CN104734191B - 一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法。该方法基于无功电流电压支撑的低电压穿越策略，针对光伏并网逆变器，将逆变电路由电压电流双环控制切换到电流单环控制，升压（Boost）电路由最大功率控制（MPPT，Maximum Power Point Tracking）切换到稳压控制，最终实现光伏并网逆变器的低电压穿越。本发明所提的方法简单实用，当电网发生故障电网电压降低时，能够通过切换光伏并网逆变器的控制策略，使光伏并网逆变器实现低电压穿越，支撑电网电压恢复。
Description
技术领域
本发明属于低电压穿越技术领域，尤其涉及一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法。
背景技术
随着世界经济的发展，人们对能源的需求也越来越大，太阳能作为绿色可再生能源，近年来得到广泛的关注与开发，尤其是在欧美的一些发达国家，光伏发电所占电网供电比例不断提高。我国有着丰富的太阳能资源，据测算,全国超过2/3的地区年日照时间大于2000h,年均太阳辐射量约5900MJ/m2,特别是西藏、新疆、内蒙、宁夏等西部省份尤为丰富，非常适合发展光伏发电。国内光伏发电发展前景非常广阔,目前已有很多光伏电站投入并网运行,处于申报和建设中的大型光伏电站项目还有很多。
大容量光伏并网是新能源发展的主要趋势，伴随着大容量光伏的投入，光伏发电对电网的影响越来越大，尤其当电网故障时，必须考虑光伏电站的各种运行状态对电网稳定性的影响。当电网电压跌落深度较大时，若不采取低电压穿越控制，光伏阵列发出功率与并网功率不平衡，则导致光伏并网逆变器过流、直流侧电压上升以及光伏变流器过流保护而停机脱网。低电压穿越能力是光伏发电系统的一项非常重要的指标。当电网发生故障时,保持光伏电站继续并网运行一段时间,在这段时间内若电网故障无法恢复,才允许脱网。低电压穿越能力被认为是光伏并网设备设计制造控制技术上的最大挑战之一，直接关系到光伏发电的大规模应用。
经对现有技术文献的检索发现，太阳能发电低电压穿越技术综述(甄晓亚,尹忠东,王云飞,等.太阳能发电低电压穿越技术综述[J].电网与清洁能源,2011,27(8):65-68.)介绍了三大类低电压穿越方案，分别为：基于储能设备的解决方案，基于无功补偿设备的低电压穿越实现解决方案，基于无功电流电压支撑的解决方案，其中最后一种方案不需要增加储能设备和无功补偿设备等额外的硬件设备，同时指出这些方案同样适用于其他分布式能源。电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略(姚骏,廖勇,庄凯.电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略[J].电力系统自动化,2009(12):91-96.)和A dynamic LVRT solution for doubly-fed induction generator(Abdel-Baqi O,Nasiri A.A dynamic LVRT solution for doubly-fed induction generator[C]//Industrial Electronics,2009.IECON'09.35th Annual Conference of IEEE.IEEE,2009:825-830.)提出通过增加硬件和不增加硬件实现风电机组LVRT的控制策略。Lowvoltage ride through capability of a 5kW grid-tied solar inverter(Benz C H,Franke W T,Fuchs F W.Low voltage ride through capability of a 5kW grid-tiedsolar inverter[C]//Power Electronics and Motion Control Conference(EPE/PEMC),2010 14th International.IEEE,2010:T12-13-T12-20.)釆用锁相控制和无功电流支撑方法完成了低电压穿越。光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略(张明光,陈晓婧.光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略[J].电力系统保护与控制ISTIC EI,2014(11).)基于电压定向矢量控制的低电压穿越，对光伏并网逆变器进行电压定向矢量控制，实现有功和无功功率解耦，在电网电压跌落期间，采用直流卸荷电路稳定直流侧电压，根据电压的跌落深度补偿一定的无功功率以支撑电压恢复。总体来说，相对风能发电，光伏发电的低电压穿越研究成果相对较少，同时目前的研究大部分都是基于无功电流电压支撑的低电压穿越方案，这样可以减少储能和无功补偿设备的使用。
为此，本发明提出一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法。电网电压因故变低时，光伏并网逆变器的放大电路由最大功率控制切换到稳压控制，逆变电路由电流电压双环控制切换到电流单环控制，使光伏并网逆变器向电网提供无功电流，同时光伏并网逆变器不会因过电流而保护断开，实现低电压穿越。
发明内容
本发明的目的是针对光伏并网逆变器，提供一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法，该方法设计简便，响应可靠。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法，其包括：
光伏并网逆变器的Boost电路在光伏发电系统正常并网时使用最大功率控制，提高光伏发电系统的发电效率；
光伏并网逆变器的Boost电路在低电压穿越过程中，可切换到稳压控制或取消升压环节，保持直流侧电压的稳定；
光伏并网逆变器的逆变电路在光伏发电系统正常并网时使用电流内环电压外环的双环控制，提高光伏逆变器的稳定性；
光伏并网逆变器的逆变电路在低电压穿越过程中，取消电压环，使用电流单环控制，达到注入无功电流的目的，从而实现光伏并网逆变器的低电压穿越。
进一步地，光伏发电系统正常并网时，升压电路使用基于扰动观察法的最大功率控制，比较调整前后功率Pk＝Uk×Ik、Pk+1＝Uk+1×Ik+1，将电压往功率增大的方向调整，实现最大功率控制，其中Uk、Ik和Uk+1、Ik+1分别是调整前后获取的Boost电路输出电压和电流的采样值，Pk、Pk+1是通过计算得到的调整前后的功率。
进一步地，电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，当并网点电压处于0.2p.u.到0.9p.u.间时，对Boost电路输出电压udc与设定的参考电压进行比较，使用比例积分调节(PI，Proportional Integral)，实现稳压控制，当并网点电压小于0.2p.u.时，停止升压工作，使直流电压直接等于光伏开路电压。
进一步地，在光伏发电系统正常并网时，光伏并网逆变器的逆变电路控制环节包括，电流内环控制：
电压外环控制：
式中，Kp_id、KI_id、Kp_iq、KI_iq、Kp_dc、KI_dc是PI调节参数，id、iq是三相电流经过dq变换得到的两相同步旋转坐标(即dp坐标)下的值， 是设定的参考值，ed、eq是三相电压经过dq变换得到的dp坐标下的值，ω是电网角频率，L是逆变电路并网点的等效电感；光伏发电系统并网正常时，无功参考电流设为零，保持光伏并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，有功参考电流由电压外环控制得到。
进一步地，电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，在逆变电路中，将无功参考电流设定为iqref，解除电压外环控制，有功参考电流由公式确定，确保光伏并网逆变器不会出现因过电流而引起关断，其中，I是正常工作时的额定电压，iqref的设定值如下：
式中，UT为并网点电网电压标幺值，IN为额定电流。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明所提出的一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法，基于无功电流电压支撑的低电压穿越策略，光伏并网逆变器在不同工况下，切换到相应的控制策略，并网点电压跌落时，光伏并网逆变器能保持并网运行，直至电网电压恢复，实现低电压穿越，该方法设计简便，响应可靠。
附图说明
图1是实例中一种光伏并网逆变器低电压穿越控制拓扑图；
图2是光伏发电系统一般拓扑图；
图3是三相光伏发电系统低电压穿越仿真波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1是一种光伏并网逆变器低电压穿越控制拓扑图，整个分析和仿真验证都是基于该图。图中PV指光伏发电系统，ipv、upv是光伏发电系统的输出电流、输出电压，C1是平波电容，Lboost是光伏并网逆变器直流侧电感，流过该电感的电流为iL，Spv是升压电路晶闸管的开关函数，其具体值为S1或S2，Cdc为升压电路输出侧的稳压电容，其上的电压为udc，Sa与Sb与Sc与Sc分别为三相逆变电路a相、b相、c相的上下桥臂晶闸管的开关函数，L是光伏并网逆变器的并网滤波电感，ia、ib、ic、ea、eb、ec为三相逆变器输出的各相线电流、线电压。升压电路中，ipv、upv通过MPPT控制得到Vpvmppt，Vpvmppt与实际采样值upv、iL一起作为输入，通过PI调节，最后通过脉冲宽度调制(PWM，Pulse-Width Modulation)，得到升压电路晶闸管的开关函数S1，实现最大功率控制，或者，以给定的参考值和实际采样值udc、iL一起作为输入，通过PI调节，最后由PWM调制，得到升压电路晶闸管的开关函数S2，实现稳压控制。逆变电路中，三相电压ea、eb、ec通过锁相环(PLL，Phase Locked Loop)控制得到相位角θ，然后三相电流ia、ib、ic通过dq变换得到dq坐标上的电流分量id、iq，三相电压ea、eb、ec通过dq变换得到dq坐标上的电压分量ed、eq，iqref为无功参考电流，I是正常工作时的额定电压，idref是经过计算得到的有功参考电流，ω是电网角频率，然后将dq坐标上的电压分量转换成abc坐标上的三相电压，最后由PWM调制得到各相晶闸管的开关函数值Sa、
光伏并网逆变器包括升压电路和逆变电路两个环节，分别使用不同的控制策略。
光伏发电系统并网正常时，升压电路使用基于扰动观察法的最大功率控制，比较调整前后功率Pk＝UK×Ik、Pk+1＝UK+1×Ik+1，将电压往功率增大的方向调整，实现最大功率控制，其中Uk、Uk+1和Ik、Ik+1分别是调整前后获取的采样电压及电流，Pk、Pk+1是通过计算得到的调整前后的功率。
电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，当并网点电压处于0.2p.u.到0.9p.u.间时，对Boost电路输出电压udc与设定的参考电压进行比较，使用PI调节，实现稳压控制，当并网点电压小于0.2p.u.时，停止升压工作，使直流电压直接等于光伏开路电压。
逆变电路控制环节包括，电流内环控制：
电压外环控制：
式中，Kp_id、KI_id、Kp_iq、KI_iq、Kp_dc、KI_dc是PI调节参数，id、iq是三相电流经过dq变换得到的，时是设定的参考值，ed、eq是三相电压经过dq变换得到的，ω是电网角频率，L是换流器等效电感。
光伏发电系统并网正常时，无功参考电流设为零，保持光伏并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，有功参考电流由电压外环控制得到。
电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，无功参考电流设定为iqref，而解除电压外环控制，有功参考电流由公式确保光伏并网逆变器不会出现过电流而引起关断，其中，I是正常工作时的额定电压，iqref的设定值如下：
式中，UT为并网点电网电压标幺值，IN为额定电流。
图2是光伏发电系统一般拓扑图。
图3是光伏并网逆变器低电压穿越仿真结果图，仿真图中，从上至下，仿真输出量依次是Boost电路输出直流电压、分别表示并网点电网电压及电网电流、光伏发电系统输出的有功功率和无功功率。由仿真图知，从开始仿真后的系统第一次稳定至1s这段时间里，电网电压正常，Boost输出电压udc稳定，系统频率f＝50Hz，同时光伏并网逆变器工作在单位功率因素下，无功输出为零；在1s时刻，电网出现故障，电网电压发生跌落，系统发生振荡，Boost电压下降，同时电网电压跌落，光伏并网逆变器切换控制策略，使得有功输出大幅减少，无功输出增加，从而支撑电网电压的恢复，而视在电流值只发生微小波动，光伏并网逆变器不会因过电流而离网；再过0.5s后，电网故障排除，电压恢复，光伏并网逆变器经过调节进入正常工作状态，实现低电压穿越。
以上对本发明所提供的一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法进行了详细介绍，并通过PSCAD仿真，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的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法，其特征在于，包括：
光伏并网逆变器的Boost电路在光伏发电系统正常并网时使用最大功率控制，提高光伏发电系统的发电效率；
光伏并网逆变器的Boost电路在低电压穿越过程中，可切换到稳压控制或取消升压环节，保持直流侧电压的稳定；
光伏并网逆变器的逆变电路在光伏发电系统正常并网时使用电流内环电压外环的双环控制，提高光伏逆变器的稳定性；
光伏并网逆变器的逆变电路在低电压穿越过程中，取消电压环，使用电流单环控制，达到注入无功电流的目的，从而实现光伏并网逆变器的低电压穿越；
光伏发电系统正常并网时，Boost电路使用基于扰动观察法的最大功率控制，比较调整前后功率Pk＝Uk×Ik、Pk+1＝Uk+1×Ik+1，将电压往功率增大的方向调整，实现最大功率控制，其中Uk、Ik和Uk+1、Ik+1分别是调整前后获取的Boost电路输出电压和电流的采样值，Pk、Pk+1是通过计算得到的调整前后的功率；
电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，当并网点电压处于0.2p.u.到0.9p.u.间时，对Boost电路输出电压udc与设定的参考电压进行比较，使用比例积分调节，实现稳压控制，当并网点电压小于0.2p.u.时，停止升压工作，使直流电压直接等于光伏开路电压；在光伏发电系统正常并网时，光伏并网逆变器的逆变电路控制环节包括，电流内环控制：
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式中，Kp_id、KI_id、Kp_iq、KI_iq、Kp_dc、KI_dc是PI调节参数，id、iq是三相电流经过dq变换得到的两相同步旋转坐标下的值，是设定的参考值，ed、eq是三相电压经过dq变换得到的dp坐标下的值，ω是电网角频率，L是逆变电路并网点的等效电感；光伏发电系统并网正常时，无功参考电流设为零，保持光伏并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，有功参考电流由电压外环控制得到；电网发生故障且电网电压跌落时，光伏并网逆变器进入低电压穿越过程，在逆变电路中，将无功参考电流设定为iqref，解除电压外环控制，有功参考电流由公式确定，确保光伏并网逆变器不会出现因过电流而引起关断，其中，I是正常工作时的额定电压，iqref的设定值如下：
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