CN102738827A - 一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，其主要技术特点是：采用电网电压直接前馈控制策略，控制逆变器输出电压，通过对电网电压的瞬时值检测，判断是否发生电网电压跌落故障，当电网电压在正常值范围时，采用电网电压平均值直接前馈；当检测到电网电压跌落后，采用电网电压瞬时值直接前馈控制策略。本发明设计合理，解决了电网电压跌落初始并网光伏逆变器输出过流问题，使并网光伏逆变器实现低电压安全穿越。

Description

一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及三相并网光伏逆变器的低电压穿越技术。
背景技术
光伏发电系统所发出的电能随太阳光照强度变化而变化，除非配备储能系统，一般不能提供持续稳定的电能。随着近年来光伏发电产业的快速发展，尤其是大规模光伏并网电站的大量投入使用，对电网运行的稳定性构成了一定问题，特别是在电网出现低电压跌落情况下，如果许多这类电源出现集体瞬间脱网，将加剧电网振荡，甚至导致电网崩溃的重大事故。因此，许多国家对大功率光伏并网发电系统的低电压穿越LVRT（Low Voltage Ride Through）能力提出强制标准。其对并网逆变器的LVRT能力要求是：在电网电压跌落处于一定范围内，逆变器必须保持和电网的连接，并尽可能向电网提供超前无功功率支持。
电网电压的跌落包括单相跌落、两相跌落、三相对称和不对称跌落，其中三相对称电压跌落出现的概率较小。非对称电压跌落（即除三相对称电压跌落之外的其它电压跌落）使得电网电压中出现较大负序分量。
目前，针对电网电压多数跌落过程含有负序分量的情况，通常采用双同步旋转坐标系控制，即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，并分别对正、负序电流进行前馈解耦控制，如图2所示。该控制方法采用电网的正序和负序电压作为调节器的前馈，在数字信号处理器DSP进行运算的过程中，由于采样及运算带来2个采样周期的控制延迟，通过角度补偿的办法可以在稳态较好跟踪电网电压，实现电网电压前馈解耦控制；而在电网电压幅值发生快速变化（例如跌落）时，上述的2个采样周期延迟使得前馈电压滞后于实际电压，电流调节器本来可以在发生电网电压跌落的第2个周期起到一定调节作用，但一般情况下按负载模型设计的电流调节器比例比较小，主要依靠电压前馈解耦控制。综上所述，该方案仅采用带负序的解耦控制方法，只能解决电网电压跌落后的平台期（即电压幅值变化率相对小一些的区域）的电流控制，在较大电压跌落情况下逆变器仍可能因初始较大过电流而脱网。
此外，由于电网电压跌落多为三相非对称，电网电压在同步旋转坐标系下直流信号（包括正序和负序分量）中存在二次谐波分量，一方面产生的二次谐波难于彻底滤除，另一方面滤波（包括一阶惯性滤波、二阶滤波、陷波滤波、延时滤波等）均使前馈电压信号产生滞后，不仅使初始响应滞后，还使得即使在电网电压处于跌落的稳态时三相电流幅值仍可能有较大脉动。
因此，需要研究有效的控制方法，防止逆变器在电网电压跌落过程过流，才能实现并网逆变器低电压安全穿越。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，以解决现有三相并网光伏逆变器所采用的常规控制策略在电压跌落过程易使逆变器过流保护动作而脱网的问题，实现并网光伏逆变器低电压安全穿越。
一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，包括以下步骤：
⑴大规模门阵列FPGA实时采集三相并网光伏逆变器主回路的电网电压信号，并将采集的逆变器输出电流、直流电压和直流电流平均值信号传送到数字信号处理器DSP；
⑵数字信号处理器DSP接收大规模门阵列FPGA发出的输出电流、直流电压和直流电流平均值信号后进行系统调节运算，得到三相给定电压调节信号并传送到大规模门阵列FPGA内的电压给定前馈控制模块；
⑶大规模门阵列FPGA根据电网电压瞬时值判断是否发生电网电压跌落，在当电网电压正常时，将电网电压实际值信号平均值经滞后补偿后直接作为电压给定前馈控制信号；在发生电网电压跌落故障时，采用电网电压的瞬时值替换平均值作为电压给定前馈控制信号；该前馈控制信号与三相给定电压调节信号合成后通过脉宽调制PWM控制模块输出至逆变器对其进行控制。
而且，所述的大规模门阵列FPGA采用平均值和瞬时值两种方式对三相并网光伏逆变器主回路的电网电压信号进行采集。
而且，所述平均值采用的采样周期与脉宽调制PWM周期同步，所述瞬时值采用的采样周期为数微秒。
而且，所述的大规模门阵列FPGA判断是否发生电网电压跌落是根据电网电压瞬时值信号进行的。
本发明的优点和积极效果是：
1、本控制方法采用电网电压直接前馈控制方式实现并网光伏逆变器低电压安全穿越功能，在电网发生低电压故障时，可快速并准确的判断出当前电网进入低电压故障状态。
2、本控制方法采用电网电压直接前馈控制方式，在电网发生低电压故障时，可有效抑制LVRT过程中、特别是初始和结束时逆变器输出过电流，防止逆变器脱网。
3、本控制方法采用电网电压直接前馈控制方式，有效地避免了对电网电压在d-q轴同步旋转坐标系下电压电流信号中二次谐波的滤波产生的响应滞后问题，解决了LVRT稳态控制问题，也同时提高了逆变器在正常运行时的动态响应，可广泛用于目前主流的三相并网光伏逆变器拓扑方案，如两电平拓扑、三电平拓扑、以及它们的并联拓扑、等等。
附图说明
图1是本发明所使用的三相并网光伏逆变器电气控制系统（示例）原理框图；
图2是现有的三相并网光伏逆变器电气控制系统（示例）原理框图；
图3是采用本发明在模拟电网发生单相电压跌落的LVRT试验时，逆变器输出电流及电网电压波形，其中通道1、2和3分别为电网三相电压波形，通道4、5和6分别为逆变器输出三相电流波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明举例详细说明实施方法，但对一些公知方法（例如平均值采样及其滞后补偿、锁相环PLL、脉宽调制PWM控制、矢量变换、最大功率点追踪MPPT、闭环PI调节、限幅、等等）不做详细说明。
一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法示例之一，是在如图1所示的三相并网光伏逆变器电气控制系统上实现的，该控制系统由三相并网光伏逆变器主回路和采用电网电压直接前馈控制方式的光伏逆变器控制器连接构成。
图1示例中三相并网光伏逆变器主回路包括三相变压器T1、三相滤波电容器C1、三相滤波电抗器L1、三相逆变器PB和直流Link电容C2，所述的三相变压器T1的原边与电网连接，三相变压器T1的副边与三相滤波电容器C1和三相滤波电抗器L1连接，三相滤波电抗器L1与三相逆变器PB交流侧连接，三相逆变器PB直流侧与直流Link电容C2连接，直流Link电容C2与光伏电池阵列PV连接。
所述的光伏逆变器控制器是采用数字信号处理器DSP和大规模门阵列FPGA为核心硬件构成。该光伏逆变器控制器对电网电压和电流、直流电压和电流分别进行信号采样，其中，采用平均值和瞬时值两种方式对电网电压信号进行采集，其平均值采样周期与脉宽调制PWM控制模块控制周期同步，用于电网电压正常情况下的前馈解耦控制；其瞬时值为数微妙级平均值（其它处与此解释相同，不再注释），用于电网低电压故障时的LVRT控制。
大规模门阵列FPGA其控制任务由电网电压信号的平均值采样模块A1、瞬时值采样模块A2、输出电流信号的平均值采样模块A3、直流电压的平均值采样模块A4、直流电流的平均值采样模块A5、锁相环PLL运算模块A6、电网电压跌落判断及LVRT控制模块A7、平均值采样滞后补偿模块A8、电网电压前馈控制模块A9、脉宽调制PWM控制模块A10等软件功能模块实现，完成实际值信号采集、锁相环PLL、电网电压跌落判断、电网电压前馈计算、脉宽调制PWM控制任务，接收数字信号处理器DSP输出的三相给定电压调节信号，发送逆变器三相输出电流、直流电压、直流电流等平均值信号到数字信号处理器DSP。
数字信号处理器DSP其控制任务由输出电流矢量变换模块B1、最大功率点追踪MPPT模块B2、直流电压闭环调节模块B3、无功功率控制模块B4、正序直流电流调节模块B5、负序直流电流调节模块B6、正序电压给定调节矢量变换模块B7、负序电压给定调节矢量变换模块B8等软件功能模块实现，接收大规模门阵列FPGA发送的逆变器三相输出电流、直流电压、直流电流等平均值信号，完成控制系统的闭环调节运算，并将三相给定电压调节信号发送到大规模门阵列FPGA中。
定义正序同步旋转坐标系的d轴与正序电网电压矢量重合，则稳态正序q轴电压为0。
A1、A3~A5分别计算电网电压、输出电流、直流电压和直流电流在1个PWM控制周期的平均值；A2计算电网电压瞬时值。
锁相环A6计算正序d轴电压Ud +、负序d轴电压Ud –和q轴电压Uq –、以及正序电压矢量角和负序电压矢量角
Figure BDA00001790070200052
A7通过对电网电压瞬时值幅值的检测，可及时判断电网电压的跌落。当检测到电网电压跌落故障时，A7发出控制指令至A9，使前馈电压由正常运行时的平均值切换到瞬时值。
A8对正常运行时的前馈电压（1个PWM控制周期的平均值）进行采样滞后的补偿。
B1将三相输出电流经正序和负序矢量变换，分别得到正序电流d轴分量
Figure BDA00001790070200053
和q轴分量
Figure BDA00001790070200054
负序电流d轴分量
Figure BDA00001790070200055
和q轴分量
Figure BDA00001790070200056
B2实现最大功率点追踪，输出直流电压给定Udc ＊。
B3是具有限幅输出的PI调节器，闭环调节直流电压。
B4是具有限幅输出的PI调节器，闭环调节无功功率。
B5调节正序电流d轴分量和q轴分量，并对网侧滤波器（由L1、C1及T1漏感构成）压降进行补偿。
B6调节负序电流d轴分量和q轴分量，并对网侧滤波器压降进行补偿。
B7对B5输出进行矢量变换，将d-q轴分量转换为a-b-c轴分量，得到三相正序电压给定调节变量
Figure BDA00001790070200057
B8对B6输出进行矢量变换，将d-q轴分量转换为a-b-c轴分量，得到三相负序电压给定调节变量
Figure BDA00001790070200058
与
Figure BDA000017900702000510
相加后得到三相电压给定调节变量ΔUabc ＊。
将ΔUabc ＊输出到FPGA中的A9，与电网电压前馈信号叠加，得到三相给定电压Uabc ＊。Uabc ＊送到A10，经脉宽调制PWM控制模块运算，形成6路触发脉冲，输出至逆变器，对两电平逆变器的6个IGBT元件进行控制。
下面本发明的控制方法进行详细说明：
一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，包括以下步骤：
⑴大规模门阵列FPGA实时采集三相并网光伏逆变器主回路的电网电压信号，并将采集的逆变器输出电流、直流电压和直流电流平均值信号传送到数字信号处理器DSP；
⑵数字信号处理器DSP接收大规模门阵列FPGA发出的输出电流、直流电压和直流电流平均值信号后，进行如下的系统调节运算：电流信号矢量变换、最大功率点追踪MPPT、直流电压闭环调节、无功功率调节、正序d-q轴电流闭环调节、负序d-q轴电流闭环调节和给定电压调节的矢量变换，得到三相给定电压调节信号并传送到大规模门阵列FPGA内的电压给定前馈控制模块；
⑶大规模门阵列FPGA根据电网电压瞬时值信号判断是否发生电网电压跌落，在当电网电压正常时，将电网电压实际值信号平均值经滞后补偿后直接作为电压给定前馈控制信号；在发生电网电压跌落故障时，采用电网电压的瞬时值替换平均值作为电压给定前馈控制信号；该前馈控制信号与三相给定电压调节信号合成后通过脉宽调制PWM控制模块输出至逆变器对其进行控制。
FPGA通过对电网电压瞬时值幅值的检测，可及时判断电网电压的跌落。通过检测负序电压分量的幅值判断是否发生电网电压不对称跌落故障。
为解决电网电压跌落的初始瞬间电压前馈滞后的问题，本发明提出了一种电网电压直接前馈控制策略：其一是将电网电压实际值信号平均值（1个PWM采样周期）经滞后补偿后直接作为电压给定前馈；其二是在发生电网电压跌落故障时，采用电网电压的瞬时值替换平均值作为前馈进行控制。前者解决LVRT稳态控制，并提高逆变器的动态响应；后者解决LVRT开始瞬间的过流抑制。
常规的电压给定前馈采用PLL分解出的直流分量，与电流调节器输出及交流电抗压降叠加后，经矢量变换后作为给定电压输出（参见图2），这需要进行2个采样周期的滞后补偿。电网电压正常稳态运行时没有问题，而一旦电网电压出现波动或负序，由于前馈电压的滞后以及偶次谐波滤波的滞后，电流就会产生较大动态脉动。
采用上述控制策略一，在不降低电压信号采样精度前提下，使前馈电压的滞后由2个采样周期缩短为1个，且避免了对电网电压在同步旋转坐标系下直流信号中二次谐波的滤波产生的响应滞后问题，解决了LVRT稳态控制问题，也同时提高了逆变器在正常运行时的动态响应。
仅仅采用上述控制策略一，还有1个采样周期滞后，仍会造成LVRT初始产生过流。为此加入上述控制策略二，当检测到电网电压跌落，立即将前馈电压由平均值切换到瞬时值。这时可能有4种情况：
1、如果电网电压跌落处于PWM前半周，对任意一相，这时如果PWM脉冲尚未发出，则可以按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲前沿，该相电压给定基本适应电网电压跌落，对电网电压跌落的响应没有滞后；
2、如果电网电压跌落处于PWM前半周，对任意一相，这时如果PWM脉冲已经发出，则可以在PWM后半周按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲后沿，该相电压给定对电网电压跌落的响应滞后约半周期；
3、如果电网电压跌落处于PWM后半周，对任意一相，这时如果PWM脉冲尚未发出，则可以按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲后沿，该相电压给定基本适应电网电压跌落，对电网电压跌落的响应没有滞后；
4、如果电网电压跌落处于PWM后半周，对任意一相，这时如果PWM脉冲已经发出，则可以在下一个PWM前半周按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲前沿，该相电压给定对电网电压跌落的响应滞后约半周期。
从上述4种情况看，在电网电压跌落时采用电网电压瞬时值直接前馈，其对电网电压跌落的最短响应时间为数微秒，最长响应时间小于1个PWM周期，因此可以有效抑制LVRT初始瞬间逆变器输出电流过流。
在电网电压跌落基本达到稳定状态后，仍采用平均值作为前馈解耦控制，以使电压前馈解耦精度更高。
图3给出了采用本方法在模拟电网发生单相电压跌落的LVRT试验时，逆变器输出电流及电网电压波形，其中通道1、2和3分别为电网三相电压波形，通道4、5和6分别为逆变器输出三相电流波形。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴大规模门阵列FPGA实时采集三相并网光伏逆变器主回路的电网电压信号，并将采集的逆变器输出电流、直流电压和直流电流平均值信号传送到数字信号处理器DSP；
⑵数字信号处理器DSP接收大规模门阵列FPGA发出的输出电流、直流电压和直流电流平均值信号后，进行系统调节运算，得到三相给定电压调节信号并传送到大规模门阵列FPGA内的电压给定前馈控制模块；
⑶大规模门阵列FPGA根据电网电压瞬时值判断是否发生电网电压跌落，在当电网电压正常时，将电网电压实际值信号平均值经滞后补偿后直接作为电压给定前馈控制信号；在发生电网电压跌落故障时，采用电网电压的瞬时值替换平均值作为电压给定前馈控制信号；该前馈控制信号与三相给定电压调节信号合成后通过脉宽调制PWM控制模块输出至逆变器对其进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，其特征在于：所述的大规模门阵列FPGA采用平均值和瞬时值两种方式对三相并网光伏逆变器主回路的电网电压信号进行采集。
3.根据权利要求2所述的用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，其特征在于：所述平均值采用的采样周期与脉宽调制PWM周期同步，所述瞬时值采用的采样周期为数微秒。
4.根据权利要求1所述的用于三相并网光伏逆变器的低电压穿越控制方法，其特征在于：所述的大规模门阵列FPGA判断是否发生电网电压跌落是根据电网电压瞬时值信号进行的。
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