基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法及系统与流程

本发明涉及分布式发电，具体为基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着可再生能源的大力发展，分布式电源在电网中所占的比例持续提高，所带来的问题也日益突出，这些问题有的甚至导致了严重的电力事故，使可再生能源发电系统发生了大量弃风和弃光现象，这对于可再生能源的发展和利用是很不利的，从以下几个方面可以去分析这些问题。

2、可再生能源一般不太稳定，具有间歇性和波动性，大规模并网，其发电的不稳定可能会导致电网的电压和频率发生波动甚至振荡，随着分布式电源机组容量不断扩大，大功率的波动甚至会影响到电网的调频，从而导致传统集中式大电网的平衡机制无法接纳这些分布式电源。

3、大量分布式电源并网会影响传统电网的潮流和结构，研究表明，这会对电力系统电压分布和短路电流等造成影响，从而使现有继电保护装置的有效性降低，这需要对电网的保护进行全面的升级和改善，加装更有效的保护装置，这无疑增加了电网运行的难度和复杂度。

4、分布式电源是通过电力电子变流装置进行并网的。一方面，电力电子变流装置自身一般都具有过流或者过压保护等功能，当电网发生波动时可能会触发其保护，从而使分布式电源脱离电网，这会对电网的频率和电压稳定造成很大的影响。另一方面，电力电子变流装置不具有同步发电机的旋转特性，自身并没有惯性，不能对电网起到调频和调压作用，大规模的接入电网会使得电网系统整体惯性降低，给电网频率和电压调节带来严重影响。

5、传统的集中式电网在进行电力调度和控制时都是电力部门统一管理，然而分布式具有电源数量多、类型多、控制方式多样等特点，对这些数量庞大的分布式电源进行有效的协调控制是非常困难的，这需要建立新的管理调度机制，避免分布式电源的随意性给电网带来影响。

6、储能技术的发展为可再生能源分布式发电系统大规模并网带来了解决方案，将储能与可再生能源发电结合，联合发电，储能可以平抑可再生能源的波动，使可再生能源发电系统稳定发电，提高可再生能源的并网友好性，并且储能系统可以将可再生能源发出过多的电能进行储存，提高了可再生能源发电的利用率，当电网故障时储能系统也可以充当后备电源，保障了供电的可靠性。虽然储能系统也不具备传统同步发电机的旋转特性，但可以将分布式发电系统的频率变化与能量之间建立相应的动态联系，模拟同步发电机的旋转特性控制并网逆变器，由储能系统提供惯性，来吸收和释放能量对电网进行调频和调压。近几年储能技术发展迅速，储能的方式多种多样，选择不同特性的储能方式可以满足分布式发电系统不同的需求，从而近一步提高分布式电源的稳定性。

7、可再生能源中光伏和风电的发展最为迅速，风电机组和同步发电机一样具有转动部件，可以实现对系统频率变化的响应，但光伏电池自身无法储存能量，内部没有转动部件，因此无法对系统提供惯性参与系统调压调频。因此本发明以光伏发电系统作为研究对象，将储能与光伏系统结合，运用虚拟同步机控制技术，解决光伏发电系统的间歇性和随机性问题，同时使光伏储能系统像传统同步发电机一样，能够为电网提供惯性和阻尼，主动参与电网的调压调频。其中在虚拟同步机控制中引入自适应惯量，可以使虚拟同步机的惯量随着运行状态变化而变化，实现自动寻优，提高虚拟同步机的动态响应性能和光伏储能虚拟同步机系统的稳定性。这对可再生能源分布式发电系统大规模接入电网有重要的参考意义，若分布式电源都可以模拟同步发电机为系统提供惯性和阻尼，就可以忽略上述分布式电源所带来的问题，大大降低分布式电源之间的协调控制难度，有利于实现电力系统的自主稳定运行。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：如何提高虚拟同步机的动态响应性能和光伏储能虚拟同步机系统的稳定性。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法，其包括如下步骤，

4、根据光伏电池的工程模型对光伏电池进行建模，模拟光伏出力。

5、对蓄电池以及虚拟同步机控制进行建模，采用虚拟同步机技术对逆变器进行控制，完成对电网提供惯性和阻尼支撑。

6、采用扰动观察法对光伏电池进行mppt控制，使光伏输出维持在最大功率点。

7、采用双向半桥dc/dc电路对蓄电池和逆变器间建立联系，根据充放电状态，完成削峰填谷。

8、在vsg中引入自适应虚拟惯量阻尼控制，优化光伏储能虚拟同步机的动态响应性能。

9、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述光伏电池的工程模型，表达式为：

10、

11、其中，voc为开路电压，v为光伏电池输出电压，im为功率最大点处电流，vm为功率最大点处电压，tref为标准条件温度，isc为实际温度为t、光照强度为s条件下，光伏组件的短路电流，sref为标准光照强度，voc为实际温度为t、光照强度为s条件下，光伏组件的开路电压，e为电荷量常数，im为实际温度为t、光照强度为s条件下，光伏组件的最大功率点处电流，vm为实际温度为t、光照强度为s条件下，光伏组件的最大功率点处电压，α、b、β分别为常数。

12、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述对蓄电池以及虚拟同步机控制进行建模包括利用rint模型对蓄电池建模以及对虚拟同步机控制进行建模；

13、所述对虚拟同步机控制进行建模，表达式为：

14、

15、其中，dp为vsg的虚拟阻尼系数，ωn为vsg的额定角频率，ω为vsg角频率，θ为vsg的功角，pref、pe分别为vsg的功率基准和电磁功率，tref、te分别为电磁转矩参考值、虚拟同步机的电磁转矩，fn为额定频率；

16、vsg的无功电压控制采用q-e下垂控制，通过产生vsg的虚拟内电势幅值，模拟同步发电机的一次电压调节特性，表达式为：

17、

18、其中，qref、q分别为vsg的无功功率基准和瞬时无功功率，e为vsg虚拟内电势的幅值，un为vsg额定输出电压有效值，jq为vsg虚拟无功惯性系数，kv为下垂系数。

19、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述对蓄电池以及虚拟同步机控制进行建模还包括将有功和无功基准值通过结合转子机械方程与q-e下垂控制方程，输出vsg的虚拟内电势幅值和功角，再输出三项调制信号sabc，表达式为：

20、

21、其中，vdc为直流侧电压，sa、sb、sc为三相调制信号。

22、将三相调制信号输入pwm生成器产生pwm波驱动逆变器，产生电压电流初始值，逆变器通过反馈的实际值不断调整输出，完成逆变器通过转子运动方程模拟同步发电机的特性对电网提供惯性和阻尼支撑。

23、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述采用扰动观察法对光伏电池进行mppt控制，使光伏输出维持在最大功率点包括最大电压数据节点，通过电压、电流传感器测出当前点的电压和电流计算得到功率，每隔一段相同的时间，则对组件输出的电压扰动一次，通过观察两次输出功率的大小，判断下一次扰动电压的变化，直至追踪到最大功率输出点。

24、当通过电压和电流计算得到功率后p(k)增加电压△u，得到当前的电压u(k+1)以及输出功率p(k+1)，若△p＝p(k+1)-p(k)＞0，则当前节点未达到pm点，则抬升电压对当前节点进行电压扰动。

25、若u(k+1)＝u(k)+△u，△p＝p(k+1)-p(k)＜0，则当前节点已超过pm点，则降低电压对当前节点进行电压扰动。

26、若u(k+1)＝u(k)-△u，△p＝p(k+1)-p(k)＞0，则当前节点已超过pm点，则降低电压对当前节点进行电压扰动。

27、若u(k+1)＝u(k)-△u，△p＝p(k+1)-p(k)＜0，则当前节点未达到pm点，则抬升电压对当前节点进行电压扰动。

28、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述双向半桥dc/dc电路包括两个开关管，分别为t1和t2，通过控制两个开关管完成蓄电池充电和放电。

29、当新能源发电系统出力减小无法满足负荷需求或者电网发生波动时，令开关管t2始终关断，对t1进行pwm调制，此时变换器处于boost工作模式，蓄电池放电，能量由蓄电池流向直流母线。

30、当蓄电池电量不足时，令开关管t1始终关断，对t2进行pwm调制，此时变换器处于buck工作模式，蓄电池充电，能量由直流母线流向蓄电池。

31、开关管t1和t2是采用独立控制的方式完成蓄电池充电和放电转换，采用电压电流双闭环对储能dc/dc进行稳压控制，电压环与电流环均通过pi调节器调节，电压外环完成对直流母线的稳压控制，电流内环完成对电感电流调节。

32、作为本发明所述的基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的一种优选方案，其中：所述在vsg中引入自适应虚拟惯量阻尼控制包括构建自适应虚拟惯性算法，表达式为：

33、

34、其中，jb为转动惯量的稳态值，t为角频率变化率阈值，μj为调节系数，ω0为额定角频率。

35、根据自适应虚拟惯性算法输出的j替换虚拟同步机控制的常数惯量j，完成优化光伏储能虚拟同步机的动态响应性能。

36、本发明的另外一个目的是提供基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制系统，其能通过引入自适应虚拟惯量阻尼控制算法和双向半桥dc/dc电路，实现光伏系统在不同工况下的高效能量转换和稳定的电网支持，解决了现有系统在应对电网频率波动和光伏输出不稳定方面的响应速度慢、动态性能差的问题。

37、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制系统，包括：

38、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的步骤。

39、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述基于自适应惯量的光伏储能虚拟同步机控制方法的步骤。

40、本发明的有益效果：本发明将储能与光伏系统结合，运用虚拟同步机控制技术，解决光伏发电系统的间歇性和随机性问题，同时使光伏储能系统像传统同步发电机一样，能够为电网提供惯性和阻尼，主动参与电网的调压调频。其中在虚拟同步机控制中引入自适应惯量，可以使虚拟同步机的惯量随着运行状态变化而变化，实现自动寻优，提高虚拟同步机的动态响应性能和光伏储能虚拟同步机系统的稳定性。这对可再生能源分布式发电系统大规模接入电网有重要的参考意义，若分布式电源都可以模拟同步发电机为系统提供惯性和阻尼，就可以忽略上述分布式电源所带来的问题，大大降低分布式电源之间的协调控制难度，有利于实现电力系统的自主稳定运行。