一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，所述控制方法包括：逆变器控制、储能侧双向斩波器控制和光伏侧升压斩波器控制；所述逆变器控制在虚拟同步发电机控制的基础上，增加光伏功率前馈控制，将光伏侧的功率扰动直接传递到电网侧；所述储能侧双向斩波器控制中直流母线电压采用比例积分谐振控制，使得在单相系统或者三相不平衡负载下，储能系统吸收直流母线的二倍频功率；光伏侧升压斩波器控制采用最大功率跟踪点控制方法。本发明专利技术在不影响VSG频率支撑功能的前提下，实现了对储能容量以及直流母线电容容量的优化。容量以及直流母线电容容量的优化。容量以及直流母线电容容量的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法


[0001]本专利技术涉及新能源控制
，特别涉及一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法。

技术介绍

[0002]随着可再生能源如风力、光伏的迅速发展，分布式发电机在电力系统中的渗透率越来越高，电网的动态特性随之发生了显著变化。在以同步发电机(Synchronous Generator，SG)为主的传统电网中，当发电侧与负载侧功率不平衡时，SG可以通过释放或吸收起转子动能补偿系统的功率不平衡，以平缓频率波动。而新型电力电子化电力系统并不具备这样的旋转惯量。一个新兴的网侧逆变器控制方法称为虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)在近些年来受到了广泛关注，它通过模拟SG的摆动方程来实现同步机的瞬态特性。通常VSG控制方案中也模拟了调速器的一次调频(下垂)特性。在这种情况下，VSG控制继承了下垂控制的优点，并且由于其较低的df/dt速率，在暂态频率稳定性方面优于后者。因此，VSG控制被视为解决电力电子化电力系统频率稳定性问题的关键。
[0003]然而，以往对VSG的研究多关注于控制器的设计方案，较少讨论VSG实际用于新能源发电的系统整体设计。通常这些研究中将电源侧简化为一个理想直流电压源，这显然与实际应用情况不符。为模拟SG的转子动能以及提供传统新能源发电所不具备的一次调频能力，VSG需要相应的储能系统。如何设计合理的储能系统及其协同控制方案成为了当前VSG研究的关键。
[0004]有学者提出直接使用直流母线电容作为储能系统，然而由于直流母线电压波动范围有限，所能提供的暂态能量缓冲范围较小，为了提供显著的惯性支撑效果，只能采用大容量的直流母线电容。同时为了兼顾VSG的一次调频功能，该团队又提出一种电池/超级电容混合储能的VSG系统，其中直流母线电容采用超级电容，用于模拟SG的惯性并补偿高频功率波动，电池用于模拟下垂特性以提供相对长期的缓慢功率。然而，关于电池容量以及超级电容容量并没有进一步的讨论，而且各个子系统变流器之间的协调控制研究还不够充分。还有学者采用了分钟级储能系统使全变流器风力涡轮机具有SG的外特性，尽管其中讨论了所需的储能系统容量，但没有额外的设计来降低储能容量。
[0005]综上，带有储能的新能源VSG系统，如何尽可能地优化储能容量以及直流母线电容容量目前还没有明确的研究方案。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，本专利技术在不影响VSG频率支撑功能的前提下，实现了对储能容量以及直流母线电容容量的优化。
[0007]本专利技术的目的是由以下技术方案实现的：
[0008]一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，所述光伏虚拟同步发电机系统包括光
伏阵列、储能系统、升压斩波器、双向直流斩波器、网侧逆变器以及LCL滤波；光伏阵列和储能系统分别通过升压斩波器和双向直流斩波器连接到直流母线，再通过网侧逆变器以及LCL滤波并入电网；
[0009]所述控制方法包括：逆变器控制、储能侧双向斩波器控制和光伏侧升压斩波器控制；
[0010]所述逆变器控制在虚拟同步发电机控制的基础上，增加了光伏功率前馈控制，将光伏侧的功率扰动直接传递到电网侧；
[0011]所述储能侧双向斩波器控制中直流母线电压采用比例积分谐振控制，使得在单相系统或者带不平衡负载的三相系统下，储能系统吸收直流母线的二倍频功率；
[0012]所述光伏侧升压斩波器控制采用最大功率跟踪点控制方法。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述储能侧双向斩波器控制采用直流母线电压外环控制和储能侧电流内环双环控制，在电压外环增加一个额外的谐振控制器；谐振频率设置为系统频率的两倍，可采用电网频率，或采用虚拟同步机控制中的虚拟转子频率ω
m
；当电网侧接入三相不平衡负载或者为单相系统时，所提出的谐振控制将系统产生的二倍频功率从直流母线转移到储能系统。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述储能侧双向斩波器控制还包括虚拟转子动能前馈控制，虚拟转子动能前馈控制将电网侧扰动直接传递给储能侧的电流控制指令。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述光伏功率前馈控制是在VSG的功率设定值P0中添加光伏功率前馈项P
pv
；此前馈控制通过调节VSG输出功率对光伏功率的跟踪。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述储能侧双向斩波器控制中，当电网发生如负载变化引起的频率暂态后，储能侧需恢复到额定荷电状态，设置一个储能侧电压外环来调整设定有功指令，其带宽低于VSG控制环；
[0017]当电网频率在P
‑
ω的下垂死区外，光伏VSG系统的一次调频功能开启时，关闭所述储能侧的外环。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述电网侧的扰动快速传递至储能侧，在储能内部电流环增加了一个前馈项I
ESff
；控制方程为：
[0019]P
in
‑
P
out
＝I
ESff
V
ES
；
[0020]其中，P
in
是由调速器决定的虚拟轴功率，P
out
是逆变器的输出有功功率，I
ESff
是前馈的内环电流，V
ES
是储能侧的电压。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述逆变器的VSG控制包括：
[0022]采用母线电压估计方案的无功单环控制；有功环在模拟SG惯性以及调速器特性时，增加阻尼对固有振荡进行衰减；控制方程为：
[0023][0024]其中，J是VSG的旋转惯量，P
d
是阻尼功率，ω0是额定频率，ω
m
是VSG输出的虚拟角频率。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0026]本专利技术通过了协同储能的光伏VSG系统的控制方法，对传统的控制方法进行改进，在不影响VSG频率支撑功能的前提下，实现了对储能容量以及直流母线电容容量的优化。首
先，储能侧双向直流斩波器中直流母线电压环采用比例积分谐振控制，使得在单相系统或者带不平衡负载的三相系统下，储能系统可以吸收直流母线的二倍频功率。其次，提出了虚拟转子动能前馈控制，将电网侧扰动直接传递给储能侧的电流控制指令。通过以上的两种控制，大大减小了直流母线电压的波动，减小了所需的直流母线电容，从而可以用薄膜电容代替传统的电解电容。最后，逆变器控制在虚拟同步发电机控制的基础上增加了光伏功率前馈控制，将光伏侧的功率扰动直接传递到电网侧，大大减小了储能侧的电压波动，进而降低了储能系统所需的容量。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，采用超级电容作为储本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，其特征在于，所述光伏虚拟同步发电机系统包括光伏阵列、储能系统、升压斩波器、双向直流斩波器、网侧逆变器以及LCL滤波；光伏阵列和储能系统分别通过升压斩波器和双向直流斩波器连接到直流母线，再通过网侧逆变器以及LCL滤波并入电网；所述控制方法包括：逆变器控制、储能侧双向斩波器控制和光伏侧升压斩波器控制；所述逆变器控制在虚拟同步发电机控制的基础上，增加了光伏功率前馈控制，将光伏侧的功率扰动直接传递到电网侧；所述储能侧双向斩波器控制中直流母线电压采用比例积分谐振控制，使得在单相系统或者带不平衡负载的三相系统下，储能系统吸收直流母线的二倍频功率；所述光伏侧升压斩波器控制采用最大功率跟踪点控制方法。2.根据权利要求1所述的光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，其特征在于，所述储能侧双向斩波器控制采用直流母线电压外环控制和储能侧电流内环双环控制，在电压外环增加一个额外的谐振控制器；谐振频率设置为系统频率的两倍，可采用电网频率，或采用虚拟同步机控制中的虚拟转子频率ω
m
；当电网侧接入三相不平衡负载或者为单相系统时，所提出的谐振控制将系统产生的二倍频功率从直流母线转移到储能系统。3.根据权利要求1所述的光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，其特征在于，所述储能侧双向斩波器控制还包括虚拟转子动能前馈控制，虚拟转子动能前馈控制将电网侧扰动直接传递给储能侧的电流控制指令。4.根据权利要求3所述的光伏虚拟同步发电机系统的控制方法，其特征在于，所述光伏功率前馈控制是在VSG的功率设定值P0中添加光伏功率前馈项P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳，侯昱光，李学文，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：