CN104135033A - 新型光伏并网逆变器电压型控制方法 - Google Patents

Abstract

新型光伏并网逆变器电压型控制方法，涉及一种并网逆变器电压型控制方法。为了解决现有电压控制型逆变器并网功率易受电网波动影响，无法直流母线电压稳定的问题。本方法包括如下步骤：步骤一：将闭环反馈控制方法引入到下垂控制中，增加功率环，经拉普拉斯变换后，获得下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀，步骤二：将下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程，并简化后获得方程，并将简化后获得方程中的功率环替换为直流母线电压环，完成光伏并网逆变器对直流母线电压的控制。本发明主要应用在并网逆变器上。

Description

新型光伏并网逆变器电压型控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网逆变器电压型控制方法。

背景技术

并网有功功率通过逆变器输出电压幅值调节，并网无功功率通过逆变器相位来调节，因此，电压控制型逆变器并网时的输出功率方程与逆变器并联下垂控制类似。传统下垂控制忽略了线路阻抗中的阻性成分，认为传输线路以感性为主。而低压电力传输线以阻性为主，因此，可以得到逆变器的电压型并网下垂方程

U＝U₀-k_p(P-P₀)      (1)

f＝f₀+k_q(Q-Q₀)     (2)

式中，U为逆变器输出电压幅值参考值，f为逆变器输出频率参考值，f₀为逆变器额定输出频率，U₀为逆变器额定输出电压幅值，k_p为逆变器输出有功功率的下垂系数，k_q为逆变器输出无功功率的下垂系数，P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率，P₀为逆变器输出的额定有功功率，Q₀为逆变器输出的额定无功功率。

当下垂方程不变时，无功功率与电网频率呈线性关系，若电网频率发生波动，无功功率将随之发生偏移。另外，因为传输线路阻抗上存在压降，并联系统的电压幅值不可能是处处一致的。逆变器输出端电压不会与电网强制相等，而是与电网电压、阻抗大小等多种因素有关。由于阻抗压降的作用，即使电网为额定值，输出的有功功率也不等于所期望的，而电网电压在额定点附近的波动会进一步导致有功功率的偏移。因此，要想克服电网频率波动的影响(保持输出无功功率稳定)并希望有功功率能稳定控制在期望值，则必须改变下垂控制方程。

在两级式光伏并网逆变器中，后级逆变器下垂控制的P₀应始终等于Boost变换器输出的光伏阵列最大功率P_PV，而Q₀始终为0。然而光伏阵列的输出功率P_PV一直在变化，若后级逆变器输出功率不变，会造成前后级输出功率的不平衡，引起系统的不稳定，触发直流母线电压的过压/欠压保护。因此，此时应平移P-U下垂曲线，使前、后两级输出功率保持平衡。

发明内容

本发明为了解决现有电压控制型逆变器并网功率易受电网波动影响，无法直流母线电压稳定的问题，本发明提供了一种新型光伏并网逆变器电压型控制方法。

新型光伏并网逆变器电压型控制方法，它包括下垂控制方法，所述的下垂控制方法包括如下步骤：

步骤一：将闭环反馈控制方法引入到下垂控制中，增加功率环，经拉普拉斯变换后，获得下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀，

步骤二：将下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程，并简化后获得方程，

$U=U_0+(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)---\left(7\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

将公式(7)和(8)中的功率环替换为直流母线电压环，获得

$U=U_0-(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(U_{\mathrm{DCref}}-U_{\mathrm{DC}})---\left(9\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

完成光伏并网逆变器对直流母线电压的控制；

其中，U_DC为直流母线电压，U_DCref为直流母线电压给定值，U为逆变器输出电压幅值参考值，f为逆变器输出频率参考值，U₀为逆变器额定输出电压幅值，P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率，k_pp和k_ip分别为P-U下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，k_pq和k_iq分别为Q-f下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，s为复变量，P_PV为光伏阵列最大功率。

原理分析：

通过改进的下垂功率控制环，逆变器输出的有功功率P，最终能够稳定在给定值P_PV，而与电网电压和线路阻抗无关；逆变器输出的无功功率Q能稳定在给定值0，进一步去除了电网频率的影响。

两级式光伏逆变器存在维持直流母线电压稳定的问题，并网运行时，升压变换器用来实现MPPT控制，所以稳定直流母线电压需要通过后级逆变器来完成。通常，下垂方程仅有功率环，不具有控制直流母线电压的功能，因此本发明提出将直流母线电压环加入下垂控制中，以满足两级式光伏逆变器的控制要求。

本发明提出一种新型的光伏逆变器电压型并网控制方法，该方法解决了电压控制型逆变器并网功率易受电网波动影响问题，增强了光伏逆变器对功率的控制能力，满足了始终以最大有功功率并网和维持直流母线电压稳定的要求。

附图说明

图1为下垂控制方法中公式(7)所对应的改进的P-U控制环的原理框图；其中，E表示电网电压有效值，Z表示并网阻抗，δ表示电网电压相角，f_grid表示电网电压频率；

图2为下垂控制方法中公式(8)所对应的改进的Q-f控制环的原理框图；

图3为现有技术中光伏逆变器电压型并网控制方法的原理示意图；

图4为光伏功率波动实验波形；

图5为电网电压波动时改进下垂控制实验波形中，电网电压升高时暂态波形；

图6为电网电压波动时改进下垂控制实验波形中，电网电压降低时暂态波形；

图7为电网频率波动时改进下垂控制实验波形中，电网频率升高时实验波形；

图8为电网频率波动时改进下垂控制实验波形中，电网频率降低时实验波形。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法，

步骤一：将闭环反馈控制方法引入到下垂控制中，增加功率环，经拉普拉斯变换后，获得下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀，

步骤二：将下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程，并简化后获得方程，

$U=U_0+(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)---\left(7\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

将公式(7)和(8)中的功率环替换为直流母线电压环，获得

$U=U_0-(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(U_{\mathrm{DCref}}-U_{\mathrm{DC}})---\left(9\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

完成光伏并网逆变器对直流母线电压的控制；

其中，U_DC为直流母线电压，U_DCref为直流母线电压给定值，U为逆变器输出电压幅值参考值，f为逆变器输出频率参考值，U₀为逆变器额定输出电压幅值，P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率，k_pp和k_ip分别为P-U下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，k_pq和k_iq分别为Q-f下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，s为复变量，P_PV为光伏阵列最大功率。

本实施方式中，本发明所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法是针对低压电力传输线，所述低压电力传输线以阻性为主；

本发明在具体的应用过程中，用本发明所述的“下垂控制方法”替换现有技术中光伏逆变器电压型并网控制方法中的“下垂控制”，现有技术中光伏逆变器电压型并网控制方法的原理图具体参见图3；

且替换后的系统控制过程如下：前级升压电路采用MPPT控制，U_PV和I_PV分别为光伏输出电压和电流，经过最大功率点跟踪(MPPT)算法产生指令电压U_PVref，减去光伏板输出电压后，经过光伏电压控制(PI)后，产生升压电路的开关管驱动信号。后级逆变器采用下垂控制，通过逆变器输出电压u_AC和电流i_AC计算出有功功率P和无功功率Q，据下垂方程不断微调频率f和幅值U，将重新生成的正弦信号u_ref作为电压环的给定，与逆变器输出电压u_AC和电感电流i_L进行电压电流双环控制，产生最终调制波，进行PWM调制，产生逆变桥开关管的驱动信号。

原理分析：

通过改进的下垂功率控制环，逆变器输出的有功功率P，最终能够稳定在给定值P_PV，而与电网电压和线路阻抗无关；逆变器输出的无功功率Q能稳定在给定值0，进一步去除了电网频率的影响。

两级式光伏逆变器存在维持直流母线电压稳定的问题，并网运行时，升压变换器用来实现MPPT控制，所以稳定直流母线电压需要通过后级逆变器来完成。通常，下垂方程仅有功率环，不具有控制直流母线电压的功能，因此本发明提出将直流母线电压环加入下垂控制中，以满足两级式光伏逆变器的控制要求。

下面解释式(9)和(8)的物理意义：光伏逆变器前后级输出功率的不一致会导致直流母线电压的变化。若后级输出功率小于光伏输出功率，则多余的能量储存在直流母线电容C_DC中，引起U_DC持续上升；反之若后级输出功率大于光伏输出的功率，则不足的能量从直流母线电容C_DC中取出，引起U_DC持续下降；逆变器输出无功功率被控制为零，有功功率的大小则可在直流母线电压U_DC上体现出来，所以式(9)和(8)能起到控制逆变器输出最大有功功率的作用，同时维持直流母线电压U_DC稳定。

具体实施方式二：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法的区别在于，所述新型光伏并网逆变器的电压型并网下垂方程为：

U＝U₀-k_p(P-P₀)     (1)，

f＝f₀+k_q(Q-Q₀)        (2)，

其中，k_p为逆变器输出有功功率的下垂系数，k_q为逆变器输出无功功率的下垂系数，Q₀为逆变器输出的额定无功功率，P₀为逆变器输出的额定有功功率。

具体实施方式三：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法的区别在于，

所述下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀中，

$\mathrm{\Δ}{U}_0=(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)---\left(3\right),$

${\mathrm{\Δf}}_0=(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q-0)---\left(4\right).$

具体实施方式四：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法的区别在于，

将下垂曲线U₀的平移量△U₀和f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程中，获得方程：

$U=U_0+(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)-k_p(P-P_{\mathrm{PV}})---\left(5\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q-0)+k_q(Q-0)---\left(6\right),$

然后将上述两个方程进行简化处理，获得公式(7)和(8)。

为了验证本发明方法的实用性，采用两级式光伏并网逆变器拓扑结构，设计了一台额定功率1kW的实验样机。电网电压220V AC，工频50Hz，开关频率为16.6kHz。

正弦波u_inv为逆变器输出电压，正弦波i_inv为逆变器输出电流，正弦波i_load为负载电流，正弦波u_grid为电网电压，正弦波i_grid为并网电流，由图4所示的光伏功率波动实验波形可见，当光伏板输出功率变化时，所提出的改进下垂控制策略能够有效地进行功率控制，使逆变器始终跟随给定功率输出，充分利用可再生能源。

图5为电网电压波动时改进下垂控制实验波形中，电网电压升高时暂态波形；图6为电网电压波动时改进下垂控制实验波形中，电网电压降低时暂态波形；由图5和6可见，所提出的控制策略能够克服电网电压扰动引起的功率偏差，使逆变器始终按照给定有功功率输出。

图7为电网频率波动时改进下垂控制实验波形中，电网频率升高时实验波形；图8为电网频率波动时改进下垂控制实验波形中，电网频率降低时实验波形；图7和8可见，所提出的控制策略能够有效克服电网频率波动的影响，保证逆变器输出的无功功率始终稳定在给定值0，使逆变器以单位功率因数并网，符合光伏逆变器并网的要求。

Claims (4)

1.新型光伏并网逆变器电压型控制方法，其特征在于，它包括下垂控制方法，所述的下垂控制方法包括如下步骤：

步骤一：将闭环反馈控制方法引入到下垂控制中，增加功率环，经拉普拉斯变换后，获得下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀，

步骤二：将下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程，并简化后获得方程，

$U=U_0+(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)---\left(7\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

将公式(7)和(8)中的功率环替换为直流母线电压环，获得

$U=U_0-(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(U_{\mathrm{DCref}}-U_{\mathrm{DC}})---\left(9\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})Q---\left(8\right),$

完成光伏并网逆变器对直流母线电压的控制；

其中，U_DC为直流母线电压，U_DCref为直流母线电压给定值，U为逆变器输出电压幅值参考值，f为逆变器输出频率参考值，U₀为逆变器额定输出电压幅值，P为逆变器输出的有功功率，Q为逆变器输出的无功功率，k_pp和k_ip分别为P-U下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，k_pq和k_iq分别为Q-f下垂控制环PI调节器的比例、积分系数，s为复变量，P_PV为光伏阵列最大功率。

2.根据权利要求1所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法，其特征在于，所述新型光伏并网逆变器的电压型并网下垂方程为：

U＝U₀-k_p(P-P₀)     (1)，

f＝f₀+k_q(Q-Q₀)        (2)，

其中，k_p为逆变器输出有功功率的下垂系数，k_q为逆变器输出无功功率的下垂系数，Q₀为逆变器输出的额定无功功率，P₀为逆变器输出的额定有功功率。

3.根据权利要求1所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法，其特征在于，所述下垂曲线U₀的平移量△U₀和逆变器额定输出频率f₀的平移量△f₀中，

$\mathrm{\Δ}{U}_0=(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)---\left(3\right),$

${\mathrm{\Δf}}_0=(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q-0)---\left(4\right).$

4.根据权利要求1所述的新型光伏并网逆变器电压型控制方法，其特征在于，将下垂曲线U₀的平移量△U₀和f₀的平移量△f₀分别叠加到新型光伏并网逆变器电压型的并网下垂方程中，获得方程：

$U=U_0+(k_{\mathrm{pp}}+\frac{k_{\mathrm{ip}}}{s})(P_{\mathrm{PV}}-P)-k_p(P-P_{\mathrm{PV}})---\left(5\right),$

$f=f_0+(k_{\mathrm{pq}}+\frac{k_{\mathrm{iq}}}{s})(Q-0)+k_q(Q-0)---\left(6\right),$

然后将上述两个方程进行简化处理，获得公式(7)和(8)。