當采用最大功率點跟蹤算法后，可獲得光伏電源 的取大功率點(Ppv-max，Vdc-min)。
[0052] B.分析光伏電源運行的穩(wěn)定區(qū)域
[0053]設定光伏電源出力為Ppv，直流電壓為Vdc，光伏電源直流側(cè)電容（即虛擬同步發(fā)電 機的直流側(cè)電容)為C，電容上的功率為Pc，虛擬同步發(fā)電機的輸出功率為PVSG，根據(jù)電路原
[0056] 假設光伏電源工作點電壓為ν_，則將式(1)在處線性化，可得： 理有：
[0054] ( 1 )
[0055] 表不直流電壓對時間的微分。
[0057]
( 2 )
[0058] 上式可改寫為：
[0059]
( 3 )
[0060] 其中，^表示光伏電源輸出功率對時間的微分。 di
[0061 ]因此，式(3)的特征方程為：
[0062]
(.4)
[0063] 其中，^表示光伏電源輸出功率對直流電壓的微分，其物理意義為光伏出力特 dKiC
性曲線(P-V曲線)上某點處切線的斜率;m表示特征方程的特征根。根據(jù)式(4)可以求得特征 根m為：
[0064] ( 5 ).
[0065] 根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)可知，當且僅當特征方程的特征根m為負數(shù)時，系統(tǒng)才會穩(wěn)定。
[0066] 式（5)中，Pdv，Vdc，Vdco，C等都是具有物理含義的正實數(shù)，因此，若要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，
dp,
[0067] 根據(jù)上述分析可知，當且僅當^<〇時，光伏電源才會運行在穩(wěn)定區(qū)域。從物理 意義上來看，即當光伏電源運行在光伏出力特性曲線(P-V曲線)上最大功率點右側(cè)時，才是 穩(wěn)定運行區(qū)域。結(jié)合上述分析和圖2,可得到光伏電源運行的穩(wěn)定區(qū)域如圖3所示：
[0068]由圖3可知，光伏電源的穩(wěn)定區(qū)域為光伏電源運行在光伏出力特性曲線(P-V曲線） 上最大功率點(Ppv-max，Vdc-min)右側(cè)（圖中陰影部分）。因此，后續(xù)虛擬同步發(fā)電機控制策 略設計需以光伏電源穩(wěn)定運行區(qū)域為前提。
[0069] 第二步，新型虛擬同步發(fā)電機控制方法及系統(tǒng)設計
[0070] 基于前文分析，已獲得光伏電源可行的穩(wěn)定運行區(qū)域，即保證光伏電源輸出功率 (PPV)和虛擬同步發(fā)電機輸出功率(PVSG)需在最大功率點(Pp V-maX，Vdc-min)右側(cè)。即需滿 足虛擬同步發(fā)電機的輸出功率（出力）小于光伏電源的最大功率(Ppv-max)，直流側(cè)電壓應 大于最大功率點對應的直流電壓(Vdc-min)，也即最大功率點對應的直流電壓(Vdc-min)是 保證光伏電源穩(wěn)定運行的最小直流電壓。
[0071] 該方法的附加核心單元如圖4所示，即在傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機控制（圖5)基礎(chǔ)上設 計了光伏電源附加核心控制單元。具體而言，即通過MPPT算法獲得光伏電源穩(wěn)定運行的允 許最小的直流電壓(Vpv-min)，然后與實時量測的光伏電源實際輸出直流電壓(Vdc)做差比 較，將差值通過一個PI控制器，且該PI控制器的限幅的上限值為〇,目的就是為了防止光伏 電源輸出的直流電壓小于Vpv-min，防止光伏電源進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。
[0072]圖5中，Pe，Pref分別表示VSG輸出有功功率的量測值和參考設定值；ω，Dp，J分別 為VSG的電角速度、阻尼系數(shù)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；Θ則是通過該控制獲取的電角度參考值;Qe， Qref分別表示VSG輸出無功功率的量測值和參考設定值;V，Vref則是電壓幅值的實際值和 參考設定值;Dq和k分別代表無功-電壓下垂系數(shù)與積分系數(shù);s為頻率下的積分符號;E為通 過該控制所獲取的參考電壓幅值，其可與角度Θ共同合成VSG參考電壓e'表達式如下：
[0073]
其中，氣，eb，％分別表不VSG參考電壓的a相、b 相、c相電壓參考值。
[0074] 然后通過PffM驅(qū)動，得到虛擬同步發(fā)電機的控制信號，進而控制虛擬同步發(fā)電機輸 出與參考電壓相等的電壓。
[0075]虛擬同步發(fā)電機對應的基礎(chǔ)拓撲結(jié)構(gòu)：該虛擬同步發(fā)電機包括逆變器、LCL濾波 器、并網(wǎng)端口功率計算、VSG控制算法計算、SVPmi調(diào)制5個子系統(tǒng)。虛擬同步發(fā)電機(VSG)是 通過模仿同步發(fā)電機的機械特性和電磁特性，使逆變器具有與同步發(fā)電機相似的特性，以 達到為電網(wǎng)提供慣性支持和阻尼支持的目的。
[0076] 三相三線制的虛擬同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖6:
[0077] 圖中，eabc= [ea,eb，ec]T，uabc= [ua，ub，uc]T，iabc= [ia，ib，ic]T，分別表不虛 擬同步發(fā)電機三相輸出端電壓、感應電動勢與并網(wǎng)電流;Rs和Ls分別指虛擬的定子電樞電 阻與同步電感;Pe與Qe分別是VSG輸出的有功功率與無功功率。
[0078] 由圖6可知，虛擬同步發(fā)電機主要包括主電路與控制系統(tǒng)。其中，主電路為常規(guī)的 并網(wǎng)逆變器拓撲，包括直流側(cè)(可視為原動機）、DC/AC變換器及濾波電路等(對應同步發(fā)電 機的機電能量轉(zhuǎn)換過程）；控制系統(tǒng)是實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機的核心，其主要包括虛擬同步發(fā) 電機本體模型與控制算法，前者主要是從機理上模擬同步發(fā)電機的電磁關(guān)系與機械運動， 后者則主要從外特性上模擬同步發(fā)電機的有功調(diào)頻與無功調(diào)壓等特征。
[0079]光伏電源經(jīng)過虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)設計
[0080] 與傳統(tǒng)光伏電源經(jīng)過普通的光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)，或者與儲能電池通過虛擬同步 發(fā)電機并網(wǎng)（圖7)不同，本發(fā)明首次提出光伏電源直接通過虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)，其拓撲結(jié) 構(gòu)如圖1所示。
[0081] 傳統(tǒng)基于虛擬同步發(fā)電機(VSG)控制的方法及系統(tǒng)如（圖7):
[0082]從圖7中可知，傳統(tǒng)控制方法中，虛擬同步發(fā)電機直流側(cè)是儲能電池，且認為儲能 電池輸出的直流電壓恒定即沒有波動，實際上該方案仍為電池連接VSG的；而并非直接對光 伏電源的并網(wǎng)逆變器采用虛擬同步發(fā)電機技術(shù)進行控制。
[0083]本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說 明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù) 本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不 應理解為對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法，其特征在于，包括以 下步驟:A:所述光伏電源動態(tài)分析;B:獲得光伏電源可行的穩(wěn)定運行區(qū)域;C:核心控制單元 保證所述光伏電源可行的穩(wěn)定運行區(qū)域運行。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法， 其特征在于，所述光伏電源動態(tài)分析包括以下步驟:A1:獲得光伏電源出力特性曲線，得到 最大功率點處對應的光伏電源最大功率Pp V-max以及此點對應的光伏電源輸出的直流電壓 Vdc-min; A2:分析光伏電源運行的穩(wěn)定區(qū)域， 設定光伏電源出力為PPV，直流電壓為Vd。，光伏電源直流側(cè)電容為C，電容上的功率為P。， 虛擬同步發(fā)電機的輸出功率為Pvsc，根據(jù)電路原理有：假設光伏電源工作點電壓為Vdco，則將式(1)在處線性化，可得：表示光伏電源輸出功率對直流電壓的微分，其物理意義為光伏出力特性曲 線(Ρ-ν曲線)上某點處切線的斜率;m表示特征方程的特征根;根據(jù)式(4)可以求得特征根m 為：根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)可知，當且僅當特征方程的特征根m為負數(shù)時，系統(tǒng)才會穩(wěn)定； 式（5)中，？["，￥(1。，￥(1。()，(：等都是具有物理含義的正實數(shù)，因此，若要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，則根據(jù)上述分析可知，，光伏電源才會運行在穩(wěn)定區(qū)域；3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法， 其特征在于，所述步驟A1米用最大功率點跟蹤算法。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法， 其特征在于，所述核心控制單元防止所述光伏電源進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法， 其特征在于，所述核心控制單元采用防止所述光伏電源輸出的直流電壓值得方法防止所述 光伏電源進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。6. -種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制系統(tǒng)，其特征在于，光伏電 源直接通過虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述虛擬同步發(fā)電機設有核心控制單元。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述核心控制單元控制所述光伏電源進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述核心控制單元采用防止所述光伏電源輸出的直流電壓值得方法防止光伏 電源進入不穩(wěn)定運行區(qū)域。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮光伏電源動態(tài)特性的新型虛擬同步發(fā)電機控制方法及系統(tǒng)，其方法包括：光伏電源動態(tài)分析；獲得光伏電源可行的穩(wěn)定運行區(qū)域；核心控制單元保證光伏電源在可行的穩(wěn)定運行區(qū)域運行。本發(fā)明方法及系統(tǒng)直接將光伏電源與虛擬同步發(fā)電機相結(jié)合，避免了傳統(tǒng)方法還需儲能電池配合的弊端；且所提方法充分考慮了光伏電源的動態(tài)特性，使得光伏電源時刻運行于穩(wěn)定區(qū)域，將考慮光伏電源動態(tài)特性獲得的控制變量通過附加核心控制單元的形式應用于虛擬同步發(fā)電機，實現(xiàn)了光伏電源和虛擬同步發(fā)電機的很好結(jié)合。該方法充分考慮了光伏電源的特性并發(fā)揮虛擬同步發(fā)電機的優(yōu)良性能，同時節(jié)約了光伏電源并網(wǎng)成本，更利于光伏發(fā)電的發(fā)展和推廣。
【IPC分類】H02J3/38
【公開號】CN105680479
【申請?zhí)枴緾N201610158133
【發(fā)明人】鄭天文, 陳來軍, 郭巖, 梅生偉
【申請人】清華大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月18日