CN110661281A - 一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法及系统，包括：对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。有效的调节了电网系统，为电网系统提供频率和电压支撑，维持了电网系统的稳定。使逆变器具有惯性特性和电磁参数特性，在并网前能够使微网电压的频率、相位和幅值与电网同步，实现平滑安全并网，友好参与电网调节，在并网后能够稳定直流母线电压。

Description

一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法及系统

技术领域：

本发明涉及微网逆变器的控制技术领域，具体涉及一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法及系统。

背景技术：

当前全球能源互联网战略构想提出，以清洁能源为主导、以电为中心的能源新格局的构建，加快推动区域电网迈进高比例清洁能源时代，电网功能形态将发生巨大变化，对电网技术水平提出了新的要求。

因此，在新能源高渗透率场合，如何实现微电网与大电网的友好互动，维持系统稳定等问题已经引起业界关注，但是光伏和储能电压波动情况严重，电网系统不稳定，缺乏光伏、储能与电网之间有效的调节，使光储和电网得不到充分的利用。

发明内容：

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，所述方法包括：

对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

优选的，所述对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，包括：获取微电网逆变器的三相电流和电压值；

基于微电网逆变器的三相电流和电压值根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率；

基于微电网逆变器的有功功率引入虚拟同步发电机的惯性特性；

基于微电网逆变器的无功功率引入虚拟同步发电机的电磁暂态特性。

优选的，所述基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制，包括：

基于电网频率相位和电压对所述微电网逆变器加入频率相位和电压；

基于带有频率相位和电压的微电网逆变器通过引入虚拟同步发电机的惯性特性和电磁暂态特性对所述微电网进行双环调制。

优选的，所述基于微电网逆变器的有功功率引入虚拟同步发电机的惯性特性的关系式如下：

其中：P_set为虚拟同步发电机设定的机械功率；D_p为有功频率的下垂系数；ω_n为额定角频率；ω为实际角频率；P_e为有功功率；J为转动惯量。

优选的，所述基于微电网逆变器的无功功率引入虚拟同步发电机的电磁暂态特性的关系式如下：

其中：Q_e为同步发电机实际输出的无功功率，Q_set为设定的无功功率给定值，D_q为无功电压下垂系数，U_n为输出电压的额定有效值，K等效为无功电压环节的电磁惯性参数。

优选的，所述将进行双环调制后的微电网和电网进行并网，包括：

以电网的角频率作为参考值计算微电网逆变器的角频率修正量；

以电网的电压作为参考值计算微电网逆变器的电压无功修正量；

基于所述角频率修正量和电压无功修正量对微电网逆变器进行调节，当所述微电网的频率相位和电压与电网的频率相位和电压同步后，将微电网和电网进行并网。

优选的，所述并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制，包括：

并网后，当电网电压下降超过预设范围时，所述微电网的储能环节向电网供电；否则，所述微电网的储能环节的电压下降到10％后，所述电网向所述微电网的储能环节充电。

优选的，所述将进行双环调制后的微电网和电网进行并网，之后还包括：

测量直流母线电压值；

加入直流电压控制环，基于直流母线电压的参考值，调整直流母线电压值，直到电压稳定。

一种光储一体虚拟同步发电机协调控制系统，所述系统包括：

调制模块：用于对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

并网模块：用于将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

控制模块：用于并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

优选的，所述并网模块，包括：第一计算单元、第二计算单元和并网单元；

所述第一计算单元，用于以电网的角频率作为参考值计算微电网逆变器的角频率修正量；

所述第二计算单元，用于以电网的电压作为参考值计算微电网逆变器的电压无功修正量；

所述并网单元，用于基于所述角频率修正量和电压无功修正量对微电网逆变器进行调节，当所述微电网的频率相位和电压与电网的频率相位和电压同步后，将微电网和电网进行并网。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制；有效的调节了电网系统，光伏、储能与电网之间进行了有效的调节，使光储和电网得到充分的利用，为电网系统提供频率和电压支撑，维持了电网系统的稳定。

2、本发明提供的一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，采用光储一体虚拟同步发电机，使逆变器具有惯性特性和电磁参数特性，在并网前能够使微网电压的频率、相位和幅值与电网同步，实现平滑安全并网，友好参与电网调节，在并网后能够稳定直流母线电压。

附图说明：

图1为本发明的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法的具体实施方法流程图；

图2为本发明的微电网总体结构图；

图3为本发明的直流稳压控制环节流程图；

图4为本发明的光伏电池的输出特性图；

图5为本发明的总体控制结构图。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：

实施例1：如图1所示的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法的具体实施方法流程图，具体步骤如下：

步骤一：基于光伏和储能一体的微电网逆变器引入虚拟同步发电机，并通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

测量逆变器输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率，再通过具有惯性特性和电磁特性的功率环和电压电流双环进行调制，同时，加入了频率相位和幅值同步控制，在并网前实现频率相位和电压与电网的同步，实现平滑并网；并网后，加入直流电压控制环，稳定直流母线电压；当储能环节检测到电网频率降低时，向系统增发功率，维持系统稳定；同时通过控制boost电路实现最大功率跟踪。

如图2所示，该图为微电网的总体结构框图。太阳能光伏电池经过Boost电路升压，给直流母线充电，如图3所示的光伏电池的输出特性图，然后经过DC/AC环节连接至电网。Boost电路升压完成后，投入MTTP控制单元，通过Boost电路实现最大功率跟踪功能。通过虚拟同步控制策略单元控制并网逆变器，使其具有惯性特性和电磁惯性特性，同时在并网前使外网频率相位和幅值跟踪上电网频率相位和幅值，实现平滑安全并网；并网后，能够稳定住直流母线电压。储能环节经过DC/DC变换单元连接至微电网，当DC/DC环节检测到电网频率下降超过一定范围后，储能电池开始向系统注入电流，向系统供电。当系统检测到储能电池电压下降到90％后，虚拟同步控制单元停止工作，DC/AC逆变单元反向工作在不可控整流模式下，电网反向向储能电池充电。在反向向电池充电时，需串入限流电阻，防止充电电压过大，造成过大的充电电流，烧毁电池。

如图4所示，该图为直流稳压控制环节，测量直流母线电压引入控制环节，让该电压值与参考直流电压比较后，经过比例积分环节，输出值加入有功环输入侧。当直流母线电压和参考电压存在偏差时，便会产生扰动量，直至直流电压偏差为零，输出量稳定，系统不再扰动。

如图5所示，该图是虚拟同步发电机的总体控制策略框图。有功环的输入为功率设定值P_set、计算的有功P_e和额定角频率值ω_n。所有的计算都依据转矩方程和一次调频方程。有功设定值和输出功率计算值与额定角频率的商为转矩值，Dp为下垂系数，J为转动惯量。通过计算得到角频率指令值ω，积分过后得到相角指令值θ。当电网并网后，加入直流控制环节，起到稳定直流母线电压的作用。无功环输入为无功设定值Q_set和计算的输出侧无功Q_e，参考电压幅值√2U_n由替换为了电网电压幅值√2V_g，同时为了达到逆变器输出电压与电网电压无差同步，加入了积分环节K_i/s(K_i为积分系数),与下垂比例环节D_q一起构成PI调节器，计算出无功修正量ΔQ，参与无功环的控制，最终输出电压指令值√2E。频率相位同步控制器环节，采用典型软件锁相环SPLL，电网电压V_ga,V_gb,V_gc通过CLARK变换和PARK变换得到在两相旋转坐标系下的dq分量值。将q轴分量与其参考值0做差后，经过PI调节得到角频率ω的修正值，与基准值ω_n(通常取额定值100π)相加后得到电网角频率ω_g，积分后得到电网相角值θ_g，再经过正反弦计算后参与PARK变换计算。对于微网逆变器输出电压U_ca，U_cb，U_cc，以电网相角值θ_g作角度参考进行PARK变换，将q轴分量U_cgq以0为参考值做差后经过PI调节，可以得到角频率的补偿量ω_comp，将其加入有功环的输出角频率ω中。有功环输出的电压相角和无功环输出的电压作为指令输入到电压电流双环中。在电压环路采用PI调节器和准谐振控制器结合的PI+R复合控制器，来抑制三相电压的不平衡。最终经过调制，输出调制波控制逆变器的运行。

所述有功-频率控制环节在传统下垂控制的基础上引入惯性控制，模拟同步发电机的一次调频和惯性特性，并使并网逆变器具有同步发电机的外特性，有功-频率控制环节的有功与频率之间的下垂调节关系式为：

其中P_set为原动机设定的机械功率；D_p为有功-频率的下垂系数；ω_n为额定角频率；ω为实际角频率；P_e为有功功率，可以由瞬时功率理论计算得到；J为转动惯量。

所述考虑了同步发电机的电磁暂态特性，模拟了励磁调节功能的无功-电压环节的无功和电压之间的关系式为

其中Q_e为同步发电机实际输出的无功功率，Q_set为设定的无功功率给定值，D_q为无功—电压下垂系数，U_n为输出电压的额定有效值，K等效为无功-电压环节的电磁惯性参数。

步骤二：将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

所述频率相位同步控制，首先采用典型软件锁相环SPLL，得到电网角频率ω_g，积分后得到电网相角值θ_g。对于微网逆变器输出电压，以电网相角值θ_g作角度参考进行PARK变换，计算所得的q轴分量U_cgq以0为参考值做差后经过PI调节，可以得到角频率的补偿量ω_comp，将其加入有功环的输出角频率ω中调节逆变器输出电压的频率和相位。

在幅值同步控制时，参考电压幅值由√2U_n替换为了电网电压幅值√2V_g，同时为了达到逆变器输出电压与电网电压无差同步，加入了积分环节Ki/s(Ki为积分系数),与下垂比例环节D_q一起构成PI调节器，计算出无功修正量ΔQ，参与无功环的控制，改变无功环输出电压指令值√2E，使逆变器输出电压幅值与电网同步。

步骤三：并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

当并网后，在功率环加入直流电压控制环节，将直流母线电压和参考电压比较经过比例积分环节输出到有功-无功功率环中，稳定直流母线电压至设定电压；同时通过控制boost电路使其实现最大功率跟踪。

当储能环节检测到电网电压频率下降超过一定范围，储能电池开始通过注入电流的方式向系统增发功率，维持系统的频率稳定；

当电池的电压下降至额定电压的90％后，AC/DC环节反向工作在不可控整流模式，向储能模块充电；值得注意的是，反向充电前为防止充电电压过大造成瞬间过大的电流烧毁电池，应串入限流电阻。

基于同一构思发明，本申请还提出一种光储一体虚拟同步发电机协调控制系统，所述系统包括：

调制模块：用于基于光伏和储能一体的微电网逆变器引入虚拟同步发电机，并通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

并网模块：用于将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

控制模块：用于并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

所述调制模块，包括：获取单元、计算单元、引入单元和控制单元；

所述获取单元，用于获取微电网逆变器的三相电流和电压值；

所述计算单元，用于基于微电网逆变器的三相电流和电压值根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率；

所述引入单元，用于基于微电网逆变器的有功功率在有功频率控制环节引入同步发电机的惯性特性；

基于微电网逆变器的无功功率在无功电压控制环节引入同步发电机的电磁特性；

所述控制单元，用于基于具有惯性特性和电磁特性的微电网逆变器对微电网进行双环调制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、系统、和计算机程序产品的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：

对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

2.如权利要求1所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，包括：获取微电网逆变器的三相电流和电压值；

基于微电网逆变器的三相电流和电压值根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率；

基于微电网逆变器的有功功率引入虚拟同步发电机的惯性特性；

基于微电网逆变器的无功功率引入虚拟同步发电机的电磁暂态特性。

3.如权利要求2所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制，包括：

基于电网频率相位和电压对所述微电网逆变器加入频率相位和电压；

基于带有频率相位和电压的微电网逆变器通过引入虚拟同步发电机的惯性特性和电磁暂态特性对所述微电网进行双环调制。

4.如权利要求2所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述基于微电网逆变器的有功功率引入虚拟同步发电机的惯性特性的关系式如下：

其中：P_set为虚拟同步发电机设定的机械功率；D_p为有功频率的下垂系数；ω_n为额定角频率；ω为实际角频率；P_e为有功功率；J为转动惯量。

5.如权利要求2所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述基于微电网逆变器的无功功率引入虚拟同步发电机的电磁暂态特性的关系式如下：

其中：Q_e为同步发电机实际输出的无功功率，Q_set为设定的无功功率给定值，D_q为无功电压下垂系数，U_n为输出电压的额定有效值，K等效为无功电压环节的电磁惯性参数。

6.如权利要求1所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述将进行双环调制后的微电网和电网进行并网，包括：

以电网的角频率作为参考值计算微电网逆变器的角频率修正量；

以电网的电压作为参考值计算微电网逆变器的电压无功修正量；

基于所述角频率修正量和电压无功修正量对微电网逆变器进行调节，当所述微电网的频率相位和电压与电网的频率相位和电压同步后，将微电网和电网进行并网。

7.如权利要求1所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制，包括：

并网后，当电网电压下降超过预设范围时，所述微电网的储能环节向电网供电；否则，所述微电网的储能环节的电压下降到10％后，所述电网向所述微电网的储能环节充电。

8.如权利要求1所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制方法，其特征在于，所述将进行双环调制后的微电网和电网进行并网，之后还包括：

测量直流母线电压值；

加入直流电压控制环，基于直流母线电压的参考值，调整直流母线电压值，直到电压稳定。

9.一种光储一体虚拟同步发电机协调控制系统，其特征在于，所述系统包括：

调制模块：用于对微电网逆变器引入虚拟同步发电机，基于电网频率相位和电压，通过所述虚拟同步发电机对所述微电网进行双环调制；

并网模块：用于将进行双环调制后的微电网和电网进行并网；

控制模块：用于并网后，基于微电网和电网之间的充放电实现微电网和电网的协调控制。

10.如权利要求9所述的光储一体虚拟同步发电机协调控制系统，其特征在于，所述并网模块，包括：第一计算单元、第二计算单元和并网单元；

所述第一计算单元，用于以电网的角频率作为参考值计算微电网逆变器的角频率修正量；

所述第二计算单元，用于以电网的电压作为参考值计算微电网逆变器的电压无功修正量；

所述并网单元，用于基于所述角频率修正量和电压无功修正量对微电网逆变器进行调节，当所述微电网的频率相位和电压与电网的频率相位和电压同步后，将微电网和电网进行并网。

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