一种光伏直流电容虚拟同步机的控制方法、装置及设备与流程

本发明涉及光伏系统并网发电控制的，特别是涉及一种光伏直流电容虚拟同步机的控制方法、装置及设备。

背景技术：

1、随着全球对清洁能源的需求不断增长，光伏发电作为一种可再生能源形式，受到了广泛关注和应用，大力发展光伏发电成为有效缓解能源紧张、改善生态环境的有效之举，同时也是构建新型电力系统过程中必然面临的重大课题。

2、传统的光伏发电站在大规模接入电力系统时存在频率稳定性、电力质量、系统安全等问题；因为其逆变器缺乏传统同步发电机的惯性和阻尼特性，导致当光伏发电站大规模接入电力系统时，会对电力系统的频率安全稳定性产生影响，甚至可能导致系统崩溃或停电事故的发生。为了解决这些问题，学者们提出了利用虚拟同步发电机控制策略的方法，该方法通过在光伏发电站的逆变器中引入虚拟惯量和阻尼控制，模拟同步发电机的特性，从而提高光伏发电站的频率稳定性和系统安全性。

3、然而，现有的虚拟同步机技术并不能够直接应用于上述的光伏发电系统中，现有的解决方案首先是通过在直流侧配置相应的储能设备来主动维持直流母线的电压稳定，从而将逆变器的直流侧视为一恒压源进行相应的控制，然而目前对于光伏电站储能配置容量占比、以及如何最为经济地配置都尚无定论；除此之外，也有相应的减载策略使光伏具有参与调频的能力，其思想是使光伏电站不再始终以mppt模式运行，而是备用一定的有功功率，从而在系统频率波动时用这一部分备用有功来参与调频，由于在正常运行条件下光伏不再以最大功率发出电能，这种解决方案将大大降低对于新能源的利用率，难以实现充分利用可再生能源的目标，因此，有必要研究一种适用于光伏发电系统的光伏直流电容虚拟同步机控制方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种光伏直流电容虚拟同步机的控制方法、装置及设备，提高光伏发电站的系统稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏直流电容虚拟同步机的控制方法，包括：

3、获取光伏发电站的输出电压、输出电流和系统频率，基于所述输出电压和所述输出电流，计算光伏直流电容虚拟同步机的输出有功功率和输出无功功率；

4、获取光伏发电站逆变器直流侧的母线电压值，根据所述母线电压值，设置逆变器的参考有功指令值、参考直流母线电压指令值、虚拟惯量和阻尼系数；

5、根据所述虚拟惯量、所述阻尼系数、所述输出有功功率和所述系统频率，构建所述光伏直流电容虚拟同步机的转子运动特性方程，并根据所述转子运动特性方程、所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，建立有功频率控制模型，得到调制波信号相角；

6、根据所述无功功率，设置所述逆变器的无功功率给定值、电压幅值给定值、无功电压下垂系数；

7、根据所述无功功率给定值、所述电压幅值给定值、所述无功电压下垂系数和所述无功功率，构建无功频率控制模型，得到电压幅值，并根据所述电压幅值，得到调制波信号电压幅值；

8、根据所述调制波信号电压幅值、所述调制波信号相角，得到三相调制波信号，并将所述三相调制波信号输入到脉宽调制控制器中，生成脉冲调制波信号。

9、在一种可能的实现方式中，获取光伏发电站的输出电压、输出电流和系统频率，具体包括：

10、基于锁相环模块测量光伏发电站电网侧的公共母线角速度，并将所述公共母线角速度作为系统频率；

11、基于三相电压互感器采集光伏直流电容虚拟同步机在三相同步坐标下逆变器输出端口的三相电压，并基于三相电流互感器采集光伏直流电容虚拟同步机在三相同步坐标下逆变器输出端口的三相电流；

12、并对所述三相电压和所述三相电流进行派克变换，得到dq坐标下的d轴电压分量、q轴电压分量、d轴电流分量和q轴电流分量；

13、将所述d轴电压分量和所述q轴电压分量作为输出电压，将所述d轴电流分量和所述q轴电流分量作为输出电流。

14、在一种可能的实现方式中，根据所述虚拟惯量、所述阻尼系数、所述输出有功功率和所述系统频率，构建所述光伏直流电容虚拟同步机的转子运动特性方程，其中，所述转子运动特性方程，如下所示：

15、jsω+d(ω-ωg)＝pm-pout；

16、式中，j为虚拟惯量，s为逆变器输出滤波器中的电感值的倒数，d为阻尼系数，pm为变流器的输入功率，pout为变流器的输出有功功率，ω为逆变器的虚拟转子角速度，ωg为系统频率。

17、在一种可能的实现方式中，根据所述转子运动特性方程、所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，建立有功频率控制模型，得到调制波信号相角，具体包括：

18、根据所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，构建机械功率的前馈修正方程；

19、结合所述转子运动特性方程和所述机械功率的前馈修正方程，构建有功频率控制模型，并基于所述有功频率控制模型，得到调制波信号相角；

20、其中，所述有功频率控制模型，如下所示：

21、

22、

23、式中，ω为逆变器的虚拟转子角速度，为拉氏变换表示，即表示对虚拟转子角速度ω进行积分，s为逆变器输出滤波器中的电感值的倒数，kp,dc、ki,dc分别为直流电压pi控制器的相应控制参数，pref为参考有功指令值，vdc为母线电压值，vdc0为参考直流母线电压指令值，pout为变流器的输出功率，ωg为系统频率，d为阻尼系数，δ为调制波信号相角。

24、在一种可能的实现方式中，根据所述无功功率给定值、所述电压幅值给定值、所述无功电压下垂系数和所述无功功率，构建无功频率控制模型，其中，所述无功频率控制模型，如下所示：

25、v＝v0+kq(q0-qout)；

26、式中，v为电压幅值，kq为无功电压下垂系数，v0为电压幅值给定值，q0为无功功率给定值，qout为无功功率。

27、在一种可能的实现方式中，根据所述电压幅值，得到调制波信号电压幅值，具体包括：

28、根据所述电压幅值，计算电流内环参考值，并根据所述电流内环参考值，计算逆变器输出电压参考值；

29、基于所述逆变器输出电压参考值，得到调制波信号电压幅值。

30、在一种可能的实现方式中，根据所述电压幅值，计算电流内环参考值，具体包括：

31、将所述电压幅值代入到预设的电流内环参考值计算公式中，计算电流内环参考值，其中，所述预设的电流内环参考值计算公式如下所示：

32、

33、式中，kvp为电压控制环的比例参数，kvi为电压控制环的积分参数，f为前馈系数，v为电压幅值，cf为滤波电容值，vod、voq分别为滤波电容电压的dq轴分量，iod、ioq分别为电网侧电感电流的dq轴分量，分别为电流内环参考值的dq轴分量，s为拉普拉斯变换中的变量。

34、在一种可能的实现方式中，根据所述电流内环参考值，计算逆变器输出电压参考值，具体包括：

35、将所述电流内环参考值代入到预设的逆变器输出电压参考值计算公式中，计算逆变器输出电压参考值，其中，所述预设的逆变器输出电压参考值计算公式如下所示：

36、

37、式中，kip为电流控制环节的比例参数，kii为电流控制环节的积分参数，ild、ilq分别为变流器侧电感电流的dq轴分量、lf为变流器侧滤波电感，分别为电流内环参考值的dq轴分量，s为拉普拉斯变换中的变量，vod、voq分别为滤波电容电压的dq轴分量，分别为逆变器输出电压参考值的dq轴分量。

38、本发明还提供了一种光伏直流电容虚拟同步机的控制装置，包括：功率计算模块、逆变器有功参数设置模块、有功频率控制模型构建模块、逆变器无功参数设置模块、无功频率控制模型构建模块和脉冲调制波信号生成模块；

39、其中，所述功率计算模块，用于获取光伏发电站的输出电压、输出电流和系统频率，基于所述输出电压和所述输出电流，计算光伏直流电容虚拟同步机的输出有功功率和输出无功功率；

40、所述逆变器有功参数设置模块，用于获取光伏发电站逆变器直流侧的母线电压值，根据所述母线电压值，设置逆变器的参考有功指令值、参考直流母线电压指令值、虚拟惯量和阻尼系数；

41、所述有功频率控制模型构建模块，用于根据所述虚拟惯量、所述阻尼系数、所述输出有功功率和所述系统频率，构建所述光伏直流电容虚拟同步机的转子运动特性方程，并根据所述转子运动特性方程、所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，建立有功频率控制模型，得到调制波信号相角；

42、所述逆变器无功参数设置模块，用于根据所述无功功率，设置所述逆变器的无功功率给定值、电压幅值给定值、无功电压下垂系数；

43、所述无功频率控制模型构建模块，用于根据所述无功功率给定值、所述电压幅值给定值、所述无功电压下垂系数和所述无功功率，构建无功频率控制模型，得到电压幅值，并根据所述电压幅值，得到调制波信号电压幅值；

44、所述脉冲调制波信号生成模块，用于根据所述调制波信号电压幅值、所述调制波信号相角，得到三相调制波信号，并将所述三相调制波信号输入到脉宽调制控制器中，生成脉冲调制波信号。

45、在一种可能的实现方式中，所述功率计算模块，用于获取光伏发电站的输出电压、输出电流和系统频率，具体包括：

46、基于锁相环模块测量光伏发电站电网侧的公共母线角速度，并将所述公共母线角速度作为系统频率；

47、基于三相电压互感器采集光伏直流电容虚拟同步机在三相同步坐标下逆变器输出端口的三相电压，并基于三相电流互感器采集光伏直流电容虚拟同步机在三相同步坐标下逆变器输出端口的三相电流；

48、并对所述三相电压和所述三相电流进行派克变换，得到dq坐标下的d轴电压分量、q轴电压分量、d轴电流分量和q轴电流分量；

49、将所述d轴电压分量和所述q轴电压分量作为输出电压，将所述d轴电流分量和所述q轴电流分量作为输出电流。

50、在一种可能的实现方式中，所述有功频率控制模型构建模块，用于根据所述虚拟惯量、所述阻尼系数、所述输出有功功率和所述系统频率，构建所述光伏直流电容虚拟同步机的转子运动特性方程，其中，所述转子运动特性方程，如下所示：

51、jsω+d(ω-ωg)＝pm-pout；

52、式中，j为虚拟惯量，s为逆变器输出滤波器中的电感值的倒数，d为阻尼系数，pm为变流器的输入功率，pout为变流器的输出有功功率，ω为逆变器的虚拟转子角速度，ωg为系统频率。

53、在一种可能的实现方式中，所述有功频率控制模型构建模块，用于根据所述转子运动特性方程、所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，建立有功频率控制模型，得到调制波信号相角，具体包括：

54、根据所述母线电压值、所述参考有功指令值和所述参考直流母线电压指令值，构建机械功率的前馈修正方程；

55、结合所述转子运动特性方程和所述机械功率的前馈修正方程，构建有功频率控制模型，并基于所述有功频率控制模型，得到调制波信号相角；

56、其中，所述有功频率控制模型，如下所示：

57、

58、

59、式中，ω为逆变器的虚拟转子角速度，为拉氏变换表示，即表示对虚拟转子角速度ω进行积分，s为逆变器输出滤波器中的电感值的倒数，kp,dc、ki,dc分别为直流电压pi控制器的相应控制参数，pref为参考有功指令值，vdc为母线电压值，vdc0为参考直流母线电压指令值，pout为变流器的输出功率，ωg为系统频率，d为阻尼系数，δ为调制波信号相角。

60、在一种可能的实现方式中，所述无功频率控制模型构建模块，用于根据所述无功功率给定值、所述电压幅值给定值、所述无功电压下垂系数和所述无功功率，构建无功频率控制模型，其中，所述无功频率控制模型，如下所示：

61、v＝v0+kq(q0-qout)；

62、式中，v为电压幅值，kq为无功电压下垂系数，v0为电压幅值给定值，q0为无功功率给定值，qout为无功功率。

63、在一种可能的实现方式中，所述无功频率控制模型构建模块，用于根据所述电压幅值，得到调制波信号电压幅值，具体包括：

64、根据所述电压幅值，计算电流内环参考值，并根据所述电流内环参考值，计算逆变器输出电压参考值；

65、基于所述逆变器输出电压参考值，得到调制波信号电压幅值。

66、在一种可能的实现方式中，所述无功频率控制模型构建模块，用于根据所述电压幅值，计算电流内环参考值，具体包括：

67、将所述电压幅值代入到预设的电流内环参考值计算公式中，计算电流内环参考值，其中，所述预设的电流内环参考值计算公式如下所示：

68、

69、式中，kvp为电压控制环的比例参数，kvi为电压控制环的积分参数，f为前馈系数，v为电压幅值，cf为滤波电容值，vod、voq分别为滤波电容电压的dq轴分量，iod、ioq分别为电网侧电感电流的dq轴分量，分别为电流内环参考值的dq轴分量，s为拉普拉斯变换中的变量。

70、在一种可能的实现方式中，所述无功频率控制模型构建模块，用于根据所述电流内环参考值，计算逆变器输出电压参考值，具体包括：

71、将所述电流内环参考值代入到预设的逆变器输出电压参考值计算公式中，计算逆变器输出电压参考值，其中，所述预设的逆变器输出电压参考值计算公式如下所示：

72、

73、式中，kip为电流控制环节的比例参数，kii为电流控制环节的积分参数，ild、ilq分别为变流器侧电感电流的dq轴分量、lf为变流器侧滤波电感，分别为电流内环参考值的dq轴分量，s为拉普拉斯变换中的变量，vod、voq分别为滤波电容电压的dq轴分量，分别为逆变器输出电压参考值的dq轴分量。

74、本发明还提供了一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的光伏直流电容虚拟同步机的控制方法。

75、本发明实施例一种光伏直流电容虚拟同步机的控制方法、装置及设备，与现有技术相比，具有如下有益效果：

76、通过获取光伏发电站的输出电压、输出电流和系统频率，并根据这些参数来计算虚拟同步机的输出有功功率和输出无功功率，以实现对光伏发电站逆变器的精确控制；这样可以有效提高光伏发电站在接入电力系统时的频率稳定性，增强系统的鲁棒性和稳定性，并通过构建光伏直流电容虚拟同步机的转子运动特性方程，并建立有功频率控制模型和无功频率控制模型，可实现对逆变器的快速响应和精确调节。这样可以提高光伏发电站的动态性能，增加对电网故障的快速响应能力；通过设置逆变器的无功功率给定值、电压幅值给定值、无功电压下垂系数等参数，可以有效地支撑电力系统的无功需求，提高光伏发电站对电网的无功支撑能力，有助于维护电网的电压稳定和无功平衡；根据所述无功功率给定值、所述电压幅值给定值、所述无功电压下垂系数和所述无功功率，构建无功频率控制模型，得到电压幅值，并根据所述电压幅值，得到调制波信号电压幅值；通过构建无功频率控制模型并得到电压幅值，可以实现对逆变器的精确控制和调节，从而提高逆变器的效率和稳定性；最后，通过计算得到电压幅值及相角，进而构建三相调制波信号和脉冲调制波信号，可以保证交流输出电压的质量和稳定性，有利于光伏发电站接入电力系统，提高电力系统的安全性和稳定性。