一种基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制方法与流程

本发明属于光伏并网发电系统的控制方法，具体涉及两级式并网发电系统的控制方法，采用基于功率下垂的控制方法。

背景技术：

经典的两级式并网发电系统中，包括前级boost和后级并网逆变器，其控制方式一致，进而使得系统在运行中，电源侧或者负荷侧容易发生波动，影响系统的运行。电源侧比如:光照强度和温度都会影响输入功率的波动；负荷侧比如：重负荷的投切会产生较大的功率波动等。

现有技术，一般光伏并网发电系统只按照最大功率发电，不参与系统的频率响应事件；进而在不增加外设的情况下，无法实现并网逆变器参与电网调频，同时，外界的扰动，导致系统运行缓慢。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，保证系统在电源侧或者负荷侧发生波动的情况下，系统仍然保持正常运行，以及直流母线电压的稳定，本发明提供一种前级和后级分别采用不同方式控制的基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制方法。

为了实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案予以实现。

一种基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制方法，用于两级式并网发电系统，包括以下步骤：

1)前级boost变换器的控制：所述前级boost变换器采用双闭环的控制方式；

2)后级并网逆变器的控制：所述后级并网逆变器采用功频下垂控制模拟rsg一次调频的控制方式。

进一步地，所述步骤1)前级boost变换器的控制具体为：所述前级boost采用电压电流双闭环的控制方式。通过这样电压电流双闭环的控制方式，能够维持直流母线电压稳定，以便于向系统注入恒定功率，实现并网发电系统的恒定输出；进而能够使得整个输出稳定，不易在电源侧和负荷侧发生波动。

进一步地，所述电压电流双闭环的控制方式具体为：采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制方式。这种控制方式，实现直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流。

进一步地，所述电流内环带宽是所述直流电压外环宽带的5-10倍。通过比较宽的电流内环，

进一步地，所述后级并网逆变器控制中，当不考虑无功功率的影响时，采用电流内环控制后级并网逆变器。通过不考虑无功功率的控制外环，而只考虑无功的电流内环，简化了控制结构，同时提高了控制效率。正常的逆变器或者同步机包括有功和无功两个控制回路。由于不考虑无功功率的影响，只采用电流内环进行控制。而对于有功控制回路，采用有功频率控制，响应电网的频率动态。

进一步地，所述步骤2)后级并网逆变器的控制具体为：对于逆变器的有功部分，先利用频率下垂控制模拟rsg一次调频过程的控制方式进行控制，然后将其输出的输出功率叠加到有功给定功率上，形成后级并网逆变器有功功率的输出。通过这样的控制，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，使得电流内环加速系统响应速度，加快控制速度。

进一步地，所述步骤2)后级并网逆变器的控制具体通过公式(1)进行控制：

公式(1)中，pω为响应干扰的功率变化量，dp为频率下垂控制系数，ω0为系统的额定角频率，ωg为电网实际的角频率。通过这一公式，能够看出，后及并网逆变器的控制，只需要依靠响应干扰的功率变化量以及电网实际的角频率进行控制调节，调整参数少，控制速度快。

进一步地，所述步骤2)后级并网逆变器控制中，还包括对于并网逆变器输出电流的限流。限流，能够保证逆变器的安全运行。

进一步地，所述限流后还包括输出电流的控制，所述输出电流的控制依据公式(2)进行：

其中：kp为功率环的比例系数，ki为功率环的积分系数，p0为后级并网逆变器设定功率，pe为实时检测的电磁功率。

具体地，注入系统的有功电流id由系统的设定功率p0和与电网频率的耦合pω等两部分组成，克服传统输出功率恒定的限制，光伏系统的输出功率是变动的。与电网的频率耦合起来，响应电网频率的动态，主动承担源荷不平衡的责任。

本发明的有益效果如下：

本发明中，前级boost变换器采用直流母线电压外环、光伏电流内环的控制策略，光伏组件和前级boost变换器在稳态可以近似为一个的直流源；为了响应电网动态调频过程，后级并网逆变器采用功频外环、电感电流内环的控制策略，来保证系统在干扰的作用下稳定运行。实现在不增加外设的情况下，光伏并网发电系统也能实现参与电网调频的功能。

本发明中，为了保证系统在电源侧或者负荷侧发生波动的情况下，系统仍然保持正常运行，只能通过后级并网逆变器进行动态响应，抑制外界的扰动。后级并网逆变器与rsg对应，采用功频下垂控制模拟rsg的一次调频过程。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制原理图；

图2为本发明提供的实施例1中的单相简化电路原理图；

图3为本发明提供的实施例1中的向量图；

图4为本发明提供的前级boost变换器控制原理图；

图5为本发明提供的后级并网逆变器控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明中，一种基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制方法，用于两级式并网发电系统，包括以下步骤：

1)前级boost变换器的控制：所述前级boost变换器采用双闭环的控制方式；

具体为：所述前级boost采用电压电流双闭环的控制方式。通过这样电压电流双闭环的控制方式，能够维持直流母线电压稳定，以便于向系统注入恒定功率，实现并网发电系统的恒定输出。

所述电压电流双闭环的控制方式具体为：采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制方式。这种控制方式，实现直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流。

所述电流内环带宽是所述直流电压外环宽带的5-10倍，即电流内环的带宽远远大于直流电压外环的带宽。因为时间尺度不同，所以采样周期不一样。然后控制器带宽最大就是奈奎斯特频率，但是工程经验一般也就是1/5-1/10。

进一步地，所述后级并网逆变器控制中，当不考虑无功功率的影响时，采用电流内环控制后级并网逆变器。对于正常的逆变器或者同步机，包括有功和无功两个控制回路。由于不考虑无功功率的影响，只采用电流内环进行控制。而对于有功控制回路，采用有功频率控制，响应电网的频率动态。

2)后级并网逆变器的控制：所述后级并网逆变器采用工频下垂控制模拟rsg一次调频的控制方式。

具体为：对于逆变器的有功部分，先利用频率下垂控制模拟rsg一次调频过程的控制方式进行控制，然后将其输出的输出功率叠加到有功给定功率上，形成后级并网逆变器有功功率的输出。通过这样的控制，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，使得电流内环加速系统响应速度，加快控制速度。

进一步地，所述步骤2)后级并网逆变器的控制具体通过公式(1)进行控制：

公式(1)中，pω为响应干扰的功率变化量，dp为频率下垂控制系数，ω0为系统的额定角频率，ωg为电网实际的角频率。通过这一公式，能够看出，后及并网逆变器的控制，只需要依靠响应干扰的功率变化量以及电网实际的角频率进行控制调节，调整参数少，控制速度快。

进一步地，所述步骤2)后级并网逆变器控制中，还包括限流，所述限流具体为限制什么的电流或者什么为多少。限流，能够保证逆变器的安全运行。

进一步地，所述限流后还包括输出电流的控制，所述输出电流的控制依据公式(2)进行：

其中：kp为功率环的比例系数，ki为功率环的积分系数，p0为后级并网逆变器设定功率，pe为实时检测的电磁功率。

通过公式(2)能够看出，后及并网逆变器的控制，只需要依靠响应干扰的功率变化量以及电网实际的角频率进行控制调节，调整参数少，控制速度快。

实施例1

如图1所示为基于功频下垂控制的光伏并网发电系统，系统由光伏组件(图中pv)、前级boost变换器和后级逆变器组成，具体为静止式同步发电机(staticsynchronousgenerator,ssg)。本实施例中，首先通过光伏组件即pv提供电源，然后通过电压和电感传输给后级并网逆变器，通过后级并网逆变器处理后给负荷以及电网供电。本实施例中，首先通过光伏组件即pv提供电源，然后通过前级boost变换器升压后传输给后级并网逆变器，通过后级并网逆变器处理后给负荷和电网供电。利用直流电压外环、电流内环对光伏组件和前级boost进行控制，利用功率下垂对后级并网逆变器进行控制，响应电网和负荷波动。

与rsg(即rotationalsynchronousgenerator)相对应的，本实施例中的pv以及前级boost变换器相当于原动机，而后级并网逆变器相当于同步机。

由于ssg与rsg之间存在着显著的对应关系，ssg中的光伏组件与rsg的一次能源对应；前级boost采用电压、电流双闭环的控制策略来维持直流母线电压稳定，向系统注入恒定功率，与rsg的原动机对应；后级并网逆变器与rsg对应，采用功频下垂控制模拟rsg的一次调频过程。

为了简化分析ssg的机电暂态过程，可将图1所示的光伏并网发电系统简化为图2所示的单相等效电路。其中，us是后级并网逆变器滤波前的出口电压，与rsg的励磁电势幅值对应；δ是后级并网逆变器与电网之间的相角差，与rsg的励磁电势和端电压之间的功角差对应；rs和ls分别表示l型滤波器以及后级逆变器的等效电阻和等效电感，与rsg的定子电阻和电感对应；lg表示光伏并网发电系统与无穷大电网之间的等效阻抗，其值大小表征系统与无穷大电网的联系强度；ug是并网逆变器的端电压，与电网电压一致。

根据电路原理，由图2的ssg的单相简化电路，易得：

式中：i为后级并网逆变器的输出电流。

式(1)在同步旋转坐标系下可表示为：

在忽略串联等效电阻rs的前提下，可以将图2所示的系统的单相简化图用向量图进行描述(如图3所示，表示系统的向量图)，采用基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系，使电网电压矢量ug与同步旋转坐标系的d轴重合。其中，是并网逆变器的端电压与输出电流之间的相位差，φ是后级并网逆变器滤波前的出口电压与输出电流之间相位差。

pe和qe分别为:

结合图3和式(3)，可得：

式中：x＝ωls。

由式(3)和式(4)可知，在考虑系统结构参数不变的情况下，并网逆变器的有功功率pe主要取决于功角差δ，而无功功率qe由逆变器的出口电压us和端电压ug共同决定。因此，逆变器的功率可分别通过控制电压幅值和相位来实现独立控制。

参照附图4所示，其表示的是本发明中前级boost变换器的控制原理图，参照附图4可知，直流电压外环、电流内环的双闭环控制策略中，电流内环的带宽一般远远大于直流电压外环。在研究直流电压时间尺度的动态问题时，电流内环的动态过程可以忽略。因此前级boost变换器的输出电流满足：

式中：kp^*为直流电压外环的比例系数，ki^*为直流电压外环的积分系数，udc*为直流母线电压设定值，udc为直流母线电压检测值。

在直流电压外环、电流内环的双闭环控制作用下，前级boost变换器进入稳态运行，直流母线电压udc几乎维持不变，光伏组件和前级boost变换器可以近似为一个直流电压源。

参照附图5，为本实施例中，后级并网逆变器的控制原理图，频率下垂控制可以用公式表示为：

式中：pω为响应干扰的功率变化量，dp为频率下垂控制系数，ω0为系统的额定角频率，ωg为电网实际的角频率。

利用多时间尺度建模的思想，忽略电流内环的电磁时间动态过程，只考虑功率控制环的时间尺度，图5所示的后级并网逆变器输出电流表示为：

式中：kp为功率环的比例系数，ki为功率环的积分系数，p0为后级并网逆变器设定功率，pe为实时检测的电磁功率。

本实施例中，可以近似为一个的直流源；为了响应电网动态调频过程，后级并网逆变器采用功频外环、电感电流内环的控制策略，来保证系统在干扰的作用下稳定运行。

本实施例中，由于前级boost采用电压、电流双闭环的控制策略来维持直流母线电压稳定，进而向系统注入恒定功率，与rsg的原动机对应；直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流。

进一步地，为了保证系统在电源侧或者负荷侧发生波动的情况下，系统仍然保持正常运行，只能通过后级并网逆变器进行动态响应，抑制外界的扰动。后级并网逆变器与rsg对应，采用功频下垂控制模拟rsg的一次调频过程。在不考虑无功功率对系统影响的情况下，只采用电流内环控制即可；而在有功部分，先利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，频率下垂环的输出pω叠加到有功给定p0上，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，电流内环加速系统响应速度，且通过限流来保证逆变器安全运行。

本实施例中，前级boost变换器采用直流母线电压外环、光伏电流内环的控制策略，光伏组件和前级boost变换器在稳态可以近似为一个的直流源；为了响应电网动态调频过程，后级并网逆变器采用功频外环、电感电流内环的控制策略，来保证系统在干扰的作用下稳定运行。实现了在不增加外设的情况下，光伏并网发电系统也能实现参与电网调频的功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。