CN103997066A - 基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法，该方法包括光伏阵列将太阳能转化为电能，DC-DC变换器进行光伏发电系统的最大功率跟踪，逆变器将直流电逆变为高质量交流电送往电网；检测电网是否跌落，若否，前级控制器中的MPPT控制器进行工作，从光伏阵列获得最多的能量；若是，前级控制器中的MPPT停止工作，第一PI控制器进行工作，保持直流母线电压在低电压穿越过程中维持稳定，并网电流给定单元提供无功电流，保持并网电流幅值恒定。本发明可以减少直流母线电压在低电压穿越过程中剧烈突变，防止并网电流超过流值。

Description

基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统技术领域，特别是涉及一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法。

背景技术

在过去的几年中，光伏并网发电系统无论是在安装的数量上还是规模上都得到了长足的发展，光伏发电量在电网中所占比重逐年上升。受到光伏并网系统蓬勃发展的推动，许多国家都修订了新的电网规范。在中国国家电网公司2011年5月6日发布实施的《光伏电站接入电网技术规定》中首次明确对大中型光伏电站提出低电压穿越(LVRT)方面的要求。由此可见，具备低电压穿越能力的光伏系统将会是未来的发展趋势。

《光伏电站接入电网技术规定》对于低电压穿越的要求主要有如下几点：

(1)电力系统发生不同类型故障时，当光伏电站并网点考核电压在图1所示的电压轮廓线以上区域时，光伏电站应保证不间断并网运行，否则停止向电网线路送电；

(2)对电力系统故障期间没有切出的光伏电站，其有功功率在故障清除后应该快速恢复；

(3)低电压穿越过程中光伏电站宜提供动态无功支撑。

德国的E.ON标准要求：电压丢落到90％以下，光伏并网系统就需要提供无功电流来支持电网恢复；当电压跌落到50％以下，需要提供100％无功电流(参图2所示)。

目前，有关低电压穿越的研究主要针对的是风力发电系统，光伏系统尤其是单相系统的研究比较少。学者Frede Blaabjerg在单相光伏系统低电压穿越方面做了较为细致的研究。文献(Y.Yang,F.Blaabjerg,and Z.Zou,Benchmarking of Grid Fault Modes in Single-Phase Grid-Connected PhotovoltaicSystems[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49(5):2167-2176.)将单级式系统作为研究对象，但单级式系统与两级式系统相比，输入电压范围小且控制较为复杂。从光伏阵列传输到电网的有功功率取决于光伏阵列的工作状态，当电网未发生故障时，要求光伏阵列工作于最大功率点跟踪(MPPT)状态。一旦电网跌落，并网逆变器的输入功率远大于输出功率，光伏阵列产生的额外功率将堆积在直流母线电容上，导致母线电压升高。此时逆变部分若采用传统的双闭环控制策略(直流电压外环，并网电流内环)，并网电流给定势必会随着母线电压的上升而增加。文献(P.Rodriguez,A.V.Timbus,and R.Teodorescu et al.,Flexible active power control of distributedpower generation systems during grid faults[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2007,54(5):2583-2592.)采用的恒定有功电流控制策略，在电网跌落较深时可能会触发过流保护。因此在低电压穿越阶段，如何解决母线电压抬升带来的一系列问题(母线电容耐压值提高、直流震荡加剧等)以及如何避免触发系统过电流保护成为研究的重点。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法。

发明内容

有鉴于此，为了减少直流母线电压在低电压穿越过程中剧烈突变，防止并网电流超过流值，本发明提供一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统，所述光伏发电系统依次包括光伏阵列、DC-DC变换器及逆变器，所述逆变控制系统包括与所述DC-DC变换器相连的前级控制器和与所述逆变器相连的后级控制器，所述前级控制器包括并联设置的MPPT控制器和第一PI控制器，所述后级控制器包括PR控制器及分别与PR控制器分别相连的第二PI控制器和并网电流给定单元，所述并网电流给定单元与电压跌落检测单元相连，所述PR控制器用于实现交流电无静差控制。

作为本发明的进一步改进，所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。

作为本发明的进一步改进，所述逆变器为逆变H桥，所述逆变H桥后连接有LCL滤波器。

相应地，一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统的逆变控制方法，所述逆变控制方法包括：

S1、光伏阵列将太阳能转化为电能，DC-DC变换器进行光伏发电系统的最大功率跟踪，逆变器将直流电逆变为高质量交流电送往电网；

S2、检测电网是否跌落，若否，前级控制器中的MPPT控制器进行工作，从光伏阵列获得最多的能量；若是，前级控制器中的MPPT停止工作，第一PI控制器进行工作，保持直流母线电压在低电压穿越过程中维持稳定，并网电流给定单元提供无功电流，保持并网电流幅值恒定。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中还包括：

电网跌落时，将直流母线参考电压U_dc ^*和实际母线电压U_dc的偏差信号送入第一PI控制器，第一PI控制器的输出信号与三角波载波比较产生PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经过驱动送给DC-DC变换器的开关管。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中还包括：

并网电流给定单元提供参考并网电流i_inv ^*，参考并网电流i_inv ^*由有功电流分量和无功电流分量合成，且参考并网电流i_inv ^*幅值恒定为I_N。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2还包括：

当电网跌落范围介于50％和90％之间时，无功电流幅值此时有功电流幅值 $I_{\mathrm{active}}=\sqrt{{I_N}^2-2\×\frac{U_{\mathrm{grid}}}{U_N}\×I_N};$

当电网跌落到50％以下，无功电流幅值I_reactive＝I_N，有功电流幅值I_active＝0。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2还包括：

将参考电流i_inv ^*和实际并网电流i_inv的偏差信号送入PR控制器，PR控制器的输出信号与三角波载波比较产生SPWM脉冲信号，SPWM脉冲信号经过驱动送给逆变器。

本发明具有以下有益效果：

直流母线电压根据电网的不同状况由两级式系统灵活控制，在电网故障期间能够最大程度减少电压变化；

为了避免触发过流保护，在低电压穿越过程，电网电流采用恒定峰值电流控制策略；

为了加快电网恢复，光伏系统在低电压穿越过程向电网提供无功补偿，且无功功率的大小取决于电网电压跌落的深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为大中型光伏电站低电压穿越要求；

图2为E.ON标准中在低电压穿越过程中对无功电流的要求；

图3为本发明一实施例中单相两级式光伏并网系统拓扑结构；

图4为本发明一实施例中光伏系统前级控制器的模块示意图；

图5为本发明一实施例中光伏系统后级控制器的模块示意图；

图6a、6b、6c分别为本发明一实施例中电网跌落到0.2p.u.情况下光伏阵列工作模式变化波形、直流母线电压变化波形、电网电压和并网电流波形；

图7为本发明一实施例中电网跌落到0.5p.u.情况下电网电压和并网电流波形；

图8a、8b、8c分别为本发明一实施例中电网跌落到0.8p.u.情况下电网电压和并网电流波形。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图3所示，本发明一具体实施例中，光伏发电系统为两级式光伏并网系统，其具体包括以下几个部分：

光伏阵列10，用于将太阳能转化为电能；

DC-DC变换器20，本实施例中采用升压型Boost变换器，用于实现光伏发电系统的最大功率跟踪；

前级控制器30，参图4所示，前级控制器30包括并联设置的MPPT控制器31和第一PI控制器32。在电网工作正常时，采用MPPT控制器从光伏阵列获得最多的能量；当检测到电网跌落后，将由直流电压单闭环控制器取代，来保持直流母线电压在低电压穿越过程中维持稳定；

逆变器40，本实施例中逆变器40采用逆变H桥，逆变H桥后还连接有LCL滤波器41。逆变器40将直流电逆变为高质量交流电送往电网；

后级控制器50，参图5所示，后级控制器50包括PR控制器51及分别与PR控制器分别相连的第二PI控制器52和并网电流给定单元53，并网电流给定单元与电压跌落检测单元54相连，在电网工作正常时，采用传统双闭环控制器(直流电压外环，并网电流内环)；当电网跌落后，将采用并网电流单闭环控制器：无功电流的幅值由电网跌落深度决定，为了避免并网电流超过限流值，本实施例采用了恒定峰值电流策略。

本实施例中基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统的逆变控制方法，具体包括：

S1、光伏阵列将太阳能转化为电能，DC-DC变换器进行光伏发电系统的最大功率跟踪，逆变器将直流电逆变为高质量交流电送往电网；

S2、检测电网是否跌落，若否，前级控制器中的MPPT控制器进行工作，从光伏阵列获得最多的能量；若是，前级控制器中的MPPT停止工作，第一PI控制器进行工作，保持直流母线电压在低电压穿越过程中维持稳定，并网电流给定单元提供无功电流，保持并网电流幅值恒定。

对于系统的前级，在低电压穿越阶段，MPPT控制器将停止工作，直流电压单闭环控制器被启用：

将直流母线参考电压U_dc ^*和实际母线电压U_dc的偏差信号送入第一PI控制器，第一PI控制器的输出信号与三角波载波比较产生PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经过驱动送给DC-DC变换器的开关管。

对于系统后级，并网电流给定单元提供参考并网电流i_inv ^*，参考并网电流i_inv ^*由有功电流分量和无功电流分量合成，且参考并网电流i_inv ^*幅值恒定为I_N：

当电网跌落范围介于50％和90％之间时，无功电流幅值此时有功电流幅值 $I_{\mathrm{active}}=\sqrt{{I_N}^2-2\×\frac{U_{\mathrm{grid}}}{U_N}\×I_N};$

当电网跌落到50％以下，无功电流幅值I_reactive＝I_N，有功电流幅值I_active＝0。

这样既为电网提供了无功电流，又保证电流幅值不超过限流值。

由无功电流给定和有功电流给定合成参考电流i_inv ^*，将参考电流i_inv ^*和实际并网电流i_inv的偏差信号送入准谐振PR(Proportional Resonant)控制器，PR控制器的输出信号与三角波载波比较产生SPWM脉冲信号，SPWM脉冲信号经过驱动送给逆变器中的逆变桥臂。本发明中采用PR控制器取代常见的PI控制器实现交流电流无静差控制。

为了验证本发明中电网跌落检测的逆变控制系统及方法，将本发明应用于单相两级式光伏并网系统，并通过仿真验证所发明方法的可行性和正确性。

光伏阵列设置如下：开路电路V_oc1＝221.5V，短路电流I_sc1＝15.87A，最大功率点电压V_ocMP1＝179V，最大功率点电流I_scMP1＝14.67A。光伏阵列功率和电压的关系如图4所示。关于后级逆变部分的一些重要参数包括：并网额定电流I_N＝15A，逆变器最大限流值I_p＝20A，逆变H桥开关频率f_s＝10kHz，直流母线电压U_dc＝400V，直流母线电容C_dc＝2200uF，电网额定电压有效值U_N＝220V。

图6a为本发明在电网不同情况下的工作模式：

0.5s之前，电网正常，前级Boost变换器工作在MPPT模式，电网从光伏阵列获得最大功率；

0.5-0.8s，电网跌落至0.2p.u.，根据《光伏电站接入电网技术规定》，并网系统需要具备低电压穿越能力，此时系统从MPPT模式切换为电网故障模式；

0.8s以后，电网恢复正常，此时要求系统能够迅速恢复有功功率，Boost变换器重新进入MPPT模式。

图6b是在不同工作模式情况下直流母线电压的波形：

当电网未发生故障时，直流母线电压由后级并网逆变器的双闭环调节器控制，由于逆变器输出功率具有两倍于电网工作频率的功率波动，输出功率波动在直流母线电压表现为一个同样两倍于工频的轻微的电压波动；

一旦检测到电网电压跌落，此时MPPT控制器将停止工作，直流母线电压单闭环控制器被启用，此时由前级Boost变换器保持直流母线的稳压，防止由于输出功率的减少引起母线电容的电压激增，减少系统的能量损耗；

当电网恢复到正常状态，此时直流母线电压重新由双闭环调节器控制，由于本发明方法保持直流母线电压恒定，减少电容充放电，系统有功功率迅速恢复，从而能够顺利度过低电压穿越过程。

图6c为在不同工作模式情况下电网电压和并网电流波形：

由图可知在电网故障模式下，并网电流幅值保持恒定，避免电流过流情况的发生；

根据E.ON标准，当电网跌落至0.2p.u.时，需要补偿100％无功电流，此时有功电流分量为0，理论分析与图6c完全一致。

图7为电网跌落50％时电网电压和并网电流波形：

与当电网跌落至0.2p.u.时情况类似，同样需要补偿100％无功电流，并网电流中仅含有无功分量以支持电网恢复。

图8a、8b、8c是电网跌落20％情况下电网电压和并网电流波形：

根据E.ON标准，无功电流分量为并网电流幅值保持恒定，因此有功电流分量为 $I_{\mathrm{active}}=\sqrt{{I_N}^2-2\×\frac{U_{\mathrm{grid}}}{U_N}\×I_N}=0.92I_N,$ 理论分析与图8完全一致。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

直流母线电压根据电网的不同状况由两级式系统灵活控制，在电网故障期间能够最大程度减少电压变化；

为了避免触发过流保护，在低电压穿越过程，电网电流采用恒定峰值电流控制策略；

为了加快电网恢复，光伏系统在低电压穿越过程向电网提供无功补偿，且无功功率的大小取决于电网电压跌落的深度。

根据仿真验证所本发明的基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统及方法具备很好的静态和动态性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统，所述光伏发电系统依次包括光伏阵列、DC-DC变换器及逆变器，其特征在于，所述逆变控制系统包括与所述DC-DC变换器相连的前级控制器和与所述逆变器相连的后级控制器，所述前级控制器包括并联设置的MPPT控制器和第一PI控制器，所述后级控制器包括PR控制器及分别与PR控制器分别相连的第二PI控制器和并网电流给定单元，所述并网电流给定单元与电压跌落检测单元相连，所述PR控制器用于实现交流电无静差控制。

2.根据权利要求1所述的逆变控制系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。

3.根据权利要求1所述的逆变控制系统，其特征在于，所述逆变器为逆变H桥，所述逆变H桥后连接有LCL滤波器。

4.一种如权利要求1中基于光伏发电系统中电网跌落检测的逆变控制系统的逆变控制方法，其特征在于，所述逆变控制方法包括：

S1、光伏阵列将太阳能转化为电能，DC-DC变换器进行光伏发电系统的最大功率跟踪，逆变器将直流电逆变为高质量交流电送往电网；

S2、检测电网是否跌落，若否，前级控制器中的MPPT控制器进行工作，从光伏阵列获得最多的能量；若是，前级控制器中的MPPT停止工作，第一PI控制器进行工作，保持直流母线电压在低电压穿越过程中维持稳定，并网电流给定单元提供无功电流，保持并网电流幅值恒定。

5.根据权利要求4所述的逆变控制方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：

电网跌落时，将直流母线参考电压U_dc ^*和实际母线电压U_dc的偏差信号送入第一PI控制器，第一PI控制器的输出信号与三角波载波比较产生PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经过驱动送给DC-DC变换器的开关管。

6.根据权利要求4所述的逆变控制方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：

并网电流给定单元提供参考并网电流i_inv ^*，参考并网电流i_inv ^*由有功电流分量和无功电流分量合成，且参考并网电流i_inv ^*幅值恒定为I_N。

7.根据权利要求6所述的逆变控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

当电网跌落范围介于50％和90％之间时，无功电流幅值此时有功电流幅值 $I_{\mathrm{active}}=\sqrt{{I_N}^2-2\×\frac{U_{\mathrm{grid}}}{U_N}\×I_N};$

当电网跌落到50％以下，无功电流幅值I_reactive＝I_N，有功电流幅值I_active＝0。

8.根据权利要求6所述的逆变控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

将参考电流i_inv ^*和实际并网电流i_inv的偏差信号送入PR控制器，PR控制器的输出信号与三角波载波比较产生SPWM脉冲信号，SPWM脉冲信号经过驱动送给逆变器。