应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法及介质

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其是涉及一种应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法及介质。

背景技术

在现代电力电子中，新能源尤其是光伏发电的占比越来越大，对于光伏储能混合系统，由于光伏阵列与储能电池模块电压等级的不同，通常需要增添额外的电力电子变换器来调节电压等级，这大大的增加了设备成本。为了解决上述问题，多端口光储一体化变流器应运而生。多端口光储一体化变流器结合了光伏发电、储能系统以及多个电力电子端口的功能。这种变流器不仅可以实现电能的双向流动和优化控制，还可以连接多个不同类型的能源系统，如光伏、风能、储能等，实现多能源的协同管理和优化利用。多端口光储一体化变流器的应用可以带来许多优势，但也对控制策略提出了新的要求。现有技术中还未有能够有效应用于多端口光储一体化变流器中控制策略。

同时，与传统光储配电网不同，新型电网中同步发电机占比减少，这直接造成了新型电网缺少足够的惯性支撑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高系统稳定、具有较高可靠性的应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法及介质。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法，包括以下步骤：

在直流侧，通过最大功率点跟踪控制生成控制参数

在交流侧，根据设置的预同步开始时间以及并网条件，确定变流器运行工况，通过虚拟同步机控制，在不同运行工况下计算获得参考电压

将控制参数

进一步地，所述运行工况包括孤岛运行工况、预同步工况和并网运行工况；

其中，在实时时间未到所述预同步开始时间前，运行模式为孤岛运行工况；

在实时时间到达所述预同步开始时间、且未满足并网条件时，运行模式为预同步工况；

在满足并网条件后，运行模式为并网运行工况；

各运行工况中，在下垂控制的基础上，根据同步发电机摇摆方程改进有功环形成虚拟同步机VSG控制，VSG控制将贯穿整个控制环节。

进一步地，在所述预同步工况中，参考电压

在VSG控制的基础上，在有功-频率环中引入相角调节器和频率调节器，在无功-电压环中引入幅值调节器，根据有功频率约束关系和无功电压约束关系分别得到参考电压Vref的相角和幅值。

进一步地，在所述并网运行工况中，参考电压Vref的获取过程还包括：

在VSG控制的基础上，在有功-频率环中引入PI调节器，将网侧无功功率经PI调节器生成有功功率设定值。

进一步地，所述控制参数

采集光伏阵列侧的电压与电流，通过最大功率点跟踪控制计算光伏阵列输出功率，测量相邻采样点的电压与功率的值并计算出采样电压与功率的微增量，将采样电压与功率的微增量相乘后经由低通滤波器输入PI调节器，生成所述控制参数

进一步地，所述控制参数

进一步地，所述生成调制波具体包括：

根据控制参数

确定参考电压

进一步地，将计算获得的所述参考电压

进一步地，将所述调制波与三角载波交截，通过比较产生所述开关管的驱动脉冲信号。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于构网型控制策略实现，设置预同步开始时间，对不同运行工况采用不同方式获得参考电压，可靠模拟传统电网中调频调压的动作及同步机的惯性作用，有效地进一步弥补新型电网中惯性的缺失，提高变流器控制可靠性。

2、本发明的预同步工况中，在VSG控制的基础上设置了三个调节器，更有效地模拟了同步发电机的惯性特性，同时在并网工况的有功功率参考值部分引入了网侧无功功率送入PI以生成有功功率的环节，以模拟二次调频环节，进一步很好地控制网侧无功功率。

3、本发明适用于多端口光储一体化变流器的控制，特别是对于与弱电网并网运行的工作场景下，可以给系统提供足够的惯性支撑，同时可以保证光伏发电的高效进行，使光伏阵列保持最大功率输出。

4、本发明可以提高系统的稳定性，为光伏发电及功率传输提供保障。

5、本发明不仅实现新能源最大功率输出，集成的储能提供惯量支撑，而且单级功率变换具有高效率、低成本的优势。

附图说明

图1为本发明实施例中多端口光储一体化变流器拓扑结构图；

图2为本发明实施例中多端口光储一体化变流器构网控制框图示例；

图3为本发明实施例中控制方法流程图；

图4为本发明实施例中逆变器侧与网侧电压波形；

图5为本发明实施例中所用光伏阵列在25℃时理论P-V关系曲线与实际仿真时光伏阵列输出电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种应用于多端口光储一体化变流器的构网控制方法，通过直流侧和交流侧的相关控制，产生开关管的驱动脉冲信号。本实施例所应用的多端口光储一体化变流器为如图1所示的双直流端口光储一体化变流器1，其高压侧直流端口连接光伏阵列2，低压侧直流端口连接储能电池3，可以给系统增加一定的惯量，交流端通过LCL滤波器4连接至三相电网5。本实施例中，逆变器采取中点钳位型拓扑结构，包括12只开关管、6只二极管及LCL滤波器。

上述构网控制方法的控制框图如图2所示，主要包括直流侧MPPT控制、交流侧构网虚拟同步机控制、SVPWM调制器等部分，需要注意的是，该构网型控制（圆角矩形框中所示）可以用于双直流端口光储一体化变流器，但不限于应用在图1所示的拓扑结构中。

参考图2和图3所示，本实施例的构网控制方法包括以下步骤：

步骤S1、系统开机初始化后，设置预同步开始时间

预同步开始时间

步骤S2、通过锁相环（PLL）获取逆变器侧和网侧电压幅值

步骤S3、测量逆变器侧三相交流电压

步骤S4、在直流侧，测量光伏阵列电压

使用MPPT控制产生控制参数

测量高压侧即光伏阵列侧的电压与电流，并以此计算出光伏阵列输出功率，测量相邻采样点的电压与功率的值并计算出该次采样电压与功率的微增量，将二者相乘后经由低通滤波器送入PI调节器，得到一个较为稳定的

为了适用于后续的SVPWM调制工作，控制参数

直流侧控制主要目的是使光伏阵列工作在最大功率点，使得可以最大效率地进行能量的转化，并在此基础上由光伏阵列主导能量传输，经由三相变流器转化为交流电，经滤波后向负载进行供电，由于工作在最大功率点，由光伏阵列输出的功率几乎为一定值，如无储能电池，将会出现光伏阵列的输出功率与负载所需的功率不匹配的情况，因此直流低压侧选择使用储能电池，可以实现灵活的功率流动，吸收多余的能量，并在光伏阵列输出不足以供给负载时提供辅助供能。

步骤S5、在交流侧，根据设置的预同步开始时间以及并网条件（即合闸判断条件），确定变流器运行工况，通过虚拟同步机控制（VSG），在不同运行工况下采用不同控制策略计算获得参考电压

交流侧控制目的主要是控制交流测机侧电压的幅值、角频率和相位，让逆变器可以模拟同步发电机，达到电能的生成、传输、转化以及对电网的惯性支撑效果。

本实施例中，运行工况包括孤岛运行工况、预同步工况和并网运行工况，并通过两个信号参数Switch和Pre_sy表示不同工况，Switch表征是否并网，Pre_sy表征是否进入到达预同步开始时间且未并网。其中，在实时时间未到所述预同步开始时间前，运行模式为孤岛运行工况，此时，信号参数Switch=0，Pre_sy=0；在实时时间到达所述预同步开始时间、且未满足并网条件时，运行模式为预同步工况，可以在并网之前将逆变器侧电压调整到满足并网要求，此时，信号参数Switch=0，Pre_sy=1；在满足并网条件后，运行模式为并网运行工况，此时，信号参数Switch=1，Pre_sy=0。在其他实施例中，可以通过对Switch和Pre_sy信号的具体设置来实现灵活工况转换。

参考图3所示，在孤岛运行阶段，逆变器独立给负载进行供电，此时获得参考电压

在预同步阶段，需要将机侧的电压幅值、相角、角频率控制到在误差范围内与网侧电压幅值、相角、角频率一样，才能满足合闸条件，进入下一工况，即并网运行工况。参考图2所示，本实施例中，在有功-频率环引入相角调节器和频率调节器，在无功-电压环引入电压幅值调节器，以控制机侧电压向网侧电压靠拢，可靠模拟了传统电网中同步机的预同步环节。

参考图3所示，预同步阶段获得参考电压

在并网运行阶段，必须将预同步信号置0，以切出预同步环节所使用的三个调节器，否则其将造成比较严重的环流问题，影响系统正常工作。

参考图3所示，并网运行阶段获得参考电压

并网运行阶段中，下垂控制主要模拟了传统电网的一次调压调频动作，有功环加惯性主要是模拟了同步发电机的惯性特性。在有功功率参考值部分还引入了网侧无功功率送入PI以生成有功功率的环节，这一环节主要是模拟二次调频环节，进一步很好地控制网侧无功功率。

上述控制策略可以在保证系统光伏阵列稳定工作在最大功率点附近，保证能源最大效率利用的同时，在交流侧又可以给弱电网足够的惯性支撑，在保证高效的同时还能兼顾系统的运行稳定性。

步骤S6、将控制参数

将直流侧得到的

控制参数

本实施例中，将计算获得的所述参考电压

步骤S7、将调制波与三角载波交截，通过比较产生开关管的驱动脉冲信号。

为验证上述控制方法的有效性，本实施例给出一个具体实例，其主要参数如下：

光伏阵列并联支路数：3；

光伏阵列每条支路串联模块数：25；

光伏阵列最大功率点：

储能电池模块电压有效值

预同步开始时间

交流电网频率

开关频率

逆变器侧有功功率设定

逆变器侧无功功率设定

无功环电压参考值

有功环角频率参考值

有功环虚拟转动惯量

无功环虚拟惯性系数

频率调节器比例积分环节积分系数

幅值调节器比例积分环节积分系数

有功环下垂系数

逆变器侧与网侧a相电压波形如图4所示，所用光伏阵列在25℃时理论

在初始状态下，电路工作在孤岛运行状态，在0.1秒时进入预同步工况，逆变器侧电压开始向网侧电压靠拢，并于0.51秒左右完成预同步动作，并网合闸，工作在并网运行工况，由图4可以看出预同步工况下的电压幅值、频率和相角调节器可以调节逆变器侧电压与网侧电压一致、频率相等、相角同步，以满足并网要求，图中标出了在该实施例中系统的三个工况。由图5可以看出光伏阵列稳定工作在最大功率点附近，在完成预同步动作，合闸进入并网工况时，光伏阵列电压有个较小的跌落，但很快又恢复至最大功率点，从而验证了本发明控制方法的有效性。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明的描述是基于实施例的方法、设备（系统）以及计算机程序产品的流程图和/或方框图进行的。需要强调的是，计算机程序指令可以被设计成实现流程图和/或方框图中的每个流程和/或方框，以及流程图和/或方框图中流程和/或方框的组合。这些计算机程序指令可以在通用计算机、专用计算机、嵌入式处理器或其他可编程数据处理设备的处理器上运行，从而生成一台机器，这台机器通过执行计算机或其他可编程数据处理设备的处理器的指令，实现了流程图和/或方框图中指定的一个或多个流程和/或方框的功能。

此外，这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读存储器中，这样，当这些指令在计算机或其他可编程数据处理设备上运行时，就可以引导这些设备以特定方式工作。这样，存储在存储器中的指令就生成了一个包含指令装置的制造品，这个指令装置实现了流程图和/或方框图中指定的一个或多个流程和/或方框的功能。

这些计算机程序指令还可以被加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而在这些设备上执行一系列操作步骤，生成计算机实现的处理。这样，通过在计算机或其他可编程设备上执行的指令，就可以提供实现流程图和/或方框图中指定的一个或多个流程和/或方框的功能的步骤。

在本发明中，术语如“包括”、“包含”等，仅用于区分一个实体或操作与另一个实体或操作，而不一定表示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或顺序。此外，术语“包括”、“包含”或其变体的使用意在涵盖非排他性的包含，即不仅包括列出的要素，还包括未明确列出的其他要素，或者还包括作为该过程、方法、物品或设备固有要素的要素。在没有其他限定的情况下，使用语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包含所述要素的过程、方法、物品或设备中存在其他相同要素的可能性。