考虑光伏电源动态特性的虚拟同步发电机控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及系统，其方法包括：光伏电源动态分析；获得光伏电源可行的稳定运行区域；核心控制单元保证光伏电源在可行的稳定运行区域运行。本发明方法及系统直接将光伏电源与虚拟同步发电机相结合，避免了传统方法还需储能电池配合的弊端；且所提方法充分考虑了光伏电源的动态特性，使得光伏电源时刻运行于稳定区域，将考虑光伏电源动态特性获得的控制变量通过附加核心控制单元的形式应用于虚拟同步发电机，实现了光伏电源和虚拟同步发电机的很好结合。该方法充分考虑了光伏电源的特性并发挥虚拟同步发电机的优良性能，同时节约了光伏电源并网成本，更利于光伏发电的发展和推广。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源发电控制技术领域，特别是涉及一种考虑光伏电源动态 特性的新型虚拟同步发电机控制方法及系统。

背景技术

能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力作为清洁高效的能源形式， 关乎国计民生。为应对能源危机和环境压力，风能、太阳能等分布式能源受到 越来越广泛的关注。

大力发展分布式发电，在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式以 及构建环境友好型电力系统等方面均具有重要意义。2015年7月，国家发改 委、能源局颁布的《关于促进智能电网发展的指导意见》明确指出，“将推广 具有即插即用、友好并网特点的并网设备，满足新能源、分布式电源广泛接入 要求”。一般地，分布式电源主要通过并网逆变器接入电网，相比传统同步发 电机，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足。

随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降 低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这对电网的安全稳定运 行带来了严峻挑战。再者，并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功 率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行。在此 背景下，如何通过控制并网逆变器以实现分布式电源友好接入已成为亟待解决 的关键问题。

同步发电机具有对电网天然友好的优势，若借鉴传统电力系统运行经验， 使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性，则可实现分布式电源的友好接 入并提高电力系统稳定性。此外，传统同步发电机的相关控制策略与理论分析 方法也可有效地引入其中。

为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator, VSG)技术，可使并网逆变器模拟同步发电机运行机理。具体而言，主要通过 模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从 运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。虚拟同步发电机因集成了同 步发电机的优点而备受学者青睐，其在现代电力系统中的应用也将日益广泛。

为缓解能源危机和坏境压力，新能源发电发展越来越受到关注。这其中， 光伏发电作为新能源发电的重要组成部分，近年来发展十分迅速。随着光伏发 电的大规模开发和利用，传统电力系统的备用容量或旋转惯量相对减少，系统 的稳定性将受到严重威胁。为了增加光伏电源接入电力系统不减少系统的惯 量，可采用虚拟同步发电机技术。将光伏电源通过虚拟同步发电机接入电网， 将极大地提高系统的稳定性。然而，传统虚拟同步发电机控制方法主要针对直 流侧为恒定电源情况，应用范围有限。光伏电源出力受到光照强度、温度等环 境因素的影响，具有较强的随机性、不确定性和有限性，其直流侧电压也是波 动的，因此难以直接将光伏电源与传统虚拟同步发电机相连接而并入电网。

发明内容

针对上述问题，本发明充分考虑光伏电源的动态特性，然后将该特性引入 到虚拟同步发电机控制器中，提出一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步 发电机控制方法及系统，使得光伏电源可以通过虚拟同步发电机直接并入电 网，提高系统的惯量水平，并降低光伏发电接入对电力系统稳定性的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法，其特征在 于，包括以下步骤：A：所述光伏电源动态分析；B：获得光伏电源可行的稳 定运行区域；C：核心控制单元保证所述光伏电源可行的稳定运行区域运行。

可选的，光伏电源动态分析包括以下步骤：A1：获得光伏电源出力特性 曲线，得到最大功率点处对应的光伏电源最大功率Ppv-max以及此点对应的光 伏电源输出的直流电压Vdc-min；A2：分析光伏电源运行的稳定区域，

设定光伏电源出力为P_pv,直流电压为V_dc,光伏电源直流侧电容为C，电 容上的功率为P_c，虚拟同步发电机的输出功率为P_VSG，根据电路原理有：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{PV}=P_{VSG}+P_C\\ P_C=V_{dc}·C\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}\end{array}\right)---\left(1\right)$

则其中，表示直流电压对时间的微分；

假设光伏电源工作点电压为V_dc0，则将式(1)在处线性化，可得：

${\mathrm{\Delta P}}_{PV}=V_{dc0}·C\frac{{\mathrm{d\Delta V}}_{dc}}{dt}---\left(2\right)$

上式可改写为：

$V_{dc0}·C\frac{{\mathrm{d\Delta V}}_{dc}}{dt}-\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dv}}_{dc}}{\mathrm{\Delta V}}_{dc}=0---\left(3\right)$

其中，表示光伏电源输出功率对时间的微分；

因此，式(3)的特征方程为：

$V_{dc0}·C·m-\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dV}}_{dc}}=0---\left(4\right)$

其中，表示光伏电源输出功率对直流电压的微分，其物理意义为光伏 出力特性曲线(P-V曲线)上某点处切线的斜率；m表示特征方程的特征根； 根据式(4)可以求得特征根m为：

$m=\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dV}}_{dc}}\frac{1}{V_{dc0}·C}---\left(5\right)$

根据稳定性判据可知，当且仅当特征方程的特征根m为负数时，系统才会 稳定；

式(5)中，P_pv，V_dc，V_dc0，C等都是具有物理含义的正实数，因此，若要保 证系统稳定，则则需

根据上述分析可知，当且仅当时，光伏电源才会运行在稳定区域；

可选的，步骤A1采用最大功率点跟踪算法。

可选的，核心控制单元防止光伏电源进入不稳定运行区域。

可选的，核心控制单元采用防止光伏电源输出的直流电压值得方法防止所 述光伏电源进入不稳定运行区域。

一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制系统，光伏电源直 接通过虚拟同步发电机并网。

可选的，虚拟同步发电机设有核心控制单元。

可选的，核心控制单元控制所述光伏电源进入不稳定运行区域。

可选的，核心控制单元采用防止光伏电源输出的直流电压值得方法防止光 伏电源进入不稳定运行区域。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明方法及系统直接将光伏电源与虚拟同步发电机相结合，避免了传统 方法还需储能电池配合的弊端；且所提方法充分考虑了光伏电源的动态特性， 使得光伏电源时刻运行于稳定区域，将考虑光伏电源动态特性获得的控制变量 通过附加核心控制单元形式应用于虚拟同步发电机，实现了光伏电源和虚拟同 步发电机的完美结合，充分考虑了光伏电源的特性并发挥虚拟同步发电机的优 良性能，同时节约了光伏电源并网成本，更利于光伏发电的发展和推广

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制 方法及系统的拓扑结构示意图；

图中：1、光伏电源，2、虚拟同步发电机，3、负载，4、电网；

图2为本发明的一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制 方法及系统的光伏电源的出力特性曲线(P-V曲线)图；

图3为本一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及 系统的光伏电源的出力特性曲线(P-V曲线)与稳定运行区域；

图4为本一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及 系统的结构示意图；

图5为本一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及 系统的传统虚拟同步发电机(VSG)控制方法示意图；

图6为本一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及 系统的虚拟同步发电机基本拓扑示意图；

图7为本一种考虑光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及 系统的传统基于虚拟同步发电机(VSG)控制的光伏电源并网接入的系统拓扑 结构。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统虚拟同步发电机控制暂没有考虑直流侧(原动机)的动态特性，只是 将源端视为恒定直流源，而忽略了其源端的动态性能，故传统虚拟同步发电机 控制难以直接用于光伏并网逆变器中。

本发明首先深入分析光伏电源的动态特性，然后得出光伏电源的动态运行 稳定区域，并将该特性附加到传统虚拟同步发电机控制结构中，提出一种考虑 光伏电源动态特性的新型虚拟同步发电机控制方法及系统，所提方法的优点在 于充分考虑了虚拟同步发电机源端是光伏电源时的动态特性，更利于光伏电源 通过虚拟同步发电机直接并网，提高光伏发电的友好接入。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

第一步光伏电源动态特性分析

首先，需深入分析光伏电源的动态特性，具体包括以下步骤：

A.采用最大功率点跟踪(MPPT)算法(该方法是常规算法)，获得光伏 电源出力特性曲线(P-V曲线)，并得到最大功率点处对应的光伏电源最大功 率(P_pv-max)以及此点对应的光伏电源输出的直流电压(V_dc-min)。如图2所示： 图2中，横坐标表示光伏电源输出的直流电压V_dc，纵坐标表示光伏电源输出 的功率P_pv。当采用最大功率点跟踪算法后，可获得光伏电源的最大功率点 (P_pv-max，V_dc-min)。

B.分析光伏电源运行的稳定区域

设定光伏电源出力为Ppv,直流电压为Vdc,光伏电源直流侧电容(即虚拟 同步发电机的直流侧电容)为C，电容上的功率为Pc，虚拟同步发电机的输 出功率为PVSG，根据电路原理有：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{PV}=P_{VSG}+P_C\\ P_C=V_{dc}·C\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}\end{array}\right)---\left(1\right)$

则其中，表示直流电压对时间的微分。

假设光伏电源工作点电压为V_dc0，则将式(1)在处线性化，可得：

${\mathrm{\Delta P}}_{PV}=V_{dc0}·C\frac{{\mathrm{d\Delta V}}_{dc}}{dt}---\left(2\right)$

上式可改写为：

$V_{dc0}·C\frac{{\mathrm{d\Delta V}}_{dc}}{dt}-\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dV}}_{dc}}{\mathrm{\Delta V}}_{dc}=0---\left(3\right)$

其中，表示光伏电源输出功率对时间的微分。

因此，式(3)的特征方程为：

$V_{dc0}·C·m-\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dV}}_{dc}}=0---\left(4\right)$

其中，表示光伏电源输出功率对直流电压的微分，其物理意义为光伏 出力特性曲线(P-V曲线)上某点处切线的斜率；m表示特征方程的特征根。 根据式(4)可以求得特征根m为：

$m=\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{dV}}_{dc}}\frac{1}{V_{dc0}·C}---\left(5\right)$

根据稳定性判据可知，当且仅当特征方程的特征根m为负数时，系统才会 稳定。

式(5)中，P_pv，V_dc，V_dc0，C等都是具有物理含义的正实数，因此，若要保 证系统稳定，则则需

根据上述分析可知，当且仅当时，光伏电源才会运行在稳定区域。 从物理意义上来看，即当光伏电源运行在光伏出力特性曲线(P-V曲线)上最 大功率点右侧时，才是稳定运行区域。结合上述分析和图2，可得到光伏电源 运行的稳定区域如图3所示：

由图3可知，光伏电源的稳定区域为光伏电源运行在光伏出力特性曲线 (P-V曲线)上最大功率点(Ppv-max，Vdc-min)右侧(图中阴影部分)。因 此，后续虚拟同步发电机控制策略设计需以光伏电源稳定运行区域为前提。

第二步，新型虚拟同步发电机控制方法及系统设计

基于前文分析，已获得光伏电源可行的稳定运行区域，即保证光伏电源输 出功率(PPV)和虚拟同步发电机输出功率(PVSG)需在最大功率点(Ppv-max， Vdc-min)右侧。即需满足虚拟同步发电机的输出功率(出力)小于光伏电源 的最大功率(Ppv-max)，直流侧电压应大于最大功率点对应的直流电压 (Vdc-min)，也即最大功率点对应的直流电压(Vdc-min)是保证光伏电源稳 定运行的最小直流电压。

该方法的附加核心单元如图4所示，即在传统虚拟同步发电机控制(图5) 基础上设计了光伏电源附加核心控制单元。具体而言，即通过MPPT算法获得 光伏电源稳定运行的允许最小的直流电压(Vpv-min)，然后与实时量测的光伏 电源实际输出直流电压(Vdc)做差比较，将差值通过一个PI控制器，且该 PI控制器的限幅的上限值为0，目的就是为了防止光伏电源输出的直流电压小 于Vpv-min，防止光伏电源进入不稳定运行区域。

图5中，Pe,Pref分别表示VSG输出有功功率的量测值和参考设定值；ω, Dp,J分别为VSG的电角速度、阻尼系数与转子转动惯量；θ则是通过该控制 获取的电角度参考值；Qe,Qref分别表示VSG输出无功功率的量测值和参考 设定值；V,Vref则是电压幅值的实际值和参考设定值；Dq和k分别代表无功- 电压下垂系数与积分系数；s为频率下的积分符号；E为通过该控制所获取的 参考电压幅值，其可与角度θ共同合成VSG参考电压e^*,表达式如下：

其中，分别表示VSG参考电压的a 相、b相、c相电压参考值。

然后通过PWM驱动，得到虚拟同步发电机的控制信号，进而控制虚拟同 步发电机输出与参考电压相等的电压。

虚拟同步发电机对应的基础拓扑结构：该虚拟同步发电机包括逆变器、 LCL滤波器、并网端口功率计算、VSG控制算法计算、SVPWM调制5个子 系统。虚拟同步发电机(VSG)是通过模仿同步发电机的机械特性和电磁特性， 使逆变器具有与同步发电机相似的特性，以达到为电网提供惯性支持和阻尼支 持的目的。

三相三线制的虚拟同步发电机结构如图6：

图中，eabc＝[ea,eb,ec]T，uabc＝[ua,ub,uc]T，iabc＝[ia,ib,ic]T，分别表 示虚拟同步发电机三相输出端电压、感应电动势与并网电流；Rs和Ls分别指 虚拟的定子电枢电阻与同步电感；Pe与Qe分别是VSG输出的有功功率与无功 功率。

由图6可知，虚拟同步发电机主要包括主电路与控制系统。其中，主电路 为常规的并网逆变器拓扑，包括直流侧(可视为原动机)、DC/AC变换器及滤 波电路等(对应同步发电机的机电能量转换过程)；控制系统是实现虚拟同步 发电机的核心，其主要包括虚拟同步发电机本体模型与控制算法，前者主要是 从机理上模拟同步发电机的电磁关系与机械运动，后者则主要从外特性上模拟 同步发电机的有功调频与无功调压等特征。

光伏电源经过虚拟同步发电机并网的拓扑结构设计

与传统光伏电源经过普通的光伏并网逆变器并网，或者与储能电池通过 虚拟同步发电机并网(图7)不同，本发明首次提出光伏电源直接通过虚拟同 步发电机并网，其拓扑结构如图1所示。

传统基于虚拟同步发电机(VSG)控制的方法及系统如(图7)：

从图7中可知，传统控制方法中，虚拟同步发电机直流侧是储能电池，且 认为储能电池输出的直流电压恒定即没有波动，实际上该方案仍为电池连接 VSG的；而并非直接对光伏电源的并网逆变器采用虚拟同步发电机技术进行 控制。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。