CN103280835A - 三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，通过计算最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*，控制三相并网光伏逆变器中直流升压电路的导通控制信号和逆变电路的导通控制信号，自动调节输出有功功率和无功功率的大小，保证三相光伏逆变器一直运行在最大效益点，为用户带来最大收益，本算法对单级式或两级式的三相三桥臂或四桥臂的并网光伏逆变器均适用，适用范围广，具有良好的推广前景。

Description

三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，具体涉及一种三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法。

背景技术

在实际应用中，受安装位置和用户产权等因素的限制，很多光伏逆变器并没有特定的无功补偿对象，而功率因数一般设置为1，即只输出有功，由于配电网无功补偿的原则是就地补偿，分层分区平衡，因此，利用光伏逆变器输出无功促进配电网潮流的优化很有意义，但是当前光伏并网的政策中，难以真正实现对光伏逆变器无功负荷的检测，因此无法对光伏逆变器输出无功进行测量，无法保证光伏逆变器工作在最大效益点上，目前，三相并网光伏逆变器具有输出无功电流的能力，得到了广泛应用，研究者多讨论其对特定负荷的无功检测与补偿功能，以及在夜晚做为静止无功发生器（SVG）运行的能力，但实际的三相并网光伏逆变器受安装位置和产权等因素的限制，难以真正得到无功负荷的检测，虽然三相并网光伏逆变器自身具有输出功率因数可调的功能，但并没有相应的调节依据，无法保证三相并网光伏逆变器运行在最大效益点上。

发明内容

本发明所解决的技术问题是克服现有技术中三相并网光伏逆变器受安装位置和产权等因素的限制，难以真正得到无功负荷的检测，无法保证三相并网光伏逆变器运行在最大效益点上的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（A）计算最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*；

步骤（B）计算得到无功电流参考值

和有功电流参考值

步骤（C）计算实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q；

步骤（D）无功电流参考值和无功电流I_q之差经过电流调节器，得到调制电压的u_q分量；有功电流参考值

与有功电流I_d之差经电流调节器，得到调制电压的u_d分量，将调制电压的u_q分量和调制电压的u_d分量结合，得到相并网光伏逆变器中逆变电路的第一导通控制驱动电压；

步骤（E）根据有功功率参考值P^*，确定三相并网光伏逆变器的输入参考电压

的值，并将其与实际输入电压U_PV的差值输入电压调节器，得到三相并网光伏逆变器中直流升压电路的第二导通控制驱动电压；

步骤（F）判断三相并网光伏逆变器中是否包括直流升压电路，若包括直流升压电路，则执行步骤（G）；若不包括直流升压电路，则执行步骤（H）；

步骤（G）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号；并将步骤（E）得到的第二导通控制驱动电通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中直流升压电路的导通控制信号；

步骤（H）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号。

前述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：所述步骤（A）计算最优的三相并网光伏逆变器的输出有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*的方法如下，

（A1）判断三相并网光伏逆变器输出的有功效益因数k_p和无功效益因数k_q之间的大小，若输出的有功效益因数大于或等于输出无功效益因数，则执行（A2）；若输出的有功效益因数小于输出无功效益因数，则执行（A3）；

（A2）判断输出的无功效益因数k_q是否大于零，若输出的无功效益因数k_q大于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*采用最大功率跟踪MPPT输出，剩余容量用来输出无功，无功功率参考值Q^*如公式（1）所示，

$Q^{*}=\±\sqrt{S_N^2-P^{*2}}---\left(1\right)$

其中，S_N为三相并网光伏逆变器的额定容量，±分别对应感性或容性的无功功率；

若输出的无功效益因数k_q小于或等于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*采用最大功率跟踪MPPT输出，且不输出无功，无功功率参考值Q^*为零；

（A3）判断输出的无功限量值Q_lim是否大于三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，若输出的无功限量值Q_lim小于S_N，则三相并网光伏逆变器输出的无功功率Q^*为Q_lim，有功功率参考值P^*为

和采用最大功率跟踪MPPT输出两个值之间的较小者；

若输出的无功限量值Q_lim大于或等于S_N，三相并网光伏逆变器的无功功率参考值Q^*为三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，不输出有功，有功功率参考值P^*为零。

前述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（B）无功电流参考值

通过公式得到，

$I_q^{*}=Q^{*}/\left(\sqrt{3}{U}_N\right)---\left(2\right)$

其中U_N是线电压额定值，有功电流参考值为直流母线电容电压的参考值

与实际电压u_dc之差经电压调节器之后得到。

前述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（C）计算实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q的方法如下，

（C1）三相电网电压u_a、u_b、u_c经过锁相环获得电压相位信号θ；

（C2）电压相位信号θ和逆变器的并网电流i_a、i_b、i_c经派克变换，得到实际的输出有功电流I_d和无功电流I_q。

前述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（E）所述电压调节器为比例积分控制器或模糊比-积分控制器或滞环控制器。

前述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，则每隔固定时间，进行一次最大功率跟踪MPPT运行，以更新最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*；若三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，输出的有功功率降低超过功率界限，则进行一次最大功率跟踪MPPT运行。

本发明的有益效果是：本发明提供的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，以无功功率有偿输出为基础，能够自动调节输出有功功率和无功功率的大小，保证三相光伏逆变器一直运行在最大效益点，为用户带来最大收益，则本算法对单级式或两级式的三相三桥臂或四桥臂的并网光伏逆变器均适用，适用范围广，具有良好的推广前景。

附图说明

图1是本发明的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法的计算最优的有功功率P^*和无功功率Q^*的流程图。

图2是本发明的两级式三相并网光伏逆变器电路结构图。

图3是本发明的两级式三相光伏逆变器的控制原理图。

图4是本发明的单级式三相并网光伏逆变器电路结构图。

图5是本发明的单级式三相光伏逆变器的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，以无功功率有偿输出为基础，能够自动调节输出有功功率和无功功率的大小，保证三相光伏逆变器一直运行在最大效益点，为用户带来最大收益，包括以下步骤，

步骤（A）计算最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*，如图1所示，计算过程如下，

（A1）判断三相并网光伏逆变器输出的有功效益因数k_p和无功效益因数k_q之间的大小，若输出的有功效益因数大于或等于输出无功效益因数，则执行（A2）；若输出的有功效益因数小于输出无功效益因数，则执行（A3）；

（A2）判断输出的无功效益因数k_q是否大于零，若输出的无功效益因数k_q大于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*采用最大功率跟踪MPPT输出，剩余容量用来输出无功，无功功率参考值Q^*如公式（1）所示，

$Q^{*}=\±\sqrt{S_N^2-P^{*2}}---\left(1\right)$

其中，S_N为三相并网光伏逆变器的额定容量，±为无功是感性或容性；

若输出的无功效益因数k_q小于或等于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率P^*参考值采用最大功率跟踪MPPT输出，且不输出无功，无功功率参考值Q^*为零；

（A3）判断输出的无功限量值Q_lim是否大于三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，若输出的无功限量值Q_lim小于S_N，则三相并网光伏逆变器输出的无功功率参考值Q^*为Q_lim，有功功率参考值P^*为和采用最大功率跟踪MPPT输出两个值之间的较小者；若输出的无功限量值Q_lim大于或等于S_N，三相并网光伏逆变器的无功功率参考值Q^*为三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，不输出有功，有功功率参考值P^*为零；

这里的无功效益因数k_q大于零可代表用户有收益，或等于零代表用户无收益，小于零代表用于有罚款；

步骤（B）计算得到无功电流参考值

和有功电流参考值

步骤（C）计算实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q，计算过程如下：

（C1）三相电网电压u_a、u_b、u_c经过锁相环获得电压相位信号θ；

（C2）电压相位信号θ和逆变器的并网电流i_a、i_b、i_c经派克变换，得到实际的输出有功电流I_d和无功电流I_q；

步骤（D）无功电流参考值

和无功电流I_q之差经过电流调节器，得到调制电压的u_q分量；有功电流参考值与有功电流I_d之差经电流调节器，得到调制电压的u_d分量，将调制电压的u_q分量和调制电压的u_d分量结合，得到相并网光伏逆变器中逆变电路的第一导通控制驱动电压；

步骤（E）根据有功功率参考值P^*，确定三相并网光伏逆变器的输入参考电压

的值，并将其与实际输入电压U_PV的差值输入电压调节器，得到三相并网光伏逆变器中直流升压电路的第二导通控制驱动电压；

步骤（F）判断三相并网光伏逆变器中是否包括直流升压电路，若包括直流升压电路，则执行步骤（G）；若不包括直流升压电路，则执行步骤（H）；

步骤（G）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号；并将步骤（E）得到的第二导通控制驱动电通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中直流升压电路的导通控制信号；

步骤（H）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号。

上述用到的电压调节器可为比例积分控制器或模糊比-积分控制器或滞环控制器；

上述的三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，则每隔固定时间（如100s到5min之间），进行一次最大功率跟踪MPPT运行，以更新最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率P^*和无功功率Q^*；若三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，输出的有功功率降低超过功率界限（为最大功率的10%或20%），则进行一次最大功率跟踪MPPT运行。

如图2及图3所示，两级式三相并网光伏逆变器电路结构图及控制原理图，利用本发明的控制方法，对两级式三相并网光伏逆变器电路的直流升压电路和逆变电路分别控制，具体实现过程如下，

（1）根据有功和无功功率的效益因数k_p、k_q，无功功率的限值Q_lim，以及当前三相并网光伏逆变器进行MPPT运行获得的有功功率P_mppt，并计算出逆变器输出有功功率P^*和无功功率Q^*；

（2）根据有功功率P^*的大小，确定输入参考电压的值，并将其与实际输入电压的差值输入电压调节器，电压调节器的输出通过PWM发生器得到两级式三相并网光伏逆变器中的直流升压电路的导通控制信号；

（3）根据无功功率Q^*，由公式

得到无功电流参考值

利用锁相环从三相电网电压u_a、u_b、u_c中获得电压相位信号θ，并结合逆变器的并网电流i_a、i_b、i_c经派克变换，得到实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q；

（4）将

和I_q之差经过电流调节器，得到调制电压的u_q分量，

（5）利用直流母线电容电压的参考值

与实际电压u_dc之差经电压调节器之后，得到有功电流的参考值

与I_d之差经电流调节器之后得到调制电压的u_d分量；

（6）将u_d和u_q结合，通过PWM发生器得到三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号。

如图4及图5所示，单级式三相并网光伏逆变器电路结构图及控制原理图，利用本发明的控制方法，对单级式三相并网光伏逆变器电路的逆变电路分别控制，具体实现过程如下，

（1）根据有功和无功功率的效益因数k_p、k_q，无功功率的限值Q_lim，以及当前三相并网光伏逆变器进行MPPT运行获得的有功功率P_mppt，并计算出逆变器输出有功功率P^*和无功功率Q^*；

（2）根据无功功率Q^*，由公式得到无功电流参考值利用锁相环从三相电网电压u_a、u_b、u_c中获得电压相位信号θ，并结合逆变器的并网电流i_a、i_b、i_c经派克变换，得到实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q；

（3）将

和I_q之差经过电流调节器，得到调制电压的u_q分量，

（4）利用直流母线电容电压的参考值

与实际电压u_dc之差经电压调节器之后，得到有功电流的参考值

与I_d之差经电流调节器之后得到调制电压的u_d分量；

（5）将u_d和u_q结合，通过PWM发生器得到三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号。

综上所述，本发明的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，以无功功率有偿输出为基础，能够自动调节输出有功功率和无功功率的大小，保证三相光伏逆变器一直运行在最大效益点，为用户带来最大收益，控制方法对单级式或两级式的三相三桥臂或四桥臂的并网光伏逆变器均适用，适用范围广，具有良好的推广前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤（A）计算最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*；

步骤（B）计算得到无功电流参考值

和有功电流参考值

步骤（C）计算实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q；

步骤（D）无功电流参考值

和无功电流I_q之差经过电流调节器，得到调制电压的u_q分量；有功电流参考值

与有功电流I_d之差经电流调节器，得到调制电压的u_d分量，将调制电压的u_q分量和调制电压的u_d分量结合，得到相并网光伏逆变器中逆变电路的第一导通控制驱动电压；

步骤（E）根据有功功率参考值P^*，确定三相并网光伏逆变器的输入参考电压

的值，并将其与实际输入电压U_PV的差值输入电压调节器，得到三相并网光伏逆变器中直流升压电路的第二导通控制驱动电压；

步骤（F）判断三相并网光伏逆变器中是否包括直流升压电路，若包括直流升压电路，则执行步骤（G）；若不包括直流升压电路，则执行步骤（H）；

步骤（G）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号；并将步骤（E）得到的第二导通控制驱动电通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中直流升压电路的导通控制信号；

步骤（H）将步骤（D）得到的第一导通控制驱动电压通过PWM生成器输出三相并网光伏逆变器中逆变电路的导通控制信号。

2.根据权利要求1所述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：所述步骤（A）计算最优的三相并网光伏逆变器的输出有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*的方法如下，

（A1）判断三相并网光伏逆变器输出的有功效益因数k_p和无功效益因数k_q之间的大小，若输出的有功效益因数大于或等于输出无功效益因数，则执行（A2）；若输出的有功效益因数小于输出无功效益因数，则执行（A3）；

（A2）判断输出的无功效益因数k_q是否大于零，若输出的无功效益因数k_q大于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*采用最大功率跟踪MPPT输出，剩余容量用来输出无功，无功功率参考值Q^*如公式（1）所示，

$Q^{*}=\±\sqrt{S_N^2-P^{*2}}---\left(1\right)$

其中，S_N为三相并网光伏逆变器的额定容量；

若输出的无功效益因数k_q小于或等于零，则三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*采用最大功率跟踪MPPT输出，且不输出无功，无功功率参考值Q^*为零；

（A3）判断输出的无功限量值Q_lim是否大于三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，若输出的无功限量值Q_lim小于S_N，则三相并网光伏逆变器输出的无功功率Q^*为Q_lim，有功功率参考值P^*为和采用最大功率跟踪MPPT输出两个值之间的较小者；

若输出的无功限量值Q_lim大于或等于S_N，三相并网光伏逆变器的无功功率参考值Q^*为三相并网光伏逆变器的额定容量S_N，不输出有功，有功功率参考值P^*为零。

3.根据权利要求1所述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（B）无功电流参考值通过公式得到，

$I_q^{*}=Q^{*}/\left(\sqrt{3}{U}_N\right)---\left(2\right)$

其中U_N是线电压额定值，有功电流参考值

为直流母线电容电压的参考值

与实际电压u_dc之差经电压调节器之后得到。

4.根据权利要求1所述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（C）计算实际输出的有功电流I_d和无功电流I_q的方法如下，

（C1）三相电网电压u_a、u_b、u_c经过锁相环获得电压相位信号θ；

（C2）电压相位信号θ和逆变器的并网电流i_a、i_b、i_c经派克变换，得到实际的输出有功电流I_d和无功电流I_q。

5.根据权利要求1所述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：步骤（E）所述电压调节器为比例积分控制器或模糊比-积分控制器或滞环控制器。

6.根据权利要求1所述的三相并网光伏逆变器的发电状态控制方法，其特征在于：三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，则每隔固定时间，进行一次最大功率跟踪MPPT运行，以更新最优的三相并网光伏逆变器输出的有功功率参考值P^*和无功功率参考值Q^*；若三相并网光伏逆变器工作在非最大功率跟踪MPPT状态，输出的有功功率降低超过功率界限，则进行一次最大功率跟踪MPPT运行。

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