一种基于自备用光伏的储能协同构网控制方法及相关装置与流程

本发明涉及储能逆变器控制领域，具体是一种基于自备用光伏的储能协同构网控制方法及相关装置。

背景技术：

1、目前，我国在“碳达峰、碳中和”的双碳背景下，大力发展可再生能源已经成为了国家的战略重点与社会共识，以光伏资源为代表的可再生能源得以大力开发。同时，光伏资源具备接入灵活、能源可再生、环境友好等特点，因而被广泛应用于配电网末端、农村偏远地区，以实现当地自然资源的合理应用，减轻电网负荷，增加偏远农网地区电力自给率，提高偏远农网地区的供电可靠性。

2、然而，分布式光伏资源在偏远农网场景下的大量投运给薄弱的农村电网带来了许多严峻的挑战。首先，作为依赖太阳能源发电的可再生资源，光伏发电具有明显的时段特性，常导致午间农网负荷较小时光伏大发，而傍晚负荷高峰时无法为农网提供足够的功率支撑，这导致了大量的弃光现象与农网电压越限风险，光伏资源并未能得到合理利用；其次，光伏发电极易受到自然条件因素的影响，存在明显的波动性和不确定性，导致农网线路潮流频繁波动；此外，由于光伏发电依赖电力电子装置并网连接，而电力电子装置响应迅速，缺乏惯量，构网能力不足，一定程度上削弱了农村配电网应对功率短缺与频率波动的能力，导致农村电网安全运行风险进一步增大。因此，具备类如同步机构网特性的光储虚拟同步控制技术得以广泛研究。

3、光伏阵列并网逆变器的控制算法较为容易实现，然而，光储虚拟同步控制的实现难点在于，需对光伏阵列并网结构进行调整改造，同时需综合设计光伏与储能的协同配合问题，导致协同控制算法设计复杂，相较于仅改变光伏控制算法而言难度更高。在实际情况中，针对偏远农网地区已投运的大量光伏资源，规模化的光伏并网结构改造无疑加大了成本投入，同时也浪费了光伏、储能并网的灵活特性。因此，保留农网中现有的大量光伏阵列并网结构，同时合理利用储能灵活并网的辅助构网特性，改善偏远农网地区的供电可靠性有重要意义。

4、本发明设计了一种基于自备用光伏的储能协同构网控制方法，通过对光伏传统功率控制方案的改造实现了光伏容量的自备用，同时设计储能协同构网控制策略，实现储能灵活接入，发挥储能的辅助构网能力，有效避免偏远地区已有光伏并网结构的改造，改善偏远地区光伏资源构网能力，提高供电可靠性。

技术实现思路

1、为提升现有偏远地区农网投运的光伏并网资源的构网能力，降低并网设备改造成本，提高偏远配电网供电可靠性，本发明提供一种基于自备用光伏的储能协同构网控制方法及相关装置，充分利用储能的灵活并网特性协同光伏构网，在不改变已有光伏并网结构的前提下提升偏远地区供电可靠性。

2、第一方面，本发明提供一种基于自备用光伏的储能协同构网控制方法，包括如下步骤：

3、步骤一、评估光伏阵列当前运行状况下的最大功率点处对应的功率信息，以估算光伏阵列的最大功率；

4、步骤二、通过变步长电压跟踪控制使光伏达到目标的自备用率：根据步骤一估算的光伏阵列的最大功率以及输出功率得到估算自备用率，根据估算自备用率与目标的自备用率得到自备用率误差，利用自备用率误差调整电压跟踪收敛，直到收敛到自备用率对应的运行点，预留部分功率运行，以提供光伏构网下垂能力；

5、步骤三、利用基于同步机构网转子惯量功率环，设计暂态转子惯量功率控制策略，使储能具备辅助自备用下垂调节特性的光伏阵列参与构网。

6、进一步的，步骤一具体包括：利用改进变步长的小扰动观测方案实现光伏运行状态最大功率的跟踪，所述利用改进变步长的小扰动观测方案中扰动电压信号补偿调整量表示为：

7、

8、式中，表示变步长调整量系数；表示在t时刻时光伏阵列的输出功率；δut表示在t时刻时的电压扰步长。

9、进一步的，步骤一中估算光伏阵列的最大功率，其中所述光伏阵列的最大功率的估算值pres等效表示为：

10、

11、其中，kfit为拟合系数，isc为短路电流，ifit为自备用运行点处的输出电流，rfit表示光伏阵列的自备用率。

12、进一步的，所述拟合系数kfit与温度t的关系为：

13、kfit＝-λt-μ

14、其中λ＝0.898，μ＝-275.4。

15、进一步的，步骤二中变步长电压跟踪控制设计为：

16、

17、式中，表示t时刻的伏控制器电压参考值，δut表示在t时刻时的电压扰动步长，uδ为选定的电压调整步长；dp/du＜0说明此时运行点位于光伏阵列最大功率点的右侧，电压跟踪控制将逐步减小光伏阵列的电压输出值，使运行点回归到最大功率点左侧；dp/du≥0则说明光伏阵列运行于最大功率点的左侧，电压跟踪控制将根据自备用率偏差的值自动确定电压调整量δut的大小与方向，直到收敛到自备用率对应的运行点。

18、进一步的，步骤三具体包括：

19、根据同步机在不平衡功率引起的转子转速变化，建立同步机的转子运动方程：

20、

21、式中，j为同步机转子转动惯量，ωm为转子角速度；pm、pe、pd分别表示同步机的输入功率、电功率和阻尼功率，其中pd＝d(ωm-ωn)，d为同步机等效阻尼系数，ωn为转子额定角速度；

22、同步机通过调节阀对输入功率进行调节，下垂调节方程表示为：

23、pm＝pref+k(ωn-ωm)

24、式中，pref为负荷额定功率，k为调节阀下垂系数；

25、对逆变器端进行建模，实现同步机特性时，逆变器端口输出电功率pe表示为：

26、

27、式中，e0、ul分别表示逆变器输出的空载电压与实际端口电压，zf为逆变器滤波阻抗，其中lf、rf分别表示滤波电感和滤波电阻，α表示滤波阻抗角，α＝arctan(ωlf/rf)，δ0为输出功角；

28、在滤波电路中，电抗xf＝ωlf＞＞rf，因此滤波阻抗zf≈xf，滤波阻抗角α≈π/2；同时，由于输出功角δ0很小，根据三角函数极限定理，电功率pe近似表示为：

29、

30、在同步机的转子运动方程中，ωm≈ωn，输出电功率pe与负荷额定功率pref间的传递函数表示为：

31、

32、系统角频率与功率变化间的关系表示为：

33、

34、将转子阻尼功率统一至调速方程中，输入功率重新定义为：

35、pm＝pref+k(ωn-ωm)-dωn(ωm-ωn)

36、因此，输入功率pm与负荷额定功率pref间的传递函数表示为：

37、

38、在模拟同步机过程中，调节阀输入功率应对负荷变化时表现出典型下垂特性，而输出特性表现出典型的二阶响应特性，同步机的转子在暂态调节过程中进行动能存储与释放，定义暂态调节过程中转子表现出的惯量功率为pj，表示为：

39、

40、其应对负荷额定功率pref变化的阶跃响应表示为：

41、

42、式中，δpref为负荷额定功率变化量。

43、一种基于自备用光伏的储能协同构网控制装置，包括：

44、最大功率估算模块，用于评估光伏阵列当前运行状况下的最大功率点处对应的功率信息，以估算光伏阵列的最大功率；

45、最大功率点跟踪模块，用于通过变步长电压跟踪控制使光伏达到目标的自备用率：根据估算的光伏阵列的最大功率以及输出功率得到目标的估算自备用率，根据目标的估算自备用率与目标的自备用率得到自备用率误差，利用自备用率误差调整电压跟踪收敛，直到收敛到目标自备用率对应的运行点，预留部分功率运行，以提供光伏构网下垂能力；

46、惯量功率控制模块，用于利用基于同步机构网转子惯量功率环，设计暂态转子惯量功率控制策略，使储能具备辅助自备用下垂调节特性的光伏阵列参与构网。

47、进一步的，所述惯量功率控制模块，具体用于：

48、根据同步机在不平衡功率引起的转子转速变化，建立同步机的转子运动方程：

49、

50、式中，j为同步机转子转动惯量，ωm为转子角速度；pm、pe、pd分别表示同步机的输入功率、电功率和阻尼功率，其中pd＝d(ωm-ωn)，d为同步机等效阻尼系数，ωn为转子额定角速度；

51、同步机通过调节阀对输入功率进行调节，下垂调节方程表示为：

52、pm＝pref+k(ωn-ωm)

53、式中，pref为负荷额定功率，k为调节阀下垂系数；

54、对逆变器端进行建模，实现同步机特性时，逆变器端口输出电功率pe表示为：

55、

56、式中，e0、ul分别表示逆变器输出的空载电压与实际端口电压，zf为逆变器滤波阻抗，其中lf、rf分别表示滤波电感和滤波电阻，α表示滤波阻抗角，α＝arctan(ωlf/rf)，δ0为输出功角；

57、在滤波电路中，电抗xf＝ωlf＞＞rf，因此滤波阻抗zf≈xf，滤波阻抗角α≈π/2；同时，由于输出功角δ0很小，根据三角函数极限定理，电功率pe近似表示为：

58、

59、在同步机的转子运动方程中，ωm≈ωn，输出电功率pe与负荷额定功率pref间的传递函数表示为：

60、

61、系统角频率与功率变化间的关系表示为：

62、

63、将转子阻尼功率统一至调速方程中，输入功率重新定义为：

64、pm＝pref+k(ωn-ωm)-dωn(ωm-ωn)

65、因此，输入功率pm与负荷额定功率pref间的传递函数表示为：

66、

67、在模拟同步机过程中，调节阀输入功率应对负荷变化时表现出典型下垂特性，而输出特性表现出典型的二阶响应特性，同步机的转子在暂态调节过程中进行动能存储与释放，定义暂态调节过程中转子表现出的惯量功率为pj，表示为：

68、

69、其应对负荷额定功率pref变化的阶跃响应表示为：

70、

71、式中，δpref为负荷额定功率变化量。

72、一种基于自备用光伏的储能协同构网控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

73、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

74、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1-6中任一项所述的基于自备用光伏的储能协同构网控制方法。

75、一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述的基于自备用光伏的储能协同构网控制方法。

76、与现有方法相比，本发明具有如下优点：

77、本发明所提出的方法可以发挥储能的灵活并网特点，具备即插即用特性，在针对偏远地区农网已有大规模光伏并网的运行场景下，利用变步长电压跟踪控制消除自备用率误差，从而提高最大功率估算精度，一定程度上保证光伏消纳，可简化对光伏控制策略的改进，同时避免对光伏、储能接入系统拓扑的大规模改造，极大减小了农网地区的改造成本，在协同构网方面利用基于同步机构网转子惯量功率环，设计暂态转子惯量功率控制策略，达到了类似同步机特性的构网效果，改善高比例光伏弱电网中供电可靠性。灵活的设置方式使得本发明较已有方法更容易推广应用。