CN103956768B - 一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法。该方法利用有功和无功参考电流、电压正负序分量以及调节系数生成并网参考电流；采用PR调节器和SVPWM调制模块生成开关管驱动信号。本发明可以实现光伏并网逆变器故障穿越时有功电流和无功电流协调控制，同时并网电流始终保持在安全工作区，避免过流问题的产生，保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越和抑制输出过电流。

Description

一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域中光伏并网逆变器的控制方法，尤其涉及一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法。

背景技术

近年来光伏并网发电系统发展迅速，大量光伏并网逆变器接入电网，导致并网逆变器和电网之间的相互影响日益加剧。并网导则要求电网出现短时故障时并网逆变器必须保持不脱网运行，采用传统并网控制方法将引起并网逆变器在故障期间电流迅速增大，造成系统开关器件电流应力过大烧毁，导致故障穿越失败。因此研究高可靠性光伏并网逆变器故障穿越控制方法具有重要意义。

目前，国内外对光伏并网逆变器故障穿越控制已经开展了相关研究。在文献《Gridconvertersforphotovoltaicandwindpowersystem》中PedroRodriguez等人提出了一种故障穿越并网控制方法，通过限制功率输出最终限制并网逆变器电流峰值，但该方法计算过程非常复杂。在文献《Controlschemeforphotovoltaicthree-phaseinverterstominimizepeakcurrentsduringunbalancedgridvoltagesags》中推导出电网故障条件下并网逆变器电流峰值表达式，通过调节相关变量减小并网电流峰值，但该方法计算过程同样非常复杂，同时该方法推导过程中的一些理论假设和近似导致电流峰值无法准确估计和精确控制，引发并网逆变器存在过流而烧毁的风险。因此，亟需一种简单有效的控制方法保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越。

发明内容

为了解决上述问题，保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越，本发明提供一种光伏并网逆变器故障穿越方法。本发明所采用的技术方案如下：

一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过电压霍尔传感器采样电网电压e_a,e_b,e_c并通过Clarke变换得到静止坐标系下的电压e_α,e_β，将其送入正负序解耦结构提取出电压正负序分量

步骤2，利用电网电压正序分量有功电流给定值和无功电流给定值求出功率电流计算值

$\left\{\begin{array}{c}{I}_p^{*}=i_p^{*}\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\\ I_q^{*}=i_q^{*}\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\end{array}\right.;$

步骤3，利用有功电流计算值无功电流计算值电压正负序分量和调节系数k_p,k_q生成静止坐标系下αβ轴的参考电流其静止坐标下αβ轴的参考电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}=i_{\mathrm{\α}\left(p\right)}^{*}+i_{\mathrm{\α}\left(q\right)}^{*}\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}=i_{\mathrm{\β}\left(p\right)}^{*}+i_{\mathrm{\β}\left(q\right)}^{*}\end{array}\right.;$

步骤4，将静止坐标下αβ轴的电流参考指令经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电流参考再对三相电流参考进行峰值检测，得到三相电流参考峰值I_a(peak),I_b(peak),I_c(peak)，经比较后求得最大电流参考峰值I_max(peak)：

I_max(peak)＝max(I_a(peak),I_b(peak),I_c(peak))；

步骤5，将abc坐标系下的三相电流参考值分别除以最大电流参考峰值I_max(peak)，然后乘以光伏并网逆变器额定电流得到限流后的三相电流参考值

$i_{abc\left(limit\right)}^{*}=\frac{i_{abc}^{*}\·I_{abc}^{*}}{I_{\max \left(peak\right)}};$

步骤6，利用电流霍尔传感器采样光伏并网逆变器输出电流i_abc，分别与限流后的三相电流参考值相减得到误差信号，再依次送入PR调节器和SVPWM调制模块，最后生成开关管的驱动信号S₁～S₆。

在步骤3中所述的参考电流生成方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}\left(p\right)}^{*}=\frac{2}{3}\frac{I_p^{*}}{\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2\]+k_p\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{-}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{-}\right)}^2\]}\[\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)+\left(k_p{U}_{\mathrm{\α}}^{-}\right)\]\\ I_{\mathrm{\β}\left(p\right)}^{*}=\frac{2}{3}\frac{I_p^{*}}{\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2\]+k_p\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{-}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{-}\right)}^2\]}\[\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)+\left(k_p{U}_{\mathrm{\β}}^{-}\right)\]\\ I_{\mathrm{\α}\left(q\right)}^{*}=\frac{2}{3}\frac{I_q^{*}}{\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2\]+k_q\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{-}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{-}\right)}^2\]}\[\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)+\left(k_q{U}_{\mathrm{\β}}^{-}\right)\]\\ I_{\mathrm{\β}\left(q\right)}^{*}=\frac{2}{3}\frac{I_q^{*}}{\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2\]+k_q\[{\left(U_{\mathrm{\α}}^{-}\right)}^2+{\left(U_{\mathrm{\β}}^{-}\right)}^2\]}\[-\left(U_{\mathrm{\α}}^{+}\right)-\left(k_q{U}_{\mathrm{\α}}^{-}\right)\]\end{array}\right.$

其中调节系数k_p,k_q变化范围为[-1,1]且满足k_p+k_q＝0。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，可以实现光伏并网逆变器故障穿越时有功电流和无功电流协调控制，同时并网电流始终保持在安全工作区，避免过流问题的产生，保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越和抑制输出过电流。本发明的控制方案算法简单，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明的一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法原理图；

图2为本发明的光伏并网逆变器系统电网电压波形图；

图3为传统的光伏并网逆变器故障穿越控制的并网电流波形图；

图4为本发明的光伏并网逆变器故障穿越控制方法的并网电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。

一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，图1所示为本发明的一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法原理图，该控制方法包括以下步骤：

步骤1，通过电压霍尔传感器采样电网电压e_a,e_b,e_c并通过Clarke变换得到静止坐标系下的电压e_α,e_β，具体变换过程为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}^{+}+e_{\mathrm{\α}}^{+}\\ e_{\mathrm{\β}}^{+}+e_{\mathrm{\β}}^{-}\end{array}\right],$

将静止坐标系下电压e_α,e_β送入正负序解耦提取结构中得到其正负序解耦结构输入输出传递函数为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\hat{U}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{+}\left(s\right)}{U_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c(s+{\mathrm{j\ω}}_0)}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}\\ \frac{{\hat{U}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}^{-}\left(s\right)}{U_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c(s-{\mathrm{j\ω}}_0)}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}\end{array}\right.,$

其中ω_c为正负序滤波器剪切频率，ω₀为电网基波频率；

步骤2，利用电网电压正序分量有功电流给定值和无功电流给定值求出功率电流计算值

$\left\{\begin{array}{c}{I}_p^{*}=i_p^{*}\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\\ I_q^{*}=i_q^{*}\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\α}}^{+}\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\β}}^{+}\right)}^2}\end{array}\right.;$

步骤3，利用有功电流计算值和无功电流计算值电压正负序分量和调节系数k_p,k_q生成静止坐标系下的αβ轴电流参考指令其静止坐标下αβ轴的参考电流应为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}=i_{\mathrm{\α}\left(p\right)}^{*}+i_{\mathrm{\α}\left(q\right)}^{*}\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}=i_{\mathrm{\β}\left(p\right)}^{*}+i_{\mathrm{\β}\left(q\right)}^{*}\end{array}\right.;$

步骤4，将静止坐标下αβ轴的电流参考指令经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电流参考再对三相电流参考进行峰值检测，得到三相电流参考峰值I_a(peak),I_b(peak),I_c(peak)，经比较后求得最大电流参考峰值I_max(peak)，其中2/3变换过程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a^{*}\\ i_b^{*}\\ i_c^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}\end{array}\right];$

步骤5，将abc坐标系下的三相电流参考值分别除以最大电流参考峰值I_max(peak)，然后乘以光伏并网逆变器额定电流得到限流后的三相电流参考值

步骤6，利用电流霍尔传感器采样光伏并网逆变器输出电流i_abc，分别与限流后的三相电流参考值相减得到误差信号，再依次送入PR调节器和SVPWM调制模块，最后生成开关管的驱动信号S₁～S₆。其中所述PR调节器的传递函数为：

$G_{PR}\left(s\right)=k_p+\frac{k_{r}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}.$

下面对本发明的有效性进行验证。

系统参数如下：光伏并网逆变器直流侧电压120V，电网相电压峰值50V，0.15s时刻发生电网故障，电压不平衡度为0.3，设定并网逆变器额定电流峰值为5A。仿真结果如图2～图4所示。图2为本发明的光伏并网逆变器系统电网电压波形图，图3为传统的光伏并网逆变器故障穿越控制的并网电流波形图，图4为本发明的光伏并网逆变器故障穿越控制方法的并网电流波形图。对比图3和图4可以看出，采用传统故障穿越控制将导致并网电流超出额定电流，将引发开关器件电流应力过大而烧毁，导致故障穿越失败。另一方面，采用本发明提出的方案可以使并网电流始终保持在额定电流以下工作，避免过流问题的产生，从而保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越。

Claims (3)

1.一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1，通过电压霍尔传感器采样电网电压e_a,e_b,e_c并通过Clarke变换得到静止坐标系下的电压e_α,e_β，将其送入正负序解耦结构提取出电压正负序分量

步骤2，利用电网电压正序分量有功电流给定值和无功电流给定值求出功率电流计算值

步骤3，利用有功电流计算值无功电流计算值电压正负序分量和调节系数k_p,k_q生成静止坐标系下的αβ轴电流参考指令其静止坐标下αβ轴的参考电流为：

步骤4，将静止坐标下αβ轴的参考电流经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电流参考再对三相电流参考进行峰值检测，得到三相电流参考峰值I_a(peak),I_b(peak),I_c(peak)，经比较后求得最大电流参考峰值I_max(peak)：

I_max(peak)＝max(I_a(peak),I_b(peak),I_c(peak))；

步骤5，将abc坐标系下的三相电流参考值分别除以最大电流参考峰值I_max(peak)，然后乘以光伏并网逆变器额定电流得到限流后的三相电流参考值

步骤6，利用电流霍尔传感器采样光伏并网逆变器输出电流i_abc，分别与限流后的三相电流参考值相减得到误差信号，再依次送入PR调节器和SVPWM调制模块，最后生成开关管的驱动信号S₁～S₆。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：在步骤3中所述的电流参考指令生成方法为：

其中调节系数k_p,k_q变化范围为[-1,1]且满足k_p+k_q＝0。

3.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：在步骤6中所述PR调节器的传递函数为：