CN103595065B

CN103595065B - 一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法

Info

Publication number: CN103595065B
Application number: CN201310450339.7A
Authority: CN
Inventors: 周林; 杨明; 张密; 晁阳
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103595065A

Abstract

本发明公开了一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，基于提出了的考虑电网阻抗因素的大型光伏电站并网稳定性设计方法解决了大型光伏电站中并网逆变器并联台数增加时谐波含量超标的问题，可用于大型光伏电站并网逆变器电流控制中。首先获取大型光伏电站中并网逆变器的并联台数和拓扑结构参数，计算配电变压器上的电网阻抗；然后根据设计的并网逆变器控制系统，将电网阻抗考虑进去，通过控制系统等效开环传递函数的相位裕度和幅值裕度来判断系统的稳定程度，如果稳定程度满足预设阈值，则表示并网系统稳定性高；如果稳定程度不满足预设阈值，则改变并网逆变器控制系统中的电流控制器参数，直到系统稳定程度满足预设阈值。

Description

一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法

技术领域

本发明涉及大型光伏电站领域，特别涉及一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法。

背景技术

近年来，太阳能等可再生能源迅猛发展，光伏并网发电技术越来越受到人们的重视。并网发电系统的核心是并网逆变器，并网逆变器在并网运行时，采用电流控制方式，实质上是一个电压源输入电流源输出的逆变器。目前，国内外在滤波器选型、并网控制策略、控制器设计等方面开展了大量的工作，旨在提高并网电流的电能质量。

电网阻抗作为电力系统固有的属性，对并网逆变器控制性能的影响亦引起人们的重视。现有技术中对电网阻抗的分析都是基于单相并联或单台并网逆变器进行研究的，并未考虑电网阻抗在大型光伏电站中的影响。随着系统成本的持续降低和发电效益的不断提高，建设大型光伏电站是大规模利用太阳能的有效方式。和海上风电柔性直流输电结构相比，由于光伏阵列发出的是低压直流电，大型光伏电站更多的利用逆变器并联集中并网，通过配电变压器实现高压交流输电。但是，国内外若干大型光伏电站的运行经验表明：即使单台并网逆变器的输出电流谐波较小，多台并网逆变器并联后输出电流的谐波也有可能超标。

因此急需一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，用于大型光伏电站并网逆变器电流控制中。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，包括以下步骤：

S1：建立基于电网阻抗的大型光伏电站并网逆变器并联系统等效电路模型；

S2：获取大型光伏电站中并网逆变器的并联台数和拓扑结构参数；

S3：计算大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗；

S4：设计大型光伏电站中并网逆变器的控制系统；

S5：计算并网逆变器控制系统的等效开环传递函数表达式，电流控制器采用比例谐振叠加谐波补偿项的准PR+HC控制器，所述PR+HC控制器参数具体包括比例增益k_p、广义积分系数k_rh、带宽因子ω_c和谐振角频率ω₁；

S6：绘制等效开环传递函数表达式的对数幅频特性和相频特性曲线，根据对数幅频特性和相频特性曲线，读取等效开环传递函数表达式的相位裕度和幅值裕度值，通过相位裕度和幅值裕度来判断并网逆变器并联系统的稳定程度，如果相位裕度和幅值裕度满足预设阈值，则进入步骤S8；

S7：如果相位裕度和幅值裕度不满足预设阈值，则返回步骤S5中，重新设计并网逆变器控制系统中的准PR+HC电流控制器参数；

S8：获得稳定程度达到阈值的并网逆变器控制系统准PR+HC电流控制器参数。

进一步，所述大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n通过以下公式来计算：

n = \frac{P}{P_{1}};

其中，P表示大型光伏电站的额定功率，P₁表示单台并网逆变器的额定功率。

进一步，所述大型光伏电站中并网逆变器的拓扑结构参数包括大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n、并网逆变器的直流侧输入电压U_dc、并网逆变器的输出侧交流滤波电感L₁、交流滤波电容C₁和并网侧交流滤波电感L₂。

进一步，所述大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗通过以下方式来近似计算：

L_{g} = \frac{v_{cc}}{2 π \cdot 50} \cdot \frac{v_{1}^{2}}{P_{T}};

其中，L_g表示配电变压器上的电网阻抗，v_cc表示配电变压器的阻抗电压，π表示圆周率，v₁表示配电变压器的额定初级低压，P_T表示配电变压器的额定功率。

进一步，所述大型光伏电站中每组并网逆变器均采用相同结构和参数的控制系统，所述并网逆变器的控制系统采用并网侧电流直接控制和电容电流有源阻尼的闭环控制系统，所述闭环控制系统的开环传递函数表达式T通过以下公式来计算：

T = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} L_{2} C_{1} + s (L_{1} + L_{2})};

其中，G_c(s)表示电流控制器，k_pwm表示三相PWM并网逆变器的增益，k_d表示电容电流有源阻尼因子，s表示传递函数表达式是以拉普拉斯形式给出的，L₁表示并网逆变器的输出侧交流滤波电感，L₂表示并网逆变器的并网侧交流滤波电感，C₁表示并网逆变器的交流滤波电容。

进一步，所述三相PWM并网逆变器的增益k_pwm和电容电流有源阻尼因子k_d分别通过以下公式来计算：

k_{pwm} = \frac{U_{dc}}{2},

k_{d} = \frac{2 ζ}{k_{pwm}} \sqrt{\frac{L_{1} (L_{1} + L_{2})}{L_{2} C_{1}}};

式中，U_dc表示并网逆变器的直流侧输入电压，ζ表示阻尼比。

进一步，所述电流控制器采用准PR+HC电流控制器，所述准PR+HC电流控制器的传递函数G_c(s)表达式为：

G_{c} (s) = k_{p} + \underset{h = 1,5,7}{Σ} \frac{{2 k}_{rh} ω_{c} s}{s^{2} + {2 ω}_{c} s + {({hω}_{1})}^{2}};

式中，k_p表示比例增益，h表示基波及各次谐波分量，k_rh表示广义积分系数，ω_c表示控制器带宽因子，ω₁表示谐振角频率，s表示传递函数表达式是以拉普拉斯形式给出的。

进一步，通过以下公式来计算并网逆变器并网侧的交流等效滤波电感表达式：

L₂′＝L₂+nL_g；

式中，L₂′表示并网逆变器的并网侧交流等效滤波电感，n表示大型光伏电站中并网逆变器的并联台数。

进一步，所述稳定程度通过以下方式来计算：

S91：通过以下公式来计算控制系统的等效开环传递函数表达式T_eq：

\{\begin{matrix} T_{eq} = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} {L_{2}}^{'} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} {L_{2}}^{'} C_{1} + s (L_{1} + {L_{2}}^{'})} \\ {L_{2}}^{'} = L_{2} + {nL}_{g} \end{matrix};

S92：绘制等效开环传递函数表达式T_eq的对数幅频特性和相频特性曲线，根据对数幅频特性和相频特性曲线，读取等效开环传递函数表达式T_eq的相位裕度和幅值裕度值；

S93：判断控制系统的等效开环传递函数表达式T_eq的相位裕度和幅值裕度是否满足以下关系：

为使闭环系统具有良好的动态性能，相位裕度应满足预设相位裕度阈值γ，其中，预设相位裕度阈值γ在30°-60°之间；

幅值裕度应大于等于预设幅值裕度阈值K_g，其中，预设幅值裕度阈值K_g=2即K_g=6dB；

如果否，则表示系统稳定程度不满足预设阈值,应重新设计并网逆变器控制系统中的准PR+HC电流控制器参数；

如果是，则表示系统稳定程度符合设计要求。

本发明的优点在于：本发明将电网阻抗因素考虑到大型光伏电站并网控制中，给出了一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，通过控制系统等效开环传递函数的相位裕度和幅值裕度来判断系统的稳定程度，如果稳定程度满足预设阈值，则表示并网系统稳定性高；如果稳定程度不满足预设阈值，则改变并网逆变器控制系统中的电流控制器参数，直到系统稳定程度满足预设阈值。基于提出了的考虑电网阻抗因素的大型光伏电站并网稳定性设计方法解决了大型光伏电站中并网逆变器并联系统谐波含量超标的问题，可用于大型光伏电站并网逆变器电流控制中。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于电网阻抗的大型光伏电站网逆变器并联系统等效电路模型示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定设计方法流程图；图2为本发明实施例提供的基于电网阻抗的大型光伏电站网逆变器并联系统等效电路模型示意图，如图所示：本发明提供的一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，包括以下步骤：

S3：计算大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗；

S4：设计大型光伏电站中并网逆变器的控制系统；

S5：计算并网逆变器控制系统的等效开环传递函数表达式，电流控制器采用比例谐振(proportional resonant,PR)叠加谐波补偿(harmonic compensation,HC)项的准PR+HC控制器,控制器参数具体包括比例增益k_p、广义积分系数k_rh、带宽因子ω_c、谐振角频率ω₁；

S6：通过MATLAB绘图工具，绘制等效开环传递函数表达式的对数幅频特性和相频特性曲线，根据对数幅频特性和相频特性曲线，读取等效开环传递函数表达式的相位裕度和幅值裕度值，通过相位裕度和幅值裕度来判断并网逆变器并联系统的稳定程度，如果相位裕度和幅值裕度满足预设阈值，则进入步骤S8；

所述大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n通过以下公式来计算：

n = \frac{P}{P_{1}};

所述大型光伏电站中并网逆变器的拓扑结构参数包括大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n,并网逆变器的直流侧输入电压U_dc,并网逆变器的输出侧交流滤波电感L₁、交流滤波电容C₁和并网侧交流滤波电感L₂。

所述大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗通过以下方式来近似计算：

L_{g} = \frac{v_{cc}}{2 π \cdot 50} \cdot \frac{v_{1}^{2}}{P_{T}};

所述大型光伏电站中每组并网逆变器均采用相同的结构、参数和控制系统，所述并网逆变器的控制系统采用并网侧电流直接控制和电容电流有源阻尼的闭环控制系统，所述闭环控制系统的开环传递函数表达式T通过以下公式来计算：

T = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} L_{2} C_{1} + s (L_{1} + L_{2})};

所述三相PWM并网逆变器的增益k_pwm和电容电流有源阻尼因子k_d分别通过以下公式来计算：

k_{pwm} = \frac{U_{dc}}{2},

k_{d} = \frac{2 ζ}{k_{pwm}} \sqrt{\frac{L_{1} (L_{1} + L_{2})}{L_{2} C_{1}}};

式中，U_dc表示并网逆变器的直流侧输入电压，ζ表示阻尼比，取ζ=0.707。

所述电流控制器采用准PR+HC电流控制器，所述准PR+HC电流控制器的传递函数G_c(s)表达式为：

G_{c} (s) = k_{p} + \underset{h = 1,5,7}{Σ} \frac{{2 k}_{rh} ω_{c} s}{s^{2} + {2 ω}_{c} s + {({hω}_{1})}^{2}};

通过以下公式来计算并网逆变器并网侧的交流等效滤波电感表达式：

L₂′＝L₂+nL_g；

所述稳定程度通过以下方式来计算：

\{\begin{matrix} T_{eq} = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} {L_{2}}^{'} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} {L_{2}}^{'} C_{1} + s (L_{1} + {L_{2}}^{'})} \\ {L_{2}}^{'} = L_{2} + {nL}_{g} \end{matrix};

S92：通过MATLAB绘图工具，绘制等效开环传递函数表达式T_eq的对数幅频特性和相频特性曲线，根据对数幅频特性和相频特性曲线，读取等效开环传递函数表达式T_eq的相位裕度和幅值裕度值；

如果是，则表示系统稳定程度符合设计要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S3：计算大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗；

S4：设计大型光伏电站中并网逆变器的控制系统；

2.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n通过以下公式来计算：

n = \frac{P}{P_{1}};

其中，Ρ表示大型光伏电站的额定功率，Ρ₁表示单台并网逆变器的额定功率。

3.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述大型光伏电站中并网逆变器的拓扑结构参数包括大型光伏电站中并网逆变器的并联台数n、并网逆变器的直流侧输入电压U_dc、并网逆变器的输出侧交流滤波电感L₁、交流滤波电容C₁和并网侧交流滤波电感L₂。

4.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述大型光伏电站中配电变压器上的电网阻抗通过以下方式来近似计算：

L_{g} = \frac{v_{cc}}{2 π \cdot 50} \cdot \frac{v_{1}^{2}}{P_{T}};

其中，L_g表示配电变压器上的电网阻抗，v_cc表示配电变压器的阻抗电压，π表示圆周率，v₁表示配电变压器的额定初级低压，Ρ_T表示配电变压器的额定功率。

5.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述大型光伏电站中每组并网逆变器均采用相同结构和参数的控制系统，所述并网逆变器的控制系统采用并网侧电流直接控制和电容电流有源阻尼的闭环控制系统，所述闭环控制系统的开环传递函数表达式T通过以下公式来计算：

T = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} L_{2} C_{1} + s (L_{1} + L_{2})};

6.根据权利要求5所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述三相PWM并网逆变器的增益k_pwm和电容电流有源阻尼因子k_d分别通过以下公式来计算：

k_{pwm} = \frac{U_{dc}}{2}, k_{d} = \frac{2 ζ}{k_{pwm}} \sqrt{\frac{L_{1} (L_{1} + L_{2})}{L_{2} C_{1}}};

7.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述电流控制器采用准PR+HC电流控制器，所述准PR+HC电流控制器的传递函数G_c(s)表达式为：

G_{c} (s) = k_{p} + \underset{h = 1,5,7}{Σ} \frac{2 k_{rh} ω_{c} s}{s^{2} + 2 ω_{c} s + {(h ω_{1})}^{2}};

8.根据权利要求5所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：通过以下公式来计算并网逆变器并网侧的交流等效滤波电感表达式：

L₂′＝L₂+nL_g；

式中，L₂′表示并网逆变器的并网侧交流等效滤波电感，n表示大型光伏电站中并网逆变器的并联台数，L_g表示配电变压器上的电网阻抗。

9.根据权利要求1所述的基于电网阻抗的大型光伏电站并网稳定性设计方法，其特征在于：所述稳定程度通过以下方式来计算：

\{\begin{matrix} T_{eq} = G_{c} (s) \cdot \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} {L_{2}}^{'} C_{1} + s^{2} k_{pwm} k_{d} {L_{2}}^{'} C_{1} + s (L_{1} + {L_{2}}^{'})} \\ {L_{2}}^{'} = L_{2} + n L_{g} \end{matrix};

式中，G_c(s)表示电流控制器，k_pwm表示三相PWM并网逆变器的增益，k_d表示电容电流有源阻尼因子，s表示传递函数表达式是以拉普拉斯形式给出的，L₁表示并网逆变器的输出侧交流滤波电感，L₂表示并网逆变器的并网侧交流滤波电感，C₁表示并网逆变器的交流滤波电容，L₂′表示并网逆变器的并网侧交流等效滤波电感，n表示大型光伏电站中并网逆变器的并联台数，L_g表示配电变压器上的电网阻抗；

幅值裕度应大于等于预设幅值裕度阈值K_g，其中，预设幅值裕度阈值K_g＝2即K_g＝6dB；

如果是，则表示系统稳定程度符合设计要求。