CN102324865A - 一种光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，该方法包括：用基于数字延迟信号对消算法的软件锁相环算法取代了硬件锁相环，即使在电网不平衡情况下也能迅速准确地实现锁相，采用全局最大功率跟踪算法快速准确地搜索到光伏阵列的全局最大功率点，避免了无谓的功率扰动和损失。采用基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，使变流器具有很好的电网电压异常穿越能力，反应速度快、可靠性高，对于不同大小冲击负载或短路，均能够有效地限制输出电流。采用空间矢量脉宽调制方式，适合于数字化控制系统，且可以根据输入信号计算出三相变流器有效开关矢量的占空比，从而有效地对变流器开关进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电设备的控制方法，特别涉及一种光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。
背景技术
太阳能分布广泛，易于为人们利用，太阳能光伏发电这一清洁、环保、可再生的新型发电方式与核电、风电及水电相比，有不可替代的独到优势，正成为能源结构中重要的替代能源，得到了全球各国的广泛重视。太阳能光伏并网变流器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大主要任务。对于光伏并网发电变流器来说，它需要实现如下几个功能：
(1)全局最大功率跟踪能力。目前的公开发表的最大功率点跟踪算法(MPPT)，基本都假设光伏发电系统中太阳能电池板的输出功率和输出电压的关系只有一个极大值点，也就是最大功率点，而实际上太阳能电池板由于制造、阴影、气象条件、布置位置等原因必定会出现多个极大值点，这就必须要求搜索算法避免陷入局部功率最大值点(LMPP)，减少额外的功率损失。
(2)快速、可靠的防孤岛能力。目前，孤岛检测技术主要分为被动式孤岛检测技术和主动检测技术。被动式孤岛检测容易漏检，而主动式孤岛检测则又会对电网造成扰动，如何兼顾孤岛检测的全面性和对电力系统的扰动最小，成为摆在光伏发电变流器设计人员面前的一大难题。
(3)采用先进的控制技术，抑制谐波，提高效率，降低成本，同时可灵活调节系统的有功和无功功率。变流器的效率是决定其性能的一个重要因素，为进一步提高效率，可在有功功率与无功功率调节、电抗与电容的选取，功率管开关频率的大小，交流侧输出的最低谐波次数等方面进行设计优化。目前要求单级变换的光伏并网变流器在额定负载时的变换效率不能低于97％。
(4)具有在电网短时异常时的安全穿越能力。电网尤其是低压电网在运行过程中不可避免的会受到各种干扰，导致其电压、频率等出现波动。作为并网型光伏发电变流器，既要在电网出现长期异常时进行保护，又要尽可能提高变流器承受电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度，避免频繁的保护，即要求变流器具有安全穿越能力，并且能合理区分电网长期异常与短时异常过程。
(5)提供标准、可靠的通讯方式及友好的人机接口界面，监控电网及变流器自身的状态，可提供远程操作与监控接口。
发明内容
本发明目的在于提出一种简单、可靠、高效、低成本的光伏发电系统中三相变流器的控制方法。
一种光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在光伏并网发电系统中的三相变流器，对电网的三相电压Ua，Ub，Uc通过采用基于数字延迟信号对消算法的软件锁相环实时锁定电网频率f和正序相角θ；
2)对电网正序相角θ进行dq坐标变换得到三相电网电压和变流器桥臂电感电流的d、q轴分量Usd、Usq、Icd、Icq；
3)在直流侧采用全局最大功率跟踪算法和直流母线电压控制算法得到变流器桥臂电感电流的d轴分量参考Icdref；
4)结合变流器无功控制要求和基于无功电流正反馈的孤岛检测算法得到变流器桥臂电感电流的q轴分量参考Icqref；
5)在旋转坐标系下对变流器桥臂电感电流的d、q轴分量分别进行解耦控制，再与变流器输出LCL滤波器中电容电压的d、q轴分量Ufd、Ufq相叠加，获得变流器参考输出电压矢量；
6)将解耦所得的参考输出电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号；
7)将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中功率半导体器件，生成相应的电压。
进一步地，所述步骤1)中通过采样得到电网的三相电压Ua，Ub，Uc，再由数字信号处理器采用数字延迟信号对消算法得到电网电压的正、负序d、q分量，然后将电网电压正序q轴分量作为软件锁相环PI调节器的反馈输入，通过PI算法控制电网电压正序q轴分量为0来输出变流器跟踪电网频率f的调整量，从而实时锁定电网频率f和正序相角θ。
进一步地，所述步骤3)中直流母线电压控制算法为虚拟阻尼控制方法；电流控制算法采用变流器桥臂电感电流控制算法。
进一步地，所述步骤3)中采用了将改进的全局扫描法、变步长搜索法和局部阴影识别相结合的自适应最大功率跟踪方法，通过扫描标志Scanflag、最大功率跟踪标志MPP_flag、上次最大功率跟踪标志MPP_oldflag、局部阴影识别标志PSflag的有效利用，再辅以定时局部阴影识别，确保系统运行至光伏阵列的全局最大功率点。
进一步地，LCL滤波器中电容电压的d、q轴分量Ufd、Ufq由检测电网电压d、q轴分量通过以下表达式来获得：
Ufd＝Usd+ω·Lg·Icq-Rg·Icd+ω·Rg·Cf·Ufq
Ufq＝Usq-ω·Lg·Icd-Rg·Icq-ω·Rg·Cf·Ufd
其中ω为电网电压角频率，Lg为LCL滤波器的网侧电感值，Rg为LCL滤波器的网侧电感等效串联电阻值，Cf为LCL滤波器的滤波电容值。
进一步地，所述变流器控制器所述变流器控制器采用了基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，从而使变流器具有很好的电网电压短时异常穿越能力。首先在电流环中对桥臂电感的参考电流大小进行限幅，避免在启动或负载投切时对电网和变流器造成冲击；同时针对可能存在的电网短路故障，为避免短路电流上升速度超过电流调节器的反应速度而使变流器保护停机，采用了电流瞬时值硬件滞环限流控制。它利用了变流器主电路处于续流状态时输出电流自然减小的特点，当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值IH1后，立即封锁PWM信号，强迫电流进入续流状态，使输出电流减小；当输出电流减小到低于限流值的某一设定值IHL后，撤销封锁信号，让电路中的原有的控制信号正常发挥作用；而当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值IH2后，立即永久封锁PWM信号，同时使变流器进入故障保护停机状态，其中，IH2＞IH1＞IHL。
进一步地，所述步骤6)中脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1.用基于数字延迟信号对消算法(DSC)的软件锁相环(SPLL)算法取代了硬件锁相环，即使在电网不平衡情况下也能迅速准确地实现锁相，在系统响应速度上也变的更快，并且编程灵活、无需修改硬件。
2.采用了基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，从而使变流器具有很好的电网电压异常穿越能力。反应速度快、可靠性高，对于不同大小冲击负载或短路，均能够有效地限制输出电流。
3.采用空间矢量脉宽调制方式，适合于数字化控制系统，且可以根据输入信号计算出三相变流器有效开关矢量的占空比，从而有效地对变流器开关进行控制。
附图说明
图1为单级式光伏发电系统示意图；
图2为变流器控制方法的流程图；
图3为全局最大功率跟踪算法的流程图。
图1中，1-光伏阵列，2-三相变流器，3-LCL滤波器，4-变压器，5-电网。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
如图2所示为光伏发电系统中三相变流器的控制方法的流程图，包括以下步骤：
1)在光伏变流器中，通过采样得到电网的三相电压Ua，Ub，Uc，再由数字信号处理器(DSP)采用数字延迟信号对消算法(DSC)得到电网电压的正、负序d、q分量，然后将电网电压正序q轴分量作为软件锁相环(SPLL)PI调节器的反馈输入，通过PI算法控制电网电压正序q轴分量为0来输出变流器跟踪电网频率f的调整量，从而实时锁定电网频率f和正序相角θ。
2)根据电网正序相角θ进行dq坐标变换得到三相电网电压和变流器桥臂电感电流的d、q轴分量Usd、Usq、Icd、Icq。
3)在直流侧采用一种全局最大功率跟踪算法(GMPPT)来实时给定直流母线电压参考，再通过直流母线电压PI控制算法得到变流器桥臂电感电流的d轴分量参考Icdref，所述全局最大功率跟踪算法如图3所示，采用了将改进的全局扫描法、变步长搜索法和局部阴影识别相结合的自适应最大功率跟踪方法，通过扫描标志Scanflag、最大功率跟踪标志MPP_flag、上次最大功率跟踪标志MPP_oldflag、局部阴影识别标志PSflag的有效利用，再辅以定时局部阴影识别，可确保在环境情况变化剧烈时系统也能快速、平滑地运行至光伏阵列的全局最大功率点。上述直流母线电压控制算法采用了虚拟阻尼控制方法，以增强系统稳定性，所用到的LCL滤波器中电容电压的d、q轴分量Ufd、Ufq由检测电网电压d、q轴分量通过以下表达式来获得：
Ufd＝Usd+ω·Lg·Icq-Rg·Icd+ω·Rg·Cf·Ufq
Ufq＝Usq-ω·Lg·Icd-Rg·Icq-ω·Rg·Cf·Ufd
其中ω为电网电压角频率，Lg为LCL滤波器的网侧电感值，Rg为LCL滤波器的网侧电感等效串联电阻值，Cf为LCL滤波器的滤波电容值。
4)变流器并网电流的q轴分量参考Icqref通过以下步骤获得：
步骤(1)，在光伏并网三相变流器中，实时锁定电网频率f和正序相角θ；
步骤(2)，判断系统是否工作于并网发电状态，假如系统处于并网发电状态，即立即启动孤岛检测算法；
步骤(3)，在孤岛检测算法启动期间，实时检测端口电网电压的频率是否在正常的范围之内，即大于最小允许频率fmin且小于最大允许频率fmax；
步骤(4)，假如电网电压频率超过正常范围，则认为系统处于孤岛状态，系统保护停机；
步骤(5)，假如端口电压频率处于正常范围以内，则周期性的加入持续时间为td的无功电流扰动，该扰动量的大小根据上一个扰动周期结束时端口电压的频率与额定电网频率的偏差Δf来决定：
a)若该偏差在一定的范围之内，即大于最小允许频率偏差Δfmin且小于最大允许频率偏差Δfmax，则注入的无功电流扰动量为初始值-Iqp0；
b)若频率偏差超过上述范围，则引入正反馈，即本周期注入的无功电流扰动量的计算公式为：Iqdisturb＝-Iqp0-K·Δf，其中K为正反馈系数；
c)在循环周期剩余的时间内，撤销无功电流扰动的注入。
步骤(6)，将前述步骤得到的无功电流扰动Iqdisturb，与变流器无功控制给定Icqset相叠加，最终形成变流器并网电流的q轴分量参考Icqref。
5)在旋转坐标系下对所述变流器桥臂电感电流轴的两个直流分量分别进行解耦PI控制，根据预设参考电流轴直流分量Icdref，Icqref和实际电流轴直流分量与Icd，Icq间的误差通过PI调节器进行闭环控制，分别输出相应的电压调节输出量Usd_PI，Usq_PI，然后通过以下表达式来获得变流器输出电压参考矢量的轴分量Ucdref、Ucqref：
Ucdref＝-Usd_PI+Ufd+ω·Lm·Isq
Ucqref＝-Usq_PI+Ufq-ω·Lm·Isd
其中ω为电网电压角频率，Lm为变流器桥臂电感值；
6)再将得到参考电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号Sa、Sb、Sc。最后将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中功率半导体器件，生成相应的输出电压。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅仅在于，所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，且采用的调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。
DSP程序中的SVPWM(电压空间矢量)计算子模块根据求得的Ucdref，和Ucqref值来计算每相桥臂IGBT的相应导通时间，并将其写入DSP中相应的比较寄存器，由DSP生成六路相关PWM信号。最后经IGBT驱动电路转换为相应隔离的电平信号驱动IGBT工作，完成能量变换过程。
采用电压空间矢量脉宽调制方式，其优点在于：适合于数字化控制系统，且可以根据输入信号计算出变流器有效开关矢量的占空比，从而有效地对变流器开关进行控制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据设备的大小不同做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在光伏并网发电系统中的三相变流器，对电网的三相电压Ua，Ub，Uc通过采用基于数字延迟信号对消算法的软件锁相环实时锁定电网频率f和正序相角θ；
2)对电网正序相角θ进行dq坐标变换得到三相电网电压和变流器桥臂电感电流的d、q轴分量Usd、Usq、Icd、Icq；
3)在直流侧采用全局最大功率跟踪算法和直流母线电压控制算法得到变流器桥臂电感电流的d轴分量参考Icdref；
4)结合变流器无功控制要求和基于无功电流正反馈的孤岛检测算法得到变流器桥臂电感电流的q轴分量参考Icqref；
5)在旋转坐标系下对变流器桥臂电感电流的d、q轴分量分别进行解耦控制，再与变流器输出LCL滤波器中电容电压的d、q轴分量Ufd、Ufq相叠加，获得变流器参考输出电压矢量；
6)将解耦所得的参考输出电压矢量经过脉宽调制器，生成控制脉冲信号；
7)将所述控制脉冲信号经驱动电路，控制变流器中功率半导体器件，生成相应的电压。
2.根据权利要求1所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中通过采样得到电网的三相电压Ua，Ub，Uc，再由数字信号处理器采用数字延迟信号对消算法得到电网电压的正、负序d、q分量，然后将电网电压正序q轴分量作为软件锁相环PI调节器的反馈输入，通过PI算法控制电网电压正序q轴分量为0来输出变流器跟踪电网频率f的调整量，从而实时锁定电网频率f和正序相角θ。
3.根据权利要求1所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中直流母线电压控制算法为虚拟阻尼控制方法。
4.根据权利要求1所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中全局最大功率跟踪算法采用将改进的全局扫描法、变步长搜索法和局部阴影识别相结合的自适应最大功率跟踪方法，通过扫描标志Scanflag、最大功率跟踪标志MPP_flag、上次最大功率跟踪标志MPP_oldflag、局部阴影识别标志PSflag的有效利用，再辅以定时局部阴影识别，确保系统运行至光伏阵列的全局最大功率点。
5.根据权利要求1所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，变流器输出LCL滤波器中电容电压的d、q轴分量Ufd、Ufq由检测电网电压的d、q轴分量通过以下表达式来获得：
Ufd＝Usd+ω·Lg·Icq-Rg·Icd+ω·Rg·Cf·Ufq
Ufq＝Usq-ω·Lg·Icd-Rg·Icq-ω·Rg·Cf·Ufd
其中ω为电网电压角频率，Lg为LCL滤波器的网侧电感值，Rg为LCL滤波器的网侧电感等效串联电阻值，Cf为LCL滤波器的滤波电容值。
6.根据权利要求1所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述变流器控制器采用了基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，首先在电流环中对桥臂电感的参考电流Icdref、Icqref的大小进行限幅，然后采用电流瞬时值硬件滞环限流控制。
7.根据权利要求6所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：电流瞬时值硬件滞环限流控制用于独立解决电网短路故障，它包括以下步骤：当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值IH1后，立即封锁PWM信号，强迫电流进入续流状态，使输出电流减小；当输出电流减小到低于限流值的某一设定值IHL后，撤销封锁信号，让电路中的原有的控制信号正常发挥作用；而当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值IH2后，立即永久封锁PWM信号，同时使变流器进入故障保护停机状态，其中，IH2＞IH1＞IHL。
8.根据权利要求6所述光伏并网发电系统中三相变流器的控制方法，其特征在于：所述步骤6)中脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，其调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。
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