CN108173292B - 基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法 - Google Patents
基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法。该方法采用功率叠加方程获得功率指令，并根据基于多项式拟合功率追踪方法获得直流侧参考电压，经过电压环获得光伏板参考功率后，通过功率外环获得d轴有功功率指令；通过一次调压方程获得无功功率指令，进而得到电流dq轴指令，进行电流闭环控制。通过控制直流侧参考电压的大小和方向进而达到对有功功率的灵活控制，并通过一次调压方程对无功功率进行调节。直流侧参考电压步长的大小通过多项式拟合方法获得，方向通过功率跟踪法获得。本发明对逆变器无需增加储能设备，可对电网频率和电压进行调节，且能保证***的稳定和对频率电压较好的调节效果。
Description
技术领域
本发明属于光伏逆变器并网调频调压控制领域，具体涉及一种基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法。
背景技术
随着环境恶化、能源危机的加重，光伏、风电等新能源在社会发展中起着越来越重要的作用，同时分布式发电技术迅速发展，成为国内外研究热点。
目前，随着光伏、风电等新能源不断接入电网，传统同步发电机的装机比例不断下降。因此新能源的渗透率逐渐增加，使电网的转动惯性和阻尼相对减少，这对电网的安全可靠运行产生严重威胁。一般地，光伏发电***多采用最大功率跟踪方式，以电流源模式并网，和传统同步发电机相比，光伏发电***响应速度快，控制简单灵活，同时能够最大程度利用光能。但是，光伏发电***由于几乎不含惯性和阻尼，难以参与到电网频率和电压的调节过程中，同时，其大量接入也导致电网能量过剩。
为此，虚拟同步发电技术(virtual synchrinous generator,VSG)应运而生。因为传统的同步发电机对电力***天然友好，虚拟同步技术借鉴其运行特性以及控制方式，模拟传统同步发电机的转动惯性和阻尼的外特性，实现友好并网。现今高渗透率电网的功率供需关系不再要求光伏发电***时刻处于最大功率跟踪状态，也迫切希望其能够参与到电网调频调压的过程中来，光伏虚拟同步发电机将虚拟同步技术应用于光伏发电***，实现了对电网的调频调压，具有很好的工程价值和现实意义。
目前，对于光伏虚拟同步发电机技术，已有多篇国内外学术论文进行分析并提出解决方案，例如：
1、题为“应用于光伏微网的一种虚拟同步发电机结构及其动态性能分析”，王振雄，易皓，卓放，《中国电机工程学报》，2017年第34卷第2期444-453页)文章中将虚拟同步控制策略应用于光伏微网***，对光伏波动加以抑制，并在负载波动时，有效改善母线的频率变化率，但此方案的不足为：额外增加储能设备增加了电站的成本，不容易对现有的光伏逆变器进行改造；只能以最大功率跟踪方式向电网输送能量，不能有效改善光伏***灵活出力的问题。
2、题为“ANovel Control Strategy for Stand-alone Photovoltaic SystemBased on Virtual Synchronous Generator”，Guo Y,Chen L《Power and Energy SocietyGeneral Meeting》2016:1-5.(“一种基于虚拟同步发电机的孤岛光伏***”，郭岩，陈来军，《电力和能源协会大会》，2016年第1-5页)文章将虚拟同步技术应用于光伏逆变器，光伏逆变器具有调频调压功能，当光伏板电压低于最大功率点电压时，则在功率和电压上增加负的增量保证光伏发电***的稳定。但是文章存在以下不足：该文并未描述如何确定最大功率点的功率和电压值；通过限幅PI控制器增加负的增量值不容易确定，由于PI参数和P-U曲线有关，过大过小都容易导致***震荡失稳。
3、题为“考虑源端动态特性的光伏虚拟同步机多模式运行控制”，郑天文，陈来军，刘炜,《中国电机工程学报》，2017年第37卷第2期第454-463页)文章中增加了虚拟同步发电机的电磁部分和机电特性，在运行特性上和传统同步发电机更接近。但此方法存在以下不足：对光伏虚拟同步发电机的稳定性控制方法未作更深入研究，针对在功率和电压上额外增加一个PI控制器，控制器的参数不易整定，且当光伏功率不足时，并网状态减小电压幅值容易造成逆变器脱网。
发明内容
本发明目的是针对集中式光伏逆变器无法对电网进行调频调压问题，提供一种基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，本方法无需增加额外的储能设备，使传统光伏逆变器具有调频调压功能。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，包括光伏逆变器输出相电压的采集，其特征在于，步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]；
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)；
步骤3、设置电网角频率基准值ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
步骤4、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi通过功率计算方程获得平均有功功率Poi；
步骤5、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤3中得到的功率指令和步骤4中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi；
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤5中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压环获得光伏板参考功率Prefi；
步骤7、根据步骤6中得到的光伏板参考功率Prefi和步骤4中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi；
步骤8、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤7中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi；
步骤9、将步骤8中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤8中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi；
步骤10、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤9中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
Umdi＝Uodi+Uidi
Umqi＝Uoqi+Uiqi
步骤11、将步骤10中得到的dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
优选地，步骤2所述电网频率ωg的计算公式为：
其中，ω0为公共耦合点电压的额定角频率，Kp_pll为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_pll为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤3所述通过功率叠加方程获得功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。
优选地，步骤4所述通过功率计算方程获得平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤5所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括以下步骤：
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Ustep为电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值；
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志；
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量；
(4)求直流侧参考电压Urefi；
当功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
优选地，步骤6所述经过电压环获得光伏板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤7所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
优选地，步骤8所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
优选地，步骤9所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
Uidi＝(Icdrefi-ILdi)GI(s)
Uiqi＝(Icqrefi-ILqi)GI(s)
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数。
本发明公开的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，与现有的光伏并网逆变器相比，其有益效果体现在：
1、本控制方法仅对现有的光伏逆变器的控制策略进行改进，无需增加额外储能设备，节约成本；
2、本控制方法使光伏逆变器具有调频调压功能，并实现***稳定安全可靠的运行，实现友好并网；
3、本控制方法基于多项式拟合的功率追踪，实现了对功率的快速精确的追踪，提高了光伏发电***的快速性和稳态精度，对同步发电机的转动惯量和阻尼模拟更精确；
4、本控制方法容易对光伏电站进行实现改造，在光伏电站预留一部分逆变器，对控制策略加以改进，使整个电站具有调频调压能力。
5、本控制方法实现了光伏逆变器功率输出灵活可控，使光伏逆变器兼顾PQ并网优势。
附图说明
图1为本发明实施例光伏虚拟同步机并网结构图。
图2为本发明实施例光伏虚拟同步机控制结构框图。
图3为本发明实施例光伏虚拟同步机多项式拟合示意图。
图4为本发明实施例加入采用功率追踪的光伏虚拟同步发电机前后增减负荷电网频率变化波形。
图5为本发明实施例加入采用功率追踪的光伏虚拟同步发电机后增减负荷输出有功功率波形。
图6为本发明实施例加入采用功率追踪光伏虚拟同步发电机后增减负荷直流侧电压波形。
图7为本发明实施例加入光伏虚拟同步发电机前后PCC点相电压d轴幅值波形。
图8为本发明实施例加入光伏虚拟同步发电机前后无功功率输出波形。
具体实施方式
下面结合附图对本实施例进行具体的描述。
图1为本发明实施例光伏虚拟同步机并网结构图。具体参数如下：逆变器编号为#i＝1。逆变器#i额定输出线电压为380V/50Hz，直流侧滤波电容Cin＝15mF，桥臂侧滤波电感Lf＝0.06mH，交流测滤波电容Cf＝300uF，网侧滤波电感值为Lg＝0.02mH，逆变器额定容量为500KVA。逆变器#1联线阻抗为ZL＝0.001+j0.001Ω。
图2为本发明实施例光伏虚拟同步发电机控制结构框图，由该图可见，本发明控制方法的步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]。本实施例中，n＝1，逆变器编号#i为#1。
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)。
所述离线测量方法如下：每天在北京时间5：00-21：00期间，在光伏电池板所在位置，整点开始测量温度T和光照强度Wd，并测量光伏电池板最大功率点的功率为PMPP、最大功率点的电压为UMPP和开路电压为Uoc，测量时间为一年。
所述输出相电压坐标变换方程的表达式为：
所述电感电流坐标变换方程的表达式为：
以上四个公式中，θ为d轴和q轴的相位差。
所述电网频率ωg的计算公式为：
其中，ω0为公共耦合点电压的额定角频率，Kp_pll为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_pll为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，温度T＝25℃和光照强度Wd＝1000W/m2下，PMPP＝500KW，UMPP＝645.4V，Uoc＝839.2V，锁相环中ω0＝100πrad/s，Kp_pll＝0.5，Ki_pll＝1。
步骤3、设置电网角频率基准值ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
所述功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。本实施例中Pref0i＝0W，为防止***超调过大且充分利用逆变器容量，Ji＝20kg·m2，有功下垂系数mi＝6.2832e-06。
步骤4、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi通过功率计算方程获得平均有功功率Poi。
所述平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，本实例中Tf＝1e-4s。
步骤5、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤3中得到的功率指令和步骤4中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi。
所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括两部分，第一部分为通过多项式拟合方法求直流侧参考电压Urefi步长的大小，第二部分为通过功率跟踪法求直流侧参考电压Urefi的方向，具体分为以下5个步骤，其中，(1)属于第一部分，(2)—(4)属于第二部分。
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值。
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志。
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量。
(4)求直流侧参考电压Urefi。
当功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
电压步长Ustep的大小根据多项式曲线确定，多项式拟合曲线如图3所示，多项式曲线为二次曲线的一部分，二次曲线的顶点为光伏曲线的最大功率点(UMPP，PMPP)，且二次曲线经过光伏曲线的(Uoc，0)点，本实施例中，Uthreshold_low＝0.3V，Uthreshold_high＝100V，PMPP＝500KW，UMPP＝645.4V，Uoc＝839.2V。
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤5中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压环获得光伏板参考功率Prefi。
所述经过电压环获得光伏板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，本实例中kdcki＝6.5，kdcpi＝1500。
步骤7、根据步骤6中得到的光伏板参考功率Prefi和步骤4中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi。
所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数。本实例中取ni＝1/4000，kpki＝0.7，kppi＝1200，Qref0i＝0var。
步骤8、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤7中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi。
所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
步骤9、将步骤8中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤8中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi。
所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数，本实例中取kIi＝40。
步骤10、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤9中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
步骤11、将步骤10中dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
所述坐标反变换方程的表达式为：
Umai＝Umdicosθ+Umqisinθ
其中，θ为d轴和q轴的相位差。
本实施例中发明适用于传统集中式三相光伏逆变器。以下是图1所示500KW三相逆变器***加入功率追踪算法的仿真波形。
光伏逆变器采用光伏虚拟同步电机算法，0s时并网运行，0.25s时突加400KW公共阻性负载，在1.00s突降200KW阻性负载。
图4为增加功率追踪的光伏虚拟同步机前后增减负荷电网频率变化波形，加入光伏虚拟同步机前，突增负载电网频率跌落较快且偏离基准值较大，加入虚拟同步机后频率跌落变缓，且偏离基准值程度减小，突降负载相较未加入光伏虚拟同步机，加入光伏虚拟同步机后，偏离基准值程度减小且惯性和阻尼更大，因此加入光伏虚拟同步机后增加了电网的惯性和阻尼。
图5为加入采用功率追踪的光伏虚拟同步发电机后增减负荷输出有功功率波形，加入采用多项式拟合的光伏虚拟同步发电机后，平均有功功率对功率指令的跟随较好。
图6为加入采用功率追踪的光伏虚拟同步发电机后增减负荷直流侧电压波形。直流侧光伏输出电压为阶梯状，在功率输出的动态过程中，直流侧光伏输出电压阶梯较大，即步长较大，保证跟随性能，在稳态过程中，阶梯较小，保证较小的稳态误差，整个过程中直流侧光伏输出电压能够快速跟踪直流侧参考电压。
光伏逆变器采用光伏虚拟同步电机算法，0s时并网运行，0.30s突增100Kvar感性负载，0.70s加入光伏虚拟同步算法。
图7为加入光伏虚拟同步发电机前后PCC点相电压d轴幅值波形。加入光伏虚拟同步前，突增感性负载，PCC电压跌落较大，加入虚拟同步算法后，跌落有所回升当回升幅值较小，这是由于需保证逆变器的较高的功率因数，限制了无功功率输出，也限制了无功功率下垂系数。
图8为加入光伏虚拟同步发电机前后无功功率输出波形。加入光伏虚拟同步前，无功功率输出为0，逆变器对电网没有调压作用，加入虚拟同步算法后，无功功率开始输出，对电网电压起到一定的支撑作用。
Claims (9)
1.一种基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，包括光伏逆变器输出相电压的采集，其特征在于，步骤如下：
步骤1、设光伏逆变器台数为n，n为整数且n≥1，#i表示逆变器编号，i为整数且i∈[1,n]；
步骤2、通过离线测量方法获得光伏电池板最大功率点的功率PMPP、最大功率点的电压UMPP和开路电压Uoc；采样光伏逆变器#i输出相电压Uoai,Uobi,Uoci，并经输出相电压坐标变换方程得到输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi，采样光伏逆变器#i桥臂电感电流ILai,ILbi,ILci，并经电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ωg，采样光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)；
步骤3、设置电网基准频率ωref和光伏逆变器#i上层有功功率指令Pref0i，并根据步骤2得到的电网频率ωg，通过功率叠加方程获得功率指令
步骤4、根据步骤2中得到的输出电压dq轴分量Uodi,Uoqi和桥臂电感电流dq轴分量ILdi,ILqi，通过功率计算方程获得平均有功功率Poi；
步骤5、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电流Ipvi(k)和光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)、步骤3中得到的功率指令和步骤4中得到的平均有功功率Poi，通过基于多项式拟合的功率跟踪法获得直流侧参考电压Urefi；
步骤6、根据步骤2中得到的光伏逆变器#i在k时刻的直流侧光伏输出电压Upvi(k)和步骤5中得到的直流侧参考电压Urefi，经过电压闭环获得光伏电池板参考功率Prefi；
步骤7、根据步骤6中得到的光伏电池板参考功率Prefi和步骤4中得到的平均有功功率Poi，经过功率外环得到d轴有功功率指令Pdrefi；设置指令电压Edref和光伏逆变器#i上层无功功率指令Qref0i，并根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi，通过一次调压方程获得无功功率指令Qdrefi；
步骤8、根据步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和步骤7中得到的d轴有功功率指令Pdrefi、无功功率指令Qdrefi，经过电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi；
步骤9、将步骤8中得到的电流d轴指令Icdrefi和步骤2中得到的桥臂电感电流d轴分量ILdi，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号Uidi；将步骤8中得到的电流q轴指令Icqrefi与步骤2中得到的桥臂电感电流q轴分量ILqi，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号Uiqi；
步骤10、将步骤2中得到的输出电压d轴分量Uodi和输出电压q轴分量Uoqi分别加上步骤9中得到的d轴输出信号Uidi和q轴输出信号Uiqi，得到dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi，其表达式分别为：
步骤11、将步骤10中得到的dq坐标系下的调制波Umdi和Umqi经坐标反变换方程得到逆变器桥臂电压的三相调制波Umai,Umbi,Umci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤2所述电网频率ωg的计算公式为：
其中，ω0为公共耦合点电压的额定角频率，Kp_pll为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_pll为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤3所述通过功率叠加方程获得功率指令的计算公式为：
其中，Ji为光伏逆变器#i的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，mi为光伏逆变器#i的有功下垂系数。
4.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤4所述通过功率计算方程获得平均有功功率Poi的计算公式为：
其中Tf为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。
5.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤5所述基于多项式拟合的功率跟踪法包括以下步骤：
(1)求电压步长Ustep，其计算公式为：
当时，取Ustep＝0；
当时，取Ustep＝Uthreshold_high；
当时，取
其中，为未限幅电压步长，Ustep为电压步长，Uthreshold_low为低电压步长阈值，Uthreshold_high为高电压步长阈值；
(2)计算光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率Ppvi(k)，其计算公式为：
Ppvi(k)＝Upvi(k)·Ipvi(k)
其中，k为时刻标志；
(3)计算光伏逆变器#i的符号标志flagi，其计算公式为：
flagi＝sign(Ppvi(k)-Ppvi(k-1))×sign(Upvi(k)-Upvi(k-1))
其中，flagi为光伏逆变器#i的符号标志，Ppvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻光伏电池板的功率，Ppvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻光伏电池板的功率，Upvi(k)为光伏逆变器#i在k时刻直流侧光伏输出电压，Upvi(k-1)为光伏逆变器#i在k-1时刻直流侧光伏输出电压，sign为符号函数数学运算符，其含义如下：
其中，x为自变量；
(4)求直流侧参考电压Urefi；
当功率指令大于平均有功功率Poi时，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep×flagi；
当功率指令小于等于平均有功功率Poi时，如果flagi大于等于零，执行Urefi＝Upvi(k)+Ustep，如果flagi小于零，执行Urefi＝Upvi(k)-Ustep×flagi。
6.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤6所述经过电压闭环获得光伏电池板参考功率Prefi的表达式为：
Prefi＝(Upvi(k)-Urefi)Gdc(s)
其中，Gdc(s)为直流侧电压闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gdc(s)＝kdcki+kdcpi/s
其中，kdcki为光伏逆变器#i直流侧电压闭环比例调节器系数，kdcpi为光伏逆变器#i直流侧电压闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤7所述功率外环和一次调压方程的表达式分别为：
Pdrefi＝(Prefi-Poi)Gp(s)
其中，ni为光伏逆变器#i无功功率下垂系数，Gp(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：
Gp(s)＝kpki+kppi/s
其中，kpki为光伏逆变器#i功率闭环比例调节器系数，kppi为光伏逆变器#i功率闭环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。
8.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤8所述电流计算方法得到电流d轴指令Icdrefi和电流q轴指令Icqrefi的表达式分别为：
9.根据权利要求1所述的基于功率追踪的光伏虚拟同步控制方法，其特征在于：步骤9所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：
Uidi＝(Icdrefi-ILdi)GI(s)
Uiqi＝(Icqrefi-ILqi)GI(s)
其中，Uidi为d轴输出信号，Uiqi为q轴输出信号，GI(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：
GI(s)＝kIi
其中，kIi为光伏逆变器#i电流闭环比例调节器系数。
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