基于MPPT和功率因数角下垂的光储逆变器控制方法

本发明涉及电力系统，具体来说，涉及基于mppt和功率因数角下垂的光储逆变器控制方法。

背景技术：

1、在级联光储系统中，早期多采用集中式控制，如参考文献[1-5]，通过中央控制采集各逆变器单元的信息进行运算和分配，再由一个高带宽通讯网络将指令下达给每个逆变器单元实现同步。参考文献[4]针对单相级联光储系统的离网模式，考虑昼夜不同情况下光储系统的不同需求，综合阶梯波和载波移相调制各自的长处，提出一种离网混合调制方法，分别实现了昼间和夜间不同模式下的功率合理分配。参考文献[5]则考虑基频调制和高频调制的结合，在昼间模式下，光伏逆变器作为主单元采用基频调制降低开关的损耗，储能逆变器作为辅助单元采用高频调制消除电压中的谐波。到了夜间模式下则切换成储能作为主单元保证夜间输出功率的恒定。上述基于调制信号的级联光储系统都需要中央控制器计算并统一分配调制波信号，这种对中央控制器和高带宽通讯网络的高度依赖极大地降低了系统的可靠性。为了避免集中控制器失效带来的风险，参考文献[6]提出了基于下垂控制的级联光储分布式策略，光伏和储能单元依靠低带宽通讯实现了功率平衡，即使光伏输出产生波动，各个单元输出mppt不同也能够实现自同步控制，储能则通过通讯获取光伏输出功率信息来平衡整个系统的功率。

2、以上单相级联光储系统的控制方案都必须有通信才能实现控制目标，在提高了通信成本的同时通信失败也会极大地影响系统的安全稳定性。为了尽量减少这一问题带来的风险，参考文献[7]揭示了级联系统中各个单元的频率自同步机理，提出了一种分散式的控制方法。该控制方法利用电压相角与自身功率之间的关系，构建了基于功率因素的反下垂机制，在无通讯的条件下实现系统频率同步与有功均分。然而，该控制方法仅能在阻感负载下稳定运行。为了解决这一问题，参考文献[8]根据级联系统中频率自同步与负载阻抗角之间的相互作用机理，提出了一种f-p/q下垂控制策略，实现了系统在阻感、阻容负载下的频率自同步与功率均分，但是，该方法存在多个稳定的系统平衡工作点，而只有全部逆变器的输出电压相角相等才为我们所期望的平衡工作点。在此基础上，为了确保平衡点唯一且为所期望的工作点，参考文献[9]提出了一种改进的唯一平衡点分散式控制方法，使得系统始终工作在理想平衡点，避免了平衡点偏移带来的系统失稳风险。总的来说，上述控制方案主要基于下垂实现了模块之间的自同步控制，然而下垂控制在离网运行下存在一定的频率偏差和电压误差，因此参考文献[10]提出了一种频率同步+频率恢复的分散式控制，利用电流信息实现了离网模式下系统全局的频率恢复。从参考文献[7-10]所提出的自同步控制方案可以得出，以上方法分散式控制均能够实现逆变器同步和系统的功率均分，但是没有考虑光伏和储能的特性，只针对含理想分布式微源设计的功率外环控制，对于实际级联光储离网系统中还需要考虑实现光伏的mppt、发挥储能可灵活调度的优势，这种分散式控制方案的研究还较少。仅在参考文献[11]中，提出了一种分散式的级联光储离网主从控制策略，储能单元采用功率因数下垂控制，光伏通过锁相环锁定电流频率进行电压源跟随型v/f控制，实现了光伏和储能之间的分散式协调控制。但是，由于该系统不具备储能充电功能，在负载较轻时需要削减光伏单元的部分能量，没有实现光伏的最大化利用，同时频率的控制也受到负载功率因数的影响，容易产生偏差。

3、表1单相级联光储系统离网控制方案对比

4、

5、表1对比了现有的单相级联光储系统离网控制方案，可以总结得出，现有离网模式下的级联光储系统协调控制策略尚无法兼顾通讯代价、光伏利用率、频率恢复以及任意类型负荷下系统的稳定运行。因此，需要进一步分析级联光储系统的协调控制需求，利用储能的充放电特性平抑电能的供需不平衡，实现光伏和储能逆变器间的分散式控制、功率协调分配以及频率同步，对提高单相级联光储系统的可靠性以及大型光储融合微电网的研究参考具有十分重要的价值。

6、参考文献：

7、[1]han j，wang y，ming z，et al.cascaded h-bridge based islandedmicrogrid with variable magnitude power sharing and pcc voltage management[c]//2020ieee 9th international power electronics and motion controlconference(ipemc2020-ecceasia).ieee，2020:2912-2916.

8、[2]he j，liu x，mu c，et al.hierarchical control of series-connectedstring converter based islanded electrical power system[j].ieee transactionson powerelectronics，2019，35(99):359-372.

9、[3]nutkani i u，teixeira c，acuna p，et al.series-cascadedac microgridtopology integrating non-dispatchable distributed generation and storage[c]//2018ieee 27th international symposium on industrial electronics(isie).ieee，2018:67-73.

10、[4]冯俊牟.微电网中的单相级联型光储混合储能系统的并/离网控制研究[d].南京理工大学，2020.

11、[5]阮鹏，田刚领，黄雁，等.单相级联离网光储混合系统混合调制控制方法[j].电力电子技术，2021，55(3):90-93.

12、[6]pan y，sangwongwanich a，yang y g，et al.distributed control ofislanded series pv-battery-hybrid systems with low communication burden[j].ieee transactions on power electronics，2021，36(9):10199-10213.

13、[7]he j，li y，liang b，et al.inverse power factor droop control fordecentralized power sharing in series-connected-microconverters-basedislanding microgrids[j].ieee transactions on industrial electronics，2017，64(9):7444-7454.

14、[8]sun y，shi g，li x，et al.anf-p/q droop control in cascaded-typemicrogrid[j].ieee transactions on power systems，2018，33(1):1136-1138.

15、[9]li l，sun y，liu z，et al.a decentralized control with uniqueequilibrium point for cascaded-type microgrid[j].ieee transactions onsustainable energy，2019，10(1):324-326.

16、[10]shi g，han h，sun y，et al.a decentralized secondary frequencyrestoration control with local current for island cascaded-type microgrids[j].ieee transactions on power systems，2022:1-10.

17、[11]das s，nutkani i u，teixeira c.decentralised master slave controlfor series cascaded islanded ac microgrid[j].ieee transactions on industrialelectronics，2022，69(1):5942-5951.

18、本文提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本文另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。

技术实现思路

1、针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于mppt和功率因数角下垂的光伏逆变器控制方法，包括如下步骤：

2、s1，获取mppt输出直流侧电压参考v*dc，并基于直流电容侧电压使用比例积分控制器pi控制第i个光伏机组的mppt给出的有功参考功率；

3、s2，根据式(2)-(3)构建光伏单元的频率同步与电压控制；基于功率因数角负反馈构造下垂控制律；

4、

5、

6、式中，ωpvi是第i个光伏逆变器的频率；ω*为空载时的角频率；m表示下垂系数；表示第i个光伏逆变器的输出功率因数角；vpvi是第i个光伏单元的电压幅值，v*为系统电压幅值参考；kp为有功功率调节系数，表示为第i个光伏单元mppt策略给出的有功功率参考值；ppvi表示第i个光伏逆变器的实时输出功率；

7、s3，对于储能逆变器，根据式(4)-(5)构建下垂控制并得到频率ωes与电压幅值参考ves，然后合成电压矢量参考，最后通过双闭环比例谐振控制实现跟踪；

8、

9、

10、式中，ωes表示储能单元的角频率，kes为储能单元的电压调节系数；为储能单元的功率因数角，由储能单元输出的有功功率pes和无功功率qes计算得到。

11、具体的，所述步骤s1具体为：获取mppt输出直流侧电压参考v*dc，基于式(1)所示的pi控制器实现直流测电压vdc的误差控制；

12、

13、式中kvp，kvi为直流侧电压pi控制器的比例和积分系数，ppvi*为第i个光伏机组的mppt策略给出的有功参考功率，s表示复频率、vdci表示直流电容侧电压。

14、具体的，所述步骤s1中获取mppt输出直流侧电压参考v*dc具体为：基于电导增量法计算mppt点，并得到直流侧电压参考v*dc。

15、具体的，所述通过第i个光伏单元实时有功和无功功率计算出功率因数角。

16、具体的，在功率下垂控制中引入式(7)所示的频率修正εω机制，

17、

18、其中，kω表示频率修正系数。

19、具体的，根据式(8)所示的负载阻抗角观测器，通过输出总功率计算的功率因数角估计θ’load估计器，

20、

21、其中，qtotal，ptotal为系统总的无功功率和总的有功功率，由实时采集的pcc电压vp和线路电流io计算得到，θp为pcc电压相位，θo为线路电流相位。

22、本发明的方法适用于离网模式下的级联h桥光储系统的分散式控制方案，旨在通过改进功率因数角下垂控制，不依赖通信实现光储各单元之间的协调出力和频率自同步。其中，光伏基于前级mppt控制实现输出有功功率的最大化，提高光伏利用率。储能单元平抑光伏波动的同时，支撑pcc点电压幅值恒定，通过频率恢复补偿功率因数下垂引起的频率偏差，提高系统的可靠性和稳定性。