CN104269878B - 一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制策略，包含前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的控制。在电网故障时，根据电网电压跌落深度控制后级网侧逆变器向电网提供所需的无功功率；逆变器的直流侧电压控制环中加入反映光伏阵列输出功率和直流电压波动的前馈补偿量，从而在故障过程中减小逆变器直流侧过电压；前级DC/DC变换器的控制器根据电压跌落深度和逆变器额定容量控制光伏阵列输出的有功功率，以减小故障时光伏系统中的不平衡能量，达到降低光伏系统中过电流和过电压的目的。本发明不增加硬件装置，响应速度快，实现简单，既能有效提高光伏系统的低电压穿越能力，还可为电网提供无功功率，支撑电网电压恢复。

Description

一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电系统运行控制领域，具体涉及一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法。

背景技术

为了尽可能降低大规模光伏发电接入电网对电力系统可靠性的负面影响，新的电网运行准则都要求当电网发生故障时大中型并网光伏发电机组仍能保持不脱网运行，并在故障切除后光伏机组能迅速恢复正常运行，即要求光伏发电机组能实现低电压穿越运行。为了更好的防御电压、频率等方面的严重电网事故，传统火电机组除了被要求具备低电压穿越能力以外，还要求在紧急状态下具有功率支撑的能力。随着光伏渗透率不断增加，一些国家已经开始要求并网光伏机组在故障条件下提供无功电流，以帮助电网尽快恢复电压。

要使并网光伏发电系统实现安全的低电压穿越，需要解决的关键技术问题主要有并网光伏逆变器交流侧的过电流和直流侧的过电压。

目前，在逆变器的直流侧并联卸荷电路是一种比较常用的低电压穿越控制方法。该方法在检测到电网故障后，在逆变器直流侧电容旁并联卸荷电阻(借助电力电子元件实现)，依靠临时并联的卸荷电阻释放故障时系统中的不平衡能量，从而起到减小逆变器交流侧电流和直流侧电压的目的。尽管卸荷保护电路能够成功实现光伏系统的故障穿越，保护其内部昂贵的电力电子器件，同时也是目前得到工程应用的方法，但它需要增加硬件装置成本，降低了系统的可靠性，且不具备向电网提供无功支撑的能力。

针对卸荷电阻保护技术存在的问题，很多纯软件的控制方法在不改变硬件系统结构的基础上，采用先进的控制算法以提高并网光伏发电系统的低电压穿越性能。但这些控制算法通常由于过于复杂而不适合工业应用，并且大多没有考虑故障下光伏发电系统向电网提供无功支撑的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，该方法能够在电网电压骤降故障时保障并提高光伏发电系统的低电压穿越能力，且能够为电网提供无功支撑。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，包括前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的协调控制，具体包括以下步骤：

1)检测并网光伏发电系统公共连接点的电压；

2)当检测到电网电压骤降故障发生后，前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器协同发生三种控制模式：

模式A：

后级网侧逆变器的无功控制器切换到故障运行模式，该无功控制器在故障运行模式下的具体控制方法为：

先取消后级网侧逆变器控制器的无功功率外环，根据检测到的公共连接点的电压幅值U_g，按照式(1)计算无功电流内环的指令值I_qref；

$I_{\mathrm{qref}}=\left\{\begin{array}{cc}0& U_g>0.9U_{\mathrm{gn}}\\ (2-2\frac{U_g}{U_{\mathrm{gn}}})I_{\mathrm{rated}}& 0.9U_{\mathrm{gn}}\≥U_g>0.5U_{\mathrm{gn}}\\ I_{\mathrm{rated}}& U_g\≤0.5U_{\mathrm{gn}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，U_g为检测到的公共连接点的电压幅值，U_gn为公共连接点电压的额定值，I_rated为后级网侧逆变器电流的额定值；

直到电网清除故障、电压恢复正常后，后级网侧逆变器的控制器切换到正常运行模式；

模式B：

后级网侧逆变器直流电压控制器切换到故障运行模式，具体控制方法为：

在后级网侧逆变器的直流侧电压外环PI控制器的输出信号中加入反映光伏阵列输出功率P_pv和直流侧电压U_dc波动的前馈补偿量P_pv/U_dc；

待故障切除后，后级网侧逆变器切换到正常运行模式，即直流侧电压外环PI控制器的输出信号中不再加入前馈补偿量P_pv/U_dc；

模式C：

前级DC/DC变换器的控制器切换到故障运行模式，且该前级DC/DC变换器的控制器在故障运行模式下的具体控制方法为：

首先，前级DC/DC变换器的控制器不再实施正常运行时的最大功率跟踪运行模式，取消了MPPT控制器，根据检测到的公共连接点的电压幅值U_g，按照式(4)计算有功功率指令值P_ref：

$P_{\mathrm{ref}}=\frac{3}{2}{U}_g{I}_{\mathrm{rated}}\sqrt{1-{\left(\frac{I_{\mathrm{qref}}}{I_{\mathrm{rated}}}\right)}^2}---\left(4\right)$

然后，通过PI调节器控制光伏阵列的输出功率P_pv跟踪该指令值；

待故障切除后，前级DC/DC变换器的控制器又恢复到正常情况下的最大功率跟踪运行模式；

3)当检测到故障切除后，前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器立即切换到正常运行模式。

并网光伏发电系统由光伏阵列、前级DC/DC变换器、后级网侧逆变器和控制系统组成；控制系统包括前级DC/DC变换器的控制器和后级网侧逆变器的控制器两部分。

B模式下所述的后级网侧逆变器的直流电压控制器的直流电压动态方程如式(2)：

$C_{\mathrm{dc}}\frac{d{U}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{bdc}}-i_{\mathrm{idc}}---\left(2\right)$

其中，U_dc为直流母线电压，i_bdc和i_idc分别为前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器交流侧流向和流出逆变器直流母线的电流；忽略电感、电阻和变换器的损耗，则有式(3)：

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{idc}}=\frac{\sqrt{3}m}{\sqrt{2}}{i}_d\\ i_{\mathrm{bdc}}=\frac{P_{\mathrm{pv}}}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}---\left(3\right)$

式中，P_pv是光伏阵列输出的有功功率，i_d是网侧逆变器电感电流的d轴分量，m是网侧逆变器的调制比。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的控制方法在电网故障期间通过前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的协调控制，减小后级网侧逆变器交流侧的过电流和直流侧的过电压，提高光伏发电系统的低电压穿越能力，并能根据电压跌落深度向电网输出所需的无功电流，以提高故障条件下光伏发电系统对电网的无功支撑。具体优势体现在以下几方面：

1、在故障时通过监测公共连接点(PCC)电压，按残压与额定电压比例适当输出有功和无功功率，既能在故障期间供应附近负荷，也能在故障期间对电网提供无功支撑；

2、即使在电网电压骤降为0伏时，后级网侧逆变器在故障运行模式中加入的前馈补偿量仍能抑制直流侧电压的瞬时波动；

3、完全依靠对变换器施加控制实现，不要求传统标准的并网光伏发电系统增加其他硬件装置，能提高系统的可靠性、实用性，且降低系统的成本。

附图说明

图1是正常运行情况下并网光伏发电系统的控制框图。

图2是电网故障时并网光伏发电系统的控制框图。

图3是典型并网光伏发电系统低电压穿越性能的入网要求。

图4是卸荷电阻保护电路示意图。

图5是当公共连接点(PCC)电压跌落为0伏并且故障持续时间为150ms时，采用控制策略一所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

图6是当公共连接点(PCC)电压跌落为0伏并且故障持续时间为150ms时，采用控制策略二所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

图7是当公共连接点(PCC)电压跌落至额定值的30％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略一所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

图8是当公共连接点(PCC)电压跌落至额定值的30％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略二所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

图9是当公共连接点(PCC)电压跌落至额定值的70％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略一所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

图10是当公共连接点(PCC)电压跌落至额定值的70％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略二所得到的并网光伏发电系统的运行效果：(a)后级网侧逆变器交流侧电流幅值；(b)后级网侧逆变器直流母线电压；(c)无功电流；(d)有功功率。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种考虑无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，该方法基于两级式并网光伏发电系统，该系统包括光伏阵列、前级DC/DC变换器、后级网侧逆变器和控制器。控制器包括前级DC/DC变换器的控制器和后级网侧逆变器的控制器，前级DC/DC变换器的作用是控制光伏阵列的输出功率并将阵列输出电压升压后再输出给后级网侧逆变器。后级网侧逆变器控制器采用基于电网电压定向的矢量控制技术保持直流母线电压稳定并控制输入电网的有功和无功功率，控制方法具体包括：

当检测到电网电压跌落后，根据公共连接点(PCC)的电压幅值计算无功电流的指令值，后级网侧逆变器的无功电流控制器按指令值控制逆变器输出电网所需的无功电流，帮助电网电压的恢复。

在电网电压跌落情况下，后级网侧逆变器的直流母线电压控制环中加入反映光伏阵列瞬时输出功率P_pv和逆变器直流侧电压U_dc波动的前馈补偿量P_pv/U_dc，从而平衡光伏阵列输出功率的瞬时波动，减小逆变器直流侧的过电压。

在整个低电压穿越过程中，根据公共连接点的电压幅值和逆变器的额定容量计算有功功率的指令值，前级DC/DC变换器根据指令值限制光伏阵列输出的有功功率，以减小由电网电压跌落引起的光伏发电系统中的不平衡能量，从而减小后级网侧逆变器交流侧电流和直流侧电压的波动。

当检测到故障切除后，前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器立即切换到正常运行模式。

本发明的两级式并网光伏发电系统在正常运行情况下的控制结构如附图1所示，其由光伏阵列、前级DC/DC变换器、后级网侧逆变器和控制系统组成。控制系统包括前级DC/DC变换器的控制和后级网侧逆变器的控制两部分。前级DC/DC变换器根据光伏阵列输出电压和电流的检测，通过最大功率跟踪(MPPT)算法得到开关管控制信号以进行前级DC/DC变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏阵列的MPPT控制。后级网侧逆变器采用基于电网电压定向的矢量控制技术和电压外环、无功外环、电流内环的双环控制结构，其中电压外环根据功率平衡的原理控制直流母线电压保持稳定，无功外环控制后级网侧逆变器与电网间流动的无功功率，以实现并网逆变器的单位功率因数控制，电流内环根据外环输出的指令值控制输入电网的有功和无功电流。

在电网故障情况下，本发明所提出的并网光伏发电系统低电压穿越控制框图如附图2所示，涉及对前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器控制策略的改进。

电压严重跌落故障属于大扰动下的电网暂态安全问题，因此电网导则要求并网光伏发电系统应具备无功支撑能力。图3为典型并网光伏发电系统低电压穿越性能的入网要求。为了满足入网要求，从图3(a)可以推导出，故障时光伏发电系统需要为电网提供的无功电流幅值I_qref为公共连接点电压幅值U_g的分段函数：

$I_{\mathrm{qref}}=\left\{\begin{array}{cc}0& U_g>0.9U_{\mathrm{gn}}\\ (2-2\frac{U_g}{U_{\mathrm{gn}}})I_{\mathrm{rated}}& 0.9U_{\mathrm{gn}}\≥U_g>0.5U_{\mathrm{gn}}\\ I_{\mathrm{rated}}& U_g\≤0.5U_{\mathrm{gn}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，I_rated为后级网侧逆变器电流的额定值，U_gn为公共连接点电压的额定值。

在电网电压跌落时，本发明对后级网侧逆变器的无功控制策略进行改进。

当检测到电网故障后，为了快速实现对电网的无功支撑，取消正常工作时后级网侧逆变器控制器的无功外环，根据检测到的公共连接点电压幅值U_g按式(1)计算无功电流内环的指令值。在整个低电压穿越过程中，无功电流控制器持续工作，从而为电网提供所需的无功支撑，帮助电网电压的恢复。待故障切除后，恢复无功外环及单位功率因数控制策略。

后级网侧逆变器直流母线电容电压的动态方程为式(2)：

$C_{\mathrm{dc}}\frac{d{U}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{bdc}}-i_{\mathrm{idc}}---\left(2\right)$

其中，U_dc为直流母线电压，i_bdc和i_idc分别为前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器交流侧流向和流出逆变器直流母线的电流。若忽略电感、电阻和变换器的损耗，有：

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{idc}}=\frac{\sqrt{3}m}{\sqrt{2}}{i}_d\\ i_{\mathrm{bdc}}=\frac{P_{\mathrm{pv}}}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}---\left(3\right)$

式中，P_pv是光伏阵列输出的有功功率，i_d是后级网侧逆变器电感电流的d轴分量，m是后级网侧逆变器的调制比。

在正常运行情况下，当流过前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的能量平衡时，i_bdc和i_idc相等。当电网发生故障时，流过前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的能量不再平衡，则i_bdc不等于i_idc，因此逆变器直流母线电压会产生波动。为了减小直流母线电压的波动，本发明提出的低电压穿越控制方法，其后级网侧逆变器直流电压控制环节的具体实施方案为：

当检测到电网电压故障时，在直流电压外环PI控制器的输出信号中加入反映i_bdc的前馈补偿量P_pv/U_dc，从而平衡光伏阵列输出功率的瞬时波动，减小直流侧电压的波动。待故障切除后，后级网侧逆变器的控制器又切换到正常运行情况的结构。

当电网发生故障时，故障会引起公共连接点处的电压跌落，光伏阵列产生的有功功率无法完全输出到电网，多余的能量使光伏系统的变换器中产生过电流和过电压。因此从能量平衡的角度考虑，减小过电流和过电压的方法就是要减小光伏发电系统中的不平衡能量。

基于这一思路，本发明对前级DC/DC变换器的控制策略提出改进。为了在故障时既不使光伏发电系统中出现不平衡能量，又能在后级网侧逆变器的额定容量范围内尽可能多的向电网提供有功功率，就需要根据式(4)计算故障时光伏发电系统向电网提供的有功功率：

$P_{\mathrm{ref}}=\frac{3}{2}{U}_g{I}_{\mathrm{rated}}\sqrt{1-{\left(\frac{I_{\mathrm{qref}}}{I_{\mathrm{rated}}}\right)}^2}---\left(4\right)$

式中，I_qref是通过式(1)计算得到的。

本发明提出的低电压穿越控制方法，其前级DC/DC控制器的具体实施方案为：

当检测到电网电压故障时，前级DC/DC变换器的控制器不再实施正常运行时的MPPT控制策略，而是根据检测到的公共连接点电压幅值按式(4)计算有功功率指令值P_ref，通过PI调节器控制光伏阵列的输出功率P_pv跟踪该指令值，从而根据电压跌落深度限制光伏阵列的有功输出，以减小光伏发电系统中的不平衡能量。待故障切除后，前级DC/DC控制器又恢复MPPT运行模式。

下面以具体的实施例来说明本发明的效果：

在一台500kW的典型并网光伏发电系统上得以体现，该实施例比较了2种典型的控制策略在3种典型的电网三相短路故障情况下的运行情况，重点考察其低电压穿越和无功支撑能力。这2种策略分别是：

策略一：采用传统的卸荷电阻保护技术，如图4所示。

策略二：本发明提出的控制策略；

当公共连接点电压跌落为0伏并且故障持续时间为150ms时，采用控制策略一和二的运行效果分别如附图5和6所示。2种控制策略均能减小后级网侧逆变器交流侧过电流和直流母线过电压。但与控制策略一相比，实施策略二后的网侧电流和直流侧电压的峰值以及有功功率的波动都明显降低。在功率输出方面，根据图3的并网要求，当电网电压跌落为0时，要求并网设备输出100％额定值的无功电流，因此策略二借助本发明所述无功控制方法向电网输出1050A的无功电流，而策略一则不能向电网提供无功电流。

当公共连接点电压跌落至额定值的30％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略一和二的运行效果分别如附图7和8所示。控制策略二的网侧电流和直流侧电压较策略一均更低、更平滑。在功率输出方面，根据图3的并网要求，当电网电压跌落为额定值的50％以下时，要求并网设备输出100％额定值的无功电流，因此策略二借助本发明所述无功控制方法向电网输出1050A的无功电流，而策略一则不能向电网提供无功电流。由于向电网输出100％额定值的无功电流，因此根据本发明所述有功控制方法，策略二输出的有功功率为0，从而有效降低了故障期间光伏机组中的不平衡能量，而策略一仍然向电网输出一定的有功功率。

当公共连接点电压跌落至额定值的70％并且故障持续时间为625ms时，采用控制策略一和二的运行效果分别如附图9、10所示。控制策略二在保持更低、更平滑的网侧电流和直流侧电压的前提下，还可根据并网导则的要求向电网输出60％额定值的无功电流，而策略一则不能向电网提供无功电流。根据本发明所述有功控制方法，策略二在降低故障期间机组中不平衡能量的前提下，还可在逆变器的额定容量范围内输出相应的有功功率。

通过上述三种典型故障情况下的比较，本发明提出的控制策略提高了并网光伏发电系统的低电压穿越和无功支撑能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，包括前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器的协调控制，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测并网光伏发电系统公共连接点的电压；

2)当检测到电网电压骤降故障发生后，前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器协同发生三种控制模式：

模式A：

后级网侧逆变器的无功控制器切换到故障运行模式，该无功控制器在故障运行模式下的具体控制方法为：

先取消后级网侧逆变器控制器的无功功率外环，根据检测到的公共连接点的电压幅值U_g，按照式(1)计算无功电流内环的指令值I_qref；

$I_{qref}=\left\{\begin{array}{cc}0& U_g>0.9U_{gn}\\ (2-2\frac{U_g}{U_{gn}})I_{rated}& 0.9U_{gn}\≥U_g>0.5U_{gn}\\ I_{rated}& U_g\≤0.5U_{gn}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，U_g为检测到的公共连接点的电压幅值，U_gn为公共连接点电压的额定值，I_rated为后级网侧逆变器电流的额定值；

模式B：

后级网侧逆变器直流电压控制器切换到故障运行模式，具体控制方法为：

在后级网侧逆变器的直流侧电压外环PI控制器的输出信号中加入反映光伏阵列输出功率P_pv和直流侧电压U_dc波动的前馈补偿量P_pv/U_dc；

模式C：

前级DC/DC变换器的控制器切换到故障运行模式，且该前级DC/DC变换器的控制器在故障运行模式下的具体控制方法为：

首先，前级DC/DC变换器的控制器不再实施正常运行时的最大功率跟踪运行模式，取消了MPPT控制器，根据检测到的公共连接点的电压幅值U_g，按照式(4)计算有功功率指令值P_ref：

$P_{ref}=\frac{3}{2}{U}_g{I}_{rated}\sqrt{1-{\left(\frac{I_{qref}}{I_{rated}}\right)}^2}---\left(4\right)$

然后，通过PI调节器控制光伏阵列的输出功率P_pv跟踪该指令值；

3)当检测到故障切除后，前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器立即切换到正常运行模式，其中：

模式A：当电网清除故障、电压恢复正常后，后级网侧逆变器的控制器切换到正常运行模式；

模式B：当故障切除后，后级网侧逆变器切换到正常运行模式，即直流侧电压外环PI控制器的输出信号中不再加入前馈补偿量P_pv/U_dc；

模式C：当故障切除后，前级DC/DC变换器的控制器恢复到正常情况下的最大功率跟踪运行模式。

2.根据权利要求1所述的一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，其特征在于，并网光伏发电系统由光伏阵列、前级DC/DC变换器、后级网侧逆变器和控制系统组成；控制系统包括前级DC/DC变换器的控制器和后级网侧逆变器的控制器两部分。

3.根据权利要求1所述的一种可提供无功支撑的并网光伏发电系统低电压穿越控制方法，其特征在于，B模式下所述的后级网侧逆变器的直流电压控制器的直流电压动态方程如式(2)：

$C_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=i_{bdc}-i_{idc}---\left(2\right)$

其中，U_dc为直流母线电压，i_bdc和i_idc分别为前级DC/DC变换器和后级网侧逆变器交流侧流向和流出逆变器直流母线的电流；忽略电感、电阻和变换器的损耗，则有式(3)：

$i_{idc}=\frac{\sqrt{3}m}{\sqrt{2}}{i}_d---\left(3\right)$

$i_{bdc}=\frac{P_{pv}}{U_{dc}}$

式中，P_pv是光伏阵列输出的有功功率，i_d是网侧逆变器电感电流的d轴分量，m是网侧逆变器的调制比。