMD)利用式(2)～(7)将不平衡功率ΔP₁分解为高、低频部分PH₁、PL₁。将求得的储能功率指令分配给混合储能系统进行功率的调节，P_H1、P_L1分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值。

步骤二，电压跌落深度小于40％时，仅由超导磁储能SMES侧的逆变器进行第二区间控制，由下式求得SMES储能输出的无功电流参考值i_SMES：

式中P_H1为步骤一求得的SMES功率前馈控制输入参考值，cosφ为SMES的功率因数，本发明取0.5。

将i_SMES作为比例积分控制器(PI)的输入，再将PI控制器的输出信号经PWM控制器进行脉冲宽度调制，得到SMES储能需吸收或发出的无功功率Q_SMES，如下式所示：

式中α为PWM调制比，X_ac为交流侧进线电感。

经过电流内环控制调节α使SMES按照Q_SMES最大程度吸收或发出无功功率。

步骤三，电压跌落深度大于40％时，在两种储能均投入运行，考虑到两种储能自身容量的约束，将步骤一中的高、低频功率指令进行储能充放电状态的实时跟踪，结合混合储能的总裕量及自身的最大充放电功率限制并且结合储能实时的SOC大小，对两种储能系统进行功率分配，通过混合储能系统充放电功率指令的动态更新，实现高质量的调度跟踪，具体步骤如下：

A，通过下式求得混合储能实时的SOC大小，分别为SOC_SMES(t)、SOC_VRB(t)：

式中

分别为SEMS储能和VRB储能的额定容量；t为时间；k为常系数，一般取1-2之间。

B，将步骤一中经验模态分解(EMD)得到的高、低频参考功率P_H1、P_L1和混合储能的实时SOC大小经过下述公式进行综合优化得到SMES和VRB的调度功率参考指令

如下式(17)所示：

P_SP(t)为系统调度功率，一般是上级电网运行部门给定的目标功率曲线；Δt为工作步长，取5min；T_V为滤波时间常数，取为26.02。

C，将所求得SMES和VRB的调度功率参考指令

分别反馈到SMES和VRB逆变器控制信号输入值当中，实现对两种储能进行功率指令的动态更新，如下式所示：

式中

为SMES更新后的比例积分控制器输入值，

为VRB更新后的比例积分控制器输入值。

此时SMES根据更新后的无功电流参考值

进行步骤二中的无功功率控制；VRB则根据更新后的功率参考值

进行如下有功功率控制：

此时将更新后的功率参考值

作为VRB比例积分控制器(PI)的输入，经控制器调节后，运用下式计算出脉冲宽度调制器的输入量α_PWM：

经脉冲宽度调制器调节后，使VRB蓄电池按照P_VRB进行有功功率的充/放电控制：

式中

分别为VRB蓄电池的有功、无功电流参考值。

混合储能系统按照上述更新后的指令进行不平衡功率ΔP₁的快速有效消纳，进而使光伏发电系统更好地实现低压穿越；同时还能在此过程中保证储能系统SOC的状态保持在规定的范围内，一定程度上减少了储能电池的寿命损耗。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步描述。

在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建的模型具体参数如下：所建立的仿真模型中，系统相电压为220V，正常运行时，在0.2s使光照由1000跌落至500，0.3s时恢复至1000，低电压穿越期间，电压在[0.2s 0.4s]期间发生故障跌落。光伏电池(PV)单元工作在最大功率跟踪模式(MPPT)时，最大输出功率为4kW；直流侧电容电压设定在500V，全钒液流电池储能VRB额定功率为300kW，额定电压为700V，额定电流为430A，超导磁储能SMES额定容量为1.08MJ，超导初始电流为300A，超导最大电流为600A；超导磁储能SOC₀为50％，全钒液流电池SOC₀为90％，全部IMF的数量及白噪声对数N取10，整合系数m为0.375，下垂系数R_d-SMES、R_d-VRB分别为1.5、0.25，直流母线电压参考值U_dcref为800V，荷电系数k为1.03，滤波时间常数T_V为26.02。

实施例1：

系统正常运行时，并网点电压保持在297V～363V范围内，对系统进行第一区间控制，仿真结果如图6、7所示，光伏电池板侧DC/DC工作在最大功率跟踪模式，保持4kW的最大功率输出，通过式(2)求得由于光照波动导致直流侧产生的不平衡功率ΔP₀＝2KW，此时采用经验模态分解法(EMD)利用式(5)(6)(7)将此不平衡功率ΔP₀分解为高、低频储能参考功率P_H＝1.59KW、P_L＝0.41KW，同时通过已经给出的两种储能的初始荷电状态，可以利用下垂控制经式(8)计算得到混合储能系统输出电压参考值

再将混合储能的输出电压参考值与混合储能输出电流相乘并进行整合控制得到反馈功率信号P_bat＝6.84kW，最后将求得的P_bat、P_H和P_L经式(10)求出最终储能参考功率高、低频部分，分别为P′_H＝1.86KW、P′_L＝0.67KW。由图7可以看出在0.2s光伏电池输出功率波动时，储能系统能在0.05s内快速做出调整，使光伏输出功率恢复到4kW左右后保持平滑，同时也能够使储能电池保持在一个合理良好的运行状态，表明此策略储能电池协调控制的有效性。

实施例2：

系统发生故障，导致电压跌落后，采用第二区间控制策略，当电压跌落深度为0.3时，由于跌落深度小于40％，采取SMES优先调节策略；在光伏电池板侧，通过式(12)求得单向DC/DC逆变器的占空比α＝0.69以及光伏电池此时的输出有功功率P_PV＝2.12KW，通过控制单向DC/DC的占空比α使光伏电池按照P_PV输出有功功率；同时，由式(13)可以求得不平衡功率为23.8kW，仿真结果如图8所示。类似于实施例1中分解不平衡功率ΔP₀的步骤，利用经验模态分解法(EMD)分解此时直流侧由于故障所产生的不平衡功率ΔP₁＝23.8KW，可计算出的高、低频储能参考功率P_H1＝15.63KW、P_L1＝8.17KW，此时仅有SMES投入运行，由SMES处理全部的功率指令，SMES逆变器此时处在第二区间控制运行模式，P_H1作为功率前馈控制输入参考值，经过式(14)计算得到SMES输入比例积分(PI)控制器的电流i_SMES＝40.6A经PI调节得到PWM控制器的输入信号，从而对SMES进行电压电流双闭环控制，通过式(15)的计算得到SMES需吸收或发出的无功功率Q_SMES＝7.35KVar；由图9可以看出SMES的SOC变化情况，可知电压小幅跌落时，SMES单独投入使用能够保证母线电压稳定和自身电量维持在合理范围内，减少VRB蓄电池的使用，增加VRB的使用寿命，具有一定的经济性。

实施例3：

系统发生电压跌落故障后，采用第二区间控制策略，当电压跌落深度为0.6时，由于电压跌落深度大于40％，SMES与VRB共同参与低电压穿越的调节。光伏电池板侧的占空比以及输出有功功率P_PV的控制与实施例2中类似，可求得单向DC/DC逆变器的占空比α＝0.54以及光伏电池此时的输出有功功率P_PV＝1.87KW；类似于实施例2中的步骤，由式(13)可以求得不平衡功率为48.5kW，利用经验模态分解法(EMD)分解此时直流侧由于故障所产生的不平衡功率ΔP₁＝48.5KW，利用式(6)(7)计算出的高、低频储能参考功率P_H1＝31.4KW、P_L1＝17.1KW，SEMS的控制策略中，将P_H1作为功率前馈控制输入参考值，经过式(14)计算得到SMES输入比例积分(PI)控制器的电流i_SMES＝66.8A，经PI调节得到PWM控制器的输入信号，最后再经过式(18)计算出SMES输入PI控制器的电流指令动态更新值

从而对SMES进行电压电流双闭环控制；同时，VRB控制策略中，设置有功电流参考值i_P＝0，无功电流参考值i_q＝i_N＝430A，再由式(19)计算出VRB脉冲宽度调制器的输入量α_PWM＝0.56，最后经式(20)使VRB按照P_VRB＝1.87KW进行有功功率的充放电控制。

根据仿真结果图10可知，SMES系统最大程度发出感性无功将直流母线电压抑制在800V，从而进行最大程度的无功补偿，直流母线电压在发生低电压穿越时仅有0.05s的短时波动，且波动幅度仅有70V，均在规定的范围内，可判断混合储能系统利用无功裕量向系统注入了415A的无功电流，对于减少无功配置容量，支撑电网电压恢复起到了一定的作用，且由图11可知，在混合储能协同控制的过程中，储能单元的SOC变化幅度小于0.1％，保持在了合理的范围内，有利于延长电池寿命。

综上，本发明实施例提供的基于混合储能的光伏低电压穿越控制策略，兼顾了光伏发电系统正常运行时光伏发电功率波动平抑和电网电压跌落后光伏低电压穿越，保证系统不脱网运行，达到更加合理的功率指令分配以及储能系统最优充放电的目的。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，所述光伏低电压穿越控制方法包括以下步骤：

步骤一，实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

步骤二，由步骤一判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

步骤三，由步骤一判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

步骤四，由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

2.如权利要求1所述的光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤一中，所述实时检测并网点电压U_PCC对光储并网发电系统状态进行判别，如下式所示：

式中，U_N为网侧额定电压。

3.如权利要求1所述的光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤二中，所述第一区间控制为系统正常运行控制，实现光伏功率平滑；第二区间控制为故障状态控制，使并网点电压U_PCC迅速抬升以及保持直流母线电压U_DC稳定，实现低电压穿越。

4.如权利要求1所述的光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤三中，所述由步骤一判断系统正常运行时进行第一区间控制，包括：

光伏电池板侧单向DC/DC逆变器控制系统工作在最大功率跟踪MPPT模式，最大化的利用光伏能量；由于光照及温度的波动，会使光伏电池在直流侧产生不平衡的功率波动，考虑此波动性，以5min为时间尺度，将此段时间内所产生的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，通过经验模态分解EMD将储能参考功率分解为高频部分P_H和低频部分P_L，高频部分通过超导磁储能进行消纳，低频部分通过全钒液流电池储能进行消纳，再通过检测超导磁储能SMES与全钒液流电池储能VRB的初始荷电状态SOC₀，利用下垂控制得到SOC功率控制信号P_bat反馈给混合储能系统，实现混合储能系统SOC的均衡控制以及不平衡功率的消纳，保持系统稳定运行；

其中，所述通过经验模态分解EMD实现混合储能系统功率分配，包括：

(1)实时检测5min中内光伏电池阵列输出的有功功率最大值

和最小值

以全钒液流电池和超导磁储能组成的混合储能系统进行5min时间尺度的不平衡功率ΔP₀计算，如下式所示：

式中，

为光伏发电系统的额定有功功率；

(2)将所求得的不平衡功率ΔP₀作为储能参考功率P_LH，即P_LH＝ΔP₀；

(3)采用经验模态分解EMD将储能参考功率进行分解，向光伏实时有功功率P_PV(t)中加入两组均值为0的正负白噪声P_z(t)和-P_z(t)：

式中，λ₁、λ₂为衰减系数，分别取1.5和2.5；f为震荡频率，取0.8；t为时间；

通过下式得到光伏有功功率的一阶本征模态函数IMF分量

即：

式中，P_PV(t)为实时检测到的光伏电池阵列输出有功功率值；P_z(t)为光伏有功功率添加的白噪声，z＝1，2，3…，n，n为添加的白噪声对数；m_z为白噪声的幅值，取3～5dB；

将得到的IMF分量

通过下式进行集成平均后，分别得到N个模态混叠量

式中，j为1～N的正整数，P_j(t)为添加的第j对白噪声，N为全部IMF的数量；

通过下式完成对模态混叠量高频和低频部分的划分：

式中，P_H为储能参考功率高频部分；P_L为储能参考功率低频部分；

其中，所述通过检测超导磁储能SMES与钒液流电池储能VRB的初始荷电状态SOC_0-SMES、SOC_0-VRB，利用下垂控制得到SOC功率控制信号反馈给混合储能系统，使混合储能系统对其SOC的状态实现均衡合理控制，包括：

(1)根据SMES和VRB储能单元的初始荷电状态SOC₀，利用下垂控制计算其输出电压参考值

式中，U_dcref为直流母线电压的参考值；P_SMES为监测到的超导磁储能SMES实时输出有功功率，P_VRB为监测到的钒液流电池储能VRB实时输出有功功率；R_d-SMES，R_d-VRB为混合储能模块的下垂系数；

(2)将求得的混合储能输出电压参考值与混合储能输出电流参考值相乘以得到反馈功率信号P_bat：

式中，

为SEMS和VRB的输出电流参考值；m为整合系数，取5％；

(3)利用求得的反馈功率信号P_bat以及求得的储能参考功率P_H、P_L，计算得出最终的储能功率指令如下：

式中，P′_H为最终储能参考功率高频部分；P′_L为最终储能参考功率低频部分；

(4)混合储能控制系统工作在第一区间控制模式，采用功率外环控制，即利用功率指令对混合储能系统的充放电进行控制，将求得的P′_H、P′_L分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值，以平抑光伏电源输出有功功率波动；

其中，所述钒液流电池储能VRB第一区间控制方法，包括：

VRB蓄电池组双向DC/DC逆变器以高功率因数为控制目标，工作于有功平抑状态，此时有功、无功控制环节选择上通道选通，有功电流参考值i_P由直流母线电压U_dc计算得到，无功电流参考值i_q＝0。

5.如权利要求1所述的光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤四中，所述由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，进行光伏换流器的第二区间控制，包括：

低电压穿越时，光伏换流器将不再工作于MPPT模式，而是求出直流母线电压参考值

与实际直流母线电压测量值U_dc的差值ΔU_dc：

将ΔU_dc作为并网逆变器控制系统中比例积分控制器PI的输入，通过下式求得单向DC/DC逆变器的占空比α及光伏电池此时的输出有功功率参考值P_PV：

P_PV＝αP_PV(t)；

式中，i_PV为实时检测光伏电池输出的电流，P_PV(t)为光伏电池实时输出的有功功率；

通过控制单向DC/DC的占空比α使光伏电池按照P_PV输出有功功率，以维持直流母线电压的稳定。

6.如权利要求1所述的光伏低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤四中，所述由步骤一判断系统发生电压跌落故障后，进行混合储能系统的第二区间控制，包括：

混合储能系统根据电压跌落的深度不同采取超导磁储能系统SMES优先调节、钒液流电池储能VRB后补调节的策略；在电压跌落深度小于40％时仅由SMES充放电维持功率稳定，VRB暂不投入运行，SMES进行无功功率调节；电压跌落深度大于40％时，VRB投入运行，则VRB进行有功功率调节，包括：

(1)发生电压跌落故障后，系统输入和输出之间产生一个不平衡功率ΔP₁：

通过经验模态分解EMD将不平衡功率ΔP₁分解为高、低频部分P_H1、P_L1；将求得的储能功率指令分配给混合储能系统进行功率的调节，P_H1、P_L1分别作为SMES和VRB功率前馈控制输入参考值；

(2)电压跌落深度小于40％时，仅由超导磁储能SMES侧的逆变器进行第二区间控制，由下式求得SMES储能输出的无功电流参考值i_SMES：

式中，P_H1为SMES功率前馈控制输入参考值；cosφ为SMES的功率因数，取0.5；

将i_SMES作为比例积分控制器PI的输入，再将PI控制器的输出信号经PWM控制器进行脉冲宽度调制，得到SMES储能需吸收或发出的无功功率Q_SMES：

式中，α为PWM调制比，X_ac为交流侧进线电感；

经过电流内环控制调节α使SMES按照Q_SMES最大程度吸收或发出无功功率；

(3)电压跌落深度大于40％时，在两种储能均投入运行，考虑到两种储能自身容量的约束，将步骤(1)中的高、低频功率指令进行储能充放电状态的实时跟踪，结合混合储能的总裕量及自身的最大充放电功率限制并且结合储能实时的SOC大小，对两种储能系统进行功率分配，通过混合储能系统充放电功率指令的动态更新，实现高质量的调度跟踪，包括：

1)通过下式求得混合储能实时的SOC大小，分别为SOC_SMES(t)和SOC_VRB(t)：

式中，

分别为SEMS储能和VRB储能的额定容量；t为时间；k为常系数，取1～2之间；

2)将步骤(1)中经验模态分解EMD得到的高、低频参考功率P_H1、P_L1和混合储能的实时SOC大小经过下述公式进行综合优化得到SMES和VRB的调度功率参考指令

如下式所示：

式中，P_SP(t)为系统调度功率，是上级电网运行部门给定的目标功率曲线；Δt为工作步长，取5min；T_V为滤波时间常数，取为26.02；

3)将所求得SMES和VRB的调度功率参考指令

分别反馈到SMES和VRB逆变器控制信号输入值当中，实现对两种储能进行功率指令的动态更新，如下式所示：

式中，

为SMES更新后的比例积分控制器输入值，

为VRB更新后的比例积分控制器输入值；

SMES根据更新后的无功电流参考值

进行步骤(2)中的无功功率控制；VRB则根据更新后的功率参考值

进行如下有功功率控制：

将更新后的功率参考值

作为VRB比例积分控制器PI的输入，经控制器调节后，运用下式计算出脉冲宽度调制器的输入量α_PWM：

经脉冲宽度调制器调节后，使VRB蓄电池按照P_VRB进行有功功率的充/放电控制：

式中，

分别为VRB蓄电池的有功、无功电流参考值。

7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的光伏低电压穿越控制方法的光伏低电压穿越控制系统，其特征在于，所述光伏低电压穿越控制系统包括：

系统状态判别模块，用于实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；

控制策略划分模块，用于基于所述系统状态判别模块的判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；

第一区间控制模块，用于在所述系统状态判别模块判断系统正常运行时，进行第一区间控制；

第二区间控制模块，用于在所述系统状态判别模块判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；由判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；由判断系统正常运行时，进行第一区间控制；由判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

实时检测并网点电压U_PCC，对光储并网发电系统状态进行判别；由判断结果，根据系统所处状态将控制策略分为两个区间；由判断系统正常运行时，进行第一区间控制；由判断系统发生电压跌落故障后，分别进行光伏换流器和混合储能系统的第二区间控制。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述的光伏低电压穿越控制系统。

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