基于滑模控制的光伏一次调频控制方法与流程

本发明涉及电网一次调频，具体涉及一种基于滑模控制的光伏一次调频控制方法。

背景技术：

1、随着对能源需求及环境保护的日益重视，可再生、可持续的能源发电日益受到重视。由于光伏板具有清洁、无噪声、易于收集能量等优点，光伏系统在世界范围内的渗透率大幅提升。因此，光伏发电在未来电网及微电网中的应用将越来越广泛。然而，随着微电网渗透率的不断提高，其间歇性、随机性给微电网频率稳定带来了挑战。为此，要求光伏发电必须具备一次调频能力。

2、为降低光伏出力波动，目前光伏调频研究主要有三种方式：储能方式、转储负荷方式、光伏限流方式。在储能技术的基础上，光伏发电系统通常采用最大功率跟踪控制，并通过安装和运行储能装置对其频率波动进行调整。然而，现有储能技术的使用寿命普遍比光伏系统元件要短，其成本也比光伏高得多。此外，这种基于能量存储的调频方式也会增加系统的投资与维护成本。

3、在转储负荷方法的基础上，当微电网中出现电量过剩，如光伏发电量大于负荷需求时，转储负荷就会消耗电量，从而平衡功耗与发电量。因此，这种方法只能抑制过大功率时引起频率升高，无法解决过小功率时的频率降低问题。此外，由于转载的非线性，将产生谐波，进而影响微网的电能质量。

4、在光伏限流模式下，光伏系统通常运行于最大功率点之下，预留部分电力用于调频等辅助服务。尽管以低于最大功率点方式运行将会产生机会成本，但是备用电能可在能源储能市场上获得补偿。另外，光伏还与电力电子变换器连接，可以提供快速的频率响应速度，并且光伏阵列的维护成本低于储能系统，但该控制方式需要详细的光伏系统模型、辐照度传感器和最大功率点估计器，增加了运行成本。

技术实现思路

1、针对光伏模型、辐照度传感器和最大功率跟踪控制对光伏系统一次调频的应用限制，本发明提供了一种基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，光伏电站可以根据微电网的局部测量频率提供自适应电力储备，实现一次频率调节。

2、本发明具体为一种基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，应用于交流微电网的双向一次调频，包括以下步骤：

3、步骤一：建立光伏阵列的等效电路模型，绘制光伏阵列的功率电压特性曲线，分析光伏阵列的功率输出及其电压导数特性；

4、步骤二：构建基于光伏功率电压导数特性的滑膜面方程，利用滑膜面对光伏作业面进行划分，获得光伏阵列的输出电压参考值，实现基于滑模控制的最大功率跟踪算法；

5、步骤三：针对光伏并网dc/dc变换器，提出一种基于滑模控制的双回路电压控制方式，其中外环最大功率跟踪控制回路生成光伏输出电压基准vpv,ref，内环电压回路调节实际光伏输出电压vpv，实现电压跟踪。

6、步骤四：通过引入功率调节项δs，并通过设计功率储备与系统频率间的动态下垂特性，实现基于滑模控制的自适应功率点跟踪控制策略，提高交流微电网的双向一次频率调节能力。

7、进一步地，所述的步骤二中采用如下公式：

8、

9、其中ppv为光伏阵列的输出功率，dipv/dvpv为光伏阵列的增量电导，上式为光伏阵列最大功率运行状态下，功率与电压间的导数关系。

10、依据光伏功率电压导数特性，构建滑膜面spv方程：

11、

12、以滑膜面spv值为依据，可将光伏作业区分为spv>0与spv<0两个区域。spv>0区域内，基于滑模控制的最大功率跟踪控制器的输出vpv.ref的导数为正，spv的导数为负；spv<0区域内，vpv.ref的导数为负，spv的导数为正，因此将vpv.ref的导数设计为：

13、

14、所提出的基于滑模控制的最大功率跟踪算法的输出可设计为：

15、

16、为了得到收敛速度为指数的滑模曲面，在中引入指数趋近定律：

17、

18、其中，ε>0，k>0，sgn(·)为符号函数。

19、最终，得出基于滑模控制的最大功率跟踪算法的输出为：

20、vpv,ref＝∫(ε·sgn(spv)+k·spv)dt

21、进一步地，所述的步骤四中为了分配一定的电力储备用于频率调节，提出了一种自适应最大功率点跟踪控制策略。对于典型的光伏阵列，dppv/dvpv的值决定了工作点和光伏阵列的输出功率：当dppv/dvpv为零时，光伏阵列工作在最大功率点；如果dppv/dvpv不为零，则光伏阵列运行在最大功率点以下，通过适当调节dppv/dvpv的值，可以为光伏系统分配一定的电力储备参与交流微电网的一次调频。因此，在spv中引入功率调节项δs，定义一个新的滑模曲面：

22、

23、δs是滑模面上的调节项，为光伏系统保持一定的功率储备，从而实现交流微电网的双向一次频率调节功能。

24、其中，主要通过以下两个因素来确定δs的值：当系统频率在标称频率的死区内时，希望光伏阵列低于其最大功率点运行来分配的功率储备量，以及当频率偏离标称频率时，通过模拟常规的下垂特性进行频率调节，最终确定δs与系统频率的关系式：

25、

26、其中fnom表示交流微电网的标称频率，δsnom表示在标称频率死区内的滑模面调节项，fdz表示死区对应的允许频率边界，fmin和fmax分别表示交流微电网允许的最小和最大频率偏差。对于一级频率控制，δsmin和δsmax分别表示滑动模面允许的最小和最大调整，a1、b1、a2与b2为控制系数，其表达式为：

27、a1＝-(δsmax-δsnom)/(fnom-fdz-fmin)

28、a2＝-(δsnom-δsmin)/(fmax-fnom-fdz)

29、b1＝δsmax-a1fmin

30、b2＝δsmin-a2fmax

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、(1)本发明提供了一种基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，所提出的方法是通过对每个光伏逆变器的局部控制来实现的，不需要集中的系统操作员，也不需要任何通信来生成弃光指令。因此，它易于实现，不易受到单点故障的影响。

33、(2)本发明提供的一种基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，所提出的方法不仅不需要详细的光伏模型、辐照度传感器和最大功率点估计器，易于实现，成本低，而且不需要在最大功率跟踪控制和频率调节模式之间切换，可以很好地满足稳定性和高控制性能，提高了频率稳定性，减小了最大频率偏差，降低了储能系统的投资和维护成本。

技术特征：

1.基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，应用于交流微电网的双向一次调频，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，其特征在于：所述步骤二中采用如下公式：

3.根据权利要求1所述的基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，其特征在于：所述步骤四中为了分配一定的电力储备用于频率调节，提出自适应最大功率点跟踪控制策略；对于典型的光伏阵列，dppv/dvpv的值决定了工作点和光伏阵列的输出功率：当dppv/dvpv为零时，光伏阵列工作在最大功率点；如果dppv/dvpv不为零，则光伏阵列运行在最大功率点以下，通过适当调节dppv/dvpv的值，能够为光伏系统分配一定的电力储备参与交流微电网的一次调频；因此，在spv中引入功率调节项δs，定义一个新的滑模曲面：

技术总结
本发明公开了基于滑模控制的光伏一次调频控制方法，包括：基于滑模控制的最大功率跟踪控制，通过构建基于光伏功率电压导数特性的滑膜面方程，分析不同滑模面下的光伏阵列的输出电压特性，完善最大功率跟踪控制器输出参考值，并引入指数趋近定律，提高最大功率跟踪控制的收敛速度；在滑模面方程的基础上，考虑不同频率下系统功率分配与光伏阵列能量储备，设计了光伏阵列功率调节项，实现滑模面方程的改进，提出基于滑模控制的自适应功率点跟踪控制策略，抑制频率的变化，自适应地调节滑模面以提供自适应功率储备。本发明中的控制方法简单，易于实现，能够提高交流微电网的频率稳定性，减小最大频率偏差，降低储能系统的投资和维护成本。

技术研发人员：袁源,郑杨,包继,王泓法,柏晶晶
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司盐城供电分公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16