考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统。

背景技术

在化石能源不断枯竭以及碳排放要求愈发苛刻的趋势下，以常规同步电源为主导的电力系统正逐步向风、光等非同步电源为主导的电力系统演变，可再生能源发电在世界范围内保持快速发展的态势。新能源发电设备大多通过电力电子逆变器控制装置并网，在满足系统并网要求的同时，也给系统安全运行带来了新的问题。相较于同步发电机，新能源电源通过电力电子装置并网且与系统处于解耦运行状态，不能主动响应系统频率变化，尤其是光伏发电是没有旋转物体的，本质上不具备惯性。高比例新能源发电并入电网会导致系统惯性大幅减弱，低惯性系统容易出现电压和频率稳定问题，其中频率问题尤为突出。

此外，基于逆变器结构并网的新能源设备存在电压支撑能力弱的问题，传统光伏等新能源设备不具备类似常规电源的动态无功支撑能力，对系统过电压的耐受能力较差。尤其在特高压直流送端新能源汇集地区，在直流单次换向失败期间，送端电网暂态过电压约为1.2倍额定电压，火电等常规机组仍能正常运行，但光伏等新能源机组存在大规模连锁脱网风险，因此提升新能源设备主动支撑能力对于保障新型电力系统可靠运行具有重要意义。

当前电力电子变流器的控制模式主要分为跟网型和构网型，其中构网型控制方法主要应用于储能逆变器。目前光伏逆变器均采用基本都是跟网型变流器，构网型变流器控制系统不同于电流源型变流器控制系统，由于采用自同步方式而不受锁相环的影响，同时能够主动的提供类似同步发电机的频率和电压支撑，更加适合弱电网下运行，具有良好的发展前景。因此，需要研究一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法。

发明内容

本发明提出一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统，以解决如何对构网型光伏发电系统进行控制的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法，所述方法包括：

在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比；

基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压；

在有功功率外环控制环节，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角；

在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值；

在电压电流双环控制环节，基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号；

基于脉冲宽度调制PWM发生器根据所述内电势参考值输出信号调制产生的驱动信号对三相并网逆变器进行控制。

优选地，其中所述基于有功备用输出功率确定升压电路占空比，包括：

P

其中，d为升压电路占空比；K

优选地，其中所述基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压，包括：

其中，d为升压电路占空比；u

优选地，其中所述基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角，包括：

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量；D

优选地，其中所述基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值，包括：

其中，E为并网逆变器内电势幅值；Q

优选地，其中所述基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号，包括：

基于所述并网逆变器内电势幅值确定电流内环参考值，包括：

基于所述内环电流值确定逆变器内电势，包括：

其中，e

基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角对所述逆变器内电势的dq轴分量进行克拉克变换，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制系统，所述系统包括：

升压电路占空比确定单元，用于在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比；

升压电路控制单元，用于基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压；

电压虚拟相位角确定单元，用于在有功功率外环控制环节，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角；

内电势幅值确定单元，用于在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值；

内电势参考值输出信号确定单元，用于基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号；

脉冲宽度调制单元，用于基于脉冲宽度调制PWM发生器根据所述内电势参考值输出信号调制产生的驱动信号对三相并网逆变器进行控制。

优选地，其中所述升压电路占空比确定单元，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比，包括：

P

其中，d为升压电路占空比；K

优选地，其中所述升压电路控制单元，基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压，包括：

其中，d为升压电路占空比；u

优选地，其中所述电压虚拟相位角确定单元，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角，包括：

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量；D

优选地，其中所述内电势幅值确定单元，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值，包括：

其中，E为并网逆变器内电势幅值；Q

优选地，其中所述内电势参考值输出信号确定单元，基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号，包括：

基于所述并网逆变器内电势幅值确定电流内环参考值，包括：

基于所述内环电流值确定逆变器内电势，包括：

其中，e

基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角对所述逆变器内电势的dq轴分量进行克拉克变换，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

本发明提供了一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统，包括：在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比；基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压；在有功功率外环控制环节，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角；在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值；在电压电流双环控制环节，基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号；基于脉冲宽度调制PWM发生器根据所述内电势参考值输出信号调制产生的驱动信号对三相并网逆变器进行控制。本发明能够解决高比例光伏接入后电网缺乏主动支撑能力的问题，可以提升光伏发电系统的安全稳定水平，促进光伏等新能源资源开发与利用，同时该技术可推动光伏产业的发展。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统一次拓扑电路图；

图3为根据本发明实施方式的boost升压变换器控制环节框图；

图4为根据本发明实施方式的有功功率控制环节框图；

图5为根据本发明实施方式的无功功率控制环节框图；

图6为根据本发明实施方式的光伏发电系统功率阶跃响应示意图；

图7为根据本发明实施方式的光伏发电系统并网电压波形图；

图8为根据本发明实施方式的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制系统900的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统，通过在光伏逆变器中构建转子运动方程和励磁调节系统，能够主动提供类似同步发电机的惯量、频率和电压支撑。同时在升压变换器控制环节引入有功偏差信号可实现最大功率跟踪和有功功率备用运行，满足光伏发电系统有功出力灵活调节的需求。

图1为根据本发明实施方式的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法，能够解决高比例光伏接入后电网缺乏主动支撑能力的问题，可以提升光伏发电系统的安全稳定水平，促进光伏等新能源资源开发与利用，同时该技术可推动光伏产业的发展。本发明实施方式提供的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法100，从步骤101处开始，在步骤101，在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比。

优选地，其中所述基于有功备用输出功率确定升压电路占空比，包括：

P

其中，d为升压电路占空比；K

如图2所示，在本发明中，光伏发电系统为不含储能单元的光伏发电系统，一次拓扑电路包括：光伏电池阵列、boost升压变换器、并网逆变器、LC滤波电路。控制系统包括：boost升压变换器控制环节、并网逆变器控制环节。

在本发明中，在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，首先，基于光照强度和温度，采用最大功率追踪算法获取光伏发电系统最大有功功率P

然后，基于有功备用输出功率P

其中，K

在步骤102，基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压。

优选地，其中所述基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压，包括：

其中，d为升压电路占空比；u

在本发明中，基于占空比d生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，包括：

其中，u

在步骤103，在有功功率外环控制环节，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角。

优选地，其中所述基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角，包括：

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量；D

在步骤104，在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值。

优选地，其中所述基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值，包括：

其中，E为并网逆变器内电势幅值；Q

在步骤105，在电压电流双环控制环节，基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

优选地，其中所述基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号，包括：

基于所述并网逆变器内电势幅值确定电流内环参考值，包括：

基于所述内环电流值确定逆变器内电势，包括：

其中，e

基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角对所述逆变器内电势的dq轴分量进行克拉克变换，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

在步骤106，基于脉冲宽度调制PWM发生器根据所述内电势参考值输出信号调制产生的驱动信号对三相并网逆变器进行控制。

在本发明中，在并网逆变器控制环节，包含有功功率外环控制、无功功率外环控制、电压电流双闭环控制。

在有功功率外环控制环节，基于有功备用输出功率P

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量，D

在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率Q和并网电压U，获取并网逆变器内电势幅值，包括：

其中，Q

U的计算方法为：

其中，u

在电压电流双环控制环节，基于并网逆变器内电势幅值、内电势虚拟相位角，确定三相静止坐标系下内电势参考值输出信号，包括：

在电压电流双环控制环节，基于内环电压参考值确定电流内环参考值：

其中，i

在电压电流双环控制环节，基于所述的内环电流参考值确定逆变器内电势参考值输出信号，包括：

其中，e

基于并网逆变器内电势虚拟相位角对并网逆变器内电势dq轴分量进行克拉克变换，得到三相静止坐标系下内电势参考值输出信号。

最后，将三相静止坐标系下内电势参考值输出信号通过载波移相SPWM调制产生驱动信号控制三相并网逆变器。

本发明对光伏发电设备控制系统进行改进，可以使光伏发电设备具有与常规同步机组类似的频率和电压调节特性，从而解决了高比例光伏接入后电网缺乏主动支撑能力的问题，所提方法可以提升光伏发电系统的安全稳定水平，促进光伏等新能源资源开发与利用，同时该技术可推动我国光伏产业的发展。

本实施例以基于PSCAD的仿真系统为例，说明一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法及系统的实现步骤：

1、在PSCAD仿真平台搭建如图2所示的光伏发电系统一次拓扑电路，包括光伏电池阵列、boost升压变换器、并网逆变器、LC滤波电路。在考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制环节依次建立boost升压变换器控制环节、并网逆变器控制环节。

2、在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于光照强度和温度，采用最大功率追踪算法获取光伏发电系统最大有功功率P

其中，k为有功备用系数。

实施例中k为0.4，得到P

3、在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，具体实现方法如图3所示。将有功备用输出功率P

其中，K

实施例中K

4、基于占空比d生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，控制方程如下：

其中，u

5、在并网逆变器控制环节，包含有功功率外环控制、无功功率外环控制、电压电流双闭环控制。

6、在有功功率外环控制环节，具体实现方法如图4所示。有功功率外环控制环节模拟了同步发电机的转子机械方程，从而使光伏逆变器具备传统同步机的频率和惯性响应特性。将有功备用输出功率P

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量，D

实施例中J为100，Dp为0.0008，ω

7、在无功功率外环控制环节，具体实现方法如图5所示。无功控制环节模拟了传统同步机的励磁调节系统，基于光伏发电系统无功功率和并网电压获取并网逆变器内电势幅值，控制方程如下：

其中，Q

实施例中Q

U的计算方法为：

其中，u

8、在电压电流双环控制环节，基于并网逆变器内电势幅值、内电势虚拟相位角，确定三相静止坐标系下内电势参考值，包括：

在电压电流双环控制环节，光伏发电系统并网电压经过派克变换得到的dq轴分量与电压参考值作差后经过PI控制环节和滤波电路电容耦合项计算得到电流参考值i

其中，i

实施例中C为10uF，K

在电压电流双环控制环节，将并网逆变器内电势参考值向量设置为d轴方向，有u

在电压电流双环控制环节，电感电流经过派克变换得到的dq轴分量与电流参考值作差后经过P I控制环节和滤波电路电感耦合项计算得到内电势参考值，控制方程如下：

其中，e

实施例中L为0.3mH，K

基于并网逆变器内电势虚拟相位角对并网逆变器内电势dq轴分量进行克拉克变换，得到三相静止坐标系下内电势参考值输出信号。

9、将三相静止坐标系下内电势参考值输出信号通过载波移相SPWM调制产生驱动信号控制三相并网逆变器。

10、对该系统进行仿真，仿真工况为：初始状态下有功功率0.2MW，无功功率0Mvar，3秒时施加有功阶跃，有功功率由0.2MW提升至0.4MW。有功功率变化如图6所示，系统电压波形如图7所示，可以看出光伏系统输出有功功率可以很好的跟踪有功指令，系统稳定性良好。

图8为根据本发明实施方式的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制系统900的结构示意图。如图8所示，本发明实施方式提供的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制系统900，包括：升压电路占空比确定单元901、升压电路控制单元902、电压虚拟相位角确定单元903、内电势幅值确定单元904、内电势参考值输出信号确定单元905和脉冲宽度调制单元906。

优选地，所述升压电路占空比确定单元901，用于在光伏发电系统boost升压变换器控制环节，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比。

优选地，其中所述升压电路占空比确定单元901，基于有功备用输出功率确定升压电路占空比，包括：

P

其中，d为升压电路占空比；K

优选地，所述升压电路控制单元902，用于基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压。

优选地，其中所述升压电路控制单元902，基于所述升压电路占空比生成的触发脉冲对boost升压电路进行控制，以确定boost升压变换器高压侧电压，包括：

其中，d为升压电路占空比；u

优选地，所述电压虚拟相位角确定单元903，用于在有功功率外环控制环节，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角。

优选地，其中所述电压虚拟相位角确定单元903，基于所述有功备用输出功率和boost升压变换器高压侧电压，确定并网逆变器内电势的电压虚拟相位角，包括：

其中，J为模拟传统同步机的虚拟惯量；D

优选地，所述内电势幅值确定单元904，用于在无功功率外环控制环节，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值。

优选地，其中所述内电势幅值确定单元904，基于光伏发电系统无功功率和并网电压，确定并网逆变器内电势幅值，包括：

其中，E为并网逆变器内电势幅值；Q

优选地，所述内电势参考值输出信号确定单元905，用于基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

优选地，其中所述内电势参考值输出信号确定单元905，基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角和并网逆变器内电势幅值，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号，包括：

基于所述并网逆变器内电势幅值确定电流内环参考值，包括：

基于所述内环电流值确定逆变器内电势，包括：

其中，e

基于所述并网逆变器内电势的电压虚拟相位角对所述逆变器内电势的dq轴分量进行克拉克变换，确定三相静止坐标系下的内电势参考值输出信号。

优选地，所述脉冲宽度调制单元906，用于基于脉冲宽度调制PWM发生器根据所述内电势参考值输出信号调制产生的驱动信号对三相并网逆变器进行控制。

本发明的实施例的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制系统900与本发明的另一个实施例的考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法100相对应，在此不再赘述。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种考虑有功备用容量的构网型光伏发电系统控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。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/或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/或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/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。