CN104638668A - 一种光伏发电并网控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电并网控制方法及系统。该方法一方面利用光伏电池电压，电流信息，根据电压变化率，电流变化率以及电导变化率将扰动法和增量电导法结合进行最大功率点跟踪(MPPT)控制，在温度以及光照辐射强度变化时，实现对最大功率点的及时跟踪，提高光伏电池的输出效率；另一方面采用多重控制策略，将并网点的频率、功率以及电压作为控制量，能在光伏电池并网以及电网运行状态发生变化时进行实时动态响应，从而实现对光伏发电并网运行的控制。

Description

一种光伏发电并网控制方法及系统

技术领域

本发明属于光伏发电并网控制技术领域，更具体地，涉及一种光伏发电并网控制方法及系统。

背景技术

太阳能是一种可持续利用的清洁能源，光伏发电(PV)是太阳能开发利用中最具发展潜力的应用领域。目前PV己经完成了初期开发和示范阶段，正向大批量生产和规模应用发展，其应用范围己遍及几乎所有的用电领域。预计2020年PV在世界电力生产中所占的比例将达1％，到2050年达到25％左右。PV最大功率点取决于电池板的工作温度和当时的光照水平，因此需要考虑如何控制光伏电池能在快速变化的天气条件下有效地跟踪最大功率点，保证电池板尽可能地工作在最大功率点上；同时光伏电池采用电力电子逆变器接入微网，并网操作会对电网造成扰动，需要注意减少并网扰动并使电网可以在扰动下快速转换到新的稳定状态。

现有的光伏并网控制方法缺乏对自然环境变化的快速响应，当温度以及光照辐射强度变化时，无法快速跟踪最大功率点，光伏电池的功率输出具有滞后性。此外，光伏并网控制方法通常采用恒功率控制，实现有功以及无功的恒定输出，从而实现对电压和频率的稳定控制，控制量少，当光伏电池并网以及电网运行状态发生变化时，无法实现实时动态响应。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光伏发电并网控制方法及系统，采用有功功率、无功功率、交流电压以及频率多重控制策略，能及时响应电网状态变化并且减少对电网的干扰，实现对光伏发电并网运行的控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光伏发电并网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值；

(2)根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和步骤(1)得到的最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值Q_ref；

(3)将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；根据并网点的交流电压U_ac、无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref，得到q轴电流参考值I_qref；

(4)根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流，实现光伏发电的并网运行。

优选地，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

(1-1)获取光伏电池t时刻的电流和电压，并计算功率；

(1-2)获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率；

(1-3)计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则执行步骤(1-5)，否则执行步骤(1-4)；

(1-4)判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；执行步骤(1-7)；

其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到；

(1-5)判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，过程结束；否则K₁＝0，执行步骤(1-6)；

(1-6)判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1；

(1-7)得到第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，过程结束；

其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。

优选地，所述步骤(2)中，确定直流电压参考值U_dcref的过程进一步包括如下步骤：

(A1)计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率，f_n为额定频率；

(A2)对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2；

(A3)得到直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

优选地，所述步骤(2)中，得到无功功率参考值Q_ref的过程进一步包括如下步骤：

(B1)根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值Q_ref1；根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值Q_ref2；其中，

m为0.2～0.25范围内的常数；

$Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为0.4～0.5范围内的常数；

(B2)得到无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

优选地，q轴电流参考值I_qref通过如下步骤得到：

(C1)将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3；

(C2)得到q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。

优选地， $I_{\mathrm{qref}3}=I_n+\mathrm{\&Delta;I},\mathrm{\&Delta;I}=\left\{\begin{array}{cc}({\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n+0.1)k{I}_n& {\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n<-0.1\\ 0& -0.1\&le;{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n<0.1\\ ({\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n-0.1)k{I}_n& {\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n\&GreaterEqual;0.1\end{array}\right.,$ I_n为光伏电池的额定电流，k为1.3～2.5范围内的常数。

按照本发明的另一方面，提供了一种光伏发电并网控制系统，其特征在于，包括：MPPT控制模块，对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值；有功控制模块，根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值Q_ref；电流控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；根据并网点的交流电压U_ac、无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref，得到q轴电流参考值I_qref；静态电源模块，根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流。

优选地，所述MPPT控制模块包括：第一计算模块，获取光伏电池t时刻的电流和电压，并计算功率；第二计算模块，获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率；第三计算模块，计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则跳转至第二选择模块，否则跳转至第一选择模块；第一选择模块，判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；跳转至第四计算模块；其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到；第二选择模块，判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，结束过程；否则K₁＝0，跳转至第三选择模块；第三选择模块，判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1；第四计算模块，计算第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，结束过程；其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。

优选地，所述有功控制模块包括：有功削减控制模块，计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率，f_n为额定频率；第一PI控制模块，对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2；直流电压参考值选择控制模块，确定直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

优选地，所述无功控制模块包括：动态功率因数控制模块，根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值 m为0.2～0.25范围内的常数；下垂无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值 $Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为0.4～0.5范围内的常数；无功参考值选择控制模块，确定无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

优选地，所述电流控制模块包括：第二PI控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；第三PI控制模块，将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；第四PI控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；电流增量控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3；q轴电流选择控制模块，确定q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、利用光伏电池电压，电流信息，根据电压变化率，电流变化率以及电导变化率将扰动法和增量电导法结合进行最大功率点跟踪(MPPT)控制，在温度以及光照辐射强度变化时，实现对最大功率点的及时跟踪，提高光伏电池的输出效率。

2、采用多重控制策略，将并网点的频率、功率以及电压作为控制量，能在光伏电池并网以及电网运行状态发生变化时进行实时动态响应，从而实现对光伏发电并网运行的控制。

附图说明

图1是本发明实施例的光伏发电并网控制系统的结构示意图；

图2是有功控制模块的结构示意图；

图3是无功控制模块的结构示意图；

图4是电流控制模块的结构示意图；

图5是光伏发电并网控制的电路图；

图6是本发明实施例的MPPT控制效果图，其中，(a)辐射强度变化曲线，(b)辐射强度变化影响下光伏电池的功率变化曲线，(c)温度随时间的变化关系图，(d)温度影响下光伏电池的功率变化曲线；

图7是本发明实施例的光伏发电并网控制输出效果图，其中，(a)压母线LV的电压变化曲线，(b)d轴和q轴电流参考值的变化曲线，(c)光伏电池输出有功的变化曲线，(d)光伏电池输出无功的变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的光伏发电并网控制系统包括：

MPPT控制模块，对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值；

有功控制模块，根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和步骤(1)得到的最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；

无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值Q_ref；

电流控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；根据并网点的交流电压U_ac、无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref，得到q轴电流参考值I_qref；

静态电源模块，根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流。

其中，MPPT控制模块包括：

第一计算模块，获取光伏电池t时刻的电流和电压，并计算功率；

第二计算模块，获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率；

第三计算模块，计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则跳转至第二选择模块，否则跳转至第一选择模块；

第一选择模块，判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；跳转至第四计算模块；其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到；

第二选择模块，判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，过程结束；否则K₁＝0，跳转至第三选择模块；

第三选择模块，判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1；

第四计算模块，计算第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，过程结束；其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。

如图2所示，有功控制模块包括：

有功削减控制模块，计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率，f_n为额定频率；

第一PI控制模块，对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2；

直流电压参考值选择控制模块，确定直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

如图3所示，无功控制模块包括：

动态功率因数控制模块，根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值m为0.2～0.25范围内的常数；

下垂无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值 $Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为0.4～0.5范围内的常数；

无功参考值选择控制模块，确定无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

如图4所示，电流控制模块包括：

第二PI控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；

第三PI控制模块，将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；

第四PI控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；

电流增量控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3；

q轴电流选择控制模块，确定q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。

本发明实施例的光伏发电并网控制方法包括如下步骤：

(1)对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值。进一步包括如下步骤：

(1-1)获取光伏电池t时刻的电流I_pv和电压U_pv，并计算功率。

(1-2)获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率。

(1-3)计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则执行步骤(1-5)，否则执行步骤(1-4)。

(1-4)判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；执行步骤(1-7)。

其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到。

(1-5)判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，过程结束；否则K₁＝0，执行步骤(1-6)。

(1-6)判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1。

(1-7)得到第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，过程结束。

其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。扰动步长越小，对最大功率点的跟踪精度越高，扰动步长越大，对最大功率点的跟踪效率越高，在实际工作中可以综合考虑跟踪精度和跟踪效率，选取合适的扰动步长，通常为100～200。

(2)根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和步骤(1)得到的最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值。

确定直流电压参考值U_dcref的过程进一步包括如下步骤：

(A1)计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率(如50.1Hz)，f_n＝50Hz为额定频率。

(A2)对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2。

(A3)得到直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

如图3所示，得到无功功率参考值Q_ref的过程进一步包括如下步骤：

(B1)根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值Q_ref1；根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值Q_ref2。

m为常数，通常取值为0.2～0.25。

$Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为常数，通常取值为0.4～0.5。

(B2)得到无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

(3)根据并网点的交流电压U_ac和无功功率Q_in，光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc，以及直流电压参考值U_dcref，得到d轴和q轴电流参考值I_dref和I_qref。

将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制得到d轴电流参考值I_dref。

q轴电流参考值通过如下步骤得到：

(C1)将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3。U_acref＝1。

$I_{\mathrm{qref}3}=I_n+\mathrm{\&Delta;I},\mathrm{\&Delta;I}=\left\{\begin{array}{cc}({\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n+0.1)k{I}_n& {\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n<-0.1\\ 0& -0.1\&le;{\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n<0.1\\ ({\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n-0.1)k{I}_n& {\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{ac}}/U_n\&GreaterEqual;0.1\end{array}\right.,$ I_n为光伏电池的额定电流，k为常数，通常取值为1.3～2.5。

(C2)得到q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。

(4)根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流，实现光伏发电的并网运行。

下面采用digsilent软件作为仿真平台，对本发明的光伏发电并网控制方法进行详细说明。

如图5所示，光伏发电并网控制的电路由光伏电池、低压母线LV、0.4kv/10kv变压器、高电压母线MV和外部电网组成。光伏电池采用digsilent内置的静态电源，由d轴和q轴电流参考值和相位参考值决定输出电流。

设置初始辐射强度E＝1000W/m²，在0.5s时，E跃变为E＝1200W/m²，观测光伏电池的输出功率，观测时间为1s。如图6(a)所示，辐射强度在0.5s骤升为1200W/m²，如图6(b)所示，光伏电池输出功率也在0.5s由160kW跃升为197kW。结果表明，MPPT控制模型在自然环境参数骤变时，也能对最大功率点进行有效地跟踪。

设置初始温度T＝25℃，并以每秒5℃的变化速率升高温度，观测光伏电池的输出功率，观测时间为1s。如图6(c)所示，温度逐渐升高，如图6(d)所示，光伏电池输出功率逐渐下降，这是由于温度升高会导致光伏电池的开路电压降低，从而导致输出功率下降。结果表明，MPPT控制模型可以根据自然环境参数的变化，对最大功率点进行有效地跟踪。

设置高压母线MV在0.2s发生三相短路，并在0.5s清除短路故障，观测低压母线LV电压(即光伏电池输出电压)、光伏电池有功和无功输出以及电流控制模型输出的d轴和q轴电流参考值，观测时间为1s。如图7(a)所示，0.2s发生短路故障后，低压母线LV的电压跌落为0，如图7(b)所示，d轴电流参考值I_dref在0.2s下降为0，q轴电流参考值I_qref在0.2s下降为-1。再结合并网点的相位信息，控制光伏电池输出相应的d轴电流和q轴电流，表现为输出有功在0.2s降为0而输出无功在0.2s增大，如图7(c)和图7(d)所示。0.5s清除故障后，电路回复正常运行状态，各信号均回复正常运行时的数值。结果表明，本发明的光伏发电并网控制方法能在光伏电池并网以及电网运行状态发生变化时进行实时动态响应，从而实现对光伏发电并网运行的控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏发电并网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值；

(2)根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和步骤(1)得到的最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值Q_ref；

(3)将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；根据并网点的交流电压U_ac、无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref，得到q轴电流参考值I_qref；

(4)根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流，实现光伏发电的并网运行。

2.如权利要求1所述的光伏发电并网控制方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

(1-1)获取光伏电池t时刻的电流和电压，并计算功率；

(1-2)获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率；

(1-3)计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则执行步骤(1-5)，否则执行步骤(1-4)；

(1-4)判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；执行步骤(1-7)；

其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到；

(1-5)判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，过程结束；否则K₁＝0，执行步骤(1-6)；

(1-6)判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1；

(1-7)得到第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，过程结束；

其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。

3.如权利要求1或2所述的光伏发电并网控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，确定直流电压参考值U_dcref的过程进一步包括如下步骤：

(A1)计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率，f_n为额定频率；

(A2)对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2；

(A3)得到直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

4.如权利要求1或2所述的光伏发电并网控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，得到无功功率参考值Q_ref的过程进一步包括如下步骤：

(B1)根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值Q_ref1；根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值Q_ref2；其中，

m为0.2～0.25范围内的常数；

$Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为0.4～0.5范围内的常数；

(B2)得到无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光伏发电并网控制方法，其特征在于，q轴电流参考值I_qref通过如下步骤得到：

(C1)将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3；

(C2)得到q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。

6.一种光伏发电并网控制系统，其特征在于，包括：

MPPT控制模块，对光伏电池输出的电流、电压进行MPPT控制，得到最大功率点电压参考值U_dcref1，作为第一直流电压参考值；

有功控制模块，根据并网点的频率f_net、有功功率P_in和最大功率点电压参考值U_dcref1，确定直流电压参考值U_dcref；

无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac和有功功率P_in，得到无功功率参考值Q_ref；

电流控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；根据并网点的交流电压U_ac、无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref，得到q轴电流参考值I_qref；

静态电源模块，根据并网点的相位参考值及d轴和q轴电流参考值，输出相应的d轴和q轴电流。

7.如权利要求6所述的光伏发电并网控制系统，其特征在于，所述MPPT控制模块包括：

第一计算模块，获取光伏电池t时刻的电流和电压，并计算功率；

第二计算模块，获取光伏电池下一时刻t+1的电流和电压，并计算功率；

第三计算模块，计算t+1时刻相对于t时刻的电流、电压和功率的变化量，并判断电压变化量是否为0，是则跳转至第二选择模块，否则跳转至第一选择模块；

第一选择模块，判断电压变化量与功率变化量的符号是否相同，同为正或同为负则K₁＝1，否则K₁＝-1；计算t时刻的电导和电导增量之和，并判断其正负，为正则K₂＝-1，为负则K₂＝1；跳转至第四计算模块；其中，t时刻的电导由t时刻的电流除以电压得到，电导增量由t+1时刻相对于t时刻的电流变化量除以电压变化量得到；

第二选择模块，判断电流变化量是否为0，是则得到最大功率点电压参考值U_dcref1为光伏电池t时刻的电压U_t，结束过程；否则K₁＝0，跳转至第三选择模块；

第三选择模块，判断电流变化量的正负，为正则K₂＝1，为负则K₂＝-1；

第四计算模块，计算第一最大功率点电压参考值V_dcref1＝U_t+K₁*T*40/S，第二最大功率点电压参考值V_dcref2＝U_t+K₂*T*40/S，从而得到最大功率点电压参考值U_dcref1＝max(V_dcref1,V_dcref2)，结束过程；其中，T为t+1时刻与t时刻的时间间隔，S是扰动步长。

8.如权利要求6或7所述的光伏发电并网控制系统，其特征在于，所述有功控制模块包括：

有功削减控制模块，计算有功功率参考值其中，P_n为光伏电池的额定输出功率，f_b为基准频率，f_n为额定频率；

第一PI控制模块，对有功功率P_in和有功功率参考值P_ref的差值进行PI控制，得到第二直流电压参考值U_dcref2；

直流电压参考值选择控制模块，确定直流电压参考值U_dcref＝max(U_dcref1,U_dcref2)。

9.如权利要求6或7所述的光伏发电并网控制系统，其特征在于，所述无功控制模块包括：

动态功率因数控制模块，根据并网点的有功功率P_in，得到第一无功功率参考值m为0.2～0.25范围内的常数；

下垂无功控制模块，根据并网点的交流电压U_ac，得到第二无功功率参考值 $Q_{\mathrm{ref}2}=\left\{\begin{array}{cc}0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n<0.9\\ 0.4\frac{1-d-U_{\mathrm{ac}}/U_n}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 0.9\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1-d\\ 0& 1-d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1+d\\ -0.4\frac{U_{\mathrm{ac}}/U_n-1-d}{0.1-d}\&CenterDot;P_n& 1+d\&le;U_{\mathrm{ac}}/U_n\&le;1.1\\ -0.4P_n& U_{\mathrm{ac}}/U_n>1.1\end{array}\right.,$ U_n为光伏电池的额定电压，d为0.4～0.5范围内的常数；

无功参考值选择控制模块，确定无功功率参考值Q_ref＝min(Q_ref1,Q_ref2)。

10.如权利要求6至9中任一项所述的光伏发电并网控制系统，其特征在于，所述电流控制模块包括：

第二PI控制模块，将光伏电池经直流储能后输出的直流电压U_dc和直流电压参考值U_dcref的差值进行PI控制，得到d轴电流参考值I_dref；

第三PI控制模块，将并网点的无功功率Q_in和无功功率参考值Q_ref的差值进行PI控制得到第一q轴电流参考值I_qref1；

第四PI控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值进行PI控制得到第二q轴电流参考值I_qref2；

电流增量控制模块，将并网点的交流电压U_ac和交流电压参考值U_acref的差值ΔU_ac进行电流增量控制得到第三q轴电流参考值I_qref3；

q轴电流选择控制模块，确定q轴电流参考值I_qref＝max(I_qref1,I_qref2,I_qref3)。