考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的 新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源在社會(huì)發(fā)展中起著重要的推動(dòng)作用。電力作為清潔高效的能源形式，關(guān)乎國(guó) 計(jì)民生。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境壓力，風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式能源受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。
[0003] 大力發(fā)展分布式發(fā)電，在改善電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式以及構(gòu)建 環(huán)境友好型電力系統(tǒng)等方面均具有重要意義。2015年7月，國(guó)家發(fā)改委、能源局頒布的《關(guān)于 促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出，"將推廣具有即插即用、友好并網(wǎng)特點(diǎn)的并網(wǎng)設(shè) 備，滿足新能源、分布式電源廣泛接入要求"。一般地，分布式電源主要通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入 電網(wǎng)，相比傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，其具有控制靈活、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺少慣性和阻尼 等不足。
[0004] 隨著分布式電源滲透率的不斷增加，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的裝機(jī)比例將逐漸降低，電 力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)備用容量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)減少，這對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻挑 戰(zhàn)。再者，并網(wǎng)逆變器控制策略各異，加之分布式電源輸出功率具有波動(dòng)性、不確定性等特 點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)其即插即用與自主協(xié)調(diào)運(yùn)行。在此背景下，如何通過(guò)控制并網(wǎng)逆變器以實(shí)現(xiàn)分 布式電源友好接入已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0005] 同步發(fā)電機(jī)具有對(duì)電網(wǎng)天然友好的優(yōu)勢(shì)，若借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，使并網(wǎng) 逆變器具有類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，則可實(shí)現(xiàn)分布式電源的友好接入并提高電力系統(tǒng) 穩(wěn)定性。此外，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)控制策略與理論分析方法也可有效地引入其中。 [0006] 為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator， VSG)技術(shù)，可使并網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理。具體而言，主要通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī) 的本體模型、有功調(diào)頻以及無(wú)功調(diào)壓等特性，使并網(wǎng)逆變器從運(yùn)行機(jī)制和外特性上可與傳 統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比擬。虛擬同步發(fā)電機(jī)因集成了同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而備受學(xué)者青睞，其在 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也將日益廣泛。
[0007]為緩解能源危機(jī)和壞境壓力，新能源發(fā)電發(fā)展越來(lái)越受到關(guān)注。這其中，光伏發(fā)電 作為新能源發(fā)電的重要組成部分，近年來(lái)發(fā)展十分迅速。隨著光伏發(fā)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利 用，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的備用容量或旋轉(zhuǎn)慣量相對(duì)減少，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重威脅。為了增 加光伏電源接入電力系統(tǒng)不減少系統(tǒng)的慣量，可采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。將光伏電源通 過(guò)虛擬同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，將極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制 方法主要針對(duì)直流側(cè)為恒定電源情況，應(yīng)用范圍有限。光伏電源出力受到光照強(qiáng)度、溫度等 環(huán)境因素的影響，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、不確定性和有限性，其直流側(cè)電壓也是波動(dòng)的，因此 難以直接將光伏電源與傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)相連接而并入電網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明充分考慮光伏電源的動(dòng)態(tài)特性，然后將該特性引入到虛擬 同步發(fā)電機(jī)控制器中，提出一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及 系統(tǒng)，使得光伏電源可以通過(guò)虛擬同步發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)，提高系統(tǒng)的慣量水平，并降低 光伏發(fā)電接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
[0009 ]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：
[0010] -種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法，其特征在于，包括 以下步驟:A:所述光伏電源動(dòng)態(tài)分析;B:獲得光伏電源可行的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域;C:核心控制單 元保證所述光伏電源可行的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行。
[0011] 可選的，光伏電源動(dòng)態(tài)分析包括以下步驟:A1:獲得光伏電源出力特性曲線，得到 最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光伏電源最大功率ppv- max以及此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電源輸出的直流電壓 Vdc-min; A2:分析光伏電源運(yùn)行的穩(wěn)定區(qū)域，
[0015] 假設(shè)光伏電源工作點(diǎn)電壓為VdcQ，則將式(1)在處線性化，可得：
[0012] 設(shè)定光伏電源出力為Ppv,直流電壓為Vd。，光伏電源直流側(cè)電容為C，電容上的功率 為Pc，虛W同朱為*由新的輸I中t功蜜.相據(jù)電路原理有：
[0013] ( 1 )
[0014] 表不直流電壓對(duì)時(shí)間的微分；
[0016] ? I )
[0017]
[0018] (_3)
[0019] 其中，表示光伏電源輸出功率對(duì)時(shí)間的微分； dt
[0020] 因此，式(3)的特征方程為：
[0021]
(4)
[0022] 其中，^表示光伏電源輸出功率對(duì)直流電壓的微分，其物理意義為光伏出力特 dVdc
性曲線(P-V曲線)上某點(diǎn)處切線的斜率;m表示特征方程的特征根;根據(jù)式(4)可以求得特征 根m為：
[0023] ( 5 )
[0024] 根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)可知，當(dāng)且僅當(dāng)特征方程的特征根m為負(fù)數(shù)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)穩(wěn)定；
[0025] 式（5)中，Ppv，Vdc，Vdco，C等都是具有物理含義的正實(shí)數(shù)，因此，若要保證系統(tǒng)穩(wěn)定， 貝
[0026] 根據(jù)上述分析可知，當(dāng)且僅當(dāng)^ 〇時(shí)，光伏電源才會(huì)運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)域； dc
[0027] 可選的，步驟Al采用最大功率點(diǎn)跟蹤算法。
[0028] 可選的，核心控制單元防止光伏電源進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。
[0029] 可選的，核心控制單元采用防止光伏電源輸出的直流電壓值得方法防止所述光伏 電源進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。
[0030] -種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，光伏電源直接通過(guò) 虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。
[0031] 可選的，虛擬同步發(fā)電機(jī)設(shè)有核心控制單元。
[0032] 可選的，核心控制單元控制所述光伏電源進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。
[0033] 可選的，核心控制單元采用防止光伏電源輸出的直流電壓值得方法防止光伏電源 進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。
[0034]根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了以下技術(shù)效果：
[0035] 本發(fā)明方法及系統(tǒng)直接將光伏電源與虛擬同步發(fā)電機(jī)相結(jié)合，避免了傳統(tǒng)方法還 需儲(chǔ)能電池配合的弊端;且所提方法充分考慮了光伏電源的動(dòng)態(tài)特性，使得光伏電源時(shí)刻 運(yùn)行于穩(wěn)定區(qū)域，將考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性獲得的控制變量通過(guò)附加核心控制單元形式應(yīng) 用于虛擬同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了光伏電源和虛擬同步發(fā)電機(jī)的完美結(jié)合，充分考慮了光伏電 源的特性并發(fā)揮虛擬同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)良性能，同時(shí)節(jié)約了光伏電源并網(wǎng)成本，更利于光伏 發(fā)電的發(fā)展和推廣
【附圖說(shuō)明】
[0036] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所 需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。
[0037] 圖1為本發(fā)明的一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系 統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖中：1、光伏電源，2、虛擬同步發(fā)電機(jī)，3、負(fù)載，4、電網(wǎng)；
[0039] 圖2為本發(fā)明的一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系 統(tǒng)的光伏電源的出力特性曲線(P-V曲線）圖；
[0040] 圖3為本一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的光 伏電源的出力特性曲線(P-V曲線)與穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域；
[0041 ]圖4為本一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0042] 圖5為本一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的傳 統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制方法示意圖；
[0043] 圖6為本一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的虛 擬同步發(fā)電機(jī)基本拓?fù)涫疽鈭D；
[0044]圖7為本一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)的傳 統(tǒng)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制的光伏電源并網(wǎng)接入的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0046] 傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制暫沒(méi)有考慮直流側(cè)(原動(dòng)機(jī))的動(dòng)態(tài)特性，只是將源端視 為恒定直流源，而忽略了其源端的動(dòng)態(tài)性能，故傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制難以直接用于光 伏并網(wǎng)逆變器中。
[0047] 本發(fā)明首先深入分析光伏電源的動(dòng)態(tài)特性，然后得出光伏電源的動(dòng)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定區(qū) 域，并將該特性附加到傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)中，提出一種考慮光伏電源動(dòng)態(tài)特性 的新型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法及系統(tǒng)，所提方法的優(yōu)點(diǎn)在于充分考慮了虛擬同步發(fā)電機(jī) 源端是光伏電源時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，更利于光伏電源通過(guò)虛擬同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，提高光伏 發(fā)電的友好接入。
[0048]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0049] 第一步光伏電源動(dòng)態(tài)特性分析
[0050] 首先，需深入分析光伏電源的動(dòng)態(tài)特性，具體包括以下步驟：
[0051] A.采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法(該方法是常規(guī)算法），獲得光伏電源出力特性 曲線(P-V曲線），并得到最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光伏電源最大功率(Ppv-max)以及此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光 伏電源輸出的直流電壓(Vm n)。如圖2所示：圖2中，橫坐標(biāo)表示光伏電源輸出的直流電壓 Vd。，縱坐標(biāo)表示光伏電源輸出的功率PPV。