变功率点跟踪的两级式无储能光伏虚拟同步机控制方法与流程

本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，特别涉及一种变功率点跟踪的两级式无储能光伏虚拟同步机控制方法。

背景技术：

随着光伏发电系统渗透率的不断提高,其并网设备需要逐步转变“只管发电，不管电网”的思路。如何依托灵活可控的电力电子技术提高光伏系统的可靠性，使其成为共同维护电网安全稳定的“参与者”，具有非常重要的意义。现有技术中，光伏电池通过至少一级电力电子变流器并入电网或直接为负荷供电，电力电子变流器及其控制技术的大量使用，使光伏系统的控制更加自由灵活，但由于其几乎不存在转动惯量与阻尼特性，难以参与到电网调节中，无法为电网提供必要的电压和频率支撑作用。因此，高渗透率的光伏发电会使电力系统的惯性时间常数降低，旋转备用容量及转动惯量也相对减少，这势必会影响电网的动态响应和电压/频率稳定性。如何对光伏系统进行改进以实现其友好并网已成为目前亟侍解决的关键问题。

近年来国内外学者提出了虚拟同步发电机(vsg)的控制方法，借鉴传统电力系统中对电网天然友好的同步发电机的运行特点和控制方式，使光伏并网系统模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，有助于其实现友好并网，被认为是一个有效的提高含有大量光伏发电机的电力系统稳定性的方法。

目前对于vsg大部分的研究都是以直流终端为恒定的直流电压源例如蓄电池为基础的，不考虑能量供给侧的情况，忽略了光伏输出的动态特性对传统vsg控制可能带来的影响，限制了光伏虚拟同步机(pv-vsg)的发展。在直流母线处加入双向储能装置稳定直流母线电压的方法，通过直流侧配置的双向储能装置为系统调频提供能量，使光伏系统具备惯性和阻尼，以及一次调节功能，且光伏电池始终运行在最大功率点处。这种方式虽然可以实现虚拟同步机的特性，但配置储能装置增加了光伏发电系统的成本和维护工作量，以及额外的安装空间，给实际应用带来了很大困难。利用光伏电池的自适应性可以得出适用于单级式光伏系统的不带储能的虚拟同步机控制策略，但这种方法不能应用在分布式电网使用的两级式光伏系统中。由于组串式光伏并网方案中使用的两级式结构较集中式光伏并网方案中的单级式结构具有更灵活、效率更高和可靠性更强的优点，现已成为光伏并网结构的主要发展趋势。因此，在无需储能装置子系统的前提下，研究适用于两级式光伏系统的虚拟同步机控制策略就具有更加重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变功率点跟踪的两级式无储能光伏虚拟同步机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在两级式光伏系统中，通过对dc/dc电路控制中的传统扰动观测mppt法进行改进，将原有的单一增变量模式，变为根据直流母线电压判定的符号sudc(k)表征直流母线电压值是否稳定的判断，改变最大功率点跟踪过程，进而改变光伏电池输出功率，使直流母线电压保持稳定，改变了原有的最大功率点跟踪轨迹，实现了与直流母线电压相关的变功率点跟踪，进而改变光伏电池端电压来影响光伏输出功率；实现了两级式光伏系统中dc/dc电路和dc/ac电路两部分的功率平衡；

2)变功率点跟踪控制为采用光伏虚拟同步机(vsg)控制逆变器，使其准确提供一次调节所需的功率，从而，通过vsg控制逆变器的控制模拟了同步发电机的特性，为光伏系统增加了惯性、阻尼和一次调频/调压调节特性，提高了系统电压和频率稳定性，两部分控制协调合作，则无需配置储能装置的光伏虚拟同步机；

3)变功率点跟踪控制使光伏电池不始终工作在最大功率点处，而是根据负荷所需功率和光伏电池最大功率之间的关系决定，当光伏电池容量充足时,即当光伏电池所能发出的最大功率值大于负荷所需时，工作状态由负荷情况决定，变功率点跟踪控制可以调整光伏电池工作在光伏输出功率等于负荷所需的功率运行点；当光伏电池容量不充足时，即光伏电池所能发出的最大功率量仍不能满足负荷的需求时，工作状态由光照度决定，此时光伏电池需要工作在最大功率点，尽可能地发出更多的能量；通过以上控制提高了光伏系统的可控性，使系统具有预设的备用容量，通过自身控制，在不需要储能装置的前提下，可对光伏输出进行实时准确的变功率点跟踪控制，在提高系统稳定性的同时降低系统成本；

所述步骤2)中通过vsg控制逆变器的控制模拟了同步发电机的特性采用两级三相光伏虚拟同步机的拓扑结构实现；该三相光伏虚拟同步机的拓扑结构为光伏电池通过boost电路、逆变器和lc滤波器与本地负载或电网相连，用三相等效负荷代替本地负载和电网所需的负载之和；光伏电池和boost电路模拟作为提供与负荷变化一致能量的原动机；逆变器和lc电路模拟同步发电机的其他部分；因此，boost电路如何调节光伏电池输出功率，使其提供与负载需求相同的能量，以及逆变器如何模拟出同步发电机所具有的惯性和阻尼，是光伏虚拟同步机能否实现的关键。

所述步骤3)变功率点跟踪控制使光伏电池不始终工作在最大功率点处，而是根据负荷所需功率和光伏电池最大功率之间的关系决定，由于现有的光伏系统是通过最大功率点跟踪技术使光伏电池运行在最大功率点，当负载所需能量小于最大功率时，将多余的能量储存在储能装置中，忽略了dc/dc变流器对光伏电池输出功率的调控作用；通过对功率点跟踪过程进行改进，使光伏电池不始终工作在最大功率点，而是工作在与此时负载变化同步的最适合的功率点，只为负载提供其所需的能量，从源头上减少能量的发出，这样就减少了储能装置带来的成本、安装方面的问题，省却了储能系统及其变流环节，还能提高系统的稳定性；在稳定情况下，光伏电池的输出功率特性曲线是以最大功率点为极值的单峰值曲线。

所述变功率点跟踪控制在mppt中最常用的扰动观测法的基础上加入了直流母线电压判定模块，直流母线电压实际值udc(k)与给定值udcref之间的大小关系，反映直流母线两侧能量是否平衡，即反映由光伏电池和dc/dc变换器组成的能量供给模块是否能准确提供逆变器和三相负荷所需的能量；所述直流母线电压判定的符号sudc(k)反映直流母线电压实际值与给定值差值的正负符号系数，并将其作为功率点跟踪过程电压变化量δu的系数；当udc(k)<udcref时，sudc(k)＝1，直流母线电压小于给定值，说明发出的能量不能满足负荷所需的能量，此时电压变化量的正负符号系数为1，系统保持原有的最大功率点跟踪过程，光伏电池此时发出的能量不断增加，直流母线电压会随之增大，与给定值之间的差值会越来越小；当udc(k)＝udcref时，sudc(k)＝0，此时直流母线电压与给定值相同，直流母线两侧能量守恒，即找到了此时最佳的功率运行点，此时符号系数为0，光伏电池端电压维持在此刻值不变；当udc(k)>udcref时，sudc(k)＝-1，直流母线电压大于给定值，说明光伏电池发出的能量大于符合所需的能量，此时符号系数为-1，系统此时进行的功率点跟踪方向与原mppt过程相反，即向着功率减少的方向跟踪，光伏电池发出能量减少，进而直流母线电压不断降低直至其值等于给定值；通过以上控制，将最终获得一个能保证直流母线两侧功率平衡的最适合的功率运行点upv-vppt，光伏电池端电压通过dc/dc变换器的控制运行在该点处；此时，光伏电池发出的能量刚好满足负载所需，直流母线两侧能量平衡，直流母线电压保持稳定。

所述步骤2)采用光伏虚拟同步机(vsg)控制逆变器是为了提高光伏系统的惯性和阻尼，模拟同步发电机的转子机械特性，现将同步发电机的经典二阶方程引入到控制策略中，假定极对数为1，转子运动方程如下式所示:

式中：pm、pe分别为机械功率和电磁功率；ω为pv-vsg的实际电角速度；δω为实际电角速度和电网电角速度之差；θ为电角度；d为定常阻尼系数；j为转动惯量。

vsg控制模拟同步发电机的上述特性，设计逆变器控制方式，主要由有功-频率控制和无功-电压控制两部分构成；其中，pref、qref分别为有功和无功功率的参考值，pm为光伏系统模拟的机械功率，表示pv-vsg的参考输入功率，pe、qe分别表示pv-vsg实际输出的有功和无功功率，模拟电磁功率的变化；u0为额定电压，u为实际输出电压；ω0是额定角频率，e是电压参考指令的幅值；也即pv-vsg的输出电压幅值；

虚拟同步发电机的有功–频率控制模拟了同步发电机的调速器部分，用以实现有功功率和系统频率之间的下垂特性。由于系统负荷变化而引起频率变化时，调速器根据频率偏差对虚拟同步机控制过程中的输入功率pm进行修正，进而保证有功功率平衡并使系统频率稳定在正常范围内。虚拟同步机的输入功率可表示为

pm＝pref+kω(ω0-ω)，(公式②)

其中kω为有功-频率下垂系数。此时虚拟同步机具有有功—频率下垂特性；

虚拟同步发电机的无功–电压控制模拟同步发电机的励磁调节器，用以表征无功功率和系统电压之间的下垂特性；当系统电压变化时，由励磁调节器改变输入无功功率qm，维持无功功率平衡及系统电压的稳定，虚拟同步机的输入无功功率可表示为

qm＝qref+kv(u0-u)，(公式③)

其中kv为无功-电压下垂系数；

本发明的有益效果是：针对现有带储能的光伏虚拟同步机技术的缺点和实际应用的局限性，提出了实现变功率点跟踪的不带储能的光伏虚拟同步及控制方法。通过分析光伏电池输出特性和两级式光伏系统控制的特点，充分利用boost电路对光伏电池输出功率的调控作用，通过对最大功率点跟踪过程的改进，实现变功率点跟踪，使光伏电池不始终运行在最大功率点处，而是根据光伏虚拟同步机系统的需求发出适量的功率，在不需要外加储能装置的前提下，解决了虚拟同步机实现过程中重要的能量准确供给的问题，结合逆变器vsg控制策略，解决了无需配置储能的两级式光伏虚拟同步机的实现问题。为光伏虚拟同步机控制的实现提供了重要的切实可行的解决途径，不仅能提高光伏系统的经济性，还能大大提高目前高光伏渗透率下的电网安全和稳定性。

附图说明

图1为光伏虚拟同步机结构图；

图2为变功率点跟踪方法流程图；

图3为虚拟同步机逆变器控制框图；

图4为负载变化时的仿真结果示意图；其中，a.交流侧输出有功功率；b.频率；c.交流侧输出电压；d.交流侧输出电流；e.直流母线电压；f.光伏电池端电压；g.光伏电池输出功率。

图5为光照度变化时的仿真结果示意图。其中,a.设定光照度变化情况；b.交流侧输出功率；c.频率；d.交流侧输出电压；e.直流母线电压；f.光伏电池端电压；g.光伏电池输出功率.

具体实施方式

本发明提供一种变功率点跟踪的两级式无储能光伏虚拟同步机控制方法，下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1所示为两级三相光伏虚拟同步机的拓扑结构，光伏电池pv通过boost电路、逆变器和lc滤波器与本地负载或电网相连，用三相等效负荷代替本地负载和电网所需的负载之和。光伏电池pv和boost电路模拟了作为提供与负荷变化一致能量的原动机，逆变器和lc电路可以模拟同步发电机的其他部分。boost电路如何调节光伏电池输出功率，使其提供与负载需求相同的能量，以及逆变器如何模拟出同步发电机所具有的惯性和阻尼，从而，通过vsg控制逆变器的控制模拟了同步发电机的特性，为光伏系统增加了惯性、阻尼和一次调频/调压调节特性，提高了系统电压和频率稳定性，两部分控制协调合作，则无需配置储能装置的光伏虚拟同步机；

在稳定情况下，光伏电池的输出功率特性曲线是以最大功率点为极值的单峰值曲线。现有的光伏系统中，通常是通过最大功率点跟踪技术使光伏电池运行在最大功率点，当负载所需能量小于最大功率时，将多余的能量储存在储能装置中。这就忽略了dc/dc变流器对光伏电池输出功率的调控作用，通过对功率点跟踪过程进行改进，使光伏电池不始终工作在最大功率点，而是工作在与此时负载变化同步的最适合的功率点，只为负载提供其所需的能量，从源头上减少能量的发出，这样就减少了储能装置带来的成本，安装方面的问题，省却了储能系统及其变流环节，还能提高系统的稳定性。

(1)boost电路控制策略

本发明通过对传统mppt法进行改进，在控制过程中加入了变量符号判定模块，将原有的单一增变量模式，变为根据直流母线电压判定的符号不定的变化量，这就改变了原有的最大功率点跟踪轨迹，实现了与直流母线电压相关的变功率点跟踪，进而改变光伏电池端电压来影响光伏输出功率，其控制流程如图1所示。

由图2可知，变功率点跟踪控制在mppt中最常用的扰动观测法的基础上加入了直流母线电压判定模块，直流母线电压实际值udc(k)与给定值udcref之间的大小关系可以反映直流母线两侧能量是否平衡，即可以反映由光伏电池和dc/dc变换器组成的能量供给模块是否能准确提供逆变器和三相负荷所需的能量。将原有的单一增变量模式变为根据直流母线电压判定的符号sudc(k)表征直流母线电压值是否稳定的判断，改变最大功率点跟踪过程，进而改变光伏电池输出功率，使直流母线电压保持稳定，改变了原有的最大功率点跟踪轨迹，实现了与直流母线电压相关的变功率点跟踪，进而改变光伏电池端电压来影响光伏输出功率；实现了两级式光伏系统中dc/dc电路和dc/ac电路两部分的功率平衡；

如图中所示，当udc(k)<udcref时，sudc(k)＝1，直流母线电压小于给定值，说明发出的能量不能满足负荷所需的能量，此时电压变化量的正负符号系数为1，系统保持原有的最大功率点跟踪过程，光伏电池此时发出的能量不断增加，直流母线电压会随之增大，与给定值之间的差值会越来越小；当udc(k)＝udcref时，sudc(k)＝0，此时直流母线电压与给定值相同，直流母线两侧能量守恒，即找到了此时最佳的功率运行点，此时符号系数为0，光伏电池端电压维持在此刻值不变；功率点跟踪过程电压变化量δu的系数；当udc(k)>udcref时，sudc(k)＝-1，直流母线电压大于给定值，说明光伏电池发出的能量大于符合所需的能量，此时符号系数为-1，系统此时进行的功率点跟踪方向与原mppt过程相反，即向着功率减少的方向跟踪，光伏电池发出能量减少，进而直流母线电压不断降低直至其值等于给定值。通过以上控制，将最终获得一个能保证直流母线两侧功率平衡的最适合的功率运行点upv-vppt，光伏电池端电压通过dc/dc变换器的控制运行在该点处。此时，光伏电池发出的能量刚好满足负载所需，直流母线两侧能量平衡，直流母线电压保持稳定。

vsg控制策略模拟同步发电机的上述特性，设计逆变器控制方式(如附图3所示)，主要由有功-频率控制和无功-电压控制两部分构成。其中，pref、qref分别为有功和无功功率的参考值，pm为光伏系统模拟的机械功率，表示pv-vsg的参考输入功率，pe、qe分别表示pv-vsg实际输出的有功和无功功率，模拟电磁功率的变化。u0为额定电压，u为实际输出电压；ω0是额定角频率，ω是pv-vsg的实际角频率，δω为系统实际角频率值与额定值之间的差值。e和θ分别是电压参考指令的幅值和相角，也即pv-vsg的输出电压幅值和功角。

虚拟同步发电机的有功–频率控制模拟了同步发电机的调速器部分，用以实现有功功率和系统频率之间的下垂特性。由于系统负荷变化而引起频率变化时，调速器根据频率偏差对虚拟同步机控制过程中的输入功率pm进行修正，进而保证有功功率平衡并使系统频率稳定在正常范围内。虚拟同步机的输入功率可表示为

pm＝pref+kω(ω0-ω)，(公式②)

其中kω为有功-频率下垂系数。此时虚拟同步机具有有功—频率下垂特性。

虚拟同步发电机的无功–电压控制模拟同步发电机的励磁调节器，用以表征无功功率和系统电压之间的下垂特性。当系统电压变化时，由励磁调节器改变输入无功功率qm，维持无功功率平衡及系统电压的稳定。虚拟同步机的输入无功功率可表示为

qm＝qref+kv(u0-u)，(公式③)

其中kv为无功-电压下垂系数。

通过matlab/simulink平台对上述控制策略进行仿真验证。为通过仿真进行验证，起始负载为8kw,在2秒至3秒期间设置一个负载突增，负载由8kw突增至10kw,4秒至5秒期间负荷由8kw突增为13kw。光伏电池阵列最大功率输出为12.6kw，交流侧输出功率、系统频率、交流侧输出电压电流、直流母线电压、光伏电池端电压、光伏电池输出功率的仿真波形图如附图4所示。

当1s-4s时，符合所需功率始终小于光伏电池的最大输出功率，如图4(a)-(d)所示，光伏系统采用本文的控制策略后，当负载发生突增或突降的情况时，光伏系统交流侧输出功率始终与给定的负载变化保持一致，负载变化时交流侧三相电压幅值保持稳定在311v，交流侧三相电流随负载的变化而变化。系统频率也维持在50hz附近，最大差值在0.05hz以内，处于正常标准范围之内。可以看出，此时光伏系统实现了对同步机特性的模拟，在负载变化时，光伏系统可以保持电压和频率的稳定。图4(e)显示此时直流母线电压稳定在给定值800v不变，说明直流母线两侧功率保持平衡。附图4(f)-(g)显示了变功率点跟踪过程，光伏系统通过变功率点跟踪找到了适合现有情况的最佳的功率运行点，通过改变光伏电池端电压，相应地改变了光伏电池的输出功率，使光伏输出与负载的变化同步，充分体现了对光伏电池输出功率的准确控制。

当4s-5s时，负载所需功率超过光伏电池最大输出功率，此时，光伏电池始终运行在最大功率点处，尽可能发出更多的能量约为12.6kw,除去系统损耗，实际交流侧输出约为12.2kw，交流侧电压和电流也有小的波动，但都属于正常情况。此时直流母线两侧能量不平衡，直流母线电压降至450v附近。但由于实际光伏系统容量充足，且有多个机组同时工作，机组之间对于各自出力进行协调，此种情况基本不会出现。

当光照度变化时，系统能否准确提供负荷所需的能量以及能否保持系统频率和并网电压的稳定，成为检验本发明提出的光伏虚拟同步机策略能否适应不同运行环境的一个重要的方面。本发明对两种光照度变化情况：1，光照度突然变化2，光照度呈线性缓慢变化进行仿真验证，此时系统负载保持在8kw不变。

图5反映了当光照度发生变化时，光伏虚拟同步机的运行情况。图5(a)为仿真设置的光照度的变化，当2s时，光照度由1000w/m²突降为800w/m²，模拟了光伏电站经常出现的遮蔽现象，当4s时以100(w/m²)/s的变化率经过2s线性上升至1000w/m²，模拟了光照度缓慢变化的情况。附图5(b)-(g)反映了光伏系统各参数的变化。附图5(b)显示了当光照度变化时，交流侧功率的输出始终保持在8kw，即始终与负荷给定相同，在光照度变化时始终满足负荷需求。附图5(c)反映了系统频率始终保持稳定在50hz附近，在标准范围内。附图5(d)为交流侧电压始终稳定在额定值。附图5(e)显示直流母线电压始终保持在800v，虽然在光照度骤降时有少量波动，但波动量很小，基本可以忽略，直流母线电压稳定表征了直流母线两侧功率的平衡。附图5(f)显示了光伏电池端电压的变化，由于采用了变功率点跟踪控制，当光照度突降时，光伏电池输出功率下降，因此需调整光伏电池端电压，使光伏电池发出更多的能量来满足负荷需求。当4s时，光照度呈线性增长时，光伏电池出力增加，因此光伏电池端电压随之缓慢升高，进而减少了发出的能量，使系统始终保持稳定的交流输出功率。附图5(g)为光伏电池输出功率的变化，始终保持在给定负荷8kw附近，即光伏电池在光照度变化时，通过变功率点跟踪控制策略的调节，能始终维持输出功率的稳定。

在对以上两种光伏发电中经常遇到的情况进行仿真后，我们可以看出，采用本发明中的变功率点跟踪控制的虚拟同步机控制策略，两级式光伏发电系统可以很好地实现同步机的特性，在负荷变化或光照度变化时，能够维持电压和频率的稳定，保障系统安全稳定地运行，在不需要超级电容或电池组等辅助储能设备的帮助下准确提供所需能量，不仅降低了成本，还提高了系统的稳定性。