CN104467022A - 一种光伏并网逆变器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器的控制方法，通过判断光伏阵列的输出电压和预设范围的关系，控制光伏阵列与并网逆变器连接开关的开闭，并根据光伏阵列的工况，获取并网逆变器的有功电流指令值和相应的无功电流指令值，将获取的并网逆变器的有功电流指令值和相应的无功电流指令值经过相应的变换、调节及计算，获取控制并网逆变器开关通断的PWM信号。根据光伏阵列不同的工况，实现并网逆变器在仅输出光伏阵列的有功功率、输出光伏阵列的有功功率及交流母线侧所需的部分无功功率和仅作为无功功率补偿器三种不同的模式下切换运行，避免了并网逆变器不能满载甚至空载的情况，从而提高了逆变器的利用率，并提高交流侧电压的稳定性。

Description

一种光伏并网逆变器的控制方法

技术领域

本发明涉及电工技术领域，特别是涉及一种光伏并网逆变器的控制方法。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭，分布式光伏发电系统已成为电力能源中的重要组成部分。在并网光伏发电系统中，利用并网逆变器将光伏阵列的直流电转换为与电网电压频率相同的交流电。光伏并网逆变器的额定容量与光伏组件的标称功率相匹配，为了能将光伏组件的标称功率输出至负载，在并网逆变器的控制器中，通常将无功电流的给定值设置为零，即输出电流和电压同相位，功率因数为1。

然而，光伏阵列是一种不稳定的电源，其输出功率会受到太阳光照强度和环境温度的影响，具有随机性、非线性和不可控等特点，在理想天气和环境温度下才能达到其标称功率，因而并网逆变器实际输出功率小于其额定容量。通常情况下，传统的光伏发电系统中，并网逆变器仅输出光伏阵列的有功功率；当光照不足时，并网逆变器不能满载；当无光照时，并网逆变器则空载。这严重的影响了并网逆变器的运行效率。此外，光伏发电系统仅向负载提供有功功率，不足部分由电网提供，同时电网还提供负载所需的无功功率，如果电网提供的无功功率不足，则会引起交流母线电压下降，反之，交流母线电压升高。

因而，如何改变并网逆变器仅输出有功功率的单一运行模式，使其能在满载下运行，提高逆变器的利用率，同时能够实现交流侧电压的稳定控制，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供光伏并网逆变器的控制方法，能够改变并网逆变器仅输出有功功率的单一运行模式，使其能在满载下运行，提高逆变器的利用率，同时能够实现交流侧电压的稳定控制。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种光伏并网逆变器的控制方法，包括：

步骤1：实时检测光伏阵列的输出电压；

步骤2：判断所述光伏阵列的输出电压是否处于预设范围内；

步骤3：若所述光伏阵列的输出电压处于预设范围内，则闭合光伏阵列与并网逆变器的连接开关；

步骤4：根据光伏阵列的工况，获取并网逆变器的有功电流指令值；

步骤5：判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于并网逆变器额定电流的预设倍数；

步骤6：若所述并网逆变器的有功电流指令值不小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则判定并网逆变器无功电流指令值为零；

步骤7：若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值；

步骤8：若所述光伏阵列的输出电压不处于预设范围内，则断开光伏阵列与并网逆变器的连接开关；

步骤9：对并网逆变器直流侧电压与参考直流电压比较所得的误差电压进行比例积分调节，得到并网逆变器的有功电流指令值；

步骤10：对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值；

步骤11：将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换及双闭环调节，获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；

步骤12：将所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行dq/abc变换，获得三相PWM参考正弦电压；

步骤13：将所述三相PWM参考正弦电压经预设算法进行计算，得到控制并网逆变器开关通断的PWM信号。

优选的，判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于并网逆变器额定电流的预设倍数为：

判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于倍的并网逆变器额定电流。

优选的，并网逆变器交流侧母线电压有效值的计算方法为：

$U_s^2=\frac{U_{\mathrm{sa}}^2+U_{\mathrm{sb}}^2+U_{\mathrm{sc}}^2}{3},$

其中，U_s为电网相电压有效值，即并网逆变器交流侧母线相电压有效值；U_sa、U_sb和U_sc为交流母线三相相电压瞬时值。

优选的，若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则并网逆变器的无功电流指令限幅值的计算方法为：

$I_q^{*}\≤\sqrt{{(\sqrt{3}\×I_N)}^2-{\left(I_d^{*}\right)}^2},$

其中，为无功电流指令值，I_N为并网逆变器额定电流，为并网逆变器有功电流指令值。

优选的，对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅之前包括：

交流侧母线电压通过并网逆变器中的反并联二极管反充电，获得并网逆变器直流侧预充电电压。

优选的，将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换的具体计算方法为：

将三相abc固定坐标系变换到二相d-q同步旋转坐标系，电压矢量的位置定位在d-q同步旋转坐标系中的d轴上，超前90电角度的位置定位q轴，变换矩阵为：

式中，θ为综合电压矢量u与α轴夹角，α轴与三相abc固定坐标系中的a轴重合，从而可得反馈电压：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{3}{u}_1\\ 0\end{array}\right],$

采用同样的方法，可得反馈电流：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right].$

优选的，所述双闭环调节为：

采用光伏并网逆变器并网反馈电流和电容反馈电流双闭环控制，对并网反馈电流、电容反馈电流以及有功电流指令和无功电流指令进行双闭环调节。

优选的，采用LCL型滤波器对并网逆变器进行双闭环调节。

优选的，所述获取并网逆变器的有功电流指令值为：

采用最大功率点跟踪太阳能控制器控制光伏阵列的输出功率，获取所述太阳能控制器给定的并网逆变器有功电流指令值。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的光伏并网逆变器的控制方法，当光伏阵列的输出电压处于预设范围内，且并网逆变器的有功电流指令值大于或者等于并网逆变器额定电流的预设倍数时，并网逆变器仅输出光伏阵列的有功功率；当并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数时，并网逆变器输出光伏阵列的有功功率和交流母线侧所需的部分无功功率；当光伏阵列的输出电压不处于预设范围内时，并网逆变器作为无功功率补偿器运行。改变了并网逆变器仅能输出有功功率的单一运行模式，使其能够根据不同的工况，在仅输出光伏阵列的有功功率、输出光伏阵列的有功功率及交流母线侧所需的部分无功功率和仅作为无功功率补偿器三种不同的模式下切换运行，避免了并网逆变器不能满载甚至空载的情况，从而提高了逆变器的利用率。当并网逆变器输出无功功率时，对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，提高了交流侧电压的稳定性。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为有光照时光伏并网逆变器控制系统框图；

图2为无光照时光伏并网逆变器控制系统框图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，目前的光伏发电系统仅向负载提供有功功率，不足部分由电网提供，同时电网还提供负载所需的无功功率。电网提供的无功功率发生变化，则会引起交流母线的电压发生相应变化。

本发明的目的是提供一种光伏并网逆变器的控制方法，改变并网逆变器仅输出有功功率的单一运行模式，使其能在满载下运行，提高逆变器的利用率，同时能够实现交流侧电压的稳定控制，

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1和图2，本发明采用的光伏并网逆变器控制系统，MPPT控制器与光伏并网逆变器之间为光伏并网逆变器直流侧电压，光伏并网逆变器与电网之间包括LCL滤波器、abc/dq转化器、PI调节器、dq/abc转换器、正弦脉宽调制器、相电压检测器、锁相环等设备，在该系统中，光伏并网逆变器将光伏阵列的直流电转换为与电网电压频率相同的交流电，将光伏组件的标称功率输出至负载。

本发明的一个实施例所提供的光伏并网逆变器的控制方法，包括：

步骤1：实时检测光伏阵列的输出电压。

步骤2：判断所述光伏阵列的输出电压是否处于预设范围内。

在本文中，所述预设范围皆指的光伏阵列输出电压的正常范围，即判断光伏阵列是否处于正常光照条件下。

步骤3：若所述光伏阵列的输出电压处于预设范围内，则闭合光伏阵列与并网逆变器的连接开关。

光伏阵列的输出电压处于预设范围内，则光伏阵列处于正常光照条件下。

步骤4：根据光伏阵列的工况，获取并网逆变器的有功电流指令值。

根据光伏阵列的工况，获取并网逆变器的有功电流指令值。所述的光伏阵列的工况包括光照充足和光照不足。

本发明一个实施例所提供的光伏并网逆变器的控制方法，采用最大功率点跟踪太阳能控制器控制光伏阵列的输出功率，获取所述太阳能控制器给定的并网逆变器有功电流指令值。

上述最大功率点跟踪太阳能控制器即MPPT控制器，在本实施例中，光伏阵列输出功率采用MPPT控制，并网逆变器有功电流指令由MPPT控制器给定。

步骤5：判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于并网逆变器额定电流的预设倍数。

本发明的一个实施例中，优选判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于倍的并网逆变器额定电流。

步骤6：若所述并网逆变器的有功电流指令值不小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则判定并网逆变器无功电流指令值为零。

当光伏阵列处于理想的光照条件下时，即光照充足时，并网逆变器的有功电流指令值不小于并网逆变器额定电流的预设倍数，并网逆变器无功电流指令值为零，此时并网逆变器仅输出光伏阵列的有功功率，保证了其在满载下运行。

步骤7：若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值。

当光伏阵列所处的环境光照不足时，并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，为保证并网逆变器的运行效率，使其能在满载下运行，对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值，实现并网逆变器输出光伏阵列的有功功率和交流母线侧所需的部分无功功率。

本发明一个实施例中，并网逆变器交流侧母线电压有效值的计算方法为：

$U_s^2=\frac{U_{\mathrm{sa}}^2+U_{\mathrm{sb}}^2+U_{\mathrm{sc}}^2}{3},$

其中，U_s为电网相电压有效值，即并网逆变器交流侧母线相电压有效值；U_sa、U_sb和U_sc为交流母线三相相电压瞬时值。

将并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压进行比较，得到误差电压。

若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则并网逆变器的无功电流指令限幅值的计算方法为：

$I_q^{*}\≤\sqrt{{(\sqrt{3}\×I_N)}^2-{\left(I_d^{*}\right)}^2},$

其中，为无功电流指令值，I_N为并网逆变器额定电流，为并网逆变器有功电流指令值。

当时，并网逆变器仅输出光伏阵列的有功功率，此时无功功率为零。

对并网逆变器的无功电流指令值限幅，使得并网逆变器尽可能在满载下运行，输出光伏阵列可能提供的最大有功功率，且并网逆变器不过载。

步骤8：若所述光伏阵列的输出电压不处于预设范围内，则断开光伏阵列与并网逆变器的连接开关。

当光伏阵列处于无光照条件下时，光伏阵列的输出电压超出预设范围，断开光伏阵列与并网逆变器的连接开关，此时并网逆变器仅作为无功功率补偿器运行。

步骤9：对并网逆变器直流侧电压与参考直流电压比较所得的误差电压进行比例积分调节，得到并网逆变器的有功电流指令值。

对并网逆变器直流侧电压与参考直流电压比较所得的误差电压进行比例积分调节，保证了并网逆变器的直流侧电压的稳定性。

对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅之前包括：交流侧母线电压通过并网逆变器中的反并联二极管反充电，获得并网逆变器直流侧预充电电压。

交流侧母线电压通过并网逆变器中的反并联二极管反充电，获得并网逆变器直流侧预充电电压，使得并网逆变器能够开始工作。

步骤10：对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值。

所述并网逆变器交流侧母线电压有效值的计算方法为：

$U_s^2=\frac{U_{\mathrm{sa}}^2+U_{\mathrm{sb}}^2+U_{\mathrm{sc}}^2}{3},$

其中，U_s为电网相电压有效值，即并网逆变器交流侧母线相电压有效值；U_sa、U_sb和U_sc为交流母线三相相电压瞬时值。

并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压进行比较，得到误差电压，经比例积分调节和限幅后，得到并网逆变器作为无功功率补偿器运行时的无功电流指令值。

步骤11：将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换及双闭环调节，获得d轴电压指令值和q轴电压指令值。

将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换的具体计算方法为：

将三相abc固定坐标系变换到二相d-q同步旋转坐标系，电压矢量的位置定位在d-q同步旋转坐标系中的d轴上，超前90电角度的位置定位q轴，变换矩阵为：

式中，θ为综合电压矢量u与α轴夹角，α轴与三相abc固定坐标系中的a轴重合，从而可得反馈电压：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{3}{u}_1\\ 0\end{array}\right],$

采用同样的方法，可得反馈电流：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right].$

在本发明一个实施例中，所述双闭环调节为：采用光伏并网逆变器并网反馈电流和电容反馈电流双闭环控制，对并网反馈电流、电容反馈电流以及有功电流指令和无功电流指令进行双闭环调节。

在双闭环调节完成后，可以得到d轴电压指令值和q轴电压指令值，即电压信号和

本发明一个实施例优选采用LCL型滤波器对并网逆变器进行双闭环调节。

并网逆变器采用LCL型滤波器与交流母线连接，保证了并网电流中的谐波含量符合并网标准，减小了滤波器的损耗和体积，降低了滤波器的成本。

步骤12：将所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行dq/abc变换，获得三相PWM参考正弦电压。

步骤13：将所述三相PWM参考正弦电压经预设算法进行计算，得到控制并网逆变器开关通断的PWM信号。

将电压信号和通过dq/abc变换得到三相PWM的参考正弦电压，再经过SVPWM等预设算法计算，得到控制并网逆变器开关通断的PWM信号。

当光伏阵列处于光照充足的条件下时，并网逆变器向交流母线发送有功功率；当光伏阵列处于光照不足的条件下时，并网逆变器向交流母线发送有功功率和无功功率；当光伏阵列处于无光照的条件下时，并网逆变器向交流母线提供无功功率，并且从交流母线吸收或者发出有功功率。

综上所述，当光照充足时，并网逆变器的有功电流指令值大于或者等于并网逆变器额定电流的预设倍数，并网逆变器仅输出光伏阵列的有功功率；当光照不足时，并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，并网逆变器输出光伏阵列的有功功率和交流母线侧所需的部分无功功率；在无光照的情况下，光伏发电系统不再处于待机状态，并网逆变器作为无功功率补偿器能够满载运行。改变了并网逆变器仅能输出有功功率的单一运行模式，使其能够根据不同的光照条件，在仅输出光伏阵列的有功功率、输出光伏阵列的有功功率及交流母线侧所需的部分无功功率和仅作为无功功率补偿器三种不同的模式下切换运行。避免了并网逆变器不能满载甚至空载的情况，充分利用了并网逆变器的容量，提高了其利用率，当并网逆变器输出无功功率时，减少了电网所需提供的无功功率，降低了光伏并网逆变器所处系统的运行成本和制造成本，对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，从而提高了交流侧电压的稳定性，改善了电能的质量。

以上对本发明所提供一种光伏并网逆变器的控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：实时检测光伏阵列的输出电压；

步骤2：判断所述光伏阵列的输出电压是否处于预设范围内；

步骤3：若所述光伏阵列的输出电压处于预设范围内，则闭合光伏阵列与并网逆变器的连接开关；

步骤4：根据光伏阵列的工况，获取并网逆变器的有功电流指令值；

步骤5：判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于并网逆变器额定电流的预设倍数；

步骤6：若所述并网逆变器的有功电流指令值不小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则判定并网逆变器无功电流指令值为零；

步骤7：若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值；

步骤8：若所述光伏阵列的输出电压不处于预设范围内，则断开光伏阵列与并网逆变器的连接开关；

步骤9：对并网逆变器直流侧电压与参考直流电压比较所得的误差电压进行比例积分调节，得到并网逆变器的有功电流指令值；

步骤10：对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅，得到并网逆变器的无功电流指令值；

步骤11：将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换及双闭环调节，获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；

步骤12：将所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行dq/abc变换，获得三相PWM参考正弦电压；

步骤13：将所述三相PWM参考正弦电压经预设算法进行计算，得到控制并网逆变器开关通断的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于并网逆变器额定电流的预设倍数为：

判断所述并网逆变器的有功电流指令值是否不小于倍的并网逆变器额定电流。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，并网逆变器交流侧母线电压有效值的计算方法为：

$U_s^2=\frac{U_{\mathrm{sa}}^2+U_{\mathrm{sb}}^2+U_{\mathrm{sc}}^2}{3},$

其中，U_s为电网相电压有效值，即并网逆变器交流侧母线相电压有效值；U_sa、U_sb和U_sc为交流母线三相相电压瞬时值。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，若所述并网逆变器的有功电流指令值小于并网逆变器额定电流的预设倍数，则并网逆变器的无功电流指令限幅值的计算方法为：

$I_q^{*}\≤\sqrt{{(\sqrt{3}\×I_N)}^2-{\left(I_d^{*}\right)}^2},$

其中，为无功电流指令值，I_N为并网逆变器额定电流，为并网逆变器有功电流指令值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，对并网逆变器交流侧母线电压有效值与参考电压比较所得的误差电压进行比例积分调节及限幅之前包括：

交流侧母线电压通过并网逆变器中的反并联二极管反充电，获得并网逆变器直流侧预充电电压。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，将所得有功电流指令值和无功电流指令值进行abc/dq变换的具体计算方法为：

将三相abc固定坐标系变换到二相d-q同步旋转坐标系，电压矢量的位置定位在d-q同步旋转坐标系中的d轴上，超前90电角度的位置定位q轴，变换矩阵为：

式中，θ为综合电压矢量u与α轴夹角，α轴与三相abc固定坐标系中的a轴重合，从而可得反馈电压：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{3}{u}_1\\ 0\end{array}\right],$

采用同样的方法，可得反馈电流：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right].$

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述双闭环调节为：

采用光伏并网逆变器并网反馈电流和电容反馈电流双闭环控制，对并网反馈电流、电容反馈电流以及有功电流指令和无功电流指令进行双闭环调节。

8.根据权利要求1至7任一项所述的控制方法，其特征在于，采用LCL型滤波器对并网逆变器进行双闭环调节。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述获取并网逆变器的有功电流指令值为：

采用最大功率点跟踪太阳能控制器控制光伏阵列的输出功率，获取所述太阳能控制器给定的并网逆变器有功电流指令值。