CN115483715A - 一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法及系统 - Google Patents

一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法及系统，属于光伏电站并网发电技术领域，本发明公开的方法基于VSG控制，针对集中式并网光伏电站提出了自适应虚拟惯量控制策略，光伏电站在调频过程中根据实际电网频率变化对虚拟转动惯量进行自适应调节。该方法相比传统VSG控制，在电网频率动态变化过程的不同阶段增大或减小虚拟转动惯量以减小频率超调和变化率，加快频率恢复速度，提高了光伏电站参与一次调频的动态性能。

Description

一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法 及系统
技术领域
本发明属于光伏电站并网发电技术领域，具体涉及一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法及系统。
背景技术
由于传统光伏发电系统缺乏同步发电机所具有的惯性和阻尼，且通常工作在最大功率跟踪模式，不具备调频能力，所以会导致功率波动和频率稳定问题。近年来随着光伏装机容量的不断提升，电网逐渐要求光伏发电主动参与电网调频，在电网频率波动时为其提供有功功率支撑。由于惯性及调频支撑需要额外的有功功率，国内外关于光伏电站参与电网频率调节的研究主要有配备储能设备和光伏机组有功备用两种方式。但由于储能设备成本较高，寿命相对较短，带来的能量协调、稳定性等问题还未得到很好的解决。
虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术借鉴传统同步发电机的运行特性与控制方式，模拟其转动惯量和阻尼的外特性，可实现友好并网，应用VSG技术的光伏发电系统可以实现对电网频率和电压的控制。故一些学者将VSG技术应用于光伏并网逆变器，提出光伏虚拟同步发电机(photovoltaic virtual synchronous generator，PV-VSG)控制策略，并使光伏发电系统在低于最大功率的工作点运行，留出一定有功备用使其具有调频功能，且能防止直流母线电压崩溃。然而，一次调频性能会受VSG控制参数的影响，特别是虚拟转动惯量的取值对调频动态过程影响较大。此方面的相关研究在有功减载备用基础上采用PV-VSG控制实现了光伏发电系统参与电网调频，但由于其虚拟转动惯量取值固定，存在频率超调大，恢复速度慢的不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法及系统，能够有效解决虚拟转动惯量取值固定而导致的频率超调大、恢复速度慢的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，包括以下步骤：
步骤1：获取光伏电站内各个光伏单元的最大功率点，并使光伏单元减载备用运行留出调频裕度；
步骤2：获取电网频率变化率，并根据自适应控制函数表达式得到相对应的自适应虚拟转动惯量；
步骤3：获取总调频功率，并与当前时刻电站的总减载备用功率相加，得到光伏电站的总有功输出参考值；
步骤4：将步骤3获得的光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元，并控制各个光伏逆变器输出对应有功功率，完成自适应控制。
优选地，步骤1中，通过粒子群算法获得站内各个光伏单元的最大功率，使光伏单元减载备用10％最大功率运行。
进一步优选地，所述粒子群算法包括：
首先，初始化各粒子的初始电压和步长，并对应计算出光伏阵列的输出功率，对比得出粒子局部最优和全局最优功率；
接着，更新粒子步长和电压，再次计算各粒子电压对应的输出功率，并判断是否满足迭代次数，若满足，则算法结束，输出最优电压和对应的输出功率；若不满足，则进入下一次迭代更新直至满足结束条件。
优选地，步骤2中，获取电网频率变化率df/dt，自适应虚拟转动惯量J的自适应控制函数表达式为：
Figure BDA0003861889410000031
式中，J0为虚拟惯量稳态值；α1和α2为自适应惯量系数；M为频率变化率阈值，用于避免频率小范围内波动造成J值的频繁变化,Δf为系统频率与额定频率的差值。
进一步优选地，J0根据固定虚拟惯量的方法选取；α1、α2的取值应根据系统性能调节需要和实际情况综合确定，同时保证J值在(0，Jmax)范围内变化，Jmax按下式进行整定：
Figure BDA0003861889410000032
式中，Pmax为逆变器输出有功功率上限。
优选地，步骤3中，光伏电站的总有功参考值
Figure BDA0003861889410000033
为：
Figure BDA0003861889410000034
式中，ΔPrefs＝Pinertia+Pdroop，Pinertia为模拟发电机转子惯性的功率，Pdroop为模拟发电机调速器的功率，Pref0为逆变器初始有功功率输出。
优选地，步骤4中，将光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元的有功分配策略基于可调容量比原则，根据等可调容量比的约束，第i个光伏单元的功率调整命令表示为：
Figure BDA0003861889410000035
式中，Pzs为光伏电站在负荷扰动前的总有功输出，ΔPs为扰动后总有功变化，Pmaxs为各光伏单元的最大功率之和；Pzi为负荷扰动前第i个光伏单元的有功输出，ΔPi为扰动后第i个光伏单元所承担的有功变化量。
优选地，步骤4中，控制各个光伏逆变器输出对应有功功率采用PQ控制策略。
本发明还公开了一种实现上述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法的系统，包括：
最大功率点获取模块，用于获取光伏电站内各个光伏单元的最大功率点，并使光伏单元减载备用运行留出调频裕度；
自适应虚拟转动惯量获取模块，用于获取电网频率变化率，并根据提出的自适应控制函数表达式得到与电网频率变化率相对应的虚拟转动惯量；
总有功参考值获取模块，用于根据得到的总调频功率与当前输出功率相加，得到光伏电站的总有功参考值；
有功分配控制模块，用于根据获得的光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元，并控制各个光伏逆变器输出对应有功功率，完成自适应控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，首先获得站内各光伏单元的最大功率，并使得光伏单元减载备用运行留出调频裕度，然后获取电网频率变化率，并根据自适应控制处理获得相对应的虚拟转动惯量，再通过获取总调频功率并与当前电站的总减载备用功率相加获得光伏电站的总有功参考值，最后将总有功参考值并分配给站内各光伏单元，并控制各光伏逆变器输出对应有功功率。现有针对光伏虚拟同步发电机控制的研究虽然已经实现了一次调频功能，但是使用的控制参数大多是固定值，不能兼顾频率的超调和恢复速度问题。本专利提出一种自适应虚拟惯量控制，在调频过程中根据频率的变化自适应改变虚拟惯量的值，从而在减小频率超调量的同时加快了频率的恢复速度。本发明方法基于VSG控制，光伏电站在调频过程中根据实际电网频率变化对虚拟转动惯量进行自适应调节，该方法相比传统VSG控制，在电网频率动态变化过程的不同阶段增大或减小虚拟转动惯量以减小频率超调和变化率，加快频率恢复速度，提高了光伏电站参与一次调频的动态性能。
进一步地，本申请首次在调频过程中提出了虚拟转动惯量参数的自适应变化表达式。
进一步地，为了更好地提高调频效果，一方面，光伏单机采用粒子群算法进行最大功率点跟踪，从而能在光伏阵列受到局部阴影遮挡时准确找到全局最大功率点，提升电站参与一次调频的效果。另一方面，采用基于等可调容量比的方法对站内各个发电机组输出有功功率进行分配。目的是为了使电站在参与调频时站内各光伏机组具有相同的调频功率裕度，避免部分光伏机组的过度调节。
附图说明
图1是PV-VSG的主电路结构；
图2是粒子群优化MPPT算法流程图；
图3是光伏机组减载备用控制示意图；
图4是由负荷突增引起功率波动后电网频率变化的动态过程；
图5是PV-VSG控制框图；
图6是10MW光伏电站仿真模型；
图7是不同控制策略下的系统频率响应。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其目的是使得光伏电站留有一定有功备用以参与到电网的一次调频中，并结合虚拟惯量自适应的VSG控制提高集中式光伏电站的调频性能。
所研究PV-VSG的主电路结构如图1所示，采用单级式拓扑，由光伏阵列、三相全桥逆变器、LCL滤波器组成。控制系统采用本发明所提策略，通过SPWM生成开关信号，控制逆变器输出参考电压后经过滤波器接入交流母线。
本发明具体步骤如下：
步骤1：获取站内各光伏单元的最大功率点并减载备用运行。
首先采用粒子群优化算法实现光伏阵列的最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking,MPPT)，特别适用于局部阴影条件。算法核心公式为：
Figure BDA0003861889410000061
式中，k为迭代次数；i＝1,2,…,n，n为粒子的个数；
Figure BDA0003861889410000062
分别为第i个粒子在第k次迭代中的速度和位置；c1、c2分别为个体和群体学习因子；r1和r2是分布在(0，1)范围内的随机数；
Figure BDA0003861889410000063
为第i个粒子当前时刻的个体最优值；
Figure BDA0003861889410000064
为粒子群体搜索历史中当前时刻找到的最优值；ω为惯性权重，ω0为初始权重，这里采用自适应惯性权重，主要是为了平衡全局搜索和局部搜索能力：
Figure BDA0003861889410000065
假设粒子群优化目标是寻找全局最大值，f是衡量粒子位置优劣的适应度值，则Pbest和Gbest的更新方式为：
Figure BDA0003861889410000071
当粒子群算法应用于光伏MPPT时，粒子位置对应光伏阵列的直流输出电压，粒子适应度对应光伏阵列的输出有功功率，速度对应电压步长。本算法首先初始化各粒子的初始电压和步长，并对应计算出光伏阵列的输出功率，对比得出粒子局部最优和全局最优功率。接着更新粒子步长和电压，再次计算各粒子电压对应的输出功率，并判断是否满足结束条件(通常为迭代次数)，若满足，则算法结束，输出最优电压和对应的输出功率；若不满足，则进入下一次迭代更新直至满足结束条件。算法流程图如图2所示。
减载备用控制是指当寻找到光伏阵列最大功率点后，进一步控制光伏输出电压使其低于最大功率点运行，从而预留一定的有功功率使得光伏机组具备参与系统调频的能力。图3为光伏机组减载备用控制的示意图，相关研究可知，光伏机组的稳定运行区域为区域2，即光伏阵列的实际工作电压应高于最大功率点电压，详细原理不再赘述。减载备用控制采用经典的爬山法，即通过与前一时刻的光伏输出功率对比，步进增大光伏输出电压直至输出功率到达备用功率点。关于初始减载率的确定，考虑到弃光和调频的需求，工程上一般选择备用10％～20％最大功率以达到比较经济的水平。
步骤2：获取电网频率变化率，并根据自适应控制处理获得相对应的虚拟转动惯量。
图4是由负荷突增引起功率波动后电网频率变化的动态过程，整个过程可分为2个区间：t0～t1、t1～t2(区间序号分别记为1和2)，根据每个区间的频率变化率与频率偏差的对应关系不同，经分析可得出虚拟转动惯量的调节规律如表1所示：
表1虚拟转动惯量的调节规律
Figure BDA0003861889410000081
考虑控制目标以及指数函数的变化特点，引入频率变化率的二次函数，建立虚拟转动惯量的自适应函数表达式为：
Figure BDA0003861889410000082
式中，J0为虚拟惯量稳态值；α1和α2为自适应惯量系数；M为频率变化率阈值，以避免频率小范围内波动造成J值的频繁变化。
关于式中参数，J0可根据固定虚拟惯量的方法选取；α1、α2的取值应根据系统性能调节需要和实际情况综合确定，同时保证J值在(0，Jmax)范围内变化。Jmax可按下式进行整定：
Figure BDA0003861889410000083
式中，Pmax为逆变器输出有功功率上限。
步骤3：获取总调频功率，并与当前输出功率相加得到光伏电站的总有功参考值。
根据VSG相关理论，为模拟转子惯性，VSG提供虚拟转动惯量的功率Pinertia可表示为：
Figure BDA0003861889410000084
为模拟调速器，VSG用于一次调频的功率Pdroop表示为：
Figure BDA0003861889410000085
式中，m表示同步发电机有功功率的下垂系数。
本发明以电磁功率为控制目标，附加惯性和一次调频功率支撑，光伏电站输出的有功功率指令
Figure BDA0003861889410000091
为：
Figure BDA0003861889410000092
式中，ΔPrefs＝Pinertia+Pdroop，Pref0为初始有功功率输出。
步骤4：将总有功参考值并分配给站内各光伏单元，并控制各光伏逆变器输出对应有功功率。
在调频模式下，本发明采用考虑备用功率的等可调容量比的有功分配策略，根据等可调容量比的约束，第i个光伏单元的功率调整命令可表示为：
Figure BDA0003861889410000093
式中，Pzs为光伏电站在负荷扰动前的总有功输出，ΔPs为扰动后总有功变化，Pmaxs为各光伏单元的最大功率之和；Pzi为负荷扰动前第i个光伏单元的有功输出，ΔPi为扰动后第i个光伏单元所承担的有功变化量。
本发明提出的自适应VSG控制框图如图5所示，首先利用粒子群算法得到各光伏阵列的最大功率点电压，后提高光伏输出电压寻找到有功备用点即减载备用运行，接着基于自适应虚拟惯量的VSG控制结合电网频率变化率计算得到调频功率，在有功备用点叠加调频功率得到光伏电站并网有功功率指令。经过有功分配环节后得到各光伏单元的有功参考值，此时对应的直流电压即为电压外环的参考信号。图5中，Pref和Qref分别为逆变器有功功率和无功功率指令。当采用电网电压定向控制时，电网电压q轴分量uq＝0，电流内环的有功和无功电流指令为：
Figure BDA0003861889410000094
电流内环的控制方程为：
Figure BDA0003861889410000095
式中，ud、uq为输出电压，id,qref、id,q分别为d、q轴电流的参考值和实际值。
下面结合一个具体实施例，说明采用本发明的方法实现光伏电站参与电网一次调频的控制效果。本实施例中有关参数设置如下：图6为额定容量为10MW的光伏电站仿真模型，由5个容量为2MW的光伏发电单元组成。图中，PV1～PV5为光伏阵列，T1～T5为站内升压变压器，Zg为电站接入电网的输电线路阻抗，电网用汽轮同步发电机模拟，交流侧额定电压为0.27kV，变压器变比为0.27/10kV。设置负荷突增来模拟有功波动的运行场景，通过与不参与调频和固定虚拟惯量的VSG控制进行对比来验证所提控制策略的运行效果，自适应虚拟惯量控制参数取值如下表2所示：
表2自适应虚拟惯量控制参数
Figure BDA0003861889410000101
t＝0s开始，负载为额定值，t＝20s时负荷突增了1.415MW(5％负荷扰动)，光伏电站未参与调频、采用固定虚拟惯量(J＝180kg·m2和J＝360kg·m2)和提出的自适应虚拟惯量情况下的系统频率响应结果如图7所示。从图中可以看到，当光伏电站未参与调频时，系统频率变化率、频率超调和稳态偏差都很大；当机组采用J＝180kg·m2的固定虚拟惯量控制时，由于虚拟惯量较低，所以系统频率恢复速度较快，但超调较大。当机组采用J＝360kg·m2的固定虚拟惯量控制时，由于虚拟惯量较高，所以系统频率超调较小，但恢复速度较慢。而提出的自适应虚拟惯量控制，与低惯量系统相比减小了频率超调，与高惯量系统相比加快了频率恢复速度，很好地结合了二者的优势，有效提升了一次调频的动态特性，从而提高了电网的频率稳定性。
综上所述，光伏电站以有功备用方式参与电网一次调频可以充分利用光伏自身资源、减少电站储能装置的设计容量，从而减小建设和运行成本，在调频过程中对虚拟惯量的取值进行自适应优化，则可以进一步提高光伏参与电网调频的动态性能。本发明基于VSG控制，使光伏电站在调频过程中能够根据实际电网频率变化对虚拟转动惯量进行自适应调节，相比传统VSG控制，在电网频率动态变化过程的不同阶段增大或减小虚拟转动惯量以减小频率超调和变化率，加快频率恢复速度，提高了光伏电站参与一次调频的动态性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取光伏电站内各个光伏单元的最大功率点，并使光伏单元减载备用运行留出调频裕度；
步骤2：获取电网频率变化率，并根据自适应控制函数表达式得到相对应的自适应虚拟转动惯量；
步骤3：获取总调频功率，并与当前时刻电站的总减载备用功率相加，得到光伏电站的总有功输出参考值；
步骤4：将步骤3获得的光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元，并控制各个光伏逆变器输出对应有功功率，完成自适应控制。
2.根据权利要求1所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，步骤1中，通过粒子群算法获得站内各个光伏单元的最大功率，使光伏单元减载备用10％最大功率运行。
3.根据权利要求2所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，所述粒子群算法包括：
首先，初始化各粒子的初始电压和步长，并对应计算出光伏阵列的输出功率，对比得出粒子局部最优和全局最优功率；
接着，更新粒子步长和电压，再次计算各粒子电压对应的输出功率，并判断是否满足迭代次数，若满足，则算法结束，输出最优电压和对应的输出功率；若不满足，则进入下一次迭代更新直至满足结束条件。
4.根据权利要求1所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，步骤2中，获取电网频率变化率df/dt，自适应虚拟转动惯量J的自适应控制函数表达式为：
Figure FDA0003861889400000021
式中，J0为虚拟惯量稳态值；α1和α2为自适应惯量系数；M为频率变化率阈值，用于避免频率小范围内波动造成J值的频繁变化,Δf为系统频率与额定频率的差值。
5.根据权利要求4所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，J0根据固定虚拟惯量的方法选取；α1、α2的取值应根据系统性能调节需要和实际情况综合确定，同时保证J值在(0，Jmax)范围内变化，Jmax按下式进行整定：
Figure FDA0003861889400000022
式中，Pmax为逆变器输出有功功率上限。
6.根据权利要求1所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，步骤3中，光伏电站的总有功参考值
Figure FDA0003861889400000023
为：
Figure FDA0003861889400000024
式中，ΔPrefs＝Pinertia+Pdroop，Pinertia为模拟发电机转子惯性的功率，Pdroop为模拟发电机调速器的功率，Pref0为逆变器初始有功功率输出。
7.根据权利要求1所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，步骤4中，将光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元的有功分配策略基于可调容量比原则，根据等可调容量比的约束，第i个光伏单元的功率调整命令表示为：
Figure FDA0003861889400000025
式中，Pzs为光伏电站在负荷扰动前的总有功输出，ΔPs为扰动后总有功变化，Pmaxs为各光伏单元的最大功率之和；Pzi为负荷扰动前第i个光伏单元的有功输出，ΔPi为扰动后第i个光伏单元所承担的有功变化量。
8.根据权利要求1所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法，其特征在于，步骤4中，控制各个光伏逆变器输出对应有功功率采用PQ控制策略。
9.一种实现权利要求1～8中任意一项所述的用于集中式光伏电站的虚拟同步发电机自适应控制方法的系统，其特征在于，包括：
最大功率点获取模块，用于获取光伏电站内各个光伏单元的最大功率点，并使光伏单元减载备用运行留出调频裕度；
自适应虚拟转动惯量获取模块，用于获取电网频率变化率，并根据提出的自适应控制函数表达式得到与电网频率变化率相对应的虚拟转动惯量；
总有功参考值获取模块，用于根据得到的总调频功率与当前输出功率相加，得到光伏电站的总有功参考值；
有功分配控制模块，用于根据获得的光伏电站的总有功参考值分配给站内各个光伏单元，并控制各个光伏逆变器输出对应有功功率，完成自适应控制。
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