[发明专利]基于共直流母线的光伏虚拟同步发电机协调控制方法

摘要

本发明公开了一种基于直流母线的光伏虚拟同步发电机协调控制方法。该方法所研究的系统包含光伏组件、三相逆变器、储能电池以及双向DC/DC变流器。通过双向DC/DC变流器实现最大功率点跟踪算法，逆变器实现虚拟同步发电机控制，实现光伏组件、双向DC/DC变流器以及三相逆变器功能解耦，储能电池一方面通过双向DC/DC变流器进行功率平衡，以保证系统稳定可靠运行，一方面稳定直流侧母线电压，并且本发明中三相逆变器的最大功率输出经过较大时间常数的低通滤波滞后于光伏组件，对于协调控制的要求减弱，减小功率波动的影响。

主权项

1.一种基于共直流母线的光伏虚拟同步发电机协调控制方法，应用该控制方法的共直流母线的光伏虚拟同步发电机的拓扑结构包括光伏电池板、直流侧滤波电容C_in、三相逆变器、储能电池、双向DC/DC变流器、双向DC/DC变流器侧滤波电感L_in、LCL滤波器和电网；所述光伏电池板与直流侧滤波电容C_in并联，所述储能电池与双向DC/DC变流器侧滤波电感L_in串联，经过双向DC/DC变流器的连接与直流侧滤波电容C_in并联，所述直流侧滤波电容C_in与三相逆变器并联，三相逆变器输出经过LCL滤波器进行滤波后接入电网；其特征在于，本控制方法的步骤如下：步骤1，采样三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电流I_pv(k)和三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电压U_pv(k)；采样三相逆变器的输出相电压U_oa,U_ob,U_oc，并经输出相电压坐标变换方程得到输出相电压dq轴分量U_od,U_oq，采样三相逆变器的网侧电感电流I_oa,I_ob,I_oc，并经网侧电感电流坐标变换方程得到网侧电感电流dq轴分量I_od,I_oq，采样三相逆变器桥臂电感电流I_La,I_Lb,I_Lc，并经桥臂电感电流坐标变换方程得到桥臂电感电流dq轴分量I_Ld,I_Lq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；通过锁相环获得电网频率ω_g；采样双向DC/DC变流器输出直流电压U_dc和双向DC/DC变流器输出直流电流I_dc；步骤2，根据步骤1得到的三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电压U_pv(k)和三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电流I_pv(k)，经过经典扰动观测法获得直流侧参考电压U_ref；步骤3，根据步骤2得到的直流侧参考电压U_ref和步骤1得到的双向DC/DC变流器输出直流电压U_dc，经过直流侧电压环获得电流参考值I_ref，再经过电流内环获得调制波U_pwm，经PWM调制后作为双向DC/DC变流器的驱动信号；所述直流侧电压环的计算公式为：I_ref＝(U_ref‑U_dc)G_dcu(s)其中，G_dcu(s)为直流侧电压环比例积分调节器，其表达式为：G_dcu(s)＝k_dcpu+k_dciu/s其中，k_dcpu为三相逆变器直流侧电压环比例调节器系数，k_dciu为三相逆变器直流侧电压环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子；所述电流内环的计算公式为：U_pwm＝(I_ref‑I_dc)G_dci(s)其中，G_dci(s)为直流侧电流内环比例积分调节器，其表达式为：G_dci(s)＝k_dcpi+k_dcii/s其中，k_dcpi为三相逆变器直流侧电流内环比例调节器系数，k_dcii为三相逆变器直流侧电流内环积分调节器系数；步骤4，根据步骤1得到的三相逆变器输出相电压dq轴分量U_od,U_oq和网侧电感电流dq轴分量I_od,I_oq，通过功率计算方程获得平均有功功率P_e，其计算公式为：步骤5，设直流侧最低电压警戒值为U_lit，设PI控制器输出最大限幅为0，根据步骤2得到的直流侧参考电压U_ref和直流侧最低电压警戒值U_lit并经过PI控制器输出限制功率P_lit，其计算公式为：P_lit＝(U_ref‑U_lit)G_pi(s)其中，G_pi(s)为输出最大限幅为0的PI控制器，其表达式为：G_pi(s)＝k_p+k_i/s其中，k_p为输出最大限幅为0的PI控制器比例调节器系数，k_i为输出最大限幅为0的PI控制器积分调节器系数；步骤6，根据步骤1得到的三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电压U_pv(k)和三相逆变器在k时刻的直流侧光伏输出电流I_pv(k)计算得到k时刻光伏电池板的输出最大功率P_pv(k)，经过低通滤波后得到光伏板参考功率P_{pv_ref}，其计算公式为：P_pv(k)＝U_pv(k)×I_pv(k)其中T_f为一阶低通滤波器的时间常数；步骤7，设置电网角频率基准值ω_ref，通过功率叠加方程获得功率指令其计算公式为：其中，J为三相逆变器的虚拟转动惯量，m为三相逆变器的有功下垂系数；步骤8，根据步骤7中得到的功率指令和步骤4中得到的平均有功功率P_e，通过功率外环得到d轴有功功率指令值P_dref；设置指令电压E_dref和三相逆变器上层无功功率指令Q_ref0，并根据步骤1中得到的输出相电压d轴分量U_od，通过一次调压方程获得无功功率指令Q_dref；所述通过功率外环得到d轴有功功率指令值P_dref的计算公式为：其中，G_p(s)为功率闭环比例积分调节器，其表达式为：G_p(s)＝k_pk+k_pi/s其中，k_pk为三相逆变器功率闭环比例调节器系数，k_pi为三相逆变器功率闭环积分调节器系数；所述通过一次调压方程获得无功功率指令Q_dref的计算公式为：其中，n为无功功率下垂系数；步骤9，根据步骤1中得到的三相逆变器输出相电压d轴分量U_od和步骤8得到的d轴有功功率指令值P_dref、无功功率指令Q_dref，经过电流计算方法得到电流d轴指令I_cdref和电流q轴指令I_cqref，其计算公式为：步骤10，根据步骤9得到的电流d轴指令I_cdref和步骤1中得到的桥臂电感电流d轴分量I_Ld，经过d轴电流闭环控制方程得到d轴输出信号U_id，根据步骤9得到的电流q轴指令I_cqref和步骤1中得到的桥臂电感电流q轴分量I_Lq，经过q轴电流闭环控制方程得到q轴输出信号U_iq，其计算公式分别为：U_id＝(I_cdref‑I_Ld)G_I(s)U_iq＝(I_cqref‑I_Lq)G_I(s)其中，U_id为d轴输出信号，U_iq为q轴输出信号，G_I(s)为电流闭环比例调节器，其表达式为：G_I(s)＝k_Ii其中，k_Ii为三相逆变器电流闭环比例调节器系数；步骤11，根据步骤1得到的输出相电压d轴分量U_od和输出相电压q轴分量U_oq分别加上步骤10中得到的d轴输出信号U_id和q轴输出信号U_iq，得到dq坐标系下的调制波U_md和U_mq，其表达式分别为：U_md＝U_od+U_idU_mq＝U_oq+U_iq。