[发明专利]基于虚拟同步发电机控制的光伏-储能发电系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机控制策略的光伏‑储能联合运行的发电系统及其控制方法，其技术特点在于：包括光伏‑储能发电系统、测量元件、三相负载和交流电网；所述光伏‑储能发电系统包括光伏阵列、储能电池、光伏直流变换器、光伏逆变器和储能逆变器；所述光伏逆变器和储能逆变器的输出端连在电网交流母线上。本发明中，储能逆变器采用虚拟同步发电机控制策略，通过调节储能装置模拟同步机带惯性和阻尼的运行特性，使得光伏和储能装置的整体外特性近似传统同步机的运行特性。本发明面对光伏出力波动和负荷波动，可以调节自身输出功率，平抑光伏系统的频率与电压波动，有效提高光伏电站并网的动态性能。

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，涉及光伏-储能发电系统，尤其是一种基于虚拟同步发电机控制的光伏-储能发电系统及方法。

背景技术

光伏电源的出力受天气、环境影响具有一定的有限性和随机性，导致其特性区别于传统能源，光伏并网逆变器接至交流母线会导致频率变化过快，频率波动失控，从而降低电能质量，为工农业的生产带来了不确定性和危险。随着光伏发电渗透率的逐渐提高，对电网的威胁将会逐渐显现。再者，分布式光伏电源很少具备即插即用与自主协同运行的能力，难以满足电力系统运行管理的要求，这都给电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。在国家“大力推广具有即插即用、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”的大背景下，如何通过对关键变换设备、控制策略的革新，保证高比例、大规模分布式光伏电源友好接入已成为亟待解决的重大问题。

在传统的电网运行中，源侧和负载侧有功功率的不平衡导致同步机转子转速变化，同步机转子由于其固有的惯性，改变转速补偿系统的功率缺额，以平缓频率波动。由此看来，同步发电机依靠其充足的旋转备用容量和转动惯量，能够为配电网提供必要的电压和频率支撑，表现出对电网友好接入的优良特性。如果按照常规电网的运行方式，使得电力电子并网逆变器具有同步发电机的外特性，则可以实现分布式新能源的友好接入，提高电力系统稳定性，优化电能质量，并能方便地将一些传统电网的运行控制策略移植到含分布式电源的微电网中。借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美，该类控制策略称为虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术，有望在未来主动配电网和微电网中发挥重要作用。

现有的光伏-储能发电系统的拓扑结构，如图1、图2所示。图1所示的传统光伏-储能发电系统中光伏和储能结构相对独立，采用两套逆变器单元，交流侧同步并网。其中，各逆变器采用传统控制如V/f控制或者恒功率控制，缺乏阻尼和惯性分量，面对突发情况时难以提供必要的电压和频率支撑。图2所示的光伏-储能发电系统中，光伏-储能输出连在同一直流母线上，再经单一虚拟同步逆变器并网。虽然在逆变器上同样采用VSG控制策略，但是光伏和储能同时连接在直流母线上，一旦直流区域发生故障，将严重影响光伏出力，降低了系统可靠性；再者，不利于新的电源加入进行扩展，可扩展性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、维持频率稳定的能力强且抗频率干扰能力强的基于虚拟同步发电机控制的光伏-储能发电系统及方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：