CN103066624A

CN103066624A - 一种光伏并网逆变器低电压穿越控制方法

Info

Publication number: CN103066624A
Application number: CN2013100224281A
Authority: CN
Inventors: 陈欢; 杨西全; 吴波
Original assignee: Sichuan Clou Energy Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Clou Energy Electric Co Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: CN103066624B

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，本发明涉及光伏并网发电领域。本发明技术要点：包括穿越过程中有功功率与无功功率分配的步骤及对于电流尖峰的消除和对逆变器的保护步骤。其中对逆变器的保护步骤包括：在电网处于电网电压跌落阶段或电网电压恢复阶段时，若检测到逆变器输出的三相电流中任意一相的平均电流值超过平均值门限值时，则切断逆变器PWM控制信号并持续半个PWM控制信号周期的时间后恢复逆变器的PWM控制信号；以及，若逆变器输出端的三相电流中任意一项电流的瞬时值超过瞬时值门限值时，断开逆变器与电网的连接；瞬时值门限值高于平均值门限值等。

Description

一种光伏并网逆变器低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及光伏并网发电领域，尤其是一种光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法。

背景技术

当前光伏发电已成为太阳能资源开发利用的重要形式，其中大型光伏电站的接入，将对电网的安全稳定运行产生深刻的影响，特别是在电网故障时光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态，带来更加严重的后果。因此，亟须开展大型光伏并网逆变器低电压穿越技术的研究，保障光伏电站接入后电网的安全稳定运行。

中国《光伏电站接入电力系统技术规定》中对光伏并网逆变器低电压穿越的要求为：在电网电压跌落处于一定范围内时，保持并网逆变器与电网的连接，并且逆变器不会损坏；电网电压恢复时，以至少30%额定功率每秒的功率变化率恢复至故障当前的值；电网电压跌落期间，并网逆变器应能够注入无功电流支撑电压恢复。

由上述要求可知，光伏并网逆变器低电压穿越的关键点在于电网电压跌落期间不损坏，并且保持并网逆变器与电网的连接，以及在此期间有功功率与无功功率的分配问题。这也是发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，不断检测逆变器输出端的三相电压及三相电流,并在电网电压跌落故障中的电网电压跌落阶段、电网低电压阶段及电网电压恢复阶段执行下步骤：

步骤1：判断电网状态，若电网进入电网电压跌落阶段，执行步骤2；否则，按照正常控制策略输出PWM控制信号控制逆变器向电网输出功率并重新执行步骤1；

步骤2：检测电网电压跌落深度，并根据电网电压跌落的深度计算无功功率及有功功率，并通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照前述的计算结果向电网输出无功功率及有功功率；然后执行步骤3；

步骤3：判断电网是否处于电网电压恢复阶段，若处于电网电压恢复阶段则执行步骤4，否则重新执行步骤2；

步骤4：将直流侧电压及光伏板最大功率点对应的电压之差进行电压环PI调节，将所述电压环PI调节得到的值与前馈合成产生的功率之差P作为有功功率给定，将

作为无功功率给定，其中P_额为额定总功率，通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照所述有功功率给定及无功功率给定输出有功功率及无功功率；然后执行步骤5；

步骤5：判断电网电压是否恢复到电网标称电压的90%：若没有恢复到电网标称电压的90%，重新执行步骤4，若电网电压恢复到电网标称电压的90%，则按照正常控制策略输出PWM控制信号控制逆变器向电网输出功率并重新执行步骤1；

在执行步骤1~5的同时，还执行以下步骤：在电网处于电网电压跌落阶段或电网电压恢复阶段时，若检测到逆变器输出的三相电流中任意一相的平均电流值超过平均值门限值时，则切断逆变器PWM控制信号并持续半个PWM控制信号周期的时间后恢复逆变器的PWM控制信号；以及，若逆变器输出端的三相电流中任意一项电流的瞬时值超过瞬时值门限值时，断开逆变器与电网的连接；瞬时值门限值高于平均值门限值。

优选地，当任意一相的电压标幺值低于0.9时，则认为电网电压处于低电压跌落阶段；若低电压跌落阶段发生后检测到三相电网电压标幺值都大于或等于0.9时，则认为电网电压恢复。

优选地，按照公式

q_{0}^{*} = 1.5 \times (0.9 - U_{pu}) \times (e_{a} \times i_{at} + e_{b} \times i_{bt} + e_{c} \times i_{ct})

计算所述步骤2中的无功功率给定；按照公式计算所述步骤2中的有功功率给定；式中，

为无功功率给定，

e_a，e_b，e_c分别为实测的各相电压值，U_t为电网标称电压；i_at、i_bt及i_ct分别为各相额定电流；为有功功率给定。

优选地，所述正常控制策略包括：

有功功率给定计算步骤：对直流侧电压及光伏板最大功率点跟踪的电压之差进行电压环PI调节，将所述电压环PI调节得到的值与前馈合成产生的功率求差得到有功功率给定

无功功率给定计算步骤：将无功功率设为0；

逆变器功率输出控制步骤，输出PWM控制信号控制逆变器按照前述有功功率给定输出有功功率，控制逆变器输出无功功率为0。

优选地，所述获得电压环PI调节值的步骤包括：

采集逆变器直流侧电压U_ac及电流I_dc的步骤；

将所述直流侧电压U_ac及电流I_dc进行最大功率点跟踪（MPPT）处理得到光伏板最大功率点对应的电压U_{dc_ref}的步骤；

计算U_{dc_ref}与直流侧电压U_ac差值的步骤；

将所述差值进行PI调节，得到电压环PI调节值的步骤。

优选地，所述前馈合成产生的功率等于直流侧电压乘以直流侧电流。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在电网发生故障时，可以快速并准确判断出当前电网故障，实现安全穿越。

本发明在电网电压跌落和恢复时采用封锁PWM输出一定时间的方式，避免了由于正负序分量提取误差对低电压穿越时逆变器过流脱网的影响。

本发明保证了逆变器在低电压跌落期间对电网的无功支撑能力，对电网电压的恢复起到辅助作用。

本发明在检测到瞬时相电流大于瞬时值门限值时，将逆变器与电网断开，从而保证了逆变器在低电压穿越时不被损坏。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明控制方法流程图。

图2是三相光伏逆变器控制策略框图。

图3是获得电压环PI调节功率的流程图。

图4是正负序分量提取图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在电网故障导致低电压穿越期间，光伏电站的逆变器直流侧母线电压在达到开路电压Uoc以后，逆变器的输出就为零，直流侧电压不会继续增大。因此制约光伏电站低电压穿越能力的主要是光伏逆变器输出的交流电流，不应过流而导致光伏逆变器跳开。所以在电网电压跌落期间，主要控制方法为限制逆变器输出的电流，使输出电流不过流。

在低电压跌落期间，由于要提供动态无功支撑能力，在不同的电压跌落深度时，逆变器提供的无功功率不同，对逆变器的功率控制提出了一定的要求。

基于上述需求本发明提供的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法包括穿越过程中有功功率与无功功率分配的步骤及对于电流尖峰的消除和对逆变器的保护步骤。

如图1，在整个过程中需要不断检测逆变器输出端的三相电压及三相电流,根据三相电压判断电网是处于电网电压跌落阶段、电网低电压阶段、电网电压恢复阶段状态或是正常状态，并在电网电压跌落故障中的电网电压跌落阶段、电网低电压阶段及电网电压恢复阶段执行以下功率分配步骤：

步骤2：检测电网电压跌落深度，并根据电网电压跌落的深度计算无功功率给定及有功功率给定，并通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照前述计算的有功功率给定及无功功率给定向电网输出无功功率及有功功率；然后执行步骤3；

步骤4：将直流侧电压及光伏板最大功率点对应的电压之差进行电压环PI调节，将所述电压环PI调节得到的值与前馈合成产生的功率之差P作为有功功率，指令将

作为无功功率给定，其中P_额为额定总功率，通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照有功功率给定及无功功率给定输出有功功率及无功功率；然后执行步骤5；

步骤5：判断电网电压是否恢复到电网标称电压的90%：若没有恢复到电网标称电压的90%，重新执行步骤4，若电网电压恢复到电网标称电压的90%，则按照正常控制策略输出PWM控制信号控制逆变器向电网输出功率并重新执行步骤1。

在电网电压跌落阶段和恢复阶段时，光伏并网逆变器输出的电流中很可能会包含电流尖峰，若电网电压不平衡程度严重，产生的负序分量较大，会使逆变器瞬时过流，使逆变器交流断路器断开，发生逆变器与电网脱离，无法顺利通过低电压穿越。

为此，在执行步骤1~5的同时，还执行以下步骤防止逆变器断网：当三相电流平均值中任意一相的电流值超过其平均值门限值时，封锁逆变器的PWM控制信号半个周期。封锁PWM控制信号半周期后，电压跌落或恢复的动态过程基本已经完成，正负分量提取的影响完全被消除，从而避免了逆变器断网。

但是考虑到穿越过程中的其他意外情况下，逆变器输出三相电流任意一相瞬时值可能急剧增加使得逆变器被烧坏，在执行上述步骤1~5的同时还要执行以下步骤保护逆变器的安全：若三相电流中任意一相得瞬时值超过其瞬时值门限值时，则判定为电流过流，断开逆变器与电网的连接。

其中，为了保证并网逆变器能够低电压安全穿越，需要设置根据逆变器系统的实际情况设置平均值门限值和瞬时值门限值，但是必须保证平均值的门限值低于瞬时值的门限值。

在本发明的一个实施例中，所述判断电网状态的方法包括：当任意一相的电压标幺值低于设定的电压跌落阈值时，标准中规定该阈值为0.9，则认为电网电压处于低电压跌落阶段；若低电压跌落阶段发生后检测到三相电网电压标幺值都大于或等于电压跌落阈值时，则认为电网电压恢复。若各相电压标幺值均高于设定的电压跌落阈值，电网为正常状态。

在本发明的另一个实施例中，当电网处于电压跌落阶段及电网低电压阶段时，按照公式

q_{0}^{*} = 1.5 \times (0.9 - U_{pu}) \times (e_{a} \times i_{at} + e_{b} \times i_{bt} + e_{c} \times i_{ct})

计算无功功率给定；按照公式

计算有功功率给定；式中，

为无功功率给定，

e_a，e_b，e_c分别为实测的各相电压值，U_t为电网标称电压；i_at、i_bt及i_ct分别为各相额定电流；

为有功功率给定。然后通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照给定输出有功功率及无功功率，从而实现电压跌落阶段及电网低电压阶段逆变器对电网的无功支撑。

本发明所述的正常控制策略为本领域常有的技术手段，包括：

有功功率给定计算步骤：将直流侧电压及光伏板最大功率点对应的电压之差进行电压环PI调节，将所述电压环PI调节得到的值与前馈合成产生的功率求差得到有功功率给定

无功功率给定计算步骤：将无功功率给定

设为0；

最后，通过逆变器功率输出控制步骤输出PWM控制信号控制逆变器按照有功功率给定输出有功功率，控制逆变器输出无功功率为0。

本发明所述的逆变器功率输出控制步骤也为现有技术，如图2，包括采集逆变器输出的三相电流及三相电压，按照图4的正负序分量提取流程分别提取电流的正负序分量及电压的正负序分量，图4中的n表示电流i或者电压e，然后根据有功功率给定、无功功率给定、电流的正负序分量及电压的正负序分量计算电流指令及电压指令，然后根据电压指令产生逆变器的PWM控制信号，控制逆变器的有功功率及无功功率输出。

其中计算电流指令的公式如下：

[\begin{matrix} i_{d}^{P *} \\ i_{q}^{P *} \\ i_{d}^{N *} \\ i_{q}^{N *} \end{matrix}] = [\begin{matrix} e_{d}^{P} & e_{q}^{P} & e_{d}^{N} & e_{q}^{N} \\ e_{q}^{P} & {- e}_{d}^{P} & e_{q}^{N} & {- e}_{d}^{N} \\ e_{q}^{N} & {- e}_{d}^{N} & {- e}_{q}^{P} & e_{d}^{P} \\ e_{d}^{N} & e_{q}^{N} & e_{d}^{P} & e_{q}^{P} \end{matrix}] [\begin{matrix} \frac{2}{3} p_{0}^{*} \\ \frac{2}{3} q_{0}^{*} \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] - - - (1),

计算电压指令的公式如下：

\{\begin{matrix} v_{d}^{P *} = e_{d}^{P} - (K_{iP} + \frac{K_{iI}}{S}) (i_{d}^{P *} - i_{d}^{P}) + {ωLi}_{q}^{P} \\ v_{q}^{P *} = e_{q}^{P} - (K_{iP} + \frac{K_{iI}}{S}) (i_{q}^{P *} - i_{q}^{P}) - {ωL}_{d}^{P} \\ v_{d}^{N *} = e_{d}^{N} - (K_{iP} + \frac{K_{iI}}{S}) (i_{d}^{N *} - i_{d}^{N}) - {ωLi}_{q}^{N} \\ v_{q}^{N *} = e_{q}^{N} - (K_{iP} + \frac{K_{iI}}{S}) (i_{q}^{N *} - i_{q}^{N}) + {ωLi}_{d}^{N} \end{matrix}

其中：

——无功功率给定，

——二次有功正弦项，

——二次有功余弦项，

——d轴正序电流指令，

——q轴正序电流指令，

——d轴负序电流指令，

——q轴负序电流指令，

——d轴正序电压，

——q轴正序电压，

——d轴负序电压，

——q轴负序电压，

——有功功率给定，

——d轴正序电压指令，

——q轴正序电压指令，

——d轴负序电压指令，

——d轴负序电压指令，

K_iP——PI调节器比例项，

K_iI——PI调节器积分项，

s——开关函数，

ω——角频率，

L——逆变器滤波电感，

——d轴正序电流，

——q轴正序电流，

——d轴负序电流，

——q轴负序电流。

如图3，本发明中所述的获得电压环PI调节值的步骤的一个具体

实施例包括：

采集逆变器直流侧电压U_dc及电流I_dc的步骤；

将所述直流侧电压U_dc及电流I_dc进行最大功率点跟踪算法MPPT处理得到逆变器最大功率点对应的电压U_{dc_ref}的步骤；

计算U_{dc_ref}与直流侧电压U_dc差值的步骤；

将所述差值进行PI调节，得到电压环PI调节值的步骤，所述PI调节即比例积分调节。所述前馈合成产生的功率等于直流侧电压乘以直流侧电流。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，不断检测逆变器输出端的三相电压及三相电流，并在电网电压跌落故障中的电网电压跌落阶段、电网低电压阶段及电网电压恢复阶段执行下步骤：

步骤2：检测电网电压跌落深度，根据电网电压跌落的深度计算无功功率给定及有功功率给定，并通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照所述无功功率给定及有功功率给定向电网输出无功功率及有功功率；然后执行步骤3；

作为无功功率给定，其中P_额为额定总功率，通过逆变器功率输出控制步骤产生PWM控制信号控制逆变器按照本步骤计算出的有功功率给定及无功功率给定输出有功功率及无功功率；然后执行步骤5；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断电网状态的方法包括：采集逆变器输出的三相电压，将各相电压分别除以电网标称电压得到电压标幺值，当任意一相的电压标幺值低于0.9时，则认为电网电压处于低电压跌落阶段；若低电压跌落阶段发生后检测到三相电网电压标幺值都大于或等于0.9时，则认为电网电压恢复。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照公式

q_{0}^{*} = 1.5 \times (0.9 - U_{pu}) \times (e_{a} \times i_{at} + e_{b} \times i_{bt} + e_{c} \times i_{ct})

为无功功率给定，

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正常控制策略包括：

无功功率给定计算步骤：将无功功率给定

设为0；

逆变器功率输出控制步骤，输出PWM控制信号控制逆变器按照本正常控制策略计算的有功功率给定及无功功率给定输出有功功率及无功功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获得电压环PI调节值的步骤包括：

采集逆变器直流侧电压U_dc及电流I_dc的步骤；

将所述直流侧电压U_dc及电流I_dc进行最大功率点跟踪处理得到光伏板最大功率点对应的电压U_{dc_ref}的步骤；

计算U_{dc_ref}与直流侧电压U_dc差值的步骤；

将所述差值进行PI调节，得到电压环PI调节值的步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述前馈合成产生的功率等于直流侧电压乘以直流侧电流。