CN103887820A - 一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，包括步骤：实时检测电网电压的跌落类型和深度；对跌落的电网给予符合要求的无功电流支撑；跌落结束后利用基于系统直流母线电压控制的开环调节方法和最大功率跟踪方法实现系统有功功率的快速恢复。本发明对平衡或者不平衡的跌落能进行快速准确的反应，并且能满足低电压穿越标准的技术要求。

Description

一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及大功率光伏逆变器控制技术领域，尤其涉及大功率光伏逆变器的低电压穿越方法。

背景技术

大功率光伏逆变器新的并网接入规则规定：大型光伏电站的中高压型逆变器应具备一定的耐受异常电压的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电压的不稳定。电网电压异常在光伏并网系统中体现为并网点电压跌落，根据跌落类型可分为三相平衡跌落和三相不平衡跌落。

根据要求，光伏逆变器在低电压穿越期间，并网运行需要满足条件如下：

(1)电网电压跌落瞬间，需在保护光伏逆变器安全的前提下保持不间断并网运行。

(2)低电压穿越期间，保持逆变器并网的稳定运行，同时按照并网规则向电网提供必要的无功支撑。

(3)电网电压恢复后，有功电流需以至少30%额定功率/秒的变化率恢复至故障前的运行幅值。

光伏逆变器没有转动惯量，直流侧的电压在电网电压跌落时不会像风电变流器那样升高很多，所以光伏逆变器进行低电压穿越的重点和难点是交流侧输出电流的大小和相位，在电网电压跌落期间，需要控制有功电流，避免过大的电流损害电力电器件，并按照标准要求对电网提供无功电流的支撑。另外，光伏电站正常并网工作时的输出效率主要由最大功率跟踪策略决定，低电压穿越过程前后逆变器对有功、无功电流的控制，是通过低电压穿越控制过程和最大功率跟踪过程的动态切换实现的，良好地控制策略才能满足低电压穿越过程中对输出电流大小、相位、增减速度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，对平衡或者不平衡的跌落能进行快速准确的反应，并且能满足低电压穿越标准的技术要求。

实现上述目的的技术方案是：

一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，包括步骤：

步骤1，实时检测电网电压的跌落类型和深度；

步骤2，对跌落的电网给予符合要求的无功电流支撑；

步骤3，跌落结束后利用基于系统直流母线电压控制的开环调节方法和最大功率跟踪方法实现系统有功功率的快速恢复，

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤11，对三相电网电压值进行采样和锁相，获取三相电压的采样幅值和电网电压A相相位值；

步骤12，对三相电压幅值以A相相位为基准分别进行正序和负序分解，分别获得三相电压幅值的正序分量幅值u₊和负序分量幅值u_-；

步骤13，根据电网电压负序分量幅值的大小，判断电网电压跌落是否平衡；

步骤14，在电网发生平衡跌落的情况下，直接获取电网电压的跌落深度

其中

为电网额定的正序分量幅值；在电网发生不平衡跌落的情况下，将每一相电网电压构建为虚拟三相电网电压，从而得到每一相电网电压的跌落深度。

进一步地，所述步骤14中，对任一相电网电压的构建方法为：令该相电压实时幅值为虚拟电网A相幅值，该相电压所缓存的60°之前的幅值的负值为虚拟电网B相幅值，前两者的负和为虚拟电网的C相幅值。

进一步地，所述步骤2具体指：在逆变器判断出电网电压发生跌落起，10ms之内封锁逆变器模块的脉冲，即停止对电网输出电流；在10ms至30ms时间段内开始向电网发送无功电流，发送的无功电流指令值为：

$\mathrm{Iq}=1.6\×(0.9-\mathrm{Ud}\left(t\right)/\stackrel{\‾}{\mathrm{Ud}})*1500$

其中，

为实时检测到的电网跌落深度；

在判断出电网发生跌落的30ms之后，对电网继续发送无功电流，无功电流指令为30ms时刻计算所得的值。

进一步地，所述步骤3包括：

跌落刚结束时给定直流电压的参考值，并加快电压外环的PI调节速度，使逆变器快速恢复一定程度的有功功率；以及

在给定电压参考值的开环方式下运行一段时间之后，投入基于直流母线电压控制的最大功率跟踪控制，使系统进一步恢复到PV阵列功率曲线的最大功率点。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤31，在电网电压跌落期间，逆变器在发送无功电流的过程中对直流母线电压进行采样，取得在当前情况下的近似PV阵列开环电压值

步骤32，逆变器在判断出电网电压跌落结束后，将直流母线电压参考值U_{dc_ref}设定为

的0.8倍，使用PI调节得到逆变器并网输出电流的指令值，即：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}，即0.8倍之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，

为PI调节器的积分部分。

步骤33，在固定直流母线电压参考值运行20ms之后，开始对直流母线电压的参考值进行扰动，逆变器回到基于直流母线电压控制的最大功率跟踪运行状态。

本发明的有益效果是：本发明通过对电网电压的幅值进行多方面检测，使得对于平衡或者不平衡的跌落都能进行快速准确的反应。同时，本发明结合光伏逆变器基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，使得电网电压跌落期间系统从有功电流切换到无功电流、电网跌落结束之后从无功电流切换到有功电流的过程流畅，速度较快，能够满足低电压穿越标准对逆变器提出的技术要求。

附图说明

图1是大功率光伏逆变器主电路结构图；

图2是基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法的原理图；

图3为本发明中单相电网电压虚拟构建示意图；

图4为本发明中电网电压跌落结束之后有功电流恢复过程示意图；

图5为使用本发明的光伏逆变器进行低电压穿越过程的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，为大功率光伏逆变器主电路结构图，包括直流输入电路、三相全桥IGBT主功率电路、LC滤波电路和交流接触器等。

基于图1的逆变器主电路结构图，本发明提出基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，如下：

请参阅图2，基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，包括如下步骤：

步骤A，实时检测逆变器直流母线电压U_dc和直流输入电流I_dc，从而计算得到实时输入功率P_dc；

步骤B，对直流母线电压U_dc的给定值U_{dc_ref}进行扰动，将U_dc和U_{dc_ref}的差值经PI调节器调节后作为逆变器电流控制的给定输入值I_ref(t)，给定输入值计算过程如下：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，

为PI调节器的积分部分。。

步骤C，通过逆变器对输出电流的PI调节，使输出的有功电流值I_d=I_ref(t)。

步骤D，计算经过该次扰动后逆变器输入功率P_dc的变化情况，通过扰动方向和P_dc变化趋势的关系判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响，最终得到该情况下逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值，使逆变器保持在此母线电压值附近运行，从而达到最大功率跟踪的效果。其中，利用对U_{dc_ref}的扰动达到最大功率跟踪效果的过程如下：

在逆变器运行过程中，选择适当的PI调节器调整因子，使得直流母线电压U_dc跟上U_{dc_ref}的变化，即认为U_dc=U_{dc_ref}；利用每个功率调整周期对U_{dc_ref}的扰动，达到对U_dc的扰动，从而判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响，最终得到该情况下逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值，达到最大功率跟踪的效果。

本发明的低电压穿越方法，包括下列步骤：

步骤1，实时检测电网电压的跌落类型和深度，即：对电网电压进行正序分解和负序分解，通过电网电压负序分量的幅值判断电网电压是否平衡。当电网电压发生平衡跌落时，其负序分量较小；当电网电压发生不平衡跌落时，其负序分量较大。若系统通过电网电压负序分量的幅值判断出电网发生了平衡跌落，则电网电压的跌落深度由此时电网电压的正序分量幅值和电网电压额定幅值的比值直接得到；若系统通过电网电压负序分量的幅值判断出电网发生了不平衡跌落，则需要对电网电压每一相进行虚拟构建。

具体步骤如下：

步骤11，对三相电网电压值进行采样和锁相，获取三相电压的采样幅值u(t)和电网电压A相相位值θ；

步骤12，对三相电压幅值u(t)以A相相位为基准分别进行正序和负序分解，分别获得三相电压幅值的正序分量幅值u₊和负序分量幅值u_-；

步骤13，判断电网电压负序分量幅值的大小，若u_-<30，则认为电网电压发生平衡跌落，否则认为电网电压发生不平衡跌落；

步骤14，在电网发生平衡跌落的情况下，电网电压的跌落深度=

其中为电网额定的正序分量幅值；在电网发生不平衡跌落的情况下，将每一相电网电压构建为虚拟三相电网电压，该虚拟三相电压的正负分量幅值即为该相电网电压的幅值，从而得到每一相电网电压的跌落深度。

其中，对任一相电网电压的构建方法为：令该相电压实时幅值为虚拟电网A相幅值，该相电压所缓存的60°之前的幅值的负值为虚拟电网B相幅值，前两者的负和为虚拟电网的C相幅值。

请参阅图3，以电网A相电压为例，将实际采样得到的电网A相电压幅值U_A作为虚拟构建的电网A相电压；将系统缓存得到的60°之前的A相电压的负幅值作为虚拟构建的电网C相电压U_C；将虚拟的A、C相电压的负和作为虚拟的B相电压U_B，即构建了虚拟三相电压，此三相电压的正序分量幅值即为实际电网A相电压幅值。通过分别对三相电网电压进行构建，可以在电网电压发生不平衡跌落的情况下分别得到三相电压的跌落深度。

步骤2，对跌落的电网给予符合要求的无功电流支撑，即：在逆变器判断出电网电压发生跌落起，10ms之内封锁逆变器模块的脉冲，即停止对电网输出电流；

在10ms至30ms时间段内开始向电网发送无功电流，发送的无功电流指令值为：

$\mathrm{Iq}=1.6\&times;(0.9-\mathrm{Ud}\left(t\right)/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Ud}})*1500$

其中，Ud(t)为跌落的电网电压的实时幅值，

为电网电压的额定幅值，

为实时检测到的电网跌落深度；表明此时间段内，逆变器输出的无功电流大小随实时检测到的跌落深度改变而改变；

在判断出电网发生跌落的30ms之后，对电网继续发送无功电流，无功电流指令为30ms时刻计算所得的值，从30ms至电网电压跌落过程结束的时间段内无功电流指令不再更新；

对于电网发生不平衡跌落的情况，无功电流指令值由发生跌落的一相电压的跌落深度决定，在进行无功补偿的同时，逆变器发送大小为无功电流指令值一半的有功电流指令值，以补偿不平衡跌落情况下的并网电流负序分量。

步骤3，在系统判断电网电压跌落过程结束时刻开始，逆变器停止向电网发送无功电流，利用基于系统直流母线电压控制的开环调节方法和最大功率跟踪方法实现系统有功功率的快速恢复，具体包括下列步骤：

步骤31，在电网电压跌落期间，逆变器在发送无功电流的过程中对直流母线电压进行采样，取得在当前情况下的近似PV阵列开环电压值

步骤32，逆变器在判断出电网电压跌落结束后，将直流母线电压参考值U_{dc_ref}设定为的0.8倍，使用PI调节得到逆变器并网输出电流的指令值，即：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}，即0.8倍

之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，

为PI调节器的积分部分。

步骤33，在固定直流母线电压参考值运行20ms之后，开始对直流母线电压的参考值进行扰动，逆变器回到基于直流母线电压控制的最大功率跟踪运行状态。

请参考图4，跌落结束的时刻，逆变器无功电流较大，有功电流小，工作点近似位于PV阵列当前时刻功率曲线的开环电压点（VOC），故将电网电压跌落过程中的直流母线电压采样值作为此时功率曲线的开环电压值

将系统的直流母线电压给定值固定为

的0.8倍，调整PI参数，使逆变器在功率曲线上的工作点快速左移，接近最大功率点，这个过程将伴随较快的有功电流的增加；

逆变器在功率曲线上

的0.8倍出运行20ms后，开始对直流母线电压的给定值进行扰动，系统将回到电网电压跌落之前的状态，即基于直流母线电压控制的最大功率跟踪状态，逆变器在功率曲线上的工作点将向最大功率点处移动，逐渐恢复到稳定的发送有功电流的状态。

以上的步骤实现了大功率光伏逆变器的低电压穿越过程。本发明已经在100KW光伏逆变器中得到应用，图5为该光伏逆变器在电网电压发生不平衡跌落的情况下的运行情况，逆变器对不平衡跌落及时响应，并发出符合要求的无功电流，在跌落结束后有功功率迅速恢复，恢复速度超过90%额定功率/秒，从中可以看出，本发明所提出的大型光伏逆变器的低电压穿越方法可以良好地实现对电网电压跌落情况的处理。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，实时检测电网电压的跌落类型和深度；

步骤2，对跌落的电网给予符合要求的无功电流支撑；

步骤3，跌落结束后利用基于系统直流母线电压控制的开环调节方法和最大功率跟踪方法实现系统有功功率的快速恢复。

2.根据权利要求1所述的大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤11，对三相电网电压值进行采样和锁相，获取三相电压的采样幅值和电网电压A相相位值；

步骤12，对三相电压幅值以A相相位为基准分别进行正序和负序分解，分别获得三相电压幅值的正序分量幅值u₊和负序分量幅值u_-；

步骤13，根据电网电压负序分量幅值的大小，判断电网电压跌落是否平衡；

步骤14，在电网发生平衡跌落的情况下，直接获取电网电压的跌落深度

其中

为电网额定的正序分量幅值；在电网发生不平衡跌落的情况下，将每一相电网电压构建为虚拟三相电网电压，从而得到每一相电网电压的跌落深度。

3.根据权利要求2所述的大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤14中，对任一相电网电压的构建方法为：令该相电压实时幅值为虚拟电网A相幅值，该相电压所缓存的60°之前的幅值的负值为虚拟电网B相幅值，前两者的负和为虚拟电网的C相幅值。

4.根据权利要求1所述的大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤2具体指：在逆变器判断出电网电压发生跌落起，10ms之内封锁逆变器模块的脉冲，即停止对电网输出电流；在10ms至30ms时间段内开始向电网发送无功电流，发送的无功电流指令值为：

$\mathrm{Iq}=1.6\&times;(0.9-\mathrm{Ud}\left(t\right)/\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Ud}})*1500$

其中，

为实时检测到的电网跌落深度；

在判断出电网发生跌落的30ms之后，对电网继续发送无功电流，无功电流指令为30ms时刻计算所得的值。

5.根据权利要求1所述的大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤3包括：

跌落刚结束时给定直流电压的参考值，并加快电压外环的PI调节速度，使逆变器快速恢复一定程度的有功功率；以及

在给定电压参考值的开环方式下运行一段时间之后，投入基于直流母线电压控制的最大功率跟踪控制，使系统进一步恢复到PV阵列功率曲线的最大功率点。

6.根据权利要求5所述的大功率光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31，在电网电压跌落期间，逆变器在发送无功电流的过程中对直流母线电压进行采样，取得在当前情况下的近似PV阵列开环电压值

步骤32，逆变器在判断出电网电压跌落结束后，将直流母线电压参考值U_{dc_ref}设定为

的0.8倍，使用PI调节得到逆变器并网输出电流的指令值，即：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}，即0.8倍

之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，

为PI调节器的积分部分。

步骤33，在固定直流母线电压参考值运行20ms之后，开始对直流母线电压的参考值进行扰动，逆变器回到基于直流母线电压控制的最大功率跟踪运行状态。

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