一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电网频率调节控制领域，具体涉及一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法和系统。

背景技术

为了防止全球变暖和能源枯竭，迫切地需要发展太阳能和风电等可再生能源。在各种可再生能源中，太阳能由于其清洁性、安全性、无穷无尽等优点，成为快速发展的可再生能源之一。世界大型太阳能发电站新装容量逐年递增。

光伏逆变器是电力系统中一个不可或缺的器件，光伏逆变器的精准控制可以有效的改善供需端的功率不平衡现象，从而达到调节电网频率的效果。

集中式光伏逆变器是被广为应用的一种光伏逆变器，集中式光伏逆变器采用单级DC-AC电力电子全桥逆变结构，如图1所示。集中式光伏逆变器是将光伏模块产生的直流电变为交流电后，对电压进行升压、再并入电网。因此，逆变器的功率比较大。

与组串式逆变器相比，单台组串式逆变器的容量仅为几十kW，而单台集中式逆变器的最低容量可达到500kW，更适用于MW级以上的大型地面电站或大型商业屋顶，即更适用于大规模的光伏接入电力系统的应用场景。

因为大规模的光伏接入电力系统必然导致系统惯性和频率调节能力的降低，并影响系统的电能质量的情况。随着光伏渗透率不断增高，现代电网逐渐要求光伏电站在减载模式下运行，为电力系统留有一定的备用功率，使电力系统具有一次调频能力。

但是，传统的光伏逆变器的控制技术是按照输出功率跟踪最大输出功率来设计的，光伏电站在减载模式下运行时仍然该技术，势必会导致光伏逆变器的控制效果不理想。

有鉴于此，亟需研究出在光伏电站在减载模式下运行时光伏逆变器的控制技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法和系统，该方法考虑了光伏发电机组的减载率对光伏逆变器控制的影响，提高了光伏逆变器控制的准确性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：

根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量；

基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值；

基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断；

其中，改进的MPPT算法的改进之处在于，在MPPT算法的光伏逆变器直流侧有功变化量计算式中引入光伏逆变器直流侧功率扰动项。

优选的，所述根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，包括：

按下式确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线在当前时刻t的斜率变化量

式中，a

进一步的，按下式确定所述a

a

按下式确定所述a

a

上式中，T(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t的温度，S(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t所受的光照强度。

优选的，所述基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值，包括：

基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，采用改进的MPPT算法确定光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压；

将光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压与光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的加和作为光伏逆变器的直流侧电压参考值。

进一步的，所述基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，采用改进的MPPT算法确定光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压，包括：

基于当前时刻t光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，通过下式得到当前时刻t引入光伏逆变器直流侧功率扰动项的光伏逆变器直流侧有功变化量ΔP(t)，

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)不大于0，则

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)大于0，则

否则，

其中，ΔU(t)＝u(t)-u(t-1)，P(t)＝I(t)·u(t)，P(t-1)＝I(t-1)·u(t-1)，

进一步的，所述光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的获取过程，包括：

根据电网频率偏差量与光伏发电机组的下垂系数计算光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量；

将光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量代入第一PI控制器，得到下垂控制对应的光伏逆变器的直流侧参考电压；

其中，电网频率偏差量为电网频率实测值和电网频率基准值之间的差值。

进一步的，所述根据电网频率偏差量与光伏发电机组的下垂系数计算光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量，包括：

按下式确定光伏发电机组在当前时刻t的一次调频有功功率偏差量ΔP

ΔP

式中，k

其中，按下式确定所述k

式中，P

优选的，所述基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断，包括：

基于光伏逆变器的直流侧电压参考值确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压；

基于光伏逆变器无功功率参考值确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压；

将光伏逆变器电网侧的d轴调制电压和光伏逆变器电网侧的q轴调制电压进行PWM调制，得到光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲；

利用光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲控制光伏逆变器中IGBT的通断。

进一步的，所述基于光伏逆变器的直流侧电压参考值确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压，包括：

根据光伏逆变器的直流侧电压实测值、光伏逆变器的直流侧电压参考值、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量和光伏逆变器的电网侧d轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定直流电压控制技术，确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压。

进一步的，所述基于光伏逆变器输出无功功率参考值确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压，包括：

根据光伏逆变器的无功功率实测值、光伏逆变器输出的无功功率参考值、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量和光伏逆变器的电网侧q轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定无功控制技术，确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压。

本发明提供一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制系统，其改进之处在于，所述系统包括：

第一确定模块，用于根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量；

第二确定模块，用于基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值；

控制模块，用于基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断；

其中，改进的MPPT算法的改进之处在于，在MPPT算法的光伏逆变器直流侧有功变化量计算式中引入光伏逆变器直流侧功率扰动项。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的技术方案，根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量；基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值；基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断。该方案考虑了光伏发电机组的减载率对光伏逆变器控制的影响，提高了光伏逆变器控制的准确性。

附图说明

图1是集中式光伏逆变器并网系统结构图；

图2是一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法流程图；

图3是本发明实施例中光伏逆变器直流侧定直流电压控制和定无功控制的控制框图；

图4是一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制方法，如图2所示，所述方法包括：

步骤101，根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量；

步骤102，基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值；

步骤103，基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断；

其中，改进的MPPT算法的改进之处在于，在MPPT算法的光伏逆变器直流侧有功变化量计算式中引入光伏逆变器直流侧功率扰动项。

在本发明的最佳实施例中，由于光伏发电机组没有旋转设备，其通过改变直流侧电压模拟常规机组的惯性响应，使光伏发电机组具有与同步发电机相似的调频性能。光伏逆变器是与光伏发电机组直接连接的设备，光伏逆变器的精准控制可以实现供需端的平衡，维持电网频率的稳定；

光伏逆变器的直流侧电压参考值由光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压

通过拟合减载率与温度、光照强度的曲线得到光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，基于所述斜率变化量和改进MPPT算法，得到在时变的光照强度和温度条件下的光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压，再得到光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压ΔU

具体的，所述步骤101，包括：

按下式确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线在当前时刻t的斜率变化量

式中，a

进一步的，按下式确定所述a

a

按下式确定所述a

a

上式中，T(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t的温度，S(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t所受的光照强度。

具体的，所述步骤102，包括：

步骤102-1，基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，采用改进的MPPT算法确定光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压；

步骤102-2，将光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压与光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的加和作为光伏逆变器的直流侧电压参考值。

进一步的，所述步骤102-1，包括：

步骤102-1-1，基于当前时刻t光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，通过下式得到当前时刻t引入光伏逆变器直流侧功率扰动项的光伏逆变器直流侧有功变化量ΔP(t)，

步骤102-1-2，若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)不大于0，则

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)大于0，则

否则，

其中，ΔU(t)为t-1时刻光伏逆变器直流侧电压实测值与当前时刻t光伏逆变器直流侧电压实测值之间的差值；

进一步的，所述光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的获取过程，包括：

根据电网频率偏差量与光伏发电机组的下垂系数计算光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量；

将光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量代入第一PI控制器，得到下垂控制对应的光伏逆变器的直流侧参考电压；

其中，电网频率偏差量为电网频率实测值和电网频率基准值之间的差值。

进一步的，所述根据电网频率偏差量与光伏发电机组的下垂系数计算光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量，包括：

按下式确定光伏发电机组在当前时刻t的一次调频有功功率偏差量ΔP

ΔP

式中，k

其中，按下式确定所述k

式中，P

具体的，所述步骤103，包括：

步骤103-1，基于光伏逆变器的直流侧电压参考值确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压；

步骤103-2，基于光伏逆变器无功功率参考值确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压；

步骤103-3，将光伏逆变器电网侧的d轴调制电压和光伏逆变器电网侧的q轴调制电压进行PWM调制，得到光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲；

步骤103-4，利用光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲控制光伏逆变器中IGBT的通断。

其中，光伏逆变器无功功率参考值是预先设定的。

进一步的，所述步骤103-1，用于：

根据光伏逆变器的直流侧电压实测值、光伏逆变器的直流侧电压参考值、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量和光伏逆变器的电网侧d轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定直流电压控制技术，确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压。

进一步的，所述步骤103-2，用于：

根据光伏逆变器的无功功率实测值、光伏逆变器输出的无功功率参考值、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量和光伏逆变器的电网侧q轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定无功控制技术，确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压。

本发明的特点是：基于时变的光照和温度的减载控制以及变下垂系数的有功功率-频率下垂控制。光伏逆变器控制采用定直流侧电压和定无功功率控制；减载控制包括引入一个中间变量，拟合光照强度S和温度T与减载率的曲线，再通过改进MPPT算法得到直流侧电压；下垂控制包括比例控制器、PI控制器，通过计算得到电网频率改变时有功功率的变化量。

实施例2：

本发明提供一种参与电网频率调节的光伏逆变器运行控制系统，如图4所示，所述系统包括：

第一确定模块，用于根据光伏发电机组的减载率确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量；

第二确定模块，用于基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，利用改进的MPPT算法确定光伏逆变器的直流侧电压参考值；

控制模块，用于基于光伏逆变器的直流侧电压参考值控制光伏逆变器中IGBT的通断；

其中，改进的MPPT算法的改进之处在于，在MPPT算法的光伏逆变器直流侧有功变化量计算式中引入光伏逆变器直流侧功率扰动项。

具体的，所述第一确定模块，用于：

按下式确定光伏发电机组的功率-电压特性曲线在当前时刻t的斜率变化量

式中，a

进一步的，按下式确定所述a

a

按下式确定所述a

a

上式中，T(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t的温度，S(t)为光伏发电机组的光伏电池板在当前时刻t所受的光照强度。

具体的，所述第二确定模块，包括：

第一确定单元，用于基于光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，采用改进的MPPT算法确定光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压；

设定单元，用于将光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压与光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的加和作为光伏逆变器的直流侧电压参考值。

进一步的，所述第一确定单元，包括：

第一计算子单元，用于基于当前时刻t光伏发电机组的功率-电压特性曲线中的斜率变化量，通过下式得到当前时刻t引入光伏逆变器直流侧功率扰动项的光伏逆变器直流侧有功变化量ΔP(t)，

判断子单元，用于若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)不大于0，则

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)大于0，则

否则，

其中，ΔU(t)＝u(t)-u(t-1)，P(t)＝I(t)·u(t)，P(t-1)＝I(t-1)·u(t-1)，

具体的，所述第二确定模块该包括用于获取光伏发电机组下垂控制时光伏逆变器的直流侧参考电压的获取单元，所述获取单元，包括：

第二计算子单元，用于根据电网频率偏差量与光伏发电机组的下垂系数计算光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量；

代入子单元，用于将光伏发电机组的一次调频有功功率偏差量代入第一PI控制器，得到下垂控制对应的光伏逆变器的直流侧参考电压；

其中，电网频率偏差量为电网频率实测值和电网频率基准值之间的差值。

具体的，所述第二计算子单元，用于：

按下式确定光伏发电机组在当前时刻t的一次调频有功功率偏差量ΔP

ΔP

式中，k

其中，按下式确定所述k

式中，P

具体的，所述控制模块，包括：

第二确定单元，用于基于光伏逆变器的直流侧电压参考值确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压；

第三确定单元，用于基于光伏逆变器无功功率参考值确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压；

调制单元，用于将光伏逆变器电网侧的d轴调制电压和光伏逆变器电网侧的q轴调制电压进行PWM调制，得到光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲；

控制单元，用于利用光伏逆变器中IGBT的开关控制脉冲控制光伏逆变器中IGBT的通断。

进一步的，所述第二确定单元，用于：

根据光伏逆变器的直流侧电压实测值、光伏逆变器的直流侧电压参考值、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量和光伏逆变器的电网侧d轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定直流电压控制技术，确定光伏逆变器电网侧的d轴调制电压。

进一步的，所述第三确定单元，用于：

根据光伏逆变器的无功功率实测值、光伏逆变器输出的无功功率参考值、光伏逆变器的电网侧q轴电流分量、光伏逆变器的电网侧d轴电流分量和光伏逆变器的电网侧q轴电压分量，采用光伏逆变器直流侧定无功控制技术，确定光伏逆变器电网侧的q轴调制电压。

实施例3：

步骤A：测量电网侧电压V

V

步骤B：基于光伏电池的P-V单峰值特性曲线，当

对比二阶、三阶、四阶拟合函数的标准差分别为1.138，0.8614，0.5868，使用下式所示的拟合函数的标准差较小，只有0.5012，因此选择该曲线拟合，其中a

经实验，

步骤C：为将减载率σ％转化成光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压

首先测量到光伏电池的电压电流U

在原有的判据ΔP＝P

其中，通过改进MPPT算法可得到光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)不大于0，则

若ΔP(t)不等于0且ΔU(t)大于0，则

否则，

步骤D：在直流侧引入下垂控制ΔP＝k

步骤E：将光伏发电机组减载控制时光伏逆变器的直流侧参考电压

步骤F：参考采用定直流侧电压和定无功功率的控制框图，得到的U

定直流侧电压控制具体为：将光伏逆变器的直流侧电压实测值U

定无功功率控制具体为：将光伏逆变器的无功功率实测值Q、光伏逆变器输出的无功功率参考值Q

将该控制下得到的U

本发明考虑了光伏发电机组减载控制和下垂控制对光伏逆变器直流侧电压参考值的影响，通过控制直流侧电压来适应光伏发电机组模拟常规机组的惯量响应工作状态，使得光伏并网结构具有类似于同步发电机的调频能力，能主动参与电网频率调节。

本发明通过拟合光照强度和温度与中间量的函数，本发明通过拟合光照强度、温度与

本发明的控制策略能在电网负荷改变时维持系统频率的稳定性。具有合理科学性，实用性强、效果佳等优点。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。