CN116599155A - 光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏‑储能自同步电压源发电系统协调控制方法及系统，通过协调控制策略来协调光伏变换器、自同步电压源逆变器、储能变换器的功率交换，抑制了由光伏功率波动与电网频率波动引起的直流侧电压的急剧波动；由于自同步电压源逆变器给定功率是根据光伏功率的变化平滑调整，因此可以充分利用光伏发电能量，平抑并网输出功率波动，并改善储能电池充放电功率动态特性，避免储能电池充放电功率超调。本发明可广泛应用于基于自同步电压源逆变器的光伏‑储能发电系统。

Description

光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，特别是一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法及系统。

背景技术

近年来，随着人们对能源和环境问题越来越重视，光伏发电、风力发电等新能源发电技术发展迅速。随着光伏在建筑、交通等领域的融合与发展，分布式光伏的应用规模不断扩大。以光伏发电为代表的可再生能源并网发电系统，缺乏传统发电机的惯性和阻尼，难以适应弱电网条件并主动支撑电网。为了充分利用太阳能，光伏发电装置通常以最大功率运行模式运行，但在此控制模式下系统缺乏惯性。因此，光伏发电系统通常在直流侧配备一定容量的储能电池，以模拟同步发电机为系统提供的惯性和阻尼支撑以及一次调频功能。自同步电压源逆变器无需使用锁相环，极大地改进了系统在弱电网条件下的稳定性。光伏-储能自同步电压源发电系统的难点在于光伏输入MPPT、储能变换器和并网逆变器的功率协调策略，这体现在以下几个方面：1)光伏阵列受外部光强变化的影响，输出间歇性和随机性，需要实时跟踪光伏功率变化；2)并网逆变器算法要求根据电网频率随时调整输出；3)储能电池充放电管理。协调控制策略需要考虑作用于直流母线的三个可变因素，以避免直流母线电压的频繁和剧烈波动。典型光伏-储能自同步电压源发电系统(程子霞,于洋,柴旭峥.基于协同自适应控制的光储VSG运行控制研究[J].电力系统保护与控制,2020,48(24):79-85.)，在当光伏功率波动时，自同步电压源逆变器的给定功率通常配置为调度命令，有功功率命令没有根据光伏功率的变化及时调节，光伏的功率波动由储能变换器平衡。一方面，光伏的功率波动可能会超过电池的调节能力；另一方面，直流侧电压的稳定性取决于电池变换器的恒压控制，直流母线电压具有较小的惯性，当光伏发电急剧波动或电网频率突然变化时，会导致直流侧电压的急剧上升/下降。如何增强系统的抗扰性、提升系统的稳定性，对提升大规模新能源发电接入电网的稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法及系统，提高光伏发电能源利用率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，所述光伏-储能自同步电压源发电系统包括储能变换器和光伏变换器，所述储能变换器和光伏变换器均接自同步电压源逆变器，所述电压源逆变器接入电网，包括以下步骤：

S1、将光伏变换器输出功率P_PV与低通滤波器传递函数G_f(s)相乘，得到自同步电压源逆变器的给定有功功率P_set；G_f(s)＝1/(ts+1)，s为拉普拉斯变换因子，t为滤波器时间常数；

S2、利用所述自同步电压源逆变器的给定有功功率P_set、自同步电压源逆变器的有功功率P计算自同步电压源逆变器的功角θ，利用所述自同步电压源逆变器的无功功率Q、给定无功功率Q_set计算自同步电压源逆变器的虚拟内电动势有效值E_m；

S3、利用功角θ和虚拟内电动势有效值E_m计算自同步电压源逆变器的调制波e_a、e_b、e_c；

S4、将e_a、e_b、e_c经过PWM调制，得到自同步电压源逆变器开关管的占空比信号，控制自同步电压源逆变器开关管的开通与关断。

本发明使用光伏功率作为自同步电压源逆变器的功率指令，当光伏功率发生变化时，自同步电压源逆变器快速地将光伏功率传输至电网，因此提高了光伏发电能源利用率。由于自同步电压源逆变器给定功率是根据光伏功率的变化平滑调整，因此可以充分利用光伏发电能量，平抑并网输出功率波动，并改善储能电池充放电功率动态特性，避免储能电池充放电功率超调。

本发明还包括储能变换器控制部分，所述储能变换器控制部分实现过程包括：

A、将前馈补偿功率P_ω除以储能电池电压额定值V_b，得到补偿电流参考值I_{ω_ref}；

B、将电流参考值i_ref1加上补偿电流参考值I_{ω_ref}，得到电流内环参考指令i_ref，电流内环参考指令i_ref与储能电池输出电流i_b相减，得到电流误差量Δi；

C、将电流误差量Δi经PI控制后，得到PWM调制波信号u_r；

D、将u_r经过PWM调制，得到储能变换器开关管的占空比信号，控制储能变换器开关管的开通与关断。

本发明储能变换器和自同步电压源逆变器共同调整功率，避免了直流侧电压的剧烈波动，避免了光伏发电急剧波动或电网频率突然变化时导致的直流侧电压的急剧上升/下降，增强了系统的抗扰性、提升系统的稳定性，提升了大规模新能源发电接入电网的稳定性。

前馈补偿功率P_ω的计算公式为：P_ω＝D_Pω_n(ω_n-ω)；其中，ω为自同步电压源逆变器的输出角频率，ω_n为额定电网角频率，D_P为自同步电压源逆变器的虚拟阻尼系数。

本发明将自同步电压源逆变器角频率引入储能变换器进行功率前馈控制。当电网频率发生变化时，自同步电压源逆变器输出功率与角频率发生变化，储能变换器会根据自同步电压源逆变器的角频率快速调整功率，以避免直流侧电压的剧烈波动。

本发明中，电流参考值i_ref1的获取过程包括：

在每个采样周期的起始点，对直流母线电压u_dc和储能电池输出电流i_b进行采样；

将直流母线电压参考值u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；

电压误差量Δu通过PI控制后，得到电流参考值i_ref1。

本发明还包括光伏变换器控制部分，所述光伏变换器控制部分包括：在每个采样周期的起始点，对光伏阵列的输出电压v_pv、输出电流i_pv进行采样，计算光伏功率P_pv，利用所述光伏功率P_pv，通过MPPT方法改变占空比D，控制光伏变换器开关管的开通与关断。

本发明中，功角θ和虚拟内电动势有效值E_m的计算公式为：

其中，s为拉普拉斯变换因子，J为自同步电压源逆变器的虚拟惯性系数，D_P为有功频率下垂系数，ω和ω_n分别为自同步电压源逆变器的输出角频率和电网的额定角频率，K为电压调节系数，D_q为无功电压下垂系数，V_n为并网点电压额定幅值，V为自同步电压源逆变器的输出相电压幅值。

本发明中，自同步电压源逆变器的调制波e_a、e_b、e_c的计算公式为：

作为一个发明构思，本发明还提供了一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制系统，其包括：

一个或多个处理器；

存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过功率前馈的方式，根据自同步电压源逆变器的角频率调整功率，抑制了由功率波动引起的直流侧电压的急剧波动，确保了光伏-储能发电系统的安全运行。此外，由于自同步电压源逆变器给定功率是根据光伏功率的变化平滑调整，充分利用光伏发电能量，并避免储能电池充放电功率持续超标，从而保护储能电池，延长了储能电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例光伏-储能自同步电压源发电系统结构图；

图2为本发明一实施例光伏-储能自同步电压源发电系统功率协调控制方法控制框图；

图3为本发明一实施例传统控制与功率协调控制下光伏功率波动时直流侧电压变化对比图；

图4为本发明一实施例传统控制与功率协调控制下电网频率突增时直流侧电压变化对比图；

图5为本发明一实施例传统控制与功率协调控制下电网频率突增时储能变换器功率变化对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一实施例光伏-储能自同步电压源发电系统结构图包括电路结构、控制系统两部分。电路结构中，光伏变换器采用BOOST电路拓扑,储能变换器采用双向BOOST电路拓扑，自同步电压源逆变器采用两电平三相桥式电路拓扑。此外，AD采样电路对直流母线电压u_dc、储能电池输出电流i_b、光伏输出电压v_pv与输出电流i_pv、自同步电压源逆变器交流侧的滤波电容电压u_abc与输出电流i_abc进行采样，将经过AD采样电路转换后的数据送给DSP控制器进行处理。C_dc是直流母线电容，L_f是自同步电压源逆变器的滤波电感，C_f是自同步电压源逆变器的滤波电容，L_g是电网的等效电感；所述控制系统包括自同步电压源逆变器控制，储能变换器控制，光伏变换器控制，控制系统的e_abc为自同步电压源逆变器PWM调制波信号，u_r为储能变换器PWM调制波信号,u_pv为光伏变换器PWM调制波信号，通过载波PWM调制分别得到自同步电压源逆变器、储能变换器、光伏变换器各开关管的触发脉冲T₁、T₂、T₃，控制逆变电路开关管的开通与关断。

图2为本发明实施例控制框图，光伏变换器控制部分，在每个采样周期的起始点，对光伏的输出电压v_pv、输出电流i_pv进行采样，光伏功率P_pv由光伏输出电压v_pv和光伏输出电流i_pv计算，通过基于占空比扰动观察法的MPPT算法改变占空比D，占空比D经驱动电路控制光伏变换器开关管的开通与关断。

自同步电压源逆变器控制部分,在每个采样周期的起始点，对自同步电压源逆变器交流侧的滤波电容电压u_abc、输出电流i_abc进行采样，将经过AD采样电路转换后的数据送给DSP控制器，输出功率P_set根据光伏变换器功率进行调节，其表达式为：

P_set＝P_pvG_f(s)

其中G_f(s)＝1/(ts+1)为低通滤波器，t为滤波器时间常数，可以平滑自同步电压源逆变器输出功率。

通过将采样得到的u_abc、i_abc与静止坐标到αβ坐标变换公式，得到αβ坐标系下自同步电压源逆变器的输出电流i_α、i_β；自同步电压源逆变器的滤波电容电压v_α、v_β。

由i_α、i_β、v_α、v_β计算得到自同步电压源逆变器的有功功率P、无功功率Q、输出相电压幅值V；有功功率P、无功功率Q、输出相电压幅值V计算方法为：

自同步电压源逆变器的有功功率P、给定功率P_set经有功功率控制环计算得到功角θ；自同步电压源逆变器的有功功率Q、给定功率Q_set经无功功率控制环计算得到虚拟内电动势有效值E_m。θ、E_m计算方法为：

其中，s为拉普拉斯变换因子，J为自同步电压源逆变器的虚拟惯性系数，D_P为有功频率下垂系数，也称为频率阻尼系数，ω和ω_n分别为输出角频率和电网的额定角频率，K为电压调节系数，D_q为无功电压下垂系数，V_n为并网点电压额定幅值。

由功角θ和虚拟内电动势有效值E_m计算得到自同步电压源逆变器的调制波e_a、e_b、e_c，调制波e_a、e_b、e_c的计算方法为：

对e_a、e_b、e_c和三角载波进行载波PWM调制，得到逆变开关管的占空比信号，经自同步电压源逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断。

针对储能变换器控制部分,在每个采样周期的起始点，对储能变换器的直流母线电压u_dc和储能电池输出电流i_b进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器；将直流母线电压参考值u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；电压误差量Δu通过电压PI控制后，得到电流参考值i_ref1；其中，电压PI控制传递函数G_v(s)＝k_{p_v}+k_{i_v}/s，k_{p_v}为电压PI控制比例系数，k_{i_v}为电压PI控制积分系数。

为了快速平衡功率波动，在储能变换器控制器中加入前馈补偿功率P_ω，前馈补偿功率P_ω表达式为：P_ω＝D_Pω_n(ω_n-ω)。此时，储能变换器的功率变化不仅受直流母线电压的影响，而且还根据自同步电压源逆变器的角频率调整功率输出，以平衡自同步电压源逆变器的功率变化。P_ω除以储能电池电压额定值V_b得到补偿电流参考值I_{ω_ref}；将电流参考值i_ref1加上补偿电流参考值I_{ω_ref}得到电流内环参考指令i_ref，并与储能电池输出电流i_b相减得到电流误差量Δi；将电流误差量Δi经电流PI控制后，得到PWM调制波信号u_r。其中，电流PI控制函数G_i(s)＝k_{p_i}+k_{i_i}/s，k_{p_i}为电流PI控制比例系数，k_{i_i}为电流PI控制积分系数；对u_r和三角载波进行载波PWM调制，得到储能变换器的占空比信号，经储能变换器的驱动保护电路，控制储能变换器开关管的开通与关断。

图3显示了传统控制与所提功率协调控制下，P_pv随机波动时光伏-储能自同步电压源发电系统直流母线电压的变化。从图3可以看出，在传统控制下，光伏-储能自同步电压源发电系统母线电压变化剧烈；在发明提出的功率协调控制下，母线电压波形变得平滑，波动减小，电压质量得到改善。图4、图5对比了电网频率波动时传统控制与所提功率协调控制效果，在本发明提出的功率协调控制方法下，储能变换器通过自同步电压源逆变器的频率感测电网频率，提供惯性响应和一次调频响应，功率可以快速平衡，从而减小直流母线电压的波动，提高电压质量，防止储能电池充放电功率连续超过极限。

实施例2

本发明实施例2提供一种对应上述实施例1的系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；处理器执行存储器上的计算机程序，以实现上述实施例1方法的步骤。

在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，所述光伏-储能自同步电压源发电系统包括储能变换器和光伏变换器，所述储能变换器和光伏变换器均接自同步电压源逆变器，所述电压源逆变器接入电网，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将光伏变换器输出功率P_PV与低通滤波器传递函数G_f(s)相乘，得到自同步电压源逆变器的给定有功功率P_set；G_f(s)＝1/(ts+1)，s为拉普拉斯变换因子，t为滤波器时间常数；

S2、利用所述自同步电压源逆变器的给定有功功率P_set、自同步电压源逆变器的有功功率P计算自同步电压源逆变器的功角θ，利用所述自同步电压源逆变器的无功功率Q、给定的无功功率Q_set计算自同步电压源逆变器的虚拟内电动势有效值E_m；

S3、利用功角θ和虚拟内电动势有效值E_m计算自同步电压源逆变器的调制波e_a、e_b、e_c；

S4、将e_a、e_b、e_c经过PWM调制，得到自同步电压源逆变器开关管的占空比信号，控制自同步电压源逆变器开关管的开通与关断。

2.根据权利要求1所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，还包括储能变换器控制部分，所述储能变换器控制部分实现过程包括：

A、将前馈补偿功率P_ω除以储能电池电压额定值V_b，得到补偿电流参考值I_{ω_ref}；

B、将电流参考值i_ref1加上补偿电流参考值I_{ω_ref}，得到电流内环参考指令i_ref，电流内环参考指令i_ref与储能电池输出电流i_b相减，得到电流误差量Δi；

C、将电流误差量Δi经PI控制后，得到PWM调制波信号u_r；

D、将u_r经过PWM调制，得到储能变换器开关管的占空比信号，控制储能变换器开关管的开通与关断。

3.根据权利要求2所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，前馈补偿功率P_ω的计算公式为：P_ω＝D_Pω_n(ω_n-ω)；其中，ω为自同步电压源逆变器的输出角频率，ω_n为额定电网角频率，D_P为自同步电压源逆变器的虚拟阻尼系数。

4.根据权利要求2所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，电流参考值i_ref1的获取过程包括：

在每个采样周期的起始点，对直流母线电压u_dc和储能电池输出电流i_b进行采样；

将直流母线电压参考值u_{dc_ref}与直流母线电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；

电压误差量Δu通过PI控制后，得到电流参考值i_ref1。

5.根据权利要求1所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，还包括光伏变换器控制部分，所述光伏变换器控制部分包括：

在每个采样周期的起始点，对光伏阵列的输出电压v_pv、输出电流i_pv进行采样，计算光伏功率P_pv，利用所述光伏功率P_pv，通过MPPT方法改变占空比D，控制光伏变换器开关管的开通与关断。

6.根据权利要求1～5之一所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，功角θ和虚拟内电动势有效值E_m的计算公式为：

其中，s为拉普拉斯变换因子，J为自同步电压源逆变器的虚拟惯性系数，D_P为有功频率下垂系数，ω和ω_n分别为自同步电压源逆变器的输出角频率和电网的额定角频率，K为电压调节系数，D_q为无功电压下垂系数，V_n为并网点电压额定幅值，V为自同步电压源逆变器的输出相电压幅值。

7.根据权利要求1～5之一所述的光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制方法，其特征在于，自同步电压源逆变器的调制波e_a、e_b、e_c的计算公式为：

8.一种光伏-储能自同步电压源发电系统协调控制系统，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。