基于VSG的光伏发电与混合储能的控制方法_杨萍.pdf

第39卷 第2期2023年2月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.2Feb.2023清洁能源Clean Energy基金项目：国家自然科学基金项目（51867007）。Project Supported by the National Natural Science Foundation ofChina（51867007）.ABSTRACT：In response to the problems of stochasticity ofphotovoltaic power generation and inability to provide inertialsustain for the system，this paper studies the control strategy forphotovoltaic hybrid energy storage based on virtual synchronousgenerator（VSG）.In order to suppress power fluctuations andhavegoodsystemresponse，thegridconnectionofthephotovoltaic energy storage side inverter is first realized basedon VSG control，which enables the frequency and voltage of thesystem to be regulated autonomously.Next，to prolong thelifetime of energy storage cell and solve the problem of capacitydemand，an improved two-stage low-pass filtering method isadopted to achieve power allocation for hybrid energy storage.Atthe same time，to keep the stability of the system DC busvoltage，adaptive fuzzy PI control is adopted to achieve dualclosed-loop control of voltage outer loop and current inner loop.Finally，simulation experiments are performedto verify theeffectiveness and accuracy of the proposed control method.KEY WORDS：virtual synchronous generator；hybrid energystorage；adaptive fuzzy PI；power distribution摘要：针对光伏发电的随机性和无法给系统提供惯性支持的问题，研究了基于虚拟同步发电机（virtual synchronousgenerator，VSG）的光伏混合储能的控制策略。为了抑制功率的波动和有较好的系统响应能力，首先通过基于 VSG 控制来实现光伏储能侧逆变器的并网，从而能自主地调节系统的频率和电压。其次为了能延长储能电池的寿命和解决容量需求的问题，采用了改进的二级低通滤波法来实现混合储能的功率分配。同时为了保持系统直流母线电压的稳定性，通过使用自适应模糊 PI 控制来实现电压外环和电流内环的双闭环控制。最后通过仿真实验来检验所提控制策略的有效性和准确性。关键词：虚拟同步发电机；混合储能；自适应模糊 PI；功率分配近年以来，随着大量的可再生能源组成的分布式电源得到了迅猛的发展，光伏储能这类新能源并网的数目也在逐渐增长，给电网的正常运转带来了太多的问题1-2。采用传统的电力电子变流器的并网，通过矢量控制的变流器输出功率与系统频率解耦，使并网的分布式电源不具有同步发电机一样的惯量特性和阻尼特性3。而虚拟同步机通过模拟同步发电机的运行机理和外特性4-5，由此具有和同步发电机一样的特性。因此有研究提出 VSG 并网控制策略以实现对并网逆变器的控制6。VSG 并网技术的提出受到了学者的大量关注，研究者对 VSG 的基本原理和未来的应用场景等多个方向进行了研究探讨7-10。通过对 VSG 的稳定性进行了分析，对 VSG在运行过程的约束条件进行相应的参数设计11-12。文献13实现了微电网在运行过程中能够自主地调节电网的电压和频率。但是以上的研究都未能深入地探讨微电网并网功率波动的问题。由此就出现了通过储能单元来平衡微电网的功率波动，使得电网在运行过程中具有较强的抗干扰能力14。文献15通过储蓄电池来平衡光伏发电的输出功率的波动，但是并没有考虑储蓄电池的寿命，过度充电和放电都会影响电池的使用寿命。为此有学者提出了用蓄电池和超级电容的优势互补来实现系统的混合储能16-18。文献19采文章编号：1674-3814（2023）02-0083-09中图分类号：TM761文献标志码：A基于VSG的光伏发电与混合储能的控制方法杨萍，陈卓，罗婷，朱家文，刘柏霖，陈湘萍（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳550025）A Control Method of Photovoltaic Power Generation andHybrid Energy Storage Based on VSGYANG Ping，CHEN Zhuo，LUO Ting，ZHU Jiawen，LIU Bolin，CHEN Xiangping（School of Electrical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China）清洁能源Clean Energy取二级低通滤波法来进行不同频率的能量的分配，以此来解决单一储能的局限性。然而却未能探讨到蓄电池和超级电容的容量需求。基于上述的研究，本文采用改进的二级低通滤波法来控制蓄电池和超级电容的剩下的电量，根据各自的荷电量来调节各自的电流输出值，以此来降低各自对于容量的需求，从而实现混合储能系统的经济性和实用性。与此同时，为了维持母线电压的稳定性，本文使用自适应模糊 PI 控制20-23，来实现电压外环电流内环的双闭环控制，最后用 VSG 控制方法来完成光-储发电的并网。1光-储发电系统网侧逆变器控制策略1.1系统结构建立的光-储发电系统结构如图 1 所示。本系统采用了交直流混合微电网结构，光伏模块作为分布式电源经过 DC/DC 变流器并入直流母线电压上。储能模块通过使用蓄电池和超级电容的相互配合来形成混合储能，采取双向 DC/DC 变流器模块来完成能量的相互交换与存储，同时对直流侧的母线电压起到稳定的作用，使系统能更加平稳的工作。交流侧连接的是负荷与电网，DC/AC 变流器是微网并网十分关键的控制器，因此，将光-储系统和逆变器近似等于同步发电机，本文采用 VSG 控制策略来完成并网。图1光-储发电系统结构图Fig.1Structure diagram of the photovoltaic-storagepower generation system1.2VSG控制原理图 2 为虚拟同步发电机结构以及控制框图。图 2 中：Vdc为变流器的直流侧电压；Uabc和 Iabc分别为 VSG 经滤波而输出的三相电压和电流；S1和 S2分别为并网开关和负载连接开关；U 为 VSG 输出的实际电压；RMS 环节为求出实际电压 U 的有效值；和n分别为 VSG 的转子输出角频率和额定转子角频率；为与n的角频率偏差；为虚拟内电势相角；uref为生成的参考电压。图2VSG结构以及控制框图Fig.2VSG structure and control block diagramVSG 是在控制中加入传统同步发电机的二阶模型，以此来构成 VSG 的转子运动方程，如式（1）所示，此式体现了 VSG 的惯量与阻尼特征。|=ddtPmn-Pen-D(-n)=Jddt（1）式中：J 为虚拟转动惯量；D 为阻尼系数；Pm为虚拟机械功率；Pe为 VSG 的输出有功功率。VSG 通过对同步发电机的有功-频率和无功-电压下垂特征进行模仿，以此让变流器在并网模式下具备一次调频与一次调压的性能，其表达式如下：Pm-Pref=-Kp(-n)Qref-Qm=-Dq()UN-U（2）式中：Pref和 Qref分别为 VSG 设定的有功和无功功率；Qm为 VSG 无功功率指令；UN为额定电压；Kp和Dq分别为 VSG 的有功下垂系数与无功下垂系数。从图 2 中的无功功率控制环节的结构框图可以得出其虚拟电动势Em表示为Em=UN+1k()Qref-Qe+Dq()UN-U dt（3）式中：Qe为 VSG 输出的无功功率；1/k 为无功功率积分系数；表示积分函数，对应图 2 中的 1/s。为了减少 VSG 中输出有功与无功功率的高频杨萍，等：基于VSG的光伏发电与混合储能的控制方法Vol.39No.284第39卷第2期电网与清洁能源清洁能源Clean Energy脉冲分量的影响，分别使用低通滤波器对其有功与无功功率进行滤波处理，得到的基波分量虚拟励磁功率 Pe和基波分量无功功率 Qe分别为|Pe=cc+s(uaia+ubib+ucic)Qe=cc+s(ua-ub)ic+(ub-uc)ia+(uc-ua)ib（4）式中：c为低通滤波器的截止角频率。1.3VSG稳定性分析以及参数整定VSG 并网电路框图如图 3 所示。定义变流器输出的电压相量为 E；电网电压相量为 Ug0。图3VSG并网电路框图Fig.3Block diagram of VSG grid-connected circuit根据图 3 中 VSG 并网电路能得出 VSG 输出功率的公式为|P=UgEXsin=KsinQ=UgX(Ecos-Ug)（5）式中：P 表示有功功率；Q 表示无功功率；X 表示线路等效电抗；K 定义为同步电压系数。当并网电压处于稳定时，能获取有功-频率调节控制框图，如图4 所示。图4有功-频率调节控制框图Fig.4Active-frequency regulation control block diagramVSG 处于并网工作状态时，其输出的有功功率小信号分析模型的闭环传递函数为G(s)=Pe(s)Pref(s)=1JnKs2+(DJ+KpJn)s+1JnK（6）本文采用忽略线路的阻抗影响，令 VSG 输出的阻抗呈现感性，由此可以得出式（7）中二阶数学模型的无阻尼自然振荡角频率0和阻尼比分别为|0=1JnK=D21JnK+Kp21JnK（7）式中:K=UgE/X。在这里通过使用二阶系统理论分析，能使系统具有较好的动态系统响应，在较为理想的欠阻尼状态下进行分析，即 01。所以在2%下的允许误差与之对应的调节时间 ts和超调量分别为|ts=40=e-1-2100%（8）根据式（6）能得到其特征方程为s2+|DJ+KpJns+UgEJnX=0（9）可以得到不同的 J 和 D 的根轨迹如图 5 和图 6所示。由图 5 能得出，当阻尼系数 D 和有功下垂系数 Kp一定时，惯性常数 J 越大，系统的特征根就会向虚轴接近，且从式（7）可知阻尼比会越小，从式（8）可以得出超调量也会随之变大，调节时间 ts同样也会越长，从而造成系统的振荡增大，稳定性与之对应地变差。图5J变化时参数根轨迹Fig.5Parameter root trajectory when J changes由图 6 可知，当惯性常数 J 和有功下垂系数 Kp一定时，阻尼系数 D 越大，系统的特征根就会远离虚轴，向实轴靠近，同样从式（7）和式（8）可知，超调量会越小，调节时间ts会越少，由此会使系统振荡变小，稳