CN114884090B - 计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，在光伏系统双模式频率控制中：在虚拟惯量模式中将电网频率变化与直流电容电压控制参考值耦合，即增加直流电容虚拟惯量支撑，使得光伏面板和直流电容共同提供虚拟惯量；当光伏系统由虚拟惯量模式切换到频率阻尼模式时，移除直流电容虚拟惯量控制回路，通过设置直流电压参考值变化斜率限制，使直流电压自然且平滑地恢复至额定值。本发明能够有效降低频率受扰后的频率变化率以及频率最低点处的频率偏移，提升了光伏系统在双模式控制下对频率支撑的效果，还可以保障直流电压稳定和光伏系统正常运行，进一步提高了光伏系统频率支撑控制的实用性。

Description

计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法

技术领域

本发明涉及光伏系统双模式频率控制技术领域，具体为一种计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法。

背景技术

为保障新能源接入电网的频率安全，光伏系统的快速频率控制(fast frequencycontrol,FFC)受到重视。一方面，频率最低点和频率变化率(rate of change offrequency，RoCoF)是衡量光伏频率支撑控制效果的两大重要指标，光伏频率支撑控制应尽可能提高扰动发生后的频率最低点，抑制扰动后短时间内的频率变化率。另一方面，光伏面板可预留备用功率对电网提供虚拟惯量和频率阻尼，二者决定了对不同频率动态指标的支撑效果。因此，光伏可通过协调虚拟惯量控制和频率阻尼控制实现对频率动态指标的综合优化，形成光伏系统的双模式频率控制。此外，光伏系统中的直流电容也可提供虚拟惯量支撑，但直流电容在完成惯量支撑后存在电压恢复问题，否则直流电压长期偏移额定值可能对光伏系统稳定运行造成影响，且无法对连续频率受扰事件进行响应。因此，为了充分利用光伏系统的功率备用，进一步改善光伏系统主动参与频率支撑的质量，关键策略是使得光伏系统的直流电容也参与电网的频率支撑，且在后续阶段能够实现电压的平稳恢复。

现有技术方案：

(1)措施1：提出基于光伏系统备用功率的惯量和阻尼双模式协调控制策略，可以参考以下参考文献：

参考文献[1]Q.Peng,Y.Yang,T.Liu,and F.Blaabjerg,“Coordination ofVirtual Inertia Control and Frequency Damping in PV Systems for OptimalFrequency Support,”CPSS TPEA,vol.5,no.4,pp.305–316,Dec.2020.

(2)措施2：提出分布式发电系统(包括光伏系统)中直流电容提供虚拟惯量的策略，可以参考以下参考文献：

参考文献[2]J.Fang,H.Li,Y.Tang,and F.Blaabjerg,“Distributed PowerSystem Virtual Inertia Implemented by Grid-Connected Power Converters,”IEEETrans.Power Electron.,vol.33,no.10,pp.8488–8499,Oct.2018.

(3)措施3：提出基于高通滤波器的直流电容虚拟惯量控制和电压恢复方法，可以参考以下参考文献：

参考文献[3]王素娥、吴永斌、熊连松、张东辉、郝捷、唐震.光伏并网发电系统的虚拟惯量控制策略[J].高电压技术,2020,46(11):9.

参考文献[4]Ke G,Fang J,Yi T.Autonomous DC-Link Voltage Restorationfor Grid-Connected Power Converters Providing Virtual Inertia[C]//2018IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE).IEEE,2018.

上述技术方案的缺点如下：

措施1缺点：所提光伏系统虚拟惯性和频率阻尼的双模式协调控制，利用光伏面板预留的备用功率提供虚拟惯量和频率阻尼，但未考虑直流电容的惯量支撑能力，光伏系统对电网频率的支撑效果未达到最优。

措施2缺点：所提分布式发电系统(包括光伏系统)中直流电容的虚拟惯量控制方法，未考虑其与光伏面板功率控制的协调，也未考虑电容电压恢复的问题。

措施3缺点：所提基于高通滤波器的直流电容虚拟惯量控制，使得电容电压可以重新恢复到额定值，但对高通滤波器的截止频率设计未进行详细阐述，对电压恢复时间的限制缺乏理论依据。此外，高通滤波器的应用使得直流电容提供的虚拟惯量大小难以量化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，能够有效降低频率受扰后的频率变化率以及频率最低点处的频率偏移，提升光伏系统在双模式控制下对频率支撑的效果，还可以保障直流电压稳定和光伏系统正常运行，进一步提高光伏系统频率支撑控制的实用性。技术方案如下：

一种计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，在光伏系统双模式频率控制中：

(1)在虚拟惯量模式中将电网频率变化与直流电容电压控制参考值耦合，即增加直流电容虚拟惯量支撑，使得光伏面板和直流电容共同提供虚拟惯量；

(2)当光伏系统由虚拟惯量模式切换到频率阻尼模式时，移除直流电容虚拟惯量控制回路，通过设置直流电压参考值变化斜率限制，使直流电压自然且平滑地恢复至额定值。

进一步的，所述光伏系统双模式频率控制具体为：

电网受扰后，当频率偏离额定频率f₀设定阈值后触发双模式频率控制；将从控制触发点开始到频率达到最低点的时间段的控制模式确定为虚拟惯量模式，在该阶段光伏系统把全部可用能量都用来提供虚拟惯量，以降低频率变化率；将从频率最低点后的控制模式确定为频率阻尼模式，在该阶段光伏系统把全部可用能量都用来提供频率阻尼，减少恢复频率与额定频率的偏差，直到频率进入新的稳定状态。

更进一步的，所述直流电容的虚拟惯量控制律为：

式中，Δω为电网角频率偏差，

为附加的直流电容参考变化电压，k_ωv为下垂控制系数；

直流电容的虚拟惯量控制具体为：

以附加的直流电容参考变化电压

实时直流电压v_dc和直流电压额定值v_dc0为输入，通过比例积分控制器生成d轴电流控制的参考值

更进一步的，所述设置直流电压参考值变化斜率限制具体为：

使直流电容充电以恢复至额定电压的能量需求为：

考虑直流电容充电能量与充电功率的关系表示为：

当P_charge为定值时，式(3)改写为：

E_dc＝P_charge·t   (4)

在已知电容充电功率P_charge下，由式(4)求得电容在该充电功率下，吸收ΔE′所需要的时间t_res为：

由此得到在电容充电功率P_charge下，电容电压恢复斜率的限值为：

则电压恢复实时的斜率为

式中，v_i-1为上一时间步长的电容电压，t_s为控制系统采样时间；

当R_real-time小于R_limit时，电容电压变化斜率仍为R_real-time，不采取限制措施；

当R_real-time大于R_limit，直流电压参考值变化斜率限制将会生效，避免出现超过充电功率所能承受的最大恢复斜率，发生光伏系统功率倒吸现象；

控制逻辑用方程表示为：

式中，R电容电压变化斜率。

本发明的有益效果是：本发明提出的计及直流电容惯量支撑与电压恢复双模式频率控制方法，其主要应用场景为光伏并网系统；为了进一步提高光伏系统的电网频率支撑能力，提出在双模式控制的虚拟惯量模式(virtual inertia mode，VIM)中将电网频率变化与直流电容电压控制参考值耦合，即增加直流电容虚拟惯量控制，使光伏系统在VIM阶段能够向电网提供更大的暂态能量支撑。针对电容电压的恢复问题，借助双模式控制切换逻辑清楚简洁的优势，提出当光伏系统由VIM切换到频率阻尼模式(frequency damping mode，FDM)时移除直流电容虚拟惯量控制回路，通过设置直流电压参考值变化斜率限制，使直流电压自然且平滑地恢复至额定值。本发明提出的控制方法在已有方法的基础上进一步优化了频率支撑效果，并弥补了已有方法中直流电容虚拟惯量控制中电压恢复的缺陷，实现光伏系统资源利用最优。

附图说明

图1为电网受扰后一次调频时间尺度下频率动态及双模式频率控制原理图。

图2为计及直流电容虚拟惯量控制的外环电压控制。

图3为计及直流电容惯量支撑与电压恢复的双模式控制逻辑。

图4为光伏并网系统结构。

图5为不同控制策略下的系统动态响应仿真结果：(a)频率波形；(b)频率变化率波形；(c)光伏输出功率；(d)直流电容电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提出的计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，是在已有双模式频率控制的基础上，在VIM阶段附加了直流电容惯量支撑控制，进一步提升了光伏系统的频率支撑能力，改善了电网频率质量。此外，对直流电容参与惯量支撑后的电压恢复斜率限制进行了合理设计，使得直流电压能够自然平滑地恢复额定值，保障了光伏系统运行稳定性和应对连续扰动的能力。

1.计及直流电容惯量支撑的双模式频率控制

光伏系统双模式频率控制的主要概念是在频率响应的不同阶段为电网提供虚拟惯量或频率阻尼，在参考文献[1]中首次被提出。如图1所示为电网受扰后一次调频时间尺度下频率动态曲线，当频率偏离额定频率f₀一定程度后触发双模式频率控制，其基本原理为在B点到C点阶段将光伏系统中全部可用能量用来提供虚拟惯量，主要以降低RoCoF；在频率最低值C点后将光伏全部可用能量提供频率阻尼，减少恢复频率与额定频率的偏差，频率逐渐在D点处进入新的稳定状态。因此，将BC段的控制模式定义为VIM，CD段的控制模式定义为FDM。

为了提高光伏系统中可用能量利用率，除了原本光伏面板自身的备用功率外，还存在光伏直流侧电容中储存的能量。考虑到电容是一种容量有限的储能元件，更适用于提供暂态虚拟惯量支撑，本发明提出在VIM阶段将光伏系统的所有能量全部用于参与惯量提供，实现光伏系统中的能量最大化利用。

直流电容的虚拟惯量控制律为

式中，Δω为电网角频率偏差，

为附加的直流电容参考变化电压，k_ωv为下垂控制系数。

直流电容的虚拟惯量控制框图如图2所示，图中v_dc为实时直流电压，v_dc0为直流电压额定值，

为d轴电流控制参考值，K_pv和K_iv分别为逆变器中PI控制器的比例和积分增益。

2.直流电压恢复策略及斜率限制设计

根据式(1)和图2可知，在频率受扰后恢复到额定值之前，Δω会保持在一个稳定的水平，导致直流侧电容电压会长时间处于一个低于额定电压值的状态，有可能会造成并网逆变器出现过调制现象，并且使直流电容无法应对连锁的频率扰动，因此让电容电压能够在惯量支撑结束后恢复到额定值具有重要意义。

本发明提出的直流电压恢复策略即在光伏系统由VIM切换到FDM时移除直流电容虚拟惯量控制，附加的电容变化参考值

变为0，此后，电容电压将会在外环电压控制下恢复到额定值。但需要注意的是，立即切除直流电容虚拟惯量控制会导致直流电容快速充电，造成电网功率返送，从而频率在最低点处再次下降，RoCoF也将因此受到波动，因此需要限制直流电压参考值恢复的斜率。

使直流电容充电以恢复至额定电压的能量需求为：

式中，v_i为当前时刻的电容电压。

考虑直流电容充电能量与充电功率的关系可表示为：

式中，P_charge为实时参与电容充电的功率，由光伏面板备用功率提供。当P_charge为定值时，式(3)可改写为：

E_dc＝P_charge·t   (4)

在已知电容充电功率P_charge下，由式(4)求得电容在该充电功率下，吸收ΔE′所需要的时间t_res为：

由此可以得到在P_charge下，电容电压恢复斜率的限值为：

则电压恢复实时的斜率为

式中，v_i-1为上一时间步长的电容电压，t_s为控制系统采样时间。

当R_real-time小于R_limit时，电容电压变化斜率仍为R_real-time，不采取限制措施；当R_real-time大于R_limit，直流电压参考值变化斜率限制将会生效，避免出现超过充电功率所能承受的最大恢复斜率，发生光伏系统功率倒吸现象，控制逻辑用方程可以表示为：

在电压恢复期间该策略能够自适应的进行斜率限值调节，在光伏系统遭遇不同程度的扰动时，电容电压以其充电功率可支撑的最快速率范围恢复到参考电压，有效解决了电压恢复出现电网功率返送的问题。

3.计及直流电容惯量支撑与电压恢复的光伏系统双模式频率控制

计及直流电容惯量支撑与电压恢复的光伏系统双模式频率控制逻辑如图3所示，在VIM阶段，光伏面板备用功率和直流电容共同进行惯量支撑，切换到FDM后，仅光伏面板备用功率用于提供频率阻尼，直流电容进入电压恢复状态。

实施例：

本发明通过在MATLAB/Simulink软件中搭建了两级式三相光伏并网系统进行仿真，系统结构如图4所示。在电网受到负荷扰动的场景下，验证提出的计及直流电容惯量支撑与电压恢复的光伏系统双模式频率控制方法的有效性。其中，独立电网部分由一个虚拟同步发电机(virtual synchronous generators，VSG)代替，稳态输出功率为10kW，具体参数如表1所示。

表1光伏系统参数

实施例：在15s时电网受到约11％的负荷阶跃，光伏的备用功率设为1kW，直流电压恢复期间的电容充电功率P_charge＝0.15kW。

验证方案：

根据上述理论设计，采用含直流电容惯量支撑与电压恢复的光伏系统双模式频率控制方法，并与其它两种控制方法进行对比，仿真所得频率，频率变化率，光伏输出功率，以及直流电容电压动态响应如图5所示，具体的控制方法如下：

方法一：不含光伏频率支撑控制；

方法二：不含直流电容惯量支撑的双模式频率控制(现有技术方案[1]提出的方法)；

方法三：计及直流电容惯量支撑与电压恢复的光伏系统双模式频率控制。

表2总结了在不同控制方法下的频率质量评价指标，通过对不同控制策略在频率控制方面的表现对比分析可以得出：(1)方法一相较于其他方法不含有光伏频率支撑控制，其频率偏移以及RoCoF的变化程度明显更大。(2)方法二为已有的双模式频率控制，仅由光伏面板备用功率提供虚拟惯量和频率阻尼，所以其直流电容电压一直保持在额定值附近，但频率及RoCoF的支撑能力对比方法一明显提升。(3)方法三为含直流电容惯量支撑及电压恢复的双模式频率控制，在最低点之前，电容放电用于参与惯量支撑，其电压下降，0.3内的RoCoF提高到0.783Hz/s，在控制切换到FDM后，由于考虑了电压变化斜率限制，电压恢复斜率在其充电功率限制范围内，未出现电网功率返送现象，频率最低点明显提升到49.60Hz，相较于已有的双模式控制更具优势。

表2不同控制方法下的频率质量指标

注：|RoCof|*为扰动发生后0.3s时间区间的测量值

从上述例子中可以看出，本发明所提出的控制有效地提高了光伏系统对频率的支撑效果。在已有的双模式频率控制基础上增加了直流电容惯量支撑，实现了光伏系统资源最优化利用，提升了光伏系统的频率支撑能力，使得在电网受到大扰动后，频率质量得到较大程度的改善。此外，本发明提出的方法使直流电容在进行惯量支撑后能够自然平滑地恢复到额定值，保障了光伏系统运行稳定性和应对连续扰动的能力。

Claims (3)

1.一种计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，其特征在于，在光伏系统双模式频率控制中：

(1)在虚拟惯量模式中将电网频率变化与直流电容电压控制参考值耦合，即增加直流电容虚拟惯量支撑，使得光伏面板和直流电容共同提供虚拟惯量；

(2)当光伏系统由虚拟惯量模式切换到频率阻尼模式时，移除直流电容虚拟惯量控制回路，通过设置直流电压参考值变化斜率限制，使直流电压自然且平滑地恢复至额定值；

所述光伏系统双模式频率控制具体为：

电网受扰后，当频率偏离额定频率f₀设定阈值后触发双模式频率控制；将从控制触发点开始到频率达到最低点的时间段的控制模式确定为虚拟惯量模式，在该阶段光伏系统把全部可用能量都用来提供虚拟惯量，以降低频率变化率；将从频率最低点后的控制模式确定为频率阻尼模式，在该阶段光伏系统把全部可用能量都用来提供频率阻尼，减少恢复频率与额定频率的偏差，直到频率进入新的稳定状态。

2.根据权利要求1所述的计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，其特征在于，所述直流电容的虚拟惯量控制律为：

式中，Δω为电网角频率偏差，

为附加的直流电容参考变化电压，k_ωv为下垂控制系数；

直流电容的虚拟惯量控制具体为：

以附加的直流电容参考变化电压

实时直流电压v_dc和直流电压额定值v_dc0为输入，通过比例积分控制器生成d轴电流控制的参考值

3.根据权利要求2所述的计及直流电容参与的光伏系统双模式频率控制方法，其特征在于，所述设置直流电压参考值变化斜率限制具体为：

使直流电容充电以恢复至额定电压的能量需求为：

式中，v_i为当前时刻的电容电压，C_dc为直流电容容值；

考虑直流电容充电能量与充电功率的关系表示为：

式中，P_charge为实时参与电容充电的功率，由光伏面板备用功率提供；

当P_charge为定值时，式(3)改写为：

E_dc＝P_charge·t                 (4)

在已知电容充电功率P_charge下，由式(4)求得电容在该充电功率下，吸收ΔE^′所需要的时间t_res为：

由此得到在电容充电功率P_charge下，电容电压恢复斜率的限值为：

则电压恢复实时的斜率为

式中，v_i-1为上一时间步长的电容电压，t_s为控制系统采样时间；

当R_real-time小于R_limit时，电容电压变化斜率仍为R_real-time，不采取限制措施；

当R_real-time大于R_limit，直流电压参考值变化斜率限制将会生效，避免出现超过充电功率所能承受的最大恢复斜率，发生光伏系统功率倒吸现象；

控制逻辑用方程表示为：

式中，R为电容电压变化斜率。

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