本发明专利技术公开了一种基于改进电导增量法的变功率跟踪光伏虚拟同步机并网协调控制方法。其具体技术方案为：当系统出现负荷突减或故障等有功扰动时，在暂态过程中可根据实际功率需求改变光伏运行轨迹进行一次调节，不间断地为系统提供惯量、阻尼支撑促进系统功率平衡；在稳态情况下光伏发电系统保持最大功率点跟踪运行模式，实现最大效率发电。该控制方法从光伏系统源端出发，实现灵活柔性控制，变功率跟踪和虚拟同步发电机的结合不仅能够缓解暂态过程中的功率不平衡问题，还使系统具备惯量、阻尼和一次调节能力，提高了系统的暂态稳定性，而稳态过程中又能保证光伏系统的发电效率，提高其经济性。
【技术实现步骤摘要】
改进电导增量法的变功率跟踪光伏虚拟同步机并网协调控制方法
本专利技术属电力电子应用
，涉及光伏发电系统采用改进电导增量法的变功率跟踪与虚拟同步发电机相结合的并网协调控制方法。
技术介绍
由于能源危机和环境污染问题日益严重，世界各国政府逐渐意识到改变能源消费结构并发展新能源的重要性，其中太阳能光伏发电凭其清洁、可持续发展等优势受到广泛关注。但是随着光伏发电在电力系统中渗透率的日益增加，传统光伏电站并不具备传统发电厂一样的调节能力，对于系统频率、电压的波动没有任何响应措施，给电力系统的安全稳定运行带来挑战，因此通过合理的控制手段使其友好接入电网具有重要意义。因光伏发电在电力系统中所占比重日益增大，电网的有功扰动使系统频率波动越来越大，如何从光伏系统“源头”通过合理的控制策略，使其能够在负荷突减或故障等有功扰动情况下，为系统提供惯量、阻尼支撑并促进系统功率平衡，对提高系统的暂态稳定性具有重要作用。在现有的研究当中，从光伏运行轨迹着手，与惯量及一次调频相结合来实现暂态过程中系统功率平衡的研究很少，但是在风电机组中已有较多研究。风电场在减载模式下通过修改功率跟踪曲线，对最大功率点跟踪控制策略进行优化或改变桨距角，利用风机特性确定减载后的功率跟踪曲线比例系数，实现系统功率平衡，并使风电机组具有一次调频能力。在风力发电研究的基础上，可将上述思想应用于光伏发电系统，针对暂态过程减载情况下的功率波动问题，以光伏电池的电压-功率输出特性和逆变器控制为研究点，在MPPT控制的基础上可根据实际功率需求变轨迹运行实现功率调节，且在调节过程中可向系统提供惯量、阻尼支撑，实现暂态过程中的功率平衡，具有很大的研究价值和意义。
技术实现思路
针对光伏发电系统负荷突减或故障等有功扰动问题，提出基于改进电导增量法的变功率跟踪(variablepowerpointtracking，VPPT)光伏虚拟同步机控制方法，为稳定系统实现系统功率平衡提供了一条思路，灵活可靠。本专利技术所述问题采用如下技术方案：(1)正常工作状态下，光伏发电系统MPPT运行，最大效率的发电从而保证经济效益。(2)当系统负荷突减或故障导致系统功率不平衡时，光伏发电系统由MPPT转VPPT运行，与VSG控制相互配合，自适应调节实现最有效的功率分配促进系统功率平衡，在该暂态过程中提供不间断的惯量、阻尼支撑，有利于促进系统较快稳定。(3)扰动消除系统恢复正常过程中，光伏发电系统的变功率跟踪轨迹到达最大功率运行点后保持MPPT运行，最大限度地将光能转化为电能向系统供电。该技术方案有如下技术和方法上的创新：(1)在最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)的基础上提出变功率点跟踪(variablepowerpointtracking，VPPT)控制方法，可在负荷突减或故障时，根据功率需求自适应调节光伏运行轨迹，缓解系统功率不平衡问题。(2)针对暂态过程中的负荷突减或故障等有功扰动问题，VPPT与VSG的结合促进系统功率平衡的同时，并为系统提供惯量、阻尼支撑和一次调节能力，有利于提高系统的暂态稳定性。附图说明图1为两级式光伏虚拟同步机的拓扑结构和整体控制策略图图2为光伏电池稳定区域分析图图3为变功率跟踪算法图图4为虚拟同步发电机控制策略图图5为离网模式下负荷突减波形图。其中，(a)-(f)分别为光伏输出功率、光伏输出电压、直流母线电压、角频率变化图、逆变器输出电压和逆变器输出电流图。图6为并网模式下负荷突减波形图。其中，(a)-(f)分别为光伏输出功率、光伏输出电压、直流母线电压、角频率变化图、逆变器输出电压和逆变器输出电流图。图7为并网模式下某条线路发生三相短路接地故障时的波形图。其中，(a)-(f)分别为光伏电池的输出功率、光伏输出电压、直流母线电压、角频率变化图、逆变器输出电压和逆变器输出电流图。具体实施方式下面结合具体的实施例和附图对本专利技术提出的基于改进电导增量法的变功率跟踪光伏虚拟同步机控制方法进行详细描述。本实施例在本专利技术技术方法为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。图1给出两级式光伏虚拟同步机的拓扑结构和整体控制框图，系统主要由前级光伏Boost电路和后级逆变电路组成。由图1可知，变功率跟踪算法利用光伏阵列的输出电压和电流根据实际负荷或电网需求实时改变光伏阵列的输出功率，从而实现最有效地功率匹配保证系统功率平衡，而VSG控制策略的采用使系统的整个功率调节过程具备惯性、阻尼和一次调节特性，有利于系统稳定，同时双闭环的采用可有效提高逆变器输出电压、电流的波形质量。图2给出光伏电池稳定区域分析图。通过分析光伏电池的P-U特性曲线，从而得到当光伏电池运行在除最大功率点M外的其它运行点时光伏电池可稳定运行的具体电压区间。当光伏电池工作在除最大功率点M外的其它运行点时，忽略Boost电路和逆变器的有功功率损耗，当系统稳定运行时，功率关系式应为Ppv＝Pc+P(1)式中：Ppv为光伏电池输出功率；Pc为光伏电池侧稳压电容C上流过的功率；P为光伏系统对外输出功率，也是负荷或电网需求功率。其中，则(1)变形为设光伏电池在除M点外的某一点稳定运行，此时稳定工作点的输出电压为Upv’，并且对外输出功率P恒定，则将(2)式在该稳定运行点处进行线性化分析，其增量方程为又因则则(4)式的特征方程为因此，特征根为通常来说，为保证系统稳定，系统特征根应小于0，即λ＜0，由(7)式可推得当光伏电池运行在M点外的其它点时，光伏电池稳定运行应满足的条件为即电压区间(Umpp，Uoc]内。图3给出变功率跟踪算法流程图。该算法在传统电导增量法的基础上进行改进，同时与直流侧电容Cdc充放电时电压变化相结合，得出变功率跟踪控制策略。变功率跟踪控制主要实现四个目标：①初始稳定运行状态下，系统MPPT运行，使光伏电池最大限度的发电，提高其利用率。②当外界功率需求小于光伏电池最大出力时，保证其运行在光伏电池的稳定运行区域，即电压区间(Umpp，Uoc]内，根据实时功率需求的增减相应调整光伏电池的输出电压Upv。③当外界功率需求逐渐恢复正常时，变功率跟踪轨迹到达最大功率运行点M点后保持MPPT运行，使系统恢复到新稳态正常工作。④在①、②和③的基础上，同时要保证直流侧电压Udc稳定。由图3可知，该算法通过判断斜率的正负，如果斜率为正即系统运行在MPP的左侧即电压区间[0，Umpp)内，则以步长为1运行到MPP右侧，保证系统始终在电压区间[Umpp，Uoc]内进行准确跟踪，直流侧电压Udc是否稳定是衡量系统功率平衡的标准，根据ΔUdc和斜率的关系确定实际步长的大小，从而得到相应的光伏电池的输出电压。图4给虚拟同步发电机控制策略图，主要包括虚拟调速器、励磁调节器和VSG的数学模型，该控制方法能够很好的模拟同步发电机的外特性，并且使系统在离网和并网模式下可靠运行。同步发电机不仅具有调压、调频特性，同时为电网提供惯性和阻尼，为充分模拟同步发电机的外特性，通常采用同步发电机的经典二阶模型和下垂控制(参见式7)对VSG进行建模。图5为离网模式下负荷突减波形图。以负荷的突减、再投至恢复到正常状态下来模拟短时间内功率需求的变化情况。设定系统处于标况下(S＝本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.针对光伏发电系统负荷突减或故障等有功扰动问题，提出基于改进电导增量法的变功率跟踪(variable power point tracking，VPPT)光伏虚拟同步机控制方法，为稳定系统实现系统功率平衡提供了一条思路，灵活可靠。其具备的功能主要有：①正常工作状态下，光伏发电系统MPPT运行，最大效率的发电从而保证经济效益；②当系统负荷突减或故障导致系统功率不平衡时，光伏发电系统由MPPT转VPPT运行，与VSG控制相互配合，自适应调节实现最有效的功率分配促进系统功率平衡，在该暂态过程中提供不间断的惯量、阻尼支撑，有利于促进系统较快稳定；③扰动消除系统恢复正常过程中，光伏发电系统的变功率跟踪轨迹到达最大功率运行点后保持MPPT运行，最大限度地将光能转化为电能向系统供电。
【技术特征摘要】
1.针对光伏发电系统负荷突减或故障等有功扰动问题，提出基于改进电导增量法的变功率跟踪(variablepowerpointtracking，VPPT)光伏虚拟同步机控制方法，为稳定系统实现系统功率平衡提供了一条思路，灵活可靠。其具备的功能主要有：①正常工作状态下，光伏发电系统MPPT运行，最大效率的发电从而保证经济效益；②当系统负荷突减或故障导致系统功率不平衡时，光伏发电系统由MPPT转VPPT运行，与VSG控制相互配合，自适应调节实现最有效的功率分配促进系统功率平衡，在该暂态过程中提供不间断的惯量、阻尼支撑，有利于促进系统较快稳定；③扰动消除系统恢复正常过程中，光伏发电系统的变功率跟踪轨迹到达最大功率运行点后保持MPPT运行，最大限度地将光能转化为电能向系统供电。2.根据权利要求1所述的变功率跟踪算法，其特征在于：将电导增量法进行改进，同时以直流母线电压Udc是否稳定作为判断系统是否功率平衡的标准，二者相结合构成变功率跟踪算法，具体步骤为：①当负荷突减或故障使得光伏发电系统功率过剩时，判断斜率dPpv/dUpv的正负，若斜率大于0，则光伏轨迹...
【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，李佳佳，张波，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13
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