CN103795062B - 光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，获得指令电压。以单级式不可调度型光伏微网运行逆变器为基础，以光伏阵列的输出电压与负载电压频率的非线性关系代替现有的功率与频率间线性下垂关系，从而更加有效地控制系统的负载电压频率。获得最优的光伏阵列的指令电压。对该指令电压与光伏阵列实际输出电压的误差进行比例积分调节得出有功电流分量，对指令负载电压有效值和反馈负载电压有效值之差经过比例积分调节，得到指令无功电流分量。由经典同步旋转坐标系下的电流控制方法就可以得到光伏微网运行逆变器的脉冲宽度调制（PWM）信号，从而控制逆变器运行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏微网发电技术领域，具体地，涉及一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法。
背景技术
近些年来，微电网发展极为迅速，而分布式光伏发电技术作为微电网系统所需技术之一也受到了各国政府的重视，光伏微网运行逆变器作为分布式光伏发电技术的支撑平台获得了大力发展。根据是否含有蓄电池、超级电容器等储能装置，光伏微网运行逆变器一般分为可调度型和不可调度型。含有储能装置的称为可调度型光伏微网运行逆变器，不含有储能装置的称为不可调度型光伏微网运行逆变器，可调度型光伏微网运行逆变器的硬件成本高。从电路结构上讲，光伏微网运行逆变器又分为单级式、多级式两种类型。多级式光伏微网运行逆变器的硬件成本高、效率低。在大电网系统中，由于电网容量巨大，因此负载变化对电网电压影响很小。在微电网系统中，微电网的容量是有限的，负载变化会影响系统电压变化，因此微电网的电压控制十分重要。交流电压包括有效值和频率两项重要参数，进行微电网的电压控制实际上就是针对电压的有效值和频率进行控制。现有技术采用功率与频率间线性下垂关系，不能有效地控制系统的负载电压频率。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，以实现有效的控制系统的负载电压频率优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，所述指令电压的获得包括以下步骤
1)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之内，
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向减小方向移动，即光伏阵列输出电压向增大方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到光伏阵列开路电压Voc，即光伏阵列输出功率接近零时，负载电压频率f尚未等于负载电压指令频率f*，则光伏阵列的电压保持在Voc值，负载电压频率f也保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf＝0时，表明f＝f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV＝0，不再进行电压扰动，光伏阵列输出电压保持不变，即光伏阵列输出功率也保持不变；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向增加方向移动，即光伏阵列输出电压向减小方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<f*，则光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近，当光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
2)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之外
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速减小方向移动，即光伏阵列输出电压向快速增大方向移动，直到负载电压频率f达到设定的最高频率fmax为止；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速增加方向移动，即光伏阵列输出电压向快速减小方向移动，直到负载电压频率f达到最低频率fmin为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<fmin，则说明光伏阵列输出功率不足，光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机，若光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机。
根据本发明的优选实施例，
所述电压扰动步长ΔV计算方法如下：
ΔV＝|Δf|*ΔV1/Δfs
负载电压指令频率f*与设定的最低频率fmin之差绝对值Δf1，以及负载电压指令频率f*与设定的最高频率fmax之差绝对值Δf2，比较Δf1和Δf2大小，将较大者赋值给Δfs，其中，|Δf|为|f*-f|即表示负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差的绝对值，ΔV1为恒定值，表示小步长。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案，以单级式不可调度型光伏微网运行逆变器为基础，以光伏阵列的输出电压与负载电压频率的非线性关系代替现有的功率与频率间线性下垂关系，从而更加有效地控制系统的负载电压频率。从而根据指令频率与负载电压频率的关系，结合光伏阵列输出功率和系统所规定的最低光伏阵列输出电压来选择合适的光伏阵列输出电压的扰动步长，从而获得最优的光伏阵列的指令电压。对该指令电压与光伏阵列实际输出电压的误差进行比例积分调节得出有功电流分量，对指令负载电压有效值和反馈负载电压有效值之差经过比例积分调节，得到指令无功电流分量。由经典同步旋转坐标系下的电流控制方法就可以得到光伏微网运行逆变器的脉冲宽度调制(PWM)信号，从而控制逆变器运行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的单级式三相光伏微网运行逆变器构造示意图；
图2a和图2b为本发明实施例所述的逆变器输出电流和负载电压坐标变换示意图；
图3为本发明实施例所述的负载电压控制方法示意图.
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，所述指令电压的获得包括以下步骤
1)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之内，
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向减小方向移动，即光伏阵列输出电压向增大方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到光伏阵列开路电压Voc，即光伏阵列输出功率接近零时，负载电压频率f尚未等于负载电压指令频率f*，则光伏阵列的电压保持在Voc值，负载电压频率f也保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf＝0时，表明f＝f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV＝0，不再进行电压扰动，光伏阵列输出电压保持不变，即光伏阵列输出功率也保持不变；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向增加方向移动，即光伏阵列输出电压向减小方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<f*，则光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近，当光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
2)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之外
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速减小方向移动，即光伏阵列输出电压向快速增大方向移动，直到负载电压频率f达到设定的最高频率fmax为止；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速增加方向移动，即光伏阵列输出电压向快速减小方向移动，直到负载电压频率f达到最低频率fmin为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<fmin，则说明光伏阵列输出功率不足，光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机，若光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机。设定电压采用系统的最优电压，最优电压根据光伏阵列输出功率设定。
其中，所述电压扰动步长ΔV计算方法如下：
ΔV＝|Δf|*ΔV1/Δfs
负载电压指令频率f*与设定的最低频率fmin之差绝对值Δf1，以及负载电压指令频率f*与设定的最高频率fmax之差绝对值Δf2，比较Δf1和Δf2大小，将较大者赋值给Δfs，其中，|Δf|为|f*-f|即表示负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差的绝对值，ΔV1为恒定值，表示小步长。
图1是单级式三相光伏微网运行逆变器示意图，其中三相电压源逆变电路是由直流输入滤波电容和三个功率开关桥臂组成的电路。图2a和图2b是逆变器输出电流和负载电压坐标变换示意图。由检测到的负载电压频率f得到角频率ω，由角频率ω积分得到同步旋转变换角度θ。逆变器输出电流Ia、Ib、Ic，经过三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换公式，可以得到实际有功电流分量id和实际无功电流分量iq。负载电压Va、Vb、Vc，经过三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换公式，可以得到实际d轴电压分量Vd和实际q轴电压分量Vq。
图1、图2a、图2b和图3中，PV.光伏阵列，VPV.光伏阵列输出电压，IPV.光伏阵列输出电流，PPV.光伏阵列输出功率，Ia.逆变器a相输出电流，Ib.逆变器b相输出电流，Ic.逆变器c相输出电流，L.滤波电感，C.滤波电容，R负载，Va.a相负载电压，Vb.b相负载电压，Vc.c相负载电压，N.电压中点，f*.负载电压指令频率，f.负载电压频率，Δf.指令频率f*与负载电压频率f之差，Vpv*.光伏阵列的指令电压，id*.指令有功电流分量，它是PI调节器1输出量，id.实际有功电流分量，V*rms.指令负载电压有效值，Vrms.实际负载电压有效值，iq*.指令无功电流分量，它是PI调节器2输出量，iq.实际无功电流分量，ω.角频率，ΔVd.PI调节器2输出量，ΔVq.PI调节器4输出量，Vd.负载电压经过同步旋转变换得到的d轴电压分量，Vq.负载电压经过同步旋转变换得到的q轴电压分量，Vd*.d轴指令电压分量，Vq*.q轴指令电压分量，Va*.a相指令电压分量，Vb*.b相指令电压分量，Vc*.c相指令电压分量，θ.同步旋转变换角度，abc→dq.3相静止坐标系到2相同步旋转坐标系变换，dq→abc.2相同步旋转坐标系到3相静止坐标系逆变换。
具体步骤如图3所示：
前提条件假设：负载电压指令频率f*为50Hz，光伏阵列输出电压工作范围450V-900V。在系统工作前，由控制系统测得光伏阵列开路电压Voc，Voc与日照条件和环境温度相关，由于外部环境变化相对缓慢，因此假定所测量的Voc在一段时间内不变。
1)若负载电压频率f处于设定如国家标准所规定的最低频率fmin(例如49.5Hz)和最高频率fmax(例如50.2Hz)范围之内
计算负载电压指令频率f*与国家标准所规定的最低频率fmin之差绝对值Δf1，以及负载电压指令频率f*与国家标准所规定的最高频率fmax之差绝对值Δf2，比较Δf1和Δf2大小，将较大者赋值给Δfs。光伏阵列的电压扰动步长ΔV按照式(1)计算。其中，|f*-f|表示负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf的绝对值。ΔV1为恒定值，表示小步长(例如ΔV1＝光伏阵列开路电压Voc乘以0.02％)。
ΔV＝|Δf|*ΔV1/Δfs(1)
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以变步长式(1)计算值进行扰动，使得光伏阵列输出功率PPV向减小方向移动，即使得光伏阵列输出电压VPV向增大方向(即当前VPV(k)＝前一次VPV(k-1)+ΔV)移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止。当光伏阵列输出电压VPV达到光伏阵列开路电压Voc，即光伏阵列输出功率接近零时，负载电压频率f尚未等于负载电压指令频率f*，则光伏阵列的输出电压VPV保持在Voc值附近，负载电压频率f也基本保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近。
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf＝0时，表明f＝f*，根据式(1)可知光伏阵列的电压扰动步长ΔV＝0，不再进行电压扰动，光伏阵列输出电压VPV保持不变，即光伏阵列输出功率PPV也保持不变。
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以以变步长式(1)计算值进行扰动，使得光伏阵列输出功率PPV向增加方向移动，即使得光伏阵列输出电压VPV向减小方向(即当前VPV(k)＝前一次VPV(k-1)-ΔV)移动，直到负载电压频f跟踪上负载电压指令频率f*为止。当光伏阵列输出电压VPV达到设定电压(例如，约等于0.78乘以Voc)时，光伏阵列输出功率PPV达到最大，此时若仍存在f<f*，则光伏阵列输出电压VPV以设定电压点为中心来回扰动，负载电压频率f基本保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近。当光伏阵列输出电压VPV尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压(例如VPV＝450V)，则使光伏阵列输出电压VPV保持在该最低电压附近，负载电压频率f也基本保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近。
2)若负载电压频率f处于国家标准所规定的最低频率fmin(例如49.5Hz)和最高频率fmax(例如50.2Hz)范围之外
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长(例如ΔV＝光伏阵列开路电压Voc乘以0.1％)进行扰动，使得光伏阵列输出功率PPV向快速减小方向移动，即使得光伏阵列输出电压VPV向快速增大方向(即当前VPV(k)＝前一次VPV(k-1)+ΔV)移动，直到负载电压频率f达到国家标准所规定的最高频率fmax为止。
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长(例如ΔV＝光伏阵列开路电压Voc乘以0.1％)进行扰动，使得光伏阵列输出功率PPV向快速增加方向移动，即使得光伏阵列输出电压VPV向快速减小方向(即当前VPV(k)＝前一次VPV(k-1)-ΔV)移动，直到负载电压频率f达到最低频率fmin为止。当光伏阵列输出电压VPV达到设定电压时，光伏阵列输出功率PPV达到最大，此时若仍存在f<fmin，则说明光伏阵列输出功率PPV不足，光伏阵列输出电压VPV以设定电压点为中心来回扰动，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时(例如0.2s)，则系统需停机。若光伏阵列输出电压VPV尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压(例如VPV＝450V)，则使光伏阵列输出电压VPV保持在该最低电压附近，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时(例如0.2s)，则系统也需停机。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，其特征在于，所述指令电压的获得包括以下步骤
1)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之内，
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向减小方向移动，即光伏阵列输出电压向增大方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到光伏阵列开路电压Voc，即光伏阵列输出功率接近零时，负载电压频率f尚未等于负载电压指令频率f*，则光伏阵列的电压保持在Voc值，负载电压频率f也保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf＝0时，表明f＝f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV＝0，不再进行电压扰动，光伏阵列输出电压保持不变，即光伏阵列输出功率也保持不变；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以小步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向增加方向移动，即光伏阵列输出电压向减小方向移动，直到负载电压频率f跟踪上负载电压指令频率f*为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<f*，则光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近，当光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，负载电压频率f保持不变，不再向负载电压指令频率f*逼近；
2)若负载电压频率f处于设定的最低频率fmin和最高频率fmax范围之外
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf<0时，表明f>f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速减小方向移动，即光伏阵列输出电压向快速增大方向移动，直到负载电压频率f达到设定的最高频率fmax为止；
当负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差Δf>0时，表明f<f*，光伏阵列的电压扰动步长ΔV以大步长进行扰动，使得光伏阵列输出功率向快速增加方向移动，即光伏阵列输出电压向快速减小方向移动，直到负载电压频率f达到最低频率fmin为止，当光伏阵列输出电压达到设定电压时，光伏阵列输出功率达到最大，此时若仍存在f<fmin，则说明光伏阵列输出功率不足，光伏阵列输出电压以设定电压点为中心来回扰动，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机，若光伏阵列输出电压尚未达到设定电压点，而达到了系统正常工作所规定的最低电压，则光伏阵列输出电压保持在该最低电压附近，若一直存在f<fmin，则达到系统频率超出范围所规定的时间时，则系统停机。
2.根据权利要求1所述的光伏微网运行逆变器的指令电压控制方法，其特征在于，
所述电压扰动步长ΔV计算方法如下：
ΔV＝|Δf|*ΔV1/Δfs
负载电压指令频率f*与设定的最低频率fmin之差绝对值Δf1，以及负载电压指令频率f*与设定的最高频率fmax之差绝对值Δf2，比较Δf1和Δf2大小，将较大者赋值给Δfs，其中，|Δf|为|f*-f|即表示负载电压指令频率f*与负载电压频率f之差的绝对值，ΔV1为恒定值，表示小步长。
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