一种基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制方法及系统与流程

本发明属于可再生新能源光伏发电并网控制，特别涉及一种基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制方法及系统。

背景技术：

1、目前，太阳能、风能等大量具有间歇性的新能源发电系统大量建设，新能源通过电力电子变换器接入电网；其中，这些间歇性新能源没有传统发电机的惯性，给电网的稳定性带来了巨大挑战。虚拟同步发电机(vsg)技术，可为逆变器提供类似同步发电机的外部特性，能够提高新能源接入电网的稳定性，近年来受到广泛关注。

2、光伏发电系统一般在前级dc-dc变换阶段采用最大功率追踪(mppt)策略，以便充分利用日照资源；因此，光伏电池板输出功率随日照条件变化而变化。然而，传统vsg采用恒定的有功参考值，当光伏输出功率的波动与vsg的有功参考值不匹配时，基于上次传统虚拟同步发电机(vsg)技术控制光伏逆变器时，会导致直流母线电压出现较大波动，甚至不稳定，不利于系统的稳定运行。

3、现有技术中，通常采用两种方法解决上述问题；其中，第一种方法是增加储能设备，在光伏功率波动时控制储能设备的充放电从而稳定直流母线电压，该方案一方面增加了用户成本，另一方面使系统硬件变得更加复杂，可靠性降低；第二种方法是放弃mppt而采用恒定太阳能电池板输出功率的方式匹配后端的vsg策略，这种方式让太阳能电池工作在限定功率状态，无法充分利用光能资源。

4、综上，为了维持直流母线电压稳定，亟需一种新的光伏逆变器控制策略。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，在无需储能设备条件下充分利用太阳能的同时，能够维持直流母线电压稳定；另外，无需增加硬件成本，只需在原控制系统中改变控制器算法就可以提高整个系统性能。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制方法，包括以下步骤：

4、获取直流母线参数；其中，所述直流母线参数包括输出电流、输出电压、滤波电感电流、入网电流、电容电压和电网电压；

5、基于所述输出电流、输出电压，计算获得直流侧的输出功率；基于所述直流侧的输出功率，通过自适应模糊pi控制器获得有功功率参考值；

6、基于虚拟电动势相角和虚拟电动势幅值，计算得到三相参考电压；其中，所述虚拟电动势相角通过将有功功率参考值与逆变器实际输出的有功功率的差值输入有功-频率控制环得到；所述虚拟电动势幅值通过将电网额定相电压有效值与电容电压有效值的差值以及无功功率参考值与逆变器实际输出的无功功率的差值输入无功-电压控制环得到；所述电容电压有效值和所述电网额定相电压有效值是基于电容电压以及电网电压计算获得；逆变器实际输出的有功功率、无功功率是基于所述滤波电感电流、入网电流、电容电压有效值以及电网额定相电压有效值计算获得；

7、基于得到的所述三相参考电压，对光伏逆变器进行控制。

8、本发明方法的进一步改进在于，所述基于所述直流侧的输出功率，通过自适应模糊pi控制器获得有功功率参考值的步骤中，

9、所述有功功率参考值是由直流母线的输出功率与有功功率参考调整值相加得到；

10、其中，所述有功功率参考调整值是由偏差e通过自适应模糊pi控制器得到；所述偏差e是由直流母线电压参考值和直流母线电压实际值相减得到。

11、本发明方法的进一步改进在于，所述自适应模糊pi控制器的表达式为，

12、δp＝kpe+ki∫e；

13、式中，δp为有功功率参考调整值；kp为当前时刻的比例增益，ki为当前时刻的积分增益，∫表示积分符号；

14、其中，参数kp和ki的更新方程为，

15、

16、式中，ki0为前一时刻的积分增益，kp0为前一时刻的比例增益；δki为积分增益的变化量，δkp是比例增益的变化，δki和δkp通过模糊推理系统得到。

17、本发明方法的进一步改进在于，所述模糊推理系统中，

18、输入变量为误差e和误差的导数ec，输出变量为δkp和δki；

19、输入变量e、ec和输出变量δkp、δki分别划分为7个模糊变量，表示为{pb，pm，ps，zo，ns，nm，nb}；隶属函数均选取三角函数；输入变量和输出变量的论域分别表示为e∈[-100,100]，ec∈[-1000,1000]，δkp∈[-75,75]，δki∈[-50,50]；

20、模糊控制规则以尽快消除误差，实现系统稳定运行为目的；

21、使用mamdani推理算法模糊推理，得出模糊输出量；去模糊化采用重心法，得到δkp和δki的清晰值。

22、本发明方法的进一步改进在于，所述模糊控制规则是根据误差e的大小来确定；

23、其中，当误差e为正且逐渐增大时，δkp值取负且逐渐减小，δki值取正且逐渐增大；当误差e为负且逐渐减小时，δkp值取正且逐渐增大，δki值取负且逐渐减小。

24、本发明方法的进一步改进在于，所述有功-频率控制环表示为，

25、

26、式中，θ为虚拟电动势相位角；ω和ωn分别为电网的实际角频率和额定角频率；pref为有功功率参考值；p为逆变器实际输出的有功功率；dp为阻尼系数；j为虚拟转动惯量。

27、本发明方法的进一步改进在于，所述虚拟电动势幅值的计算表达式为，

28、

29、式中，e为虚拟电动势幅值；k为无功功率积分系数；∫为积分函数；qref为设定的无功功率参考值；q为逆变器实际输出的无功功率；dq为vsg的下垂系数；un为电网额定相电压有效值；u为电容电压有效值。

30、本发明方法的进一步改进在于，所述基于虚拟电动势相角和虚拟电动势幅值，计算得到三相参考电压的步骤是，

31、通过前级输出的虚拟电动势相位角与虚拟电动势幅值相乘，得到三相参考电压。

32、本发明方法的进一步改进在于，所述基于得到的所述三相参考电压，对光伏逆变器进行控制的步骤包括：

33、将得到的所述三相参考电压输入逆变器电压电流双闭环后，再进行spwm调制，得到逆变器的三相全桥驱动脉冲pulse，实现逆变器的控制。

34、本发明提供的一种基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制系统，包括：

35、参数获取模块，用于获取直流母线参数；其中，所述直流母线参数包括输出电流、输出电压、滤波电感电流、入网电流、电容电压和电网电压；

36、有功功率参考值获取模块，用于基于所述输出电流、输出电压，计算获得直流侧的输出功率；基于所述直流侧的输出功率，通过自适应模糊pi控制器获得有功功率参考值；

37、三相参考电压获取模块，用于基于虚拟电动势相角和虚拟电动势幅值，计算得到三相参考电压；其中，所述虚拟电动势相角通过将有功功率参考值与逆变器实际输出的有功功率的差值输入有功-频率控制环得到；所述虚拟电动势幅值通过将电网额定相电压有效值与电容电压有效值的差值以及无功功率参考值与逆变器实际输出的无功功率的差值输入无功-电压控制环得到；所述电容电压有效值和所述电网额定相电压有效值是基于电容电压以及电网电压计算获得；逆变器实际输出的有功功率、无功功率是基于所述滤波电感电流、入网电流、电容电压有效值以及电网额定相电压有效值计算获得；

38、控制模块，用于基于得到的所述三相参考电压，对光伏逆变器进行控制。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

40、本发明提供的基于虚拟同步发电机的光伏逆变器控制方法中，公开了基于模糊pi的光伏发电vsg有功参考值调节方案，解决了现有vsg技术在光伏电池板出力发生变化时引起的直流母线电压波动，导致的系统工作不稳定技术问题。具体解释性的，本发明通过改变vsg技术的有功参考值以适应光伏电池板出力的大小，有功参考值改变采用自适应模糊pi策略，在无需储能设备条件下充分利用太阳能的同时能够维持直流母线电压稳定；本发明提供的技术方案无需增加硬件成本，只需在原控制系统中改变控制器算法就可以提高整个系统性能，具有较好的应用前景。