CN116865292A - 一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法和系统，属于光伏电站技术领域。本发明的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，通过构建最大功率估算模型、自备用电压控制模型、扰动判断模型、虚拟同步控制模型，从而能输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳；并能使得光伏电站表现出同步发电机的外特性，同时光伏电站能够在最大功率跟踪和提供调频响应间切换。

Description

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法和系统

技术领域

本发明涉及一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法和系统，属于光伏电站技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，能源的日益紧张，新能源开发成为未来能源战略的重要方向。近年来，新能源和储能技术飞速发展，新能源发电并网容量占比逐渐升高，导致电力系统的惯量逐渐降低，削弱了电网应对功率短缺和频率波动的能力。随着火电机组在线比例的持续下降，高比例可再生能源和高度电力电子化以及低惯量将成为我国未来电力系统的重要特征。

如何引入更加优质的调频资源以替代火电减少带来的惯性支撑和一次调频能力，以缓解可再生能源大规模并网背景下电网的频率稳定和电能质量问题。

考虑到新能源出力通常与气候、季节和地理位置等外界因素相关，在现有的新能源场站控制方式中，其并网输出功率与电网调频动态响应之间存在不同程度的解耦。因此，在维持新能源场站端具有稳定的并网功率的前提下，研究新能源场站端友好型频率支撑控制技术对于提高新型电力系统的频率稳定性具有重要意义。光伏等新能源场站必然是未来电网的重要发电单元。储能技术的应用可以一定程度上解决电能的即时消纳和传输问题，使得电能表现出时空特性，并与新能源出力的随机性和波动性相契合。因此，储能的应用是解决新能源消纳不足和电网负荷过载的途径之一。现有的相关研究中，储能已被广泛应用于削峰填谷、调频调压等电网的辅助服务中。

新型电力系统中，高比例可再生能源象征着其出力随机性以及典型并网运行控制方式下，在跟随调度计划时，难以应对频繁波动的出力和负荷；而高比例电力电子化象征着新能源的并网控制复杂，控制参数和状态变量繁多，难以应对源网荷储多端变化多样的工况。

因此，有必要在新能源现有的典型并网运行控制方式的基础上，设计适当的控制算法，使得新能源场站能够表现出类似同步发电机的调频特性。虚拟同步发电机控制技术是有效弥补高比例新能源并网系统低惯量和弱调频能力的技术手段之一，为了推进“双高”电力系统的转型，提高光伏电站并网的可调控性和稳定性，需要研究光伏电站的虚拟同步发电机控制策略，提高光伏电站并网运行的可靠性和经济性。

然而现有的光储虚拟同步发电机在运行过程中，高度依赖储能的充放电能力，在储能参与光伏电站的日内调度时，若储能的荷电状态处于保护限值内，其光储虚拟同步发电机的调频能力就会受到较大的限制，且现有的光伏电站运行研究难以兼顾最大功率运行和调频响应，光伏电站运行的经济性有待提高。

本背景技术中公开的信息仅用于理解本发明构思的背景，因此它可以包括不构成现有技术的信息。

发明内容

针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的一在于提供一种通过构建最大功率估算模型、自备用电压控制模型、扰动判断模型、虚拟同步控制模型，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法。

针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的二在于提供一种通过设置最大功率估算模块、自备用电压控制模块、扰动判断模块、虚拟同步控制模块，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频系统。

针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的三在于提供一种能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法和系统。

为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，

包括以下步骤：

第一步，在光伏电站调频响应的时段内，利用预先构建的最大功率估算模型，计算得到最大功率估算值；

第二步，将最大功率估算值输入到预先构建的自备用电压控制模型中，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；

第三步，获取在运行点处运行时的运行频率；

第四步，通过预先构建的扰动判断模型，对运行频率进行判断，得到扰动判断结果；

当扰动判断结果为频率正常时，执行第三步；

当扰动判断结果为存在频率扰动时，执行第五步；

第五步，根据扰动判断结果，利用预先构建的虚拟同步控制模型，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频。

本发明经过不断探索以及试验，通过构建最大功率估算模型、自备用电压控制模型、扰动判断模型、虚拟同步控制模型，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行。

进一步，本发明提出的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳。

再进一步，本发明基于光伏最大功率估算算法，提出了自备用的变步长电压控制策略；其次，分析配置储能的光伏电站控制架构，基于虚拟同步控制策略建立光储虚拟同步发电机(VSG)，并提出光伏自备用可调的调频策略，利用虚拟同步发电机控制技术并网，且通过自备用可调的控制策略，以提供一定的频率支撑能力，使得光伏电站表现出同步发电机的外特性，同时光伏电站能够在最大功率跟踪和提供调频响应间切换。

作为优选技术措施：

所述第一步中，最大功率估算模型的构建方法如下：

按固定的控制周期给光伏阵列电压输入小扰动量，观测扰动后输出功率的变化方向以调整控制指令的跟踪方向；并根据拟合的自备用运行点处电流I_r与短路电流I_sc间的关系，计算光伏电站的最大功率估算值。

作为优选技术措施：

最大功率估算值的计算公式如下：

其中，r为自备用率，拟合得到的系数ψ₀＝1.168,ψ₁＝0.190,ψ₂＝0.0037,ψ₃＝0.0157,ψ₄＝0.0339,ψ₅＝0.9661，k_m为温度所对应的拟合系数，I_r为自备用运行点处电流；

自备用运行点处电流的计算公式如下：

其中，I_sc为光伏的短路电流；

温度所对应的拟合系数的计算公式如下：

k_m＝α_TT+β_T

其中，T为温度，α_T＝-0.8978，β_T＝275.4。

作为优选技术措施：

所述第二步中，自备用电压控制模型的构建方法如下：

步骤21，根据最大功率估算值，估算当前时刻的自备用率；

步骤22，根据自备用率，计算自备用率偏差；

步骤23，利用预先建立的变步长电压跟踪控制单元对自备用率偏差进行处理，生成控制电压信号；

步骤24，根据控制电压信号，调整光伏运行点，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行。

作为优选技术措施：

当前时刻的自备用率，根据当前i时刻最大功率估算值P_est’和光伏阵列输出功率P_pv进行估算，其计算公式如下：

其中，r_est(i)为当前i时刻自备用率，P_est’(i)为当前i时刻最大功率估算值，P_pv(i)为当前i时刻光伏阵列输出功率。

作为优选技术措施：

计算自备用率偏差的公式如下：

Δr(i)＝r_*(i)-r_est(i)；

其中，Δr(i)为当前i时刻自备用率偏差，r*(i)为当前i时刻目标自备用率。

作为优选技术措施：

变步长电压跟踪控制单元，用于根据自备用率偏差，计算控制器的电压参考值，其计算公式如下：

V_ref(i+1)＝V_ref(i)+ΔV(i)

其中V_ref(i+1)为当前i+1时刻控制器的电压参考值，V_ref(i)为当前i时刻控制器的电压参考值，V_δ为固定的电压控制步长，ΔV(i)为当前i时刻步长电压参考值；

判断条件dP/dV≥0用于确保使光伏阵列运行于P-V特性曲线的上坡段；

当dP/dV≥0条件满足时，根据自备用率偏差的大小及正负，确定步长电压参考值ΔV的调整方向及幅值；

当自备用率的偏差Δr变小，ΔV也变小，从而收敛到目标自备用率的运行点附近；

当dP/dV<0时，说明运行点进入P-V特性曲线下坡段，计算的控制器电压参考值变小，并生成相应的控制电压信号，使得光伏阵列输出电压变小，以使运行点返回自备用运行区域。

作为优选技术措施：

所述第五步中，虚拟同步控制模型的构建方法如下：

根据光伏电站中电化学储能的储能数据，建立光储虚拟同步发电机；

电化学储能为能量密集型元件，其通过化学反应的方法来储能，其能提供相对长时间的能量，电化学储能的控制目标为维持直流母线电压的恒定；

光储虚拟同步发电机包括逆变器、储能单元和控制部件；

逆变器在控制环节中引入同步电机的电磁暂态方程和转子运动方程，完成电磁部分和机械部分的建模；

控制部件，用于模拟电磁暂态和转动惯量特征，并检测电网频率和电压变化，依据一次调频和励磁控制算法从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压过程；

当扰动判断结果为发生频率扰动时，光储虚拟同步发电机通过转子运动方程模拟产生的频率和功角发生变化，从而调整光储虚拟同步发电机的频率响应功率，以提供频率支撑；

光储虚拟同步发电机的PWM信号产生层将通过电压电流双闭环控制，利用励磁电动势相量在外层电压环-内层电流环的电压电流双闭环控制中，产生PWM信号，进而控制光伏并网的逆变器运行。

作为优选技术措施：

光储虚拟同步发电机，基于线性化模拟仿真频率响应功率P，并根据发电机的功角控制算法，得到频率响应功率P的计算公式，计算公式如下所示：

式中，E₀为光储虚拟同步发电机的空载电动势，U为光储虚拟同步发电机的输出端口电压，X_f为光储虚拟同步发电机的滤波电抗，δ₀为光储虚拟同步发电机的初始功率角；

Z为LC滤波的阻抗，其中L_f为LC滤波器的电感值，R_f为LC滤波器的电阻值，w为角频率(以每秒弧度为单位)；

光储虚拟同步发电机的空载电动势的计算公式如下：

E₀＝k_q∫(Q_ref-Q_e)dt

式中，k_q为励磁调节系数；Q_ref为光储虚拟同步发电机的输出无功功率参考值，Q_e为光储虚拟同步发电机的输出无功功率；

光储虚拟同步发电机的定子电压方程的计算公式如下：

其中，为光储虚拟同步发电机的空载电动势向量，/>为输出端电压向量，X_s为电枢反应电抗，/>为电枢电流；

光储虚拟同步发电机的转子运动方程利用转矩形式表示，其计算公式如下：

式中：J为转动惯量，ω_m为机械转动角速度，T_m、T_e分别为原动机机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，ω_g为额定转动角速度，为阻尼转矩。

为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频系统，包括最大功率估算模块、自备用电压控制模块、扰动判断模块和虚拟同步控制模块。

最大功率估算模块，用于计算得到最大功率估算值；

自备用电压控制模块中，用于生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；

扰动判断模块，用于对运行频率进行判断，得到扰动判断结果；

虚拟同步控制模块，用于建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频。

本发明经过不断探索以及试验，通过设置最大功率估算模块、自备用电压控制模块、扰动判断模块、虚拟同步控制模块，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行。

进而，本发明能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳。

与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明经过不断探索以及试验，通过构建最大功率估算模型、自备用电压控制模型、扰动判断模型、虚拟同步控制模型，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行。

本发明经过不断探索以及试验，通过设置最大功率估算模块、自备用电压控制模块、扰动判断模块、虚拟同步控制模块，计算得到最大功率估算值，并根据最大功率估算值，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；同时对运行频率进行判断，当存在频率扰动时，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频，方案科学、合理，切实可行。

进一步，本发明提出的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳。

再进一步，本发明基于光伏最大功率估算算法，提出了自备用的变步长电压控制策略；其次，分析配置储能的光伏电站控制架构，基于虚拟同步控制策略建立光储虚拟同步发电机(VSG)，并提出光伏自备用可调的调频策略，利用虚拟同步发电机控制技术并网，且通过自备用可调的控制策略，以提供一定的频率支撑能力，使得光伏电站表现出同步发电机的外特性，同时光伏电站能够在最大功率跟踪和提供调频响应间切换。

附图说明

图1是本发明虚拟同步控制调频方法的第一种流程图。

图2是本发明虚拟同步控制调频方法的第二种流程图。

图3是本发明光伏阵列的一种典型I-U和P-U曲线图。

图4是本发明变步长扰动观测法的一种算法流程图。

图5是本发明自备用电压控制策略的一种控制流程图。

图6是本发明基于储能协同的一种光伏电站结构图。

图7是本发明电化学储能控制策略的一种示意图。

图8是本发明VSG各环节模拟控制策略的一种示意图。

图9是本发明光伏自备用可调调频策略的一种示意图。

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，以下结合附图及实施例，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。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1所示，本发明光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法的第一种具体实施例：

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，

包括以下步骤：

第一步，在光伏电站调频响应的时段内，利用预先构建的最大功率估算模型，计算得到最大功率估算值；

第二步，将最大功率估算值输入到预先构建的自备用电压控制模型中，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；

第三步，获取在运行点处运行时的运行频率；

第四步，通过预先构建的扰动判断模型，对运行频率进行判断，得到扰动判断结果；

当扰动判断结果为频率正常时，执行第三步；

当扰动判断结果为存在频率扰动时，执行第五步；

第五步，根据扰动判断结果，利用预先构建的虚拟同步控制模型，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频。

如图2所示，本发明光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法的第二种具体实施例：

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，包括以下内容：

首先，基于光伏最大功率估算算法，提出了自备用的变步长电压控制策略；其次，分析配置储能的光伏电站控制架构，基于虚拟同步控制策略建立光储虚拟同步发电机(VSG)，并提出光伏自备用可调的调频策略，使得Boost变换器和逆变器具有分别独立的控制目标和拓扑结构，可以保证光伏阵列始终工作在输入电流连续的状态，也能保证逆变器正常工作，使得控制器的设计更为简洁，控制效果更加稳定。该光伏电站经储能协同后，利用虚拟同步发电机控制技术并网，且通过自备用可调的控制策略，以提供一定的频率支撑能力，使得光伏电站表现出同步发电机的外特性，同时光伏电站能够在最大功率跟踪和提供调频响应间切换。

本发明结合工程实际，可适用于不同规模装机容量下光伏电站的并网运行控制策略的设计。

一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，具体包括以下步骤：

步骤1，光伏电站的最大功率估算，具体如下：

短路电流和最大功率在辐射强度变化的条件下，可近似看作线性关系。可以根据拟合的自备用运行点处电流I_r与短路电流I_sc间的关系，估算光伏电站的最大功率。

步骤2，自备用的电压控制策略，具体如下：

根据步骤1估算的最大功率，进一步估算当前时刻的自备用率，并计算自备用率偏差，然后根据变步长电压跟踪控制，调整光伏运行点。

步骤3，设计光储协同的虚拟同步控制策略，具体如下：

光伏电站中配备一定的储能，构成光储虚拟同步发电机。电化学储能为能量密集型元件，通过化学反应的方法来储能，其能提供相对长时间的能量，电化学储能的控制目标为维持直流母线电压的恒定。虚拟同步发电机的基本组成包括逆变器、储能单元和控制部件三大部分。逆变器在控制环节中引入同步电机的电磁暂态方程和转子运动方程，完成电磁部分和机械部分的建模，控制部件可以模拟电磁暂态和转动惯量特征，并检测电网频率和电压变化，依据一次调频和励磁控制算法从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压过程。当发生频率扰动时，光储VSG通过转子运动方程模拟产生的频率和功角发生变化，进而调整VSG的输出功率，以提供频率支撑。PWM信号产生层将通过电压电流双闭环控制，利用励磁电动势相量在外层电压环-内层电流环的电压电流双闭环控制中，产生PWM信号，进而控制光伏并网的逆变器运行。

步骤4，设计光伏电站自备用可调的虚拟同步调频策略，具体如下：

在需要提供调频响应的时段内，光伏电站接受调度中心的指令，根据步骤2的自备用的电压控制策略，在自备用率r₀的运行点处稳定运行。当频率扰动发生时刻，频率f发生变化，在参与调频响应时，光伏电站的自备用率通过等效下垂自备用系数进行实时调整，并根据步骤3中的虚拟同步控制策略，输出频率响应功率，使得光伏电站提供一次调频能力。

因此，本发明具有如下优点：

本发明提出的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳。

应用本发明光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法的一种具体实施例：

基于可调节自备用率的光伏电站虚拟同步控制方法，包括以下步骤：

步骤1，光伏电站的最大功率估算，具体如下：

目前光伏阵列常用MPPT控制策略，其核心思想是按固定的控制周期给光伏阵列电压输入小扰动量，观测扰动后输出功率的变化方向以调整控制信号的跟踪方向。若采用变步长的扰动观测法实现光伏阵列的MPPT控制，其电压信号的步长调整ΔU ^k+1如式(1)所示，可参照图4。

其中，为变步长系数，本文中取/>P_pv ^k为k时刻的光伏阵列输出功率。具体流程如图3所示，其中U^k和I^k为k时刻光伏阵列的输出电压和电流，ΔU^k为k时刻的扰动步长。

对于光伏阵列，短路电流和最大功率在辐射强度变化的条件下，可近似看作线性关系。光伏的短路电流I_sc和最大功率P_mapv之间的函数关系如式(2)所示。

P_mapv＝k_mI_sc (2)

其中，k_m为拟合系数。因此，当短路电流I_sc已知时，可估算出此运行状态下的最大功率P_mapv。且可用如下拟合函数表示k_m与温度T之间的关系。

k_m＝α_TT+β_T (3)

将不同温度所对应的拟合系数k_m进行线性回归，可得α_T＝-0.8978，β_T＝275.4。

如图3所示，为预留部分功率作为光伏电站的自备用，以扩大调频范围，可将最大功率运行点，转移到其他运行点。此时，P-I特性曲线下坡段非常陡峭，其电流变化范围很小，因此，微小的电流变化会造成剧烈的功率波动，可能会导致跟踪失去稳定。考虑到P-U特性中，上坡段电压与输出功率大致呈线性关系，且电压的调整对功率输出的影响幅度较小，此外，两级式光伏发电系统中的Boost变换器通常采用电压控制器。因此，在自备用控制中，将从最大功率点向上坡段寻找对应自备用的运行点。自备用运行点处电流I_r与短路电流I_sc间的关系，可以用分段函数拟合得到：

其中，r为自备用率，拟合得到的系数ψ₀＝1.168,ψ₁＝0.190,ψ₂＝0.0037,ψ₃＝0.0157,ψ₄＝0.0339,ψ₅＝0.9661。

则联立式(2)和(4)可得，最大功率估算表达式P_est如下：

步骤2，自备用的电压控制策略，具体如下：

在得到最大功率的估算值P_est后，类似最大功率控制，也需要通过自备用的电压控制策略控制电压信号，使光伏系统达到目标的自备用率。为此，本节设计了一种具有实时迭代估算功能的变步长电压跟踪控制策略。

首先，根据步骤1估算最大功率。若光伏阵列输出电流I_pv等于I_r，则当前时刻的减载率r等于目标减载率r^*。此时，系统稳定运行于目标运行点，式(5)可以准确估算最大功率。当自备用率发生变化时，光伏运行点将会偏离，此时I_pv不再等于I_r*，直接利用式(5)估算最大功率P_est’会产生误差。其次，估算当前时刻自备用率。根据当前i时刻最大功率估算值P_est’和光伏阵列输出功率P_pv可近似估算自备用率r_est(i)。

由于当目标自备用率r发生变化时，估算的最大功率P_est通常不等于实际最大功率P_mapv，光伏输出的实际功率P_pv通常也不等于自备用运行点功率P_r*，因此估算的自备用率r_est(i)通常也不等于目标自备用率r*。因此，进一步计算自备用率偏差Δr。

Δr(i)＝r_*(i)-r_est(i) (7)

计算出自备用率偏差后，进行变步长电压跟踪控制策略，设计如下：

V_ref(i+1)＝V_ref(i)+ΔV(i) (8)

其中V_ref为控制器的电压参考值，V_δ为固定的电压控制步长。在(9)中，判断条件dP/dV≥0用于确保使光伏阵列运行于P-V特性曲线的上坡段。当dP/dV<0时，说明运行点进入P-V特性曲线下坡段，根据式(9)，控制系统将减小光伏阵列输出电压使运行点返回自备用运行区域。当dP/dV≥0条件满足时，根据自备用率偏差的大小及正负，自动确定电压参考值ΔV的调整方向及幅值。当自备用率的偏差Δr逐渐变小，ΔV也逐渐变小，从而收敛到目标自备用率的运行点附近。

其具体的控制策略流程如图5所示。其中，当自备用率设定为0时，运行点从自备用运行点切换到最大功率点过程中，算法迭代使得光伏输出功率波动幅度较大，为保证光伏能够在未给定自备用率时稳定切换到最大功率控制，在执行自备用电压控制策略时，需要判断自备用率是否为0，再执行对应控制算法。因此，该算法能够在提供光伏电站的调频能力的同时，减少了光伏自备用控制的弃光，最大限度保证光伏的消纳。

步骤3，设计光储协同的虚拟同步控制策略，具体如下：

如图6所示，光伏电站中配备一定的储能，构成光储虚拟同步发电机。电化学储能为能量密集型元件，通过化学反应的方法来储能，其能提供相对长时间的能量，电化学储能的控制目标为维持直流母线电压的恒定，其具体的控制策略如图7所示。虚拟同步发电机的基本组成包括逆变器、储能单元和控制部件三大部分。逆变器在控制环节中引入同步电机的电磁暂态方程和转子运动方程，完成电磁部分和机械部分的建模，如图8所示。控制部件可以模拟电磁暂态和转动惯量特征，并检测电网频率和电压变化，依据一次调频和励磁控制算法从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压过程。

(1)有功功率控制

虚拟同步发电机端口输出功率P如下。

式中，E₀为虚拟同步发电机空载电动势，Z为LC滤波的阻抗，α为滤波器的阻抗角，α＝arctan(ωL_f/R_f)。基于线性化假设，由(10)可知，虚拟同步发电机端口输出功率，可由发电机功角控制，如下式所示。

(2)无功-励磁调节

虚拟同步发电机的无功励磁调节器的输出E₀为：

E₀＝k_q∫(Q_ref-Q_e)dt (12)

式中，k_q为励磁调节系数。

(3)电磁暂态方程

为简化控制，虚拟同步发电机控制策略模拟同步发电机的二阶模型，且假设同步发电机为隐极机，不区分交直轴电抗。同步发电机的定子电压方程为：

其中，为同步发电机的空载电动势，/>为输出端电压，X_s为电枢反应电抗，/>为电枢电流。

(4)机械运动方程

同步发电机的转子运动方程利用转矩形式表示如下：

式中：J为转动惯量，ω_m为机械转动角速度，T_m、T_e分别为原动机机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，ω_g为额定转动角速度，为阻尼转矩。

当发生频率扰动时，光储VSG通过转子运动方程模拟产生的频率和功角发生变化，进而调整VSG的输出功率，以提供频率支撑。PWM信号产生层将通过电压电流双闭环控制，利用励磁电动势相量在外层电压环-内层电流环的电压电流双闭环控制中，产生PWM信号，进而控制光伏并网的逆变器运行。

步骤4，设计光伏电站自备用可调的虚拟同步调频策略，具体如下：

在需要提供调频响应的时段内，光伏电站接受调度中心的指令，在自备用率r₀的运行点处稳定运行。当频率扰动发生时刻，频率f发生变化，在参与调频响应时，光伏电站的自备用率r*通过等效下垂自备用系数k_r进行实时调整，具体如式(15)所示。

r^*＝r₀+k_r(f-f_ref) (15)

因此，光伏自备用可调的调频策略如图9所示，光伏参照步骤2的自备用电压控制策略运行，调整光伏直流功率出力P_r，使得P_r满足自备用率r*；储能通过PI控制器维持光伏直流母线电压恒定；VSG控制策略使得光伏电站在功率调度指令不变的前提下，根据频率偏差和光伏自备用控制策略调整的出力变化，向电网提供频率响应；同时通过在逆变器控制策略中对转子运动方程的模拟，也向电网提供了一定的虚拟惯量。

因此，本发明具有如下优点：

本发明提出的光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，能够使光伏电站在最大功率跟踪以及自备用控制策略中切换，在保障光伏消纳能力的前提下，提供了自备用调频能力，使光伏电站利用自备用运行点处的备用功率和配备储能提供持续的一次调频能力，兼顾提供频率响应和最大功率消纳。

应用本发明方法的一种设备实施例：

一种计算机设备，其包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

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上述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法。

应用本发明方法的一种计算机介质实施例：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

包括以下步骤：

第一步，在光伏电站调频响应的时段内，利用预先构建的最大功率估算模型，计算得到最大功率估算值；

第二步，将最大功率估算值输入到预先构建的自备用电压控制模型中，生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；

第三步，获取在运行点处运行时的运行频率；

第四步，通过预先构建的扰动判断模型，对运行频率进行判断，得到扰动判断结果；

当扰动判断结果为频率正常时，执行第三步；

当扰动判断结果为存在频率扰动时，执行第五步；

第五步，根据扰动判断结果，利用预先构建的虚拟同步控制模型，建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频。

2.如权利要求1所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

所述第一步中，最大功率估算模型的构建方法如下：

按固定的控制周期给光伏阵列电压输入小扰动量，观测扰动后输出功率的变化方向以调整控制指令的跟踪方向；并根据拟合的自备用运行点处电流I_r与短路电流I_sc间的关系，计算光伏电站的最大功率估算值。

3.如权利要求2所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

最大功率估算值的计算公式如下：

其中，r为自备用率，拟合得到的系数ψ₀＝1.168,ψ₁＝0.190,ψ₂＝0.0037,ψ₃＝0.0157,ψ₄＝0.0339,ψ₅＝0.9661，k_m为温度所对应的拟合系数，I_r为自备用运行点处电流；

自备用运行点处电流的计算公式如下：

其中，I_sc为光伏的短路电流；

温度所对应的拟合系数的计算公式如下：

k_m＝α_TT+β_T

其中，T为温度，α_T＝-0.8978，β_T＝275.4。

4.如权利要求1所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

所述第二步中，自备用电压控制模型的构建方法如下：

步骤21，根据最大功率估算值，估算当前时刻的自备用率；

步骤22，根据自备用率，计算自备用率偏差；

步骤23，利用预先建立的变步长电压跟踪控制单元对自备用率偏差进行处理，生成控制电压信号；

步骤24，根据控制电压信号，调整光伏运行点，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行。

5.如权利要求4所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

当前时刻的自备用率，根据当前i时刻最大功率估算值P_est’和光伏阵列输出功率P_pv进行估算，其计算公式如下：

其中，r_est(i)为当前i时刻自备用率，P_est’(i)为当前i时刻最大功率估算值，P_pv(i)为当前i时刻光伏阵列输出功率。

6.如权利要求5所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

计算自备用率偏差的公式如下：

Δr(i)＝r_*(i)-r_est(i)；

其中，Δr(i)为当前i时刻自备用率偏差，r*(i)为当前i时刻目标自备用率。

7.如权利要求6所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

变步长电压跟踪控制单元，用于根据自备用率偏差，计算控制器的电压参考值，其计算公式如下：

V_ref(i+1)＝V_ref(i)+ΔV(i)

其中V_ref(i+1)为当前i+1时刻控制器的电压参考值，V_ref(i)为当前i时刻控制器的电压参考值，V_δ为固定的电压控制步长，ΔV(i)为当前i时刻步长电压参考值；

判断条件dP/dV≥0用于确保使光伏阵列运行于P-V特性曲线的上坡段；

当dP/dV≥0条件满足时，根据自备用率偏差的大小及正负，确定步长电压参考值ΔV的调整方向及幅值；

当自备用率的偏差Δr变小，ΔV也变小，从而收敛到目标自备用率的运行点附近；

当dP/dV<0时，说明运行点进入P-V特性曲线下坡段，计算的控制器电压参考值变小，并生成相应的控制电压信号，使得光伏阵列输出电压变小，以使运行点返回自备用运行区域。

8.如权利要求1所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

所述第五步中，虚拟同步控制模型的构建方法如下：

根据光伏电站中电化学储能的储能数据，建立光储虚拟同步发电机；

电化学储能为能量密集型元件，其通过化学反应的方法来储能，其能提供相对长时间的能量，电化学储能的控制目标为维持直流母线电压的恒定；

光储虚拟同步发电机包括逆变器、储能单元和控制部件；

逆变器在控制环节中引入同步电机的电磁暂态方程和转子运动方程，完成电磁部分和机械部分的建模；

控制部件，用于模拟电磁暂态和转动惯量特征，并检测电网频率和电压变化，依据一次调频和励磁控制算法从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压过程；

当扰动判断结果为发生频率扰动时，光储虚拟同步发电机通过转子运动方程模拟产生的频率和功角发生变化，从而调整光储虚拟同步发电机的频率响应功率，以提供频率支撑；

光储虚拟同步发电机的PWM信号产生层将通过电压电流双闭环控制，利用励磁电动势相量在外层电压环-内层电流环的电压电流双闭环控制中，产生PWM信号，进而控制光伏并网的逆变器运行。

9.如权利要求8所述的一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频方法，其特征在于，

光储虚拟同步发电机，基于线性化模拟仿真频率响应功率P，并根据发电机的功角控制算法，得到频率响应功率P的计算公式，计算公式如下所示：

式中，E₀为光储虚拟同步发电机的空载电动势，U为光储虚拟同步发电机的输出端口电压，X_f为光储虚拟同步发电机的滤波电抗，δ₀为光储虚拟同步发电机的初始功率角；

Z为LC滤波的阻抗，

其中L_f为LC滤波器的电感值，R_f为LC滤波器的电阻值，w为角频率；

光储虚拟同步发电机的空载电动势的计算公式如下：

E₀＝k_q∫(Q_ref-Q_e)dt

式中，k_q为励磁调节系数；Q_ref为光储虚拟同步发电机的输出无功功率参考值，Q_e为光储虚拟同步发电机的输出无功功率；

光储虚拟同步发电机的定子电压方程的计算公式如下：

其中，为光储虚拟同步发电机的空载电动势向量，/>为输出端电压向量，X_s为电枢反应电抗，/>为电枢电流；

光储虚拟同步发电机的转子运动方程利用转矩形式表示，其计算公式如下：

式中：J为转动惯量，ω_m为机械转动角速度，T_m、T_e分别为原动机机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，ω_g为额定转动角速度，为阻尼转矩。

10.一种光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频系统，其特征在于，

包括最大功率估算模块、自备用电压控制模块、扰动判断模块和虚拟同步控制模块：

最大功率估算模块，用于计算得到最大功率估算值；

自备用电压控制模块中，用于生成控制电压信号，使得光伏电站在自备用率的运行点处运行，达到目标的自备用率；

扰动判断模块，用于对运行频率进行判断，得到扰动判断结果；

虚拟同步控制模块，用于建立光储虚拟同步发电机，并输出频率响应功率，实现光伏电站自备用可调的虚拟同步控制调频。