基于虛擬同步電機的單級式光伏系統控制策略

蔡 杰, 王東方, 李春來, 張海寧

(1. 華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室, 河北保定071003；2. 青海省光伏發電并網技術重點實驗室，青海西寧810000)

基于虛擬同步電機的單級式光伏系統控制策略

蔡 杰1, 王東方2, 李春來2, 張海寧2

(1. 華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室, 河北保定071003；2. 青海省光伏發電并網技術重點實驗室，青海西寧810000)

為同時實現光伏系統的單級式接入以及光伏系統的慣性響應，提出了基于虛擬同步電機的單級式光伏系統控制策略。系統將光伏陣列以及蓄電池并聯作為電源，通過DC/AC逆變器與交流負載和電網相連。電源側通過粗調加微調的控制策略調整蓄電池側雙向DC/DC變流器的電壓參考值實現單級式光伏系統的最大功率輸出；離網運行時DC/AC逆變器一方面通過無功電壓下垂控制直接調節逆變器輸出電壓。另一方面將有功頻率下垂控制作為其調頻器調節頻率，并結合同步電機的轉子運動方程，使逆變器模擬同步電機具有慣性的功能。在MATLAB/SIMULINK中建立了包含光伏陣列、蓄電池以及DC/DC和DC/AC變流器的單級式光伏系統并進行了時域仿真，仿真結果驗證了所提控制能夠有效改善頻率的暫態響應，提高系統抗干擾能力。

單級式光伏系統；蓄電池；虛擬同步電機；暫態響應

0 引言

在綠色再生能源廣泛應用的今天，太陽能由于其不可比擬的優勢成為新能源之首選，其中最為典型的就是太陽能光伏發電，又稱光伏電池，越來越受到全球各國的重視[1-3]。相比于傳統的化石能源，光伏發電具有如下優點[4-5]：(1)無污染，安全，無噪聲；(2)資源普遍，基本不受地域限制；(3)發電系統可按需以模塊方式集成，可大可小，擴容方便；(4)光伏電池主要原料硅的儲量十分豐富等。

大容量光伏發電站是開發太陽能的一種重要形式，單級式光伏系統具有拓撲簡單，成本較低等優點，研究高效、穩定、安全的單級式光伏逆變器是建立大容量光伏電站的技術基礎[6-7]。單級式光伏逆變器的控制目標包括：(1)最大功率點追蹤(MPPT)；(2)維持直流電壓穩定；(3)實現正弦的交流電流輸出。另外，通過光儲系統為系統提供慣性支持，改善系統的頻率暫態響應，也是光伏逆變器控制研究的一個重要方向[8，9]。

文獻[1]針對傳統一階MPPT控制算法在單級式光伏并網逆變系統應用中的不足，將模糊PID控制引入到單級式并網發電系統的MPPT控制當中，實現了單級式光伏系統的MPPT控制。文獻[10]將電網電壓同步、輸出電流正弦度以及防止母線電壓崩潰作為控制目標，提出了一種單級式光伏系統的改進MPPT算法。文獻[11]提出了一種單級光伏并網逆變器的非線性綜合控制策略，通過狀態反饋電流環、自抗擾電壓環和變步長擾動最大功率跟蹤算法的有機結合，有效提升了逆變器整體控制性能。以上文獻均僅研究了單級式光伏系統并網控制策略，并沒有研究其慣性響應。文獻[12，13]針對光儲發電系統的逆變器，提出了基于逆變器的虛擬同步發電控制策略，文獻在仿真過程中將光伏系統看做理想電壓源，并沒有考慮光伏特性。文獻[14]也僅僅針對逆變器，利用同步電機的數學模型，在有功和無功外環中加入頻率調節器和電壓調節器，實現了其虛擬同步電機的控制，但是，此文獻在實現自治模式運行時控制較為復雜。

本文針對單級式光伏系統，提出了基于虛擬同步發電機的單級式光伏系統控制策略。將光伏陣列以及蓄電池并聯作為電源，通過蓄電池側雙向DC/DC變流器實現單級式光伏系統的最大功率輸出；直流側通過DC/AC逆變器和交流負載和電網相連。離網運行時，DC/AC逆變器一方面通過無功電壓下垂控制直接調節逆變器輸出電壓值，另一方面將有功頻率下垂控制作為其調頻器調節頻率，并結合同步發電機的轉子運動方程，使逆變器模擬同步發電機的慣性。最后，通過MATLAB/SIMULINK仿真對所提控制策略進行了仿真驗證。

1 單級式光伏發電系統構成

單級式光伏發電系統的結構包括光伏陣列、儲能系統、雙向DC/DC變流器和DC/AC逆變器，其結構如圖1所示。

圖1 單級式光伏系統結構示意圖

圖1中，Lf，Cf分別為DC/AC逆變器輸出側的濾波電感和電容；RL，CL，LL分別為交流負荷等效出的電阻、電容和電感。光伏發電系統的運行方式包括并網運行和離網運行，本文主要討論離網運行時光伏發電系統的控制策略。

光伏陣列與蓄電池并聯，通過修正蓄電池側雙向DC/DC變流器電壓參考值實現光伏陣列最大功率跟蹤(MPPT)功能；DC/AC逆變器采用加入轉子運動方程的P-ω下垂控制及Q-U下垂控制策略，實現虛擬同步電機(VSG)的功能。

2 單級式光伏發電系統控制策略

2.1 光伏陣列最大功率跟蹤

2.1.1 光伏電池輸出特性分析

光伏電池是光伏發電系統中最基本的電能產生單元。常用的光伏電池的理想等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路

圖2中，Iph為光生電流；ID為暗電流；IL為負載電流；Uoc為開路電壓；Rs，Rsh分別為串聯等效電阻和旁路等效電阻。由此可得光伏電池輸出伏安特性為：

(1)

式中：I0為無光照時的飽和電流；q為電子電量常數；k為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度，K；A為常數因子。

將式(1)轉化為工程化數學模型，并加入補償因子，建立光伏電池仿真模型，在MATLAB中通過仿真可得其I-U曲線和P-U曲線，如圖3所示。圖3中，(0,Ish)為輸出短路點；(Uoc,0)為輸出開路點；(Um，Im)為最大功率輸出點。

圖3 光伏電池I-U曲線和P-U曲線

圖3中，(0,Ish)為輸出短路點；(Uoc,0)為輸出開路點；(Um，Im)為最大功率輸出點。

2.1.2 蓄電池及雙向DC/DC變流器

蓄電池在本文中一方面可以實現光伏電池的最大功率輸出，另一方面可以作為一能量源在系統受到擾動時提供必要的慣量。通過對蓄電池充放電特性的擬合，可得蓄電池模型的等效電路如圖4所示。

圖4 蓄電池模型等效電路

圖4中，蓄電池模型由內阻R和受控電壓源Ebat串聯組成。R由電池制造廠給出，假設在運行過程中保持不變。Ebat通過下式計算得到：

(2)

式中:E0為內電勢，V；Cmax為蓄電池的最大容量；Qe為放電量；A，B，K均為擬合參數，可通過蓄電池放電特性曲線得到。

蓄電池并入光伏陣列直流側時通過DC/DC變流器，其結構圖如圖5所示。

圖5 雙向DC/DC換流器

從圖5中可以看出，雙向DC/DC變換器相當于Boost電路和Buck電路的結合。當蓄電池處于放電狀態時，電路工作于Boost模式，VD2在周期內按照占空比導通，電流流出蓄電池；當蓄電池處于充電狀態時，電路工作于Buck模式，VD1在周期內按照占空比導通，電流流入蓄電池為其充電。

2.1.3 光伏最大功率跟蹤控制

通過修正蓄電池側雙向DC/DC變流器電壓參考值實現光伏陣列最大功率跟蹤(MPPT)控制,整體控制框圖如圖6(a)所示，MPPT控制框圖如圖6(b)所示。

圖6 光伏MPPT控制

(3)

(4)

δu通過實時運行控制得到，實現參考電壓微調。從圖3的P-U曲線可以看出，最大功率點滿足dP/duPV=0，結合功率方程P=upvipv可得：

(5)

因此，可以應用下述判據獲得最大功率點：

(6)

式中：ΔiPV=iPV(k)-iPV(k-1)

ΔuPV=uPV(k)-uPV(k-1)

根據式(6)構成PI控制器，通過不斷調節δu，使式(6)左側趨近于零，從而實現光伏最大功率輸出。

2.2 逆變器側虛擬同步電機控制

DC/AC逆變器一方面按照Q-U下垂控制，直接控制逆變器交流側母線電壓值；另一方面將P-ω下垂控制作為調頻器，結合轉子運動方程，以實現虛擬同步電機的功能。在基于轉子運動方程的調頻器的作用下，在輸出功率的同時，模擬同步電機，能夠在系統受到擾動時，給系統提供慣量。逆變器整體控制框圖如圖7所示。

圖7 逆變器整體控制框圖

2.2.1 有功-頻率控制

系統在聯網運行時(假設電網為強電網)，大電網具有較強的慣性，不需要光伏系統進行調頻。但是，當系統離網運行時，逆變器交流側的頻率失去了大電網的鉗位作用，需要光伏系統具有調頻的能力。由此，引入有功-頻率下垂控制，將其作為調頻器，使光伏系統在離網運行時具備調頻能力。有功-頻率下垂控制表達式為：

(7)

式中：Kf為下垂系數；ωref為角頻率參考值。

由式(7)可得：

(8)

當系統離網運行時，其網側頻率參考值通過式(8)計算得到。

為模擬同步電機的轉子運動特性，將同步電機轉子運動方程引入下垂控制中，使其在完成頻率調節的過程中，同時具備同步電機的慣性響應。轉子運動方程可表示為[15]：

(9)

式中：H為同步電機慣性時間常數；ω，ωL分別為逆變器電源以及負荷節點處的角頻率；P，Pmeas分別為逆變器輸出功率及負荷功率；Kd為系統阻尼系數；φ為相位角。

將式(7)和式(9)聯立，可得：

(10)

根據式(10)可得到基于同步電機轉子運動方程有功頻率下垂控制框圖如圖8所示。

圖8 有功頻率下垂控制

從圖8中可以看出，相位角φ*通過對系統的角頻率ω的積分得到。在系統受到擾動初始時刻，ωL和ω不相等，系統由下垂控制以及阻尼控制共同決定頻率的動態響應。在系統穩定運行后，ωL和ω相等，阻尼環節輸出值為零，此時僅僅通過下垂控制來決定頻率的動態響應。

2.2.2 無功-電壓控制

逆變器在無功功率控制方面，并網以及離網時控制目標不同，在并網運行時常采用單位因數控制，即逆變器輸出無功功率為零，負荷所需的無功功率由大電網來提供。在離網運行時，無功功率失去了大電網的支持，必須通過逆變器電源輸出相應的無功功率來滿足負荷的需求。逆變器輸出的無功功率可通過控制負荷點電壓值的大小來調節。為此，采用無功-電壓下垂控制策略，其下垂特性為：

(11)

式中：Uref，Qref分別為負荷節點的額定電壓及在額定電壓下負荷無功功率；U*為負荷節點電壓給定值；KQ為下垂系數。

根據式(11)可得到，無功-電壓下垂控制框圖如圖9所示。

圖9 無功-電壓下垂控制框圖

3 仿真分析

為進一步通過時域仿真驗證所提控制策略有效性，本文利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了如圖1所示的仿真系統。系統包含額定功率為5 623 W的光伏電池；額定電壓為120 V，容量為10 Ah的蓄電池；雙向DC/DC變流器額定容量為10 kW；DC/AC逆變器額定容量為20 kW。本地負荷為恒功率負荷，額定電壓為220 V，頻率為50 Hz。

3.1 單級式光伏最大功率跟蹤

圖10 光伏最大功率跟蹤仿真圖

圖10為單級式光伏最大功率跟蹤仿真圖。其中光伏額定溫度為Tnom=25 ℃，額定光照為Snom=1 000 W/m2。

從圖10中可以看出，仿真開始時，光伏系統在額定光照以及額定溫度下運行。在電壓的調節作用下，光伏輸出功率趨于最大功率值，由于t=0 s時刻，系統仿真剛開始運行，電壓趨于穩定的時間較長。在t=3 s時，光照突然從額定值1 000 W/m2變為1 100 W/m2，于是，雙向DC/DC變流器電壓參考值隨之改變，經過0.5 s的最大功率尋找過程，在t=3.5 s時光伏輸出最大功率值。在t=6 s時設定溫度從原來的25 ℃突變為35 ℃，由于溫度的升高，使得光伏輸出功率有所下降，電壓在0.3 s后趨于穩定，在t=6.3 s時功率輸出其最大值。

3.2 有無虛擬同步電機控制時仿真對比

圖11 有無虛擬同步電機控制時仿真對比圖

圖11為有無虛擬同步電機控制下的仿真對比圖。仿真過程中，光伏系統均在額定溫度25 ℃，以及額定光照1 000 W/m2情況下運行，其輸出額定功率為5 623 W。圖11中實線部分為未加入虛擬同步電機控制時，僅在下垂控制作用下的仿真圖；虛線部分為加入虛擬同步電機控制后仿真圖。從圖中可以看出，仿真開始時，負荷功率為7 kW，此時光伏系統發出最大功率的同時，蓄電池發出1.377 kW功率用于彌補系統中功率的差額。在t=2 s時，負荷突然增加至10 kW，蓄電池發出額外的3 kW功率用于彌補功率的缺額。在t=2 s時，由于瞬時功率的差額，使得直流側電壓瞬間下降，光伏所發功率也因電壓的變化瞬間下降，后又在最大功率跟蹤控制作用下，光伏重新發出最大功率值。在未加入虛擬同步電機作用下，負荷頻率在下垂控制作用下，很快趨于穩定值，在加入虛擬同步電機控制時，負荷頻率緩慢趨于穩定值，這使得在系統受到擾動時，較大地提高了頻率的穩定性，系統的抗干擾能力大大增強。另外，從圖中可以看出，有無虛擬同步電機的控制對直流側電壓幾乎沒有影響，對光伏的最大功率跟蹤也沒有影響。

圖12為無功電壓仿真圖，仿真初始條件同上。從圖中可以看出，仿真開始時，所需無功功率為零，交流側母線電壓值為220 V，在t=4 s時，無功功率由0增加到1 kVar，在無功-電壓下垂控制的作用下，并網逆變器輸出的無功功率增加，交流母線的電壓下降。

圖12 無功電壓仿真圖

3.3 負荷波動時系統仿真

圖13為負荷波動時系統仿真圖。仿真中負荷間性波動，從圖中可以看出，在沒有加入虛擬同步電機控制時，頻率波動較為劇烈，頻率質量較差，加入虛擬同步電機控制后，頻率波動幅度大幅度降低，有效地改善了頻率質量。

圖13 負荷波動時系統仿真圖

4 結論

(1)通過粗調以及細調調節蓄電池側DC/DC變流器電壓參考值，使得光伏陣列輸出其功率最大值。

(2)DC/AC逆變器一方面通過無功電壓下垂控制直接調節逆變器輸出電壓值。另一方面將有功頻率下垂控制作為其調頻器調節頻率，并結合同步電機的轉子運動方程，使逆變器模擬同步電機具有慣性響應的功能。

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Control Strategy for Single-stage PV System Based on Virtual Synchronous Generator

CAI Jie1，WANG Dongfang2, LI Chunlai2, ZHANG Haining2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Qinghai Province Key Laboratory of Photovoltaic Grid Connected Power Generation Technology, Xining 810000, China)

In order to realize the single-stage access of the photovoltaic system as well as get its inertia response, a control strategy for single-stage PV based on virtual synchronous generator is proposed. Linked in parallel as a power source the PV array and the battery connect the power net through the DC/AC inverter load operation directly. The maximum power output of the single-stage PV system is obtained by the bidirectional DC/DC converter through the tuning of its voltage reference, in a coarse plus fine way. On one hand, the output voltage of inverter is regulated by reactive voltage droop control under island operation. On the other hand, the active frequency droop control is used to adjust the frequency. Meanwhile, the rotor motion equation of the synchronous motor is used to make the inverter simulate the function of the synchronous motor. A single-stage PV system, including battery and DC/AC inverter, is established in MATLAB/SIMULINK platform and the simulated results show that the control strategy can improve the transient response of the frequency effectively and enhance the system anti-interference ability.

single-stage PV system; battery; virtual synchronous generator; transient response

2015-11-27。

青海省光伏發電并網技術重點實驗室資助項目(2014-Z-Y34A)。

蔡杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電技術，E-mail：554889777@qq.com。

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.001