基于虚拟同步电机的单级式光伏系统控制策略

蔡 杰, 王东方, 李春来, 张海宁

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 河北保定071003；2. 青海省光伏发电并网技术重点实验室，青海西宁810000)

基于虚拟同步电机的单级式光伏系统控制策略

蔡 杰1, 王东方2, 李春来2, 张海宁2

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 河北保定071003；2. 青海省光伏发电并网技术重点实验室，青海西宁810000)

为同时实现光伏系统的单级式接入以及光伏系统的惯性响应，提出了基于虚拟同步电机的单级式光伏系统控制策略。系统将光伏阵列以及蓄电池并联作为电源，通过DC/AC逆变器与交流负载和电网相连。电源侧通过粗调加微调的控制策略调整蓄电池侧双向DC/DC变流器的电压参考值实现单级式光伏系统的最大功率输出；离网运行时DC/AC逆变器一方面通过无功电压下垂控制直接调节逆变器输出电压。另一方面将有功频率下垂控制作为其调频器调节频率，并结合同步电机的转子运动方程，使逆变器模拟同步电机具有惯性的功能。在MATLAB/SIMULINK中建立了包含光伏阵列、蓄电池以及DC/DC和DC/AC变流器的单级式光伏系统并进行了时域仿真，仿真结果验证了所提控制能够有效改善频率的暂态响应，提高系统抗干扰能力。

单级式光伏系统；蓄电池；虚拟同步电机；暂态响应

0 引言

在绿色再生能源广泛应用的今天，太阳能由于其不可比拟的优势成为新能源之首选，其中最为典型的就是太阳能光伏发电，又称光伏电池，越来越受到全球各国的重视[1-3]。相比于传统的化石能源，光伏发电具有如下优点[4-5]：(1)无污染，安全，无噪声；(2)资源普遍，基本不受地域限制；(3)发电系统可按需以模块方式集成，可大可小，扩容方便；(4)光伏电池主要原料硅的储量十分丰富等。

大容量光伏发电站是开发太阳能的一种重要形式，单级式光伏系统具有拓扑简单，成本较低等优点，研究高效、稳定、安全的单级式光伏逆变器是建立大容量光伏电站的技术基础[6-7]。单级式光伏逆变器的控制目标包括：(1)最大功率点追踪(MPPT)；(2)维持直流电压稳定；(3)实现正弦的交流电流输出。另外，通过光储系统为系统提供惯性支持，改善系统的频率暂态响应，也是光伏逆变器控制研究的一个重要方向[8，9]。

文献[1]针对传统一阶MPPT控制算法在单级式光伏并网逆变系统应用中的不足，将模糊PID控制引入到单级式并网发电系统的MPPT控制当中，实现了单级式光伏系统的MPPT控制。文献[10]将电网电压同步、输出电流正弦度以及防止母线电压崩溃作为控制目标，提出了一种单级式光伏系统的改进MPPT算法。文献[11]提出了一种单级光伏并网逆变器的非线性综合控制策略，通过状态反馈电流环、自抗扰电压环和变步长扰动最大功率跟踪算法的有机结合，有效提升了逆变器整体控制性能。以上文献均仅研究了单级式光伏系统并网控制策略，并没有研究其惯性响应。文献[12，13]针对光储发电系统的逆变器，提出了基于逆变器的虚拟同步发电控制策略，文献在仿真过程中将光伏系统看做理想电压源，并没有考虑光伏特性。文献[14]也仅仅针对逆变器，利用同步电机的数学模型，在有功和无功外环中加入频率调节器和电压调节器，实现了其虚拟同步电机的控制，但是，此文献在实现自治模式运行时控制较为复杂。

本文针对单级式光伏系统，提出了基于虚拟同步发电机的单级式光伏系统控制策略。将光伏阵列以及蓄电池并联作为电源，通过蓄电池侧双向DC/DC变流器实现单级式光伏系统的最大功率输出；直流侧通过DC/AC逆变器和交流负载和电网相连。离网运行时，DC/AC逆变器一方面通过无功电压下垂控制直接调节逆变器输出电压值，另一方面将有功频率下垂控制作为其调频器调节频率，并结合同步发电机的转子运动方程，使逆变器模拟同步发电机的惯性。最后，通过MATLAB/SIMULINK仿真对所提控制策略进行了仿真验证。

1 单级式光伏发电系统构成

单级式光伏发电系统的结构包括光伏阵列、储能系统、双向DC/DC变流器和DC/AC逆变器，其结构如图1所示。

图1 单级式光伏系统结构示意图

图1中，Lf，Cf分别为DC/AC逆变器输出侧的滤波电感和电容；RL，CL，LL分别为交流负荷等效出的电阻、电容和电感。光伏发电系统的运行方式包括并网运行和离网运行，本文主要讨论离网运行时光伏发电系统的控制策略。

光伏阵列与蓄电池并联，通过修正蓄电池侧双向DC/DC变流器电压参考值实现光伏阵列最大功率跟踪(MPPT)功能；DC/AC逆变器采用加入转子运动方程的P-ω下垂控制及Q-U下垂控制策略，实现虚拟同步电机(VSG)的功能。

2 单级式光伏发电系统控制策略

2.1 光伏阵列最大功率跟踪

2.1.1 光伏电池输出特性分析

光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元。常用的光伏电池的理想等效电路如图2所示。

图2 光伏电池等效电路

图2中，Iph为光生电流；ID为暗电流；IL为负载电流；Uoc为开路电压；Rs，Rsh分别为串联等效电阻和旁路等效电阻。由此可得光伏电池输出伏安特性为：

(1)

式中：I0为无光照时的饱和电流；q为电子电量常数；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，K；A为常数因子。

将式(1)转化为工程化数学模型，并加入补偿因子，建立光伏电池仿真模型，在MATLAB中通过仿真可得其I-U曲线和P-U曲线，如图3所示。图3中，(0,Ish)为输出短路点；(Uoc,0)为输出开路点；(Um，Im)为最大功率输出点。

图3 光伏电池I-U曲线和P-U曲线

图3中，(0,Ish)为输出短路点；(Uoc,0)为输出开路点；(Um，Im)为最大功率输出点。

2.1.2 蓄电池及双向DC/DC变流器

蓄电池在本文中一方面可以实现光伏电池的最大功率输出，另一方面可以作为一能量源在系统受到扰动时提供必要的惯量。通过对蓄电池充放电特性的拟合，可得蓄电池模型的等效电路如图4所示。

图4 蓄电池模型等效电路

图4中，蓄电池模型由内阻R和受控电压源Ebat串联组成。R由电池制造厂给出，假设在运行过程中保持不变。Ebat通过下式计算得到：

(2)

式中:E0为内电势，V；Cmax为蓄电池的最大容量；Qe为放电量；A，B，K均为拟合参数，可通过蓄电池放电特性曲线得到。

蓄电池并入光伏阵列直流侧时通过DC/DC变流器，其结构图如图5所示。

图5 双向DC/DC换流器

从图5中可以看出，双向DC/DC变换器相当于Boost电路和Buck电路的结合。当蓄电池处于放电状态时，电路工作于Boost模式，VD2在周期内按照占空比导通，电流流出蓄电池；当蓄电池处于充电状态时，电路工作于Buck模式，VD1在周期内按照占空比导通，电流流入蓄电池为其充电。

2.1.3 光伏最大功率跟踪控制

通过修正蓄电池侧双向DC/DC变流器电压参考值实现光伏阵列最大功率跟踪(MPPT)控制,整体控制框图如图6(a)所示，MPPT控制框图如图6(b)所示。

图6 光伏MPPT控制

(3)

(4)

δu通过实时运行控制得到，实现参考电压微调。从图3的P-U曲线可以看出，最大功率点满足dP/duPV=0，结合功率方程P=upvipv可得：

(5)

因此，可以应用下述判据获得最大功率点：

(6)

式中：ΔiPV=iPV(k)-iPV(k-1)

ΔuPV=uPV(k)-uPV(k-1)

根据式(6)构成PI控制器，通过不断调节δu，使式(6)左侧趋近于零，从而实现光伏最大功率输出。

2.2 逆变器侧虚拟同步电机控制

DC/AC逆变器一方面按照Q-U下垂控制，直接控制逆变器交流侧母线电压值；另一方面将P-ω下垂控制作为调频器，结合转子运动方程，以实现虚拟同步电机的功能。在基于转子运动方程的调频器的作用下，在输出功率的同时，模拟同步电机，能够在系统受到扰动时，给系统提供惯量。逆变器整体控制框图如图7所示。

图7 逆变器整体控制框图

2.2.1 有功-频率控制

系统在联网运行时(假设电网为强电网)，大电网具有较强的惯性，不需要光伏系统进行调频。但是，当系统离网运行时，逆变器交流侧的频率失去了大电网的钳位作用，需要光伏系统具有调频的能力。由此，引入有功-频率下垂控制，将其作为调频器，使光伏系统在离网运行时具备调频能力。有功-频率下垂控制表达式为：

(7)

式中：Kf为下垂系数；ωref为角频率参考值。

由式(7)可得：

(8)

当系统离网运行时，其网侧频率参考值通过式(8)计算得到。

为模拟同步电机的转子运动特性，将同步电机转子运动方程引入下垂控制中，使其在完成频率调节的过程中，同时具备同步电机的惯性响应。转子运动方程可表示为[15]：

(9)

式中：H为同步电机惯性时间常数；ω，ωL分别为逆变器电源以及负荷节点处的角频率；P，Pmeas分别为逆变器输出功率及负荷功率；Kd为系统阻尼系数；φ为相位角。

将式(7)和式(9)联立，可得：

(10)

根据式(10)可得到基于同步电机转子运动方程有功频率下垂控制框图如图8所示。

图8 有功频率下垂控制

从图8中可以看出，相位角φ*通过对系统的角频率ω的积分得到。在系统受到扰动初始时刻，ωL和ω不相等，系统由下垂控制以及阻尼控制共同决定频率的动态响应。在系统稳定运行后，ωL和ω相等，阻尼环节输出值为零，此时仅仅通过下垂控制来决定频率的动态响应。

2.2.2 无功-电压控制

逆变器在无功功率控制方面，并网以及离网时控制目标不同，在并网运行时常采用单位因数控制，即逆变器输出无功功率为零，负荷所需的无功功率由大电网来提供。在离网运行时，无功功率失去了大电网的支持，必须通过逆变器电源输出相应的无功功率来满足负荷的需求。逆变器输出的无功功率可通过控制负荷点电压值的大小来调节。为此，采用无功-电压下垂控制策略，其下垂特性为：

(11)

式中：Uref，Qref分别为负荷节点的额定电压及在额定电压下负荷无功功率；U*为负荷节点电压给定值；KQ为下垂系数。

根据式(11)可得到，无功-电压下垂控制框图如图9所示。

图9 无功-电压下垂控制框图

3 仿真分析

为进一步通过时域仿真验证所提控制策略有效性，本文利用Matlab/Simulink仿真软件建立了如图1所示的仿真系统。系统包含额定功率为5 623 W的光伏电池；额定电压为120 V，容量为10 Ah的蓄电池；双向DC/DC变流器额定容量为10 kW；DC/AC逆变器额定容量为20 kW。本地负荷为恒功率负荷，额定电压为220 V，频率为50 Hz。

3.1 单级式光伏最大功率跟踪

图10 光伏最大功率跟踪仿真图

图10为单级式光伏最大功率跟踪仿真图。其中光伏额定温度为Tnom=25 ℃，额定光照为Snom=1 000 W/m2。

从图10中可以看出，仿真开始时，光伏系统在额定光照以及额定温度下运行。在电压的调节作用下，光伏输出功率趋于最大功率值，由于t=0 s时刻，系统仿真刚开始运行，电压趋于稳定的时间较长。在t=3 s时，光照突然从额定值1 000 W/m2变为1 100 W/m2，于是，双向DC/DC变流器电压参考值随之改变，经过0.5 s的最大功率寻找过程，在t=3.5 s时光伏输出最大功率值。在t=6 s时设定温度从原来的25 ℃突变为35 ℃，由于温度的升高，使得光伏输出功率有所下降，电压在0.3 s后趋于稳定，在t=6.3 s时功率输出其最大值。

3.2 有无虚拟同步电机控制时仿真对比

图11 有无虚拟同步电机控制时仿真对比图

图11为有无虚拟同步电机控制下的仿真对比图。仿真过程中，光伏系统均在额定温度25 ℃，以及额定光照1 000 W/m2情况下运行，其输出额定功率为5 623 W。图11中实线部分为未加入虚拟同步电机控制时，仅在下垂控制作用下的仿真图；虚线部分为加入虚拟同步电机控制后仿真图。从图中可以看出，仿真开始时，负荷功率为7 kW，此时光伏系统发出最大功率的同时，蓄电池发出1.377 kW功率用于弥补系统中功率的差额。在t=2 s时，负荷突然增加至10 kW，蓄电池发出额外的3 kW功率用于弥补功率的缺额。在t=2 s时，由于瞬时功率的差额，使得直流侧电压瞬间下降，光伏所发功率也因电压的变化瞬间下降，后又在最大功率跟踪控制作用下，光伏重新发出最大功率值。在未加入虚拟同步电机作用下，负荷频率在下垂控制作用下，很快趋于稳定值，在加入虚拟同步电机控制时，负荷频率缓慢趋于稳定值，这使得在系统受到扰动时，较大地提高了频率的稳定性，系统的抗干扰能力大大增强。另外，从图中可以看出，有无虚拟同步电机的控制对直流侧电压几乎没有影响，对光伏的最大功率跟踪也没有影响。

图12为无功电压仿真图，仿真初始条件同上。从图中可以看出，仿真开始时，所需无功功率为零，交流侧母线电压值为220 V，在t=4 s时，无功功率由0增加到1 kVar，在无功-电压下垂控制的作用下，并网逆变器输出的无功功率增加，交流母线的电压下降。

图12 无功电压仿真图

3.3 负荷波动时系统仿真

图13为负荷波动时系统仿真图。仿真中负荷间性波动，从图中可以看出，在没有加入虚拟同步电机控制时，频率波动较为剧烈，频率质量较差，加入虚拟同步电机控制后，频率波动幅度大幅度降低，有效地改善了频率质量。

图13 负荷波动时系统仿真图

4 结论

(1)通过粗调以及细调调节蓄电池侧DC/DC变流器电压参考值，使得光伏阵列输出其功率最大值。

(2)DC/AC逆变器一方面通过无功电压下垂控制直接调节逆变器输出电压值。另一方面将有功频率下垂控制作为其调频器调节频率，并结合同步电机的转子运动方程，使逆变器模拟同步电机具有惯性响应的功能。

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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。

青海省光伏发电并网技术重点实验室资助项目(2014-Z-Y34A)。

蔡杰(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电技术，E-mail：554889777@qq.com。

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.001