基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法

本发明属于新能源控制，特别是一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法。

背景技术：

1、随着全球环境污染问题与能源危机的日渐凸显，开发利用可再生能源是非常必要的。在新的能源发展形势下，我国正在加快推进能源产业升级逐步替代传统化石能源，大幅提升清洁能源在生产和消费中的占比，优化能源结构，构建环境友好、安全高效的新型电力系统。对于各种清洁能源，太阳能因其分布不受地域限制，具有零排放、无污染等诸多优点，得到了大规模应用。光伏发电作为太阳能开发利用的重要方式，使得光伏电站装机容量逐年增加。截至2023年7月底，全国光伏发电累计装机容量达到4.9亿千瓦；预计到2030年，光伏发电装机容量将达到10.5亿千瓦。虽然大规模光伏发电并网对加速能源结构改革有利，但光伏发电系统运行特性以及并网运行方式与常规发电机组有很大不同，这会给电力系统运行带来新的挑战。

2、光伏发电系统需要通过电力电子接口电路与电网相连，其输出功率会随着光照强度、温度等物理条件的变化产生明显改变，具有较强的间歇性和波动性，为保证能量最大化利用，通常采用最大功率跟踪(maximum power point tracking，mppt)方式运行，从而导致其等效惯性接近于零。随着光伏发电规模不断增大，同步发电机装机容量占比大幅降低，系统整体旋转惯性与阻尼较小，运行状态易受电压波动、功率波动及系统故障等因素影响，不利于系统安全稳定运行。

3、为此，有学者提出模拟传统同步发电机外特性的逆变器控制方法，即“虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)”。该方法将并网逆变器模拟为一个同步发电机，使其具有类似传统同步发电机的稳态及动态特性，提高了系统的惯性与阻尼，同时拥有调频和调压功能，极大地提升了电力系统的稳定性。目前关于光伏虚拟同步发电机的研究中大多采用光储型并网结构，通常在光伏逆变器的直流侧配备储能系统，或者在光伏逆变器的交流侧配备储能系统；其中储能系统通过吸收或发出功率，平抑系统功率变化，参与频率响应，从而使光储系统等效为一台虚拟同步发电机。然而考虑到当前储能技术还不足够成熟以及建设成本过高等问题，研究光伏发电系统在不外加储能装置的情况下，根据系统功率变化自动调节输出有功参与频率响应的控制方法，对光伏发电的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，以双极式光伏并网系统为研究对象，从光伏组件自身特性出发，对光伏前级dc/dc变流器控制进行了修改，能够使光伏发电系统不依靠外加储能便能具备同步机的输出特性，增加系统的惯性和阻尼，同时具有调频和调压功能，能够根据系统功率变化自动调节输出功率，维持系统安全稳定运行，有效提高了光伏并网发电性能。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，根据光伏电池的工作原理及运行特性，建立光伏阵列的数学模型；

4、步骤2，光伏逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，建立虚拟同步控制拓扑结构，包括虚拟转子、虚拟调速器和虚拟励磁器；

5、步骤3，采用降功率控制，使光伏系统工作在偏离最大功率点mpp位置，保留一部分备用功率用于调节，考虑降功率运行的响应速度和系统安全性，加入p-v曲线修正，使光伏系统工作于最大功率点右侧区域；

6、步骤4，双极式光伏并网系统dc/dc变换器采用直流电压控制，对交流侧进行功率跟踪输出。

7、另一方面，提供了一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制系统，所述系统包括：

8、第一模块，用于根据光伏电池的工作原理及运行特性，建立光伏阵列的数学模型；

9、第二模块，用于实现：光伏逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，建立虚拟同步控制拓扑结构，包括虚拟转子、虚拟调速器和虚拟励磁器；

10、第三模块，用于实现：采用降功率控制，使光伏系统工作在偏离最大功率点mpp位置，保留一部分备用功率用于调节，考虑降功率运行的响应速度和系统安全性，加入p-v曲线修正，使光伏系统工作于最大功率点右侧区域；

11、第四模块，用于实现：双极式光伏并网系统dc/dc变换器采用直流电压控制，对交流侧进行功率跟踪输出。

12、另一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现：

13、步骤1，根据光伏电池的工作原理及运行特性，建立光伏阵列的数学模型；

14、步骤2，光伏逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，建立虚拟同步控制拓扑结构，包括虚拟转子、虚拟调速器和虚拟励磁器；

15、步骤3，采用降功率控制，使光伏系统工作在偏离最大功率点mpp位置，保留一部分备用功率用于调节，考虑降功率运行的响应速度和系统安全性，加入p-v曲线修正，使光伏系统工作于最大功率点右侧区域；

16、步骤4，双极式光伏并网系统dc/dc变换器采用直流电压控制，对交流侧进行功率跟踪输出。

17、另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现：

18、步骤1，根据光伏电池的工作原理及运行特性，建立光伏阵列的数学模型；

19、步骤2，光伏逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，建立虚拟同步控制拓扑结构，包括虚拟转子、虚拟调速器和虚拟励磁器；

20、步骤3，采用降功率控制，使光伏系统工作在偏离最大功率点mpp位置，保留一部分备用功率用于调节，考虑降功率运行的响应速度和系统安全性，加入p-v(功率-电压)曲线修正，使光伏系统工作于最大功率点右侧区域；

21、步骤4，双极式光伏并网系统dc/dc变换器采用直流电压控制，对交流侧进行功率跟踪输出。

22、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

23、1)本发明根据对光伏p-v特性曲线进行分析，提出光伏降功率运行控制，实现光伏系统功率备用，为虚拟同步机控制提供惯量支撑，从而不需要依赖储能系统。

24、2)本发明针对光伏前级dc-dc变流器不再采用传统最大功率跟踪控制，而是采用以直流侧电容电压稳定为目标的控制方法，使得光伏系统能够主动跟踪逆变器交流侧功率输出，快速实现频率响应，保证系统安全稳定运行。

25、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，步骤1中根据光伏电池的工作原理及运行特性，建立光伏阵列的数学模型，具体包括：

3.根据权利要求2所述的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，α＝0.0025/℃,γ＝0.00288/℃,β＝0.5。

4.根据权利要求3所述的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，步骤2中所述光伏逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，建立虚拟同步控制拓扑结构，包括虚拟转子、虚拟调速器和虚拟励磁器，具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，步骤3具体包括：

6.根据权利要求5所述的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，其特征在于，步骤4中双极式光伏并网系统dc/dc变换器采用直流电压控制，对交流侧进行功率跟踪输出，具体模型如下：

7.基于权利要求1至6任意一项所述方法的基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制系统，其特征在于，所述系统包括：

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法。

技术总结
本发明公开了一种基于直流电压稳定的光伏虚拟同步发电机主动控制方法，该方法针对光伏前级Boost变换器采用以直流侧电压稳定为目标的控制策略，而不再采用传统的最大功率跟踪控制，使基于虚拟同步发电机的光伏系统具有同步机的输出特性。本发明使光伏发电系统不依靠外加储能便能具备同步机的输出特性，增加了系统的阻尼，在孤岛运行时能够根据负荷波动自动调节输出功率，维持系统频率与电压稳定，改善了系统暂态稳定性，有效提高了光伏并网发电性能。

技术研发人员：谢云云,沈智,张玉坪,蔡胜,时涵,邹云
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15