一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法及系统与流程

1.本发明属于逆变器控制技术领域，涉及一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法及系统。


背景技术：

2.在全球能源转型背景下，大规模光伏发电系统等可再生能源参与电网运行。随着光伏逆变器等电力电子设备高比例接入电网，传统发电机组数量锐减，所带来的多旋转惯量不复存在，造成电网频率偏移增大甚至崩溃，迫切需要含有电力电子变流器等设备的光伏发电系统主动参与频率调节。
3.现有技术中，光伏发电系统的拓扑结构主要分为单级式和双级式，单级式光伏发电系统不经boost升压器变换而直接与网侧逆变器相连，逆变器需要同时承担基于最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)的功率传输和系统稳定任务，由于光照强度、温度等外界因素的影响，系统频率容易波动，造成直流侧并联电容电压发生变化，由于直流电容电压和光伏发电功率具有非线性关系，不利于频率控制策略的实施，而且极易导致母线电压崩溃，所以需要对光伏电站并网的下垂控制、低频减载等调频控制技术进行改进。而光储微电网并网发电系统的控制方法中，通过boost升压变换器控制策略对光伏发电电源进行最大功率跟踪控制及恒压控制，通过双向dc-dc变换器控制策略控制储能模块充放电，通过dc-ac并网逆变器控制策略稳定并网点电压。然而现有技术中的逆变器控制策略并无法为系统提供虚拟惯量支撑，正常运行时稳定性不足，缺乏调频能力。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法及系统，为系统提供虚拟惯量支撑，有效缓解系统频率扰动，实现光伏系统参与电网的一次调频功能。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.本发明一方面提出了一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法，包括：
7.步骤1，根据光伏阵列的输出功率和输出电压，基于线性拟合算法，获得光伏阵列的输出功率与输出电压关系的拟合系数；
8.步骤2，基于双级式光伏发电系统结构，对逆变器的电压外环控制引入频率补偿量，利用频率补偿量和直流电压参考值对并网侧直流电压进行补偿；补偿后得到的信号经过pi控制器得到电流内环控制的直流电流参考值；其中，频率补偿量，是根据实际频率与系统额定频率的差值，引入调节系数获得的；
9.步骤3，在mppt控制下，获取双级式光伏发电系统中boost变换器调制信号的占空比d；
10.步骤4，利用拟合系数、调节系数和占空比构造双级式光伏发电系统中从负荷扰动
到频率扰动的传递函数；
11.步骤5，利用双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数对光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型；
12.步骤6，基于双级式光伏发电系统的电网频率模型实现双级式光伏并网逆变器控制。
13.步骤1中，当光伏阵列的输出功率运行于最大功率点左侧时，利用线性拟合算法对输出功率进行处理，得到如下关系式：
14.p＝au
pv
+b
15.式中，
16.p为光伏阵列的输出功率，
17.a和b分别为拟合系数和常数系数，
18.u
pv
为光伏阵列的输出电压。
19.步骤2中，基于双级式光伏发电系统结构，考虑网侧逆变器的双闭环控制策略，在逆变器的电压外环控制中引入的频率补偿量满足如下关系式：
20.δω＝k(ω-ω0)
21.式中，
22.δω为频率补偿量，
23.k为调节系数，
24.ω为实际频率，
25.ω0为系统额定频率。
26.在光伏阵列与逆变器之间串联变换器获得双级式光伏发电系统结构。
27.步骤3中，在mppt控制下，双级式光伏发电系统中boost变换器的控制策略为：光伏阵列的输出电压u
pv
和电流i
pv
经最大功率跟踪mppt输出直流电压参考值u
pvref
，输出电压u
pv
与直流电压参考值u
pvref
之间的误差信号经pi控制器和pwm调制后输出占空比d的调制信号，进而驱动boost变换器正常工作。
28.步骤4中，负荷扰动时，双级式光伏发电系统的输出功率变化量满足如下关系式：
29.δp＝aδu
pv
＝adδu
dc
＝adkδω
30.式中，
31.δp为光伏阵列的输出功率变化量，
32.δu
pv
为光伏阵列的输出电压变化量，
33.δu
dc
为并网侧直流电压变化量，
34.d为占空比，
35.k为调节系数。
36.双级式光伏发电系统中，从负荷扰动到频率扰动的传递函数双级式光伏发电系统中，从负荷扰动到频率扰动的传递函数
37.步骤5包括：
38.步骤5.1，对电网频率模型引入一个表征常规同步发电机组出力占比的比重参数r，获得光伏渗透下的电网频率模型；
39.步骤5.2，引入双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数g
pf
(s)对
光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型。
40.步骤5.1中，当光伏系统并网时，表征常规同步发电机组出力占比的比重参数如以下关系式所示：
[0041][0042]
式中，r为比重参数，0≤r≤1；光伏系统的渗透率为1-r。
[0043]
步骤5.1中，光伏渗透下的电网频率模型的传递函数满足如下关系式：
[0044][0045]
式中，
[0046]gr
(s)为光伏渗透下的电网频率模型的传递函数，
[0047]
r为调差系数，
[0048]
t为原动机的等值惯性时间常数，
[0049]
f为原动机高压缸做功比例，
[0050]
h为同步发电机组的惯性时间常数，
[0051]
d为发电机阻尼系数，
[0052]
s为拉普拉斯算子，
[0053]
r为表征常规同步发电机组出力占比的比重参数。
[0054]
步骤5.2中，双级式光伏发电系统的电网频率模型的传递函数，满足如下关系式：
[0055][0056]
式中，
[0057]
g1(s)为光伏渗透下双级式光伏发电系统的电网频率模型传递函数，
[0058]
a为第一拟合系数，
[0059]
d为占空比，
[0060]
k为调节系数。
[0061]
本发明另一方面还提出了一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制系统，包括：采集模块，传递函数模块，电网频率模型模块，控制模块；
[0062]
采集模块，用于获取光伏阵列的输出功率和输出电压，获取在mppt控制下的双级式光伏发电系统中boost变换器调制信号的占空比，
[0063]
传递函数模块包括：拟合系数单元，调节系数单元，传递函数构造单元；
[0064]
拟合系数单元，用于根据光伏阵列的输出功率和输出电压，基于线性拟合算法，得到光伏阵列的输出功率与输出电压关系的拟合系数；
[0065]
调节系数单元，用于获取逆变器的电压外环控制引入频率补偿量，利用频率补偿量、实际频率与系统额定频率的差值，得到调节系数；
[0066]
传递函数构造单元，利用拟合系数、调节系数和占空比构造双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数；
[0067]
电网频率模型模块，用于利用双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传
递函数对光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型；
[0068]
控制模块，用于基于双级式光伏发电系统的电网频率模型实现双级式光伏并网逆变器控制。
[0069]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明针对双级式光伏发电系统正常运行时稳定性不足，缺乏调频能力的问题，从光伏设备本身的特性出发，在保留了原有的光伏系统拓扑结构前提下，提出了基于并网侧光伏逆变器的有效控制策略，该控制策略可以为系统提供虚拟惯量支撑，有效缓解系统频率扰动，实现光伏系统参与电网的一次调频功能。
附图说明
[0070]
图1是本发明提出的一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法的流程图；
[0071]
图2是本发明实施例中的光伏逆变器控制示意图；
[0072]
图3是本发明实施例的双级式光伏系统拓扑结构示意图；
[0073]
pv-光伏阵列，dc/dc-boost变换器，dc/ac-逆变器，
[0074]upv-光伏阵列的输出电压，u
dc-并网侧直流电压，c
d1-并网侧第一直流电容，c
d2-并网侧第二直流电容，l
f-滤波电感，c
f-滤波电容，u
t-变压器侧母线电压，z
g-线路阻抗，u
g-发电机侧母线电压，p
load-负载功率；
[0075]
图4是本发明实施例中的boost变换器控制示意图；
[0076]
图5是本发明实施例的光伏系统渗透下的电网频率模型示意图；
[0077]
ω
ref-转动角速度参考值，δe-电网电压变化量，δp
l-负荷扰动，δp
m-有功功率响应量，δp
e-有功功率输出量，δω
g-转动角速度反馈值；
[0078]
图6是本发明实施例中的最大功率点左侧的电网频率响应模型示意图；
[0079]
图7是本发明实施例中的三机九节点仿真模型示意图；
[0080]
图8是本发明实施例中的施加和未施加调频控制策略下的系统频率响应波形图；
[0081]
图9是本发明实施例中的不同调节系数下系统频率响应波形图；
[0082]
图10是本发明实施例中的不同调节系数下光伏设备输出功率波形图；
[0083]
图11是本发明实施例中的不同调节系数下同步发电机g2输出功率波形图；
[0084]
图12是本发明实施例中的不同虚拟惯性时间常数下系统频率响应波形图；
[0085]
图13是本发明实施例中的不同虚拟惯性时间常数下光伏设备输出功率波形图；
[0086]
图14是本发明实施例中的不同虚拟惯性时间常数下同步发电机g2输出功率波形图；
[0087]
图15是本发明实施例中的光照强度波动下的系统频率响应波形图；
[0088]
图16是本发明实施例中的光照强度波动下的光伏设备输出功率波形图。
具体实施方式
[0089]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部
分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0090]
实施例1。
[0091]
本发明一方面提出了一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制方法，如图1所示，包括：
[0092]
步骤1，根据光伏阵列的输出功率和输出电压，基于线性拟合算法，获得光伏阵列的输出功率与输出电压关系的拟合系数。
[0093]
步骤1中，当光伏阵列的输出功率运行于最大功率点左侧时，利用线性拟合算法对输出功率进行处理，得到如下关系式：
[0094]
p＝au
pv
+b
[0095]
式中，
[0096]
p为光伏阵列的输出功率，
[0097]
a和b分别为拟合系数和常数系数，
[0098]upv
为光伏阵列的输出电压。
[0099]
步骤2，基于双级式光伏发电系统结构，对逆变器的电压外环控制引入频率补偿量，利用频率补偿量和直流电压参考值对并网侧直流电压进行补偿；补偿后得到的信号经过pi控制器得到电流内环控制的直流电流参考值；其中，频率补偿量，是根据实际频率与系统额定频率的差值，引入调节系数获得的。
[0100]
基于双级式光伏发电系统结构，考虑网侧逆变器的双闭环控制策略，如图2所示，在逆变器的电压外环控制中引入的频率补偿量满足如下关系式：
[0101]
δω＝k(ω-ω0)
[0102]
式中，
[0103]
δω为频率补偿量，
[0104]
k为调节系数，
[0105]
ω为实际频率，
[0106]
ω0为系统额定频率。
[0107]
图2中，在光伏逆变器的电压外环引入补偿环节，利用实际频率和系统额定频率的偏差，与并网侧直流电压参考值u
dcref
，一起补偿并网侧第二直流电容c
d2
两端电压，即并网侧直流电压u
dc
；根据补偿后的并网侧直流电压u
dc
，基于pi控制器获得电流内环控制的直流电流参考值i
d，ref
，从而调整光伏阵列的输出电压u
pv
以控制光伏阵列的输出功率，达到调频的目的。
[0108]
步骤3，在mppt控制下，获取双级式光伏发电系统中boost变换器调制信号的占空比d。
[0109]
通过在光伏阵列与逆变器之间串联变换器构建双级式光伏发电系统结构；
[0110]
如图3所示，相较于单级式光伏发电系统，双级式光伏发电系统在光伏阵列pv和逆变器dc/ac之间串联boost变换器dc/dc，从而减少光伏发电输出功率的波动性和随机性，稳定高压侧直流电压，并利用网侧逆变器输出交流电并入电网。
[0111]
其中，如图4所示，boost变换器的控制策略为：光伏阵列的输出电压u
pv
和电流i
pv
经最大功率跟踪mppt输出直流电压参考值u
pvref
，输出电压u
pv
与直流电压参考值u
pvref
之间
的误差信号经pi控制器和pwm调制后输出占空比d，进而驱动boost变换器正常工作。boost变换器通过减少对光伏阵列的电磁干扰，扩宽mppt范围来提高光伏发电效率。
[0112]
步骤4，利用拟合系数、调节系数和占空比构造双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数。
[0113]
负荷扰动时，双级式光伏发电系统的输出功率变化量满足如下关系式：
[0114]
δp＝aδu
pv
＝adδu
dc
＝adkδω
[0115]
式中，
[0116]
δp为光伏阵列的输出功率变化量，
[0117]
δu
pv
为光伏阵列的输出电压变化量，
[0118]
δu
dc
为并网侧直流电压变化量，
[0119]
d为占空比，
[0120]
k为调节系数。
[0121]
双级式光伏发电系统中，从负荷扰动到频率扰动的传递函数双级式光伏发电系统中，从负荷扰动到频率扰动的传递函数
[0122]
步骤5，利用双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数对光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型。
[0123]
步骤5包括：
[0124]
步骤5.1，对电网频率模型引入一个表征常规同步发电机组出力占比的比重参数r，获得光伏渗透下的电网频率模型。
[0125]
具体地，步骤5.1中，当光伏系统并网时，表征常规同步发电机组出力占比的比重参数如以下关系式所示：
[0126][0127]
式中，r为比重参数，0≤r≤1；光伏系统的渗透率为1-r。
[0128]
步骤5.1中，如图5所示，光伏渗透下的电网频率模型的传递函数满足如下关系式：
[0129][0130]
式中，
[0131]gr
(s)为光伏渗透下的电网频率模型的传递函数，
[0132]
r为调差系数，
[0133]
t为原动机的等值惯性时间常数，
[0134]
f为原动机高压缸做功比例，
[0135]
h为同步发电机组的惯性时间常数，
[0136]
d为发电机阻尼系数，
[0137]
s为拉普拉斯算子，
[0138]
r为表征常规同步发电机组出力占比的比重参数。
[0139]
步骤5.2，引入双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数g
pf
(s)对光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型。
[0140]
具体地，步骤5.2中，双级式光伏发电系统的电网频率模型的传递函数，满足如下
关系式：
[0141][0142]
式中，
[0143]
g1(s)为光伏渗透下双级式光伏发电系统的电网频率模型传递函数，
[0144]
a为第一拟合系数，
[0145]
d为占空比，
[0146]
k为调节系数。
[0147]
当r＝1时，最大功率点左侧的双级式光伏发电系统的电网频率模型的传递函数如图6所示，与传统电网频率响应模型相比，该调频控制策略的实质是改变了同步发电机组的阻尼系数d，新的阻尼系数变为d+adk。
[0148]
步骤6，基于双级式光伏发电系统的电网频率模型实现双级式光伏并网逆变器控制。
[0149]
本发明另一方面还提出了一种主动参与调频的双级式光伏并网逆变器控制系统，包括：采集模块，传递函数模块，电网频率模型模块，控制模块；
[0150]
采集模块，用于获取光伏阵列的输出功率和输出电压，获取在mppt控制下的双级式光伏发电系统中boost变换器调制信号的占空比，
[0151]
传递函数模块包括：拟合系数单元，调节系数单元，传递函数构造单元；
[0152]
拟合系数单元，用于根据光伏阵列的输出功率和输出电压，基于线性拟合算法，得到光伏阵列的输出功率与输出电压关系的拟合系数；
[0153]
调节系数单元，用于获取逆变器的电压外环控制引入频率补偿量，利用频率补偿量、实际频率与系统额定频率的差值，得到调节系数；
[0154]
传递函数构造单元，利用拟合系数、调节系数和占空比构造双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数；
[0155]
电网频率模型模块，用于利用双级式光伏发电系统中从负荷扰动到频率扰动的传递函数对光伏渗透下的电网频率模型进行修正，得到双级式光伏发电系统的电网频率模型；
[0156]
控制模块，用于基于双级式光伏发电系统的电网频率模型实现双级式光伏并网逆变器控制。
[0157]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明针对双级式光伏发电系统正常运行时稳定性不足，缺乏调频能力的问题，从光伏设备本身的特性出发，在保留了原有的光伏系统拓扑结构前提下，提出了基于并网侧光伏逆变器的有效控制策略，该控制策略可以为系统提供虚拟惯量支撑，有效缓解系统频率扰动，实现光伏系统参与电网的一次调频功能。
[0158]
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
[0159]
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的
更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0160]
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0161]
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
[0162]
实施例2。
[0163]
在matlab/simulink中建立如图7所示的三机九节点系统模型，系统包括三台容量为700mw的同步发电机组g1、g2和g3，一台容量为600mw的光伏组件设备pv和三组负载。
[0164]
假设仿真过程中光照强度恒为1000w/m2，在t＝25s时投入消耗有功功率为100mw的负荷，光伏组件设备容量为600mw，光伏组件留有10％的备用功率，对比结果如图8所示：在t＝25s时投入负荷，系统频率均有下降。在不施加调频控制策略时，频率下降的最低值为49.809hz，频率最终稳态值为49.822hz；在施加调频控制策略后，频率下降的最低值为49.824hz，频率最终稳态值为49.833hz。与频率调节前相比，系统经过6秒的动态调整后，在t＝31s左右时达到稳定，频率最低值提高了0.015hz左右，频率最大变化偏差减少，频率最终稳态值提高。同样从系统频率的正态分布图也可看出，调频控制后系统高频率比例明显增加。
[0165]
在t＝25s时投入消耗有功功率为100mw的负荷，当改变调节系数k时，系统频率、光伏设备输出功率和同步发电机g2输出功率的仿真结果如图9至11所示：当调节系数k依次取8、100和220时，系统频率不断上升，光伏设备利用保留的备用功率，不断增发有功功率来抑
制频率下跌。k＝8时，频率下跌的最低值为49.818hz；k＝100时，频率下跌的最低值为49.831hz；k＝220时，频率下跌的最低值为49.843hz，因此随着调节系数增大，光伏设备提供的惯性功率越大，频率最大变化偏差减少，频率最终稳态值提高。
[0166]
在t＝25s时投入消耗有功功率为100mw的负荷，当改变虚拟惯量时间常数h
dc
时，系统频率、光伏设备输出功率和同步发电机g2输出功率的仿真结果如图12至14所示：随着虚拟惯性时间常数h
dc
依次增大，系统频率跌落的最低值分别为49.832hz，49.846hz和49.862hz，可看出系统频率下跌幅度有所减缓，更小的偏离基准值，光伏设备输出功率能够准确响应系统频率的变化，提供有效的惯量功率来抬高系统频率，有利于系统运行的稳定。
[0167]
考虑到电网实际运行中光伏组件设备受光照强度等环境因素的影响，光伏输出功率会出现大小变化，因此系统频率也会相应产生波动。设定每20s间隔内，光照强度发生一次波动，在不同的光照强度下系统动态响应如图15和16所示：当光伏设备不参与系统频率调节时，其输出功率波动带来的有功缺额将全部由同步发电机组承担，当光伏设备主动参与调频时，光伏设备通过增大输出功率弥补了调频前的功率缺额，缓解了系统频率下跌，系统频率跌落的整体变化偏差减小，系统运行的稳定性得到提高。
[0168]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。