CN210927122U - 一种光储型虚拟同步机 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种光储型虚拟同步机，包括逆变器、光伏阵列、储能装置、本地负荷、开关和电网，所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述光伏阵和所述储能装置并联，所述逆变器通过所述开关接入所述电网，在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷；本实用新型通过分析VSG的功率输出需求、光伏电源出力情况和储能装置SOC状态，动态调整光伏、储能、VSG的输出特性，从而使虚拟同步机参与到功率平衡的过程中来，从而有效的改善了VSG对储能容量的依赖。

Description

一种光储型虚拟同步机

技术领域

本实用新型实施例涉及分布式光伏并网发电技术领域，具体涉及一种光储型虚拟同步机。

背景技术

为应对能源危机和环境压力，分布式发电技术受到越来越广泛的关注，光伏发电作为一种重要的新能源，在电网中得到了大力发展。分布式发电系统缺乏传统同步发电机所具有的惯性和阻尼，分布式电源的并网使得电力系统更容易受到功率波动和系统故障的影响。随着分布式发电在系统中渗透率的增加，这一问题愈发不可忽视。

虚拟同步发电机(Virtualsynchronousgenerator，VSG)通过模拟同步发电机转子方程，使分布式发电系统在物理和数学上实现了与同步发电机的等效，具备平滑功率输出、调峰能力、调频等能力，成为一种电网友好型的分布式电源。学者们往往重视逆变器的控制策略和电源的虚拟特性研究，而将直流侧模拟为一类“电压恒定、容量无限”的动力源。但是，光伏电源输出功率具有间歇性和波动性，而虚拟同步机则需要根据电网的频率特性调整输出功率，因此光伏输出功率和虚拟同步机的输出功率必定会存在一定的有功功率差额，这就使得虚拟同步机的实际应用涉及到复杂的能量管理问题。

目前主要采用的解决方案，一种是改进光伏发电系统，使其以最大功率点的一定比例输出功率，通过备用发电容量的方式解决有功功率不平衡的问题，但该策略降低了光伏的利用率，提升了运行成本；另一种通过在发电单元的直流母线配置储能装置来弥补虚拟同步机的功率差额，实现虚拟同步机惯性和调频能力。但仅通过储能装置来协调功率的供需平衡问题，对储能装置容量的要求较高。

发明内容

为此，本实用新型实施例提供一种光储型虚拟同步机，通过实现光伏电源、储能设备和逆变器的协调控制，以解决现有技术中VSG对储能容量依赖的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施方式提供如下技术方案：

一种光储型虚拟同步机，包括逆变器、光伏阵列、储能装置、本地负荷、开关和电网，所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述光伏阵和所述储能装置并联，所述逆变器通过所述开关接入所述电网，在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一DC/DC转换器采用Boost电路，用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第二DC/DC转换器采用双向控制的Buck/Boost电路，用于实现所述直流母线的恒压控制，通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额，维持直流母线的电压。

作为本实用新型的一种优选方案，所述逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性。

本实用新型的实施方式具有如下优点：

本实用新型通过分析VSG的功率输出需求、光伏电源出力情况和储能装置SOC状态，动态调整光伏、储能、VSG的输出特性，从而使虚拟同步机参与到功率平衡的过程中来，从而有效的改善了VSG对储能容量的依赖。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本实用新型光储型虚拟同步机的结构图；

图2为本实用新型上层策略的框架图；

图3为本实用新型储能装置的SOC分区图；

图4为本实用新型逆变器的控制框架图；

图5为本实用新型光伏模块的控制框架图；

图6为本实用新型储能装置的控制框架图；

图7为本实用新型虚拟同步机的输出功率；

图8为本实用新型光伏模块的输出功率；

图9为本实用新型储能装置的SOC。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种光储型虚拟同步机，包括逆变器、光伏阵列、储能装置、本地负荷、开关和电网，所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述光伏阵和所述储能装置并联，所述逆变器通过所述开关接入所述电网，在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷。

其中，所述第一DC/DC转换器采用Boost电路，用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制，所述第二DC/DC转换器采用双向控制的Buck/Boost电路，用于实现所述直流母线的恒压控制，通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额，维持直流母线的电压，所述逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性。

基于上述光储型虚拟同步机，本实施方式还提供了一种光储型虚拟同步机能量协调管理系统，包括：

选择策略模块，用于对上层的光伏电源、储能装置、光储型虚拟同步机的工作模式进行选择；

控制策略模块，用于对下层的光伏电源、储能装置、光储型虚拟同步机的功率输出进行控制；

所述光伏电源、储能装置通过光储型虚拟同步机连接有外部电网，且所述光储型虚拟同步机通过选择策略模块和控制策略模块对光伏电源、储能装置进行协调。

本实用新型的实施例如图1至图9所示。在该光储分布式发电系统的直流侧，光伏阵列和储能装置分别通过DC/DC变流器并联在直流母线上；直流电流经过采用虚拟同步策略控制的逆变器转换成交流电后，再经过滤波电路输出到本地负荷和电网；逆变器输出侧与电网之间通过一个并网开关连接。

光伏模块所连的DC/DC变换器采用Boost电路，用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制；连接储能的双向DC/DC电路，用于实现恒压控制，通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额，维持直流母线的电压。

逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性，就可以使其具有同步机的调频能力和惯性。本实用新型主要考虑虚拟同步机的有功功率控制，故这里省略同步机的励磁特性模拟。

同步发电机的惯性由其机械特性决定，由其转子运动方程体现。本实施方式采用经典的二阶模型，如下式所示。

式中：ω_g为系统角速度；J为转子的虚拟惯量；D为阻尼系数；P为VSG的输出有功功率；P_m为机械功率；δ为输出功角。

虚拟同步机还需要对同步机的调频过程进行模拟。这里对同步发电机的调速过程进行了简化，只引入了调速器的静态特性，即：

P_ref-P＝K_ω(ω-ω₀)

式中：P_ref为参考功率；ω₀为参考角速度；K_ω为原动机的调差系数。

设VSG的同步电阻为R_s，同步电抗为L_s，则可以得到同步发电机的电磁特性方程为：

式中，i_d和i_q分别为电流的dq轴分量，u_d和u_q分别为电压的dq轴分量。

光储型虚拟同步发电系统的能量协调管理方法分为上下两层。

上层功率分配工作模式选择策略通过分析VSG的功率输出需求、光伏电源出力情况和储能装置SOC状态，选择虚拟同步机、光伏和储能的工作模式，该策略的控制框图如图2所示，分为以下五个步骤：

第一步，采集系统频率变化，并根据虚拟同步机的特性方程计算虚拟同步机的输出功率光伏模块_SG；

第二步，计算光伏与虚拟同步机的功率差值，作为第一个指标参数θ₁：θ₁＝P_VSG-P_PV，式中，P_VSG为虚拟同步机输出功率，P_PV为光伏输出功率；

第三步，计算光伏实时输出功率与最大输出功率的差值，作为第二个指标θ₂：θ₂＝P_{PV_mmp}-P_PV，[068]式中，P_{PV_mmp}为光伏的最大输出功率；

第四步，根据本实用新型对储能的荷电状态的划分(如图3所示)，得到第三个指标θ₃；

第五步，根据计算的三个指标参数，按照下列原则选择光伏、储能和虚拟同步机的工作模式：

当θ₁＞0时，说明VSG输出功率大于光伏模块功率。对θ₂进行判定，若θ₂<0，说明光伏模块有功率备用，光伏模块工作进入功率调整模式，储能装置不工作；若θ₂＝0，说明光伏模块没有功率备用。光伏模块工作在定功率模式，储能装置放电，工作在稳定直流母线电压模式；

当θ₁<0时，说明VSG输出功率小于光伏模块功率。对θ₃进行判定，若θ₃为H，说明储能核电状态过高，光伏模块工作在功率调整模式，储能装置不工作；否则，光伏模块工作在定功率模式，储能装置充电，工作在稳定直流母线电压模式；

同时，对θ₃进行判定，若θ₃为P时，虚拟同步机进入调频特性调整模式1，放弃部分调频功能，维持储能的核电状态；若θ₃为A时，虚拟同步机进入调频特性调整模式2，放弃调频功能，改变输出功率，为储能装置充电；

下层的功率输出控制策略将根据上层策略选择的各模块的工作模式控制虚拟同步机、光伏和储能装置的功率输出。

逆变器完整的控制策略框图如图4所示。稳定运行时，该控制框图中的调频能力调整模块不工作。当收到使能信号时，调频能力调整模块将减小参考功率值P_ref，使系统的调频特性左移，此时VSG的输出功率减小，部分负荷转移给系统中的其他电源。具体的实现方法为：当逆变器收到上层模式选择策略的使能信号1时，调频特性调整模块将调整VSG的输出，放弃一部分调频能力，使储能装置的SOC能够稳定在P区，使用(SOC_opt+SOC_pro)/2与储能装置SOC的差作为输入，经过PI控制器后，加到P_ref上；当虚拟同步机收到上层模式选择策略的使能信号2时，调频特性调整模块开始工作，调整VSG的输出，使储能装置充电，使储能装置的SOC能够返回P区，使用SOC_opt与储能装置SOC的差作为输入，经过PI控制器后，加到P_ref上。即该控制块会使储能装置充电到SOC大于SOC_opt。

光伏模块的控制框图如图5所示。稳定运行时，光伏模块工作在最大功率模式，当光伏收到上层模式选择策略的使能信号时，光伏模块模块将进入功率调整模式，改变光伏模块的直流电压，根据光伏电源的功率—电压特性，光伏的输出功率就会相应调整。具体的实现方法为：使用U_dc_ref与U_dc的差作为输入，经过PI控制器后，添加到光伏模块的电压指令值U_{PV_ref}。为了保证光伏模块运行在P-V特性曲线的右半边，PI模块的下限为0，上限为光伏开路电压U_op和U_mmp的差。

储能装置的控制框图如图6所示。当储能装置收到上层模式选择策略的使能信号时，能装置工作在维持直流母线电压的模式。该控制块使用Udc_ref与Udc的差作为输入，经过PI控制器后，添加到储能的电流指令值IES_ref。

对该光储型虚拟同步发电系统进行了10s的仿真。在仿真中，0-1s,系统处于平衡状态；1-4s，增加负荷水平，使得系统频率下降到48.7Hz；4-10S，继续增加负荷水平，使得系统频率下降到49.6hHz。

仿真得到VSG输出功率P_VSG、光伏输出功率P_PV、储能装置SOC如图7～图9所示。

观察图7～图9可知，在1-4s，负荷水平增加，系统频率下降，此时光伏模块有备用容量，则控制光伏模块增加输出功率。

在4-7.1s，负荷水平继续增加，VSG根据调频特性输出的功率已经大于光伏模块的输出功率，则由储能装置弥补功率差额，此时储能装置SOC迅速下降。

在7.1s-10s，储能装置SOC水平下降到0.5以下，达到储能装置SOC保护状态，则调整VSG的调频特性，从而减少VSG的输出功率。使得储能装置的SOC不会进一步下降，保证VSG的惯性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种光储型虚拟同步机，其特征在于，包括逆变器、光伏阵列、储能装置、本地负荷、开关和电网，所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上，所述光伏阵和所述储能装置并联，所述逆变器通过所述开关接入所述电网，在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷。

2.根据权利要求1所述的一种光储型虚拟同步机，其特征在于，所述第一DC/DC转换器采用Boost电路，用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制。

3.根据权利要求1所述的一种光储型虚拟同步机，其特征在于，所述第二DC/DC转换器采用双向控制的Buck/Boost电路，用于实现所述直流母线的恒压控制，通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额，维持直流母线的电压。

4.根据权利要求1所述的一种光储型虚拟同步机，其特征在于，所述逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性。

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