CN105305498B - 一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，步骤为：电压跌落与电压正常两种状态的识别；根据识别结果决定逆变器控制策略：正常控制模式或低电压穿越控制模式；低电压穿越控制模式：实时计算并网点电压幅值Em，根据Em与并网电压幅值的额定值VN，求得跌落深度k；然后，根据跌落深度k、电压跌落期间的无功电流需求、逆变器容量，设定无功和有功电流指令值。本发明所述的控制方法，简单、稳定地克服了零电压状态下的锁相难题，以及电压跌落和恢复瞬间容易产生冲击电流而脱网的问题，保证逆变器能够在大功率运行工况下，平稳实现低(零)电压穿越，并按要求给电网提供足够的无功电流支撑，提高逆变器及电网运行的稳定性。

Description

一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及低电压穿越控制方法，具体说是一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法。尤指一种大功率光伏并网逆变器在电压瞬时跌落至0V时的低电压穿越控制方法。
背景技术
专利201310380141.6公开光伏并网逆变器兼容低电压穿越的正负序解耦控制方法，其技术方案如下：
①、采用正负序解耦方法将检测到的电网电压分解为正序分量和负序分量，将逆变器输出电流也分为正序分量和负序分量，对其分别控制；
②、使逆变器输出电流的正序分量跟踪电网电压的正序分量，将逆变器输出电流的负序分量控制为零，从而使逆变器实时根据电网电压的跌落情况正确计算电网电压相位角，实现输出电流相位控制。
该技术方案通过正负序解耦的方法检测出低电压穿越时电网电压的真实相位，同时控制电流的正序和负序分量，精确控制逆变器在低电压穿越时输出的功率因数。在低电压时可以输出和正常运行时一样的有功电流，输出功率保持不变，最大程度保持电网的稳定性。
上述技术方案的缺点在于：采用正负序解耦的双dq旋转坐标系控制方法，其计算量大、控制繁琐。
在实际应用中，当电网电压发生瞬时跌落时，特别是瞬时零电压跌落时，锁相方法的稳定性及精确性受到极大挑战。现有技术中的锁相方法，在跌落过程中检测到的电压相位角θ2与实际电压相位角θ1会存在一个较大偏差；另外，电网跌落与恢复瞬间，逆变器来不及调整输出电压，此时，输出电压与并网电压间会存在一个很大的幅值差。 幅值和相位角的差异，如果不采取特殊处理手段，尤其是当逆变器正在大功率运行时，就很容易导致逆变器产生一个数倍于额定值的瞬时冲击电流，逆变器瞬间即会过流保护而脱网，低电压穿越失败。逆变器不仅不能对此时的电网有一个无功电流的支撑，以辅助电压恢复，还会对电网有一个冲击伤害。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，简单、稳定地克服了零电压状态下的锁相难题，以及电压跌落和恢复瞬间容易产生冲击电流而脱网的问题，保证逆变器能够在大功率运行工况下，平稳实现低(零)电压穿越，并按要求给电网提供足够的无功电流支撑，提高逆变器及电网运行的稳定性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电压跌落与电压正常两种状态的识别；
(2)根据步骤(1)的识别结果决定逆变器控制策略：正常控制模式或低电压穿越控制模式，正常控制模式转步骤(3)，低电压穿越控制模式转步骤(4)；
(3)正常控制模式：直流电压外环指令值UdcRef由最大功率点跟踪MPPT算法决定，直流电压外环指令值UdcRef与直流电压Udc的实际值比较，经PI控制器得到电流内环的d轴电流指令值IdRef，保证逆变器运行在光伏电池板的最大功率输出点；q轴电流指令值IqRef由系统要求的无功功率输出决定；
(4)低电压穿越控制模式：实时计算并网点电压幅值Em，根据Em与并网电压幅值的额定值VN，求得跌落深度k：
然后，根据跌落深度k的大小、国家光伏逆变器行业标准要求的电压跌落期间的无功电流需求、逆变器容量，设定无功电流指令值IqRef和有功电流指令值IdRef。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(1)中，判定电压跌落的方法有三种，同时复合使用，具体包括：
④电网电压的幅值Em小于90％额定值；
⑤三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值1；
⑥三相交流电流任意一相的瞬时值超过限定值，所述超过限定值是指电流值过大，但小于交流过流保护值；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压跌落，逆变器进入低电压穿越控制模式。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(1)中，判定电压恢复的方法有三种，同时复合使用，具体包括：
④三相电网电压任意一相的有效值大于UmRe；
⑤电压幅值Em前后两个周期的差值大于设定值；
⑥三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值2；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压恢复，逆变器进入正常控制模式。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(2)中，逆变器控制策略具体包括：
④当逆变器处于正常控制模式时，采用直流电压外环、交流电流内环的双闭环控制策略；
⑤当逆变器处于低电压穿越控制模式时，则去掉直流电压外环，仅采用交流电流单内环控制策略；
⑥电网电压跌落瞬间和电网电压恢复瞬间，立即封脉冲2～3个开关周期Ts，有效避免暂态切换中，因输出电压与并网点电压幅值差异所导致的数倍于额定值的冲击电流，保证前两种 控制策略之间自动、平滑切换。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(2)中的两种控制，均需要电压相位角θ来完成输出电压及输出电流的abc/dq旋转坐标系变换及反变换，具体按以下方法计算：
③正常运行模式：由硬件过零检测、软件锁相环得到相位角θ1，并一直存储其前2个工频周期的相位值θ11；
④低电压穿越模式：第一个开关周期的相位角θ2＝θ11，从第二个开关周期开始θ2＝θ2+n，其中：
fs为逆变器开关频率，
f0为电网电压频率50Hz；
本发明所述的大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，简单、稳定地克服了零电压状态下的锁相难题，以及电压跌落和恢复瞬间容易产生冲击电流而脱网的问题，保证逆变器能够在大功率运行工况下，平稳实现低(零)电压穿越，并按要求给电网提供足够的无功电流支撑，提高逆变器及电网运行的稳定性。其技术关键点在于：
①判定电压跌落与恢复的方法：三种方法复合使用，兼顾检测的快速性与准确性，可有效避免单一判定方法的迟判与误判现象，提高逆变器运行的稳定性；
②电压跌落与恢复瞬间，封脉冲的技术处理手段：这一处理有效避免了切换暂态的电流冲击，保证逆变器不同运行模式间的平滑切换；
③电压跌落发生后电压相位角计算方法：本发明提供的方法，尤其攻克了零电压跌落期间锁相不稳不准的难题，相位稳定是逆变器稳定运行的前提，可充分保证零电压穿越顺利通过。
附图说明
本发明有如下附图：
图1：三相对称零电压跌落时逆变器运行状态分析图；
图2：三相对称零电压跌落时逆变器电压电流瞬时波形；
图3：A相不对称零电压跌落时逆变器电压电流瞬时波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，包括如下步骤：
(1)电压跌落与电压正常两种状态的识别；电压正常指电压恢复；
(2)根据步骤(1)的识别结果决定逆变器控制策略：正常控制模式或低电压穿越控制模式，正常控制模式转步骤(3)，低电压穿越控制模式转步骤(4)；
(3)正常控制模式：直流电压外环指令值UdcRef由最大功率点跟踪MPPT算法决定，直流电压外环指令值UdcRef与直流电压Udc的实际值比较，经PI控制器得到电流内环的d轴电流指令值IdRef，保证逆变器运行在光伏电池板的最大功率输出点；q轴电流指令值IqRef由系统要求的无功功率输出决定；
(4)低电压穿越控制模式：实时计算并网点电压幅值Em，根据Em与并网电压幅值的额定值VN，求得跌落深度k：
然后，根据跌落深度k的大小、国家光伏逆变器行业标准要求的电压跌落期间的无功电流需求、逆变器容量，设定无功电流指令值IqRef和有功电流指令值IdRef。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(1)中，判定电压跌落的方法有三种，同时复合使用，兼顾判断的快速性与准确性，避免迟判和误判，具体包括：
①电网电压的幅值Em小于90％额定值；
②三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值1；
③三相交流电流任意一相的瞬时值超过限定值，所述超过限定值是指电流值过大，但小于交流过流保护值；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压跌落，逆变器进入低电压穿越控制模式。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(1)中，判定电压恢复的方法有三种，同时复合使用，兼顾判断的快速性与准确性，避免迟判和误判，具体包括：
①三相电网电压任意一相的有效值大于UmRe；
②电压幅值Em前后两个周期的差值大于设定值；
③三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值2；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压恢复，逆变器进入正常控制模式。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(2)中，逆变器控制策略具体包括：
①当逆变器处于正常控制模式时，采用直流电压外环、交流电流内环的双闭环控制策略；
②当逆变器处于低电压穿越控制模式时，则去掉直流电压外环，仅采用交流电流单内环控制策略；
③电网电压跌落瞬间和电网电压恢复瞬间，立即封脉冲2～3个 开关周期Ts，有效避免暂态切换中，因输出电压与并网点电压幅值差异所导致的数倍于额定值的冲击电流，保证前两种控制策略之间自动、平滑切换。
在上述技术方案的基础上，所述步骤(2)中的两种控制，均需要电压相位角θ来完成输出电压及输出电流的abc/dq旋转坐标系变换及反变换，具体按以下方法计算：
⑤正常运行模式：由硬件过零检测、软件锁相环得到相位角θ1，并一直存储其前2个工频周期的相位值θ11；
⑥低电压穿越模式：第一个开关周期的相位角θ2＝θ11，从第二个开关周期开始θ2＝θ2+n，其中：
fs为逆变器开关频率，
f0为电网电压频率50Hz；
以下为具体实施例。
如图1所示，为某京仪绿能500kW逆变器满载运行时，电网电压三相瞬间对称跌落至2V(零电压跌落深度)时的实验分析图。其中：
线L1表示三相电网电压幅值Em；线L2表示逆变器的输出电流的d轴分量Id(有功电流)；线L3表示逆变器输出电流的q轴分量Iq(无功电流)；线L4表示逆变器输出电流q轴分量的指令值IqRef。
A点左侧，电网电压维持在90％额定值以上，逆变器处于正常运行模式，即：采用电压电流双闭环控制，电流内环的指令值IdRef等于直流电压PI外环的输出，IqRef由无功功率指令值决定。本实例中，有功电流IdRef＝IdSetN，IqRef＝0。逆变器输出电压的相位由硬件过零检测、软件锁相计算环得到θ1。
在A点，逆变器根据4.2中(1)中提到的三种方法，判定电网电压发生跌落，逆变器即刻采取封脉冲处理，并由正常运行模式自动切换至低(零)电压穿越模式，即：逆变器由电压电流双闭环控制自动转换为电流单闭环控制。
在【A，C】之间，逆变器采用的是单电流内环控制策略，采用4.2中(4)中所述方法，计算求得dq旋转坐标系下的电流指令值IdRef＝LvIdRef、IqRef＝LvIqRef；按照4.2中(5)中所述方法，得到此时的电网电压相角度θ2，保证逆变器输出电压的相角度始终与电网电压的保持一致，且运行平稳。其中，【A，B】阶段属于并网电压动态跌落期，无功电流以超过1.05IqSetN/30ms的速度增大至LvIqRef，有功电流以一定速率逐渐降低至LvIdRef；【B，C】阶段属于电网电压跌落稳态，持续时间>＝150ms，逆变器运行平稳，输出电流Id＝LvIdRef，Iq＝LvIqRef。
【C，D】阶段属于并网电压动态恢复态，持续时间1s。此时，电网电压仍然低于额定值的90％，故逆变器仍然处于低(零)电压穿越模式，相位角仍然取θ2；随着电网电压逐渐增大，按照式(1)可知，逆变器输出的无功电流会越来越小，有功电流会越来越大，如图所示。
在点D，电网电压已恢复至额定值的90％以上，故根据4.2(1)中提到的方法，判定电网电压恢复已至正常值，逆变器即刻封脉冲，并由低(零)电压穿越模式，自动切换至正常运行模式，即：逆变器由单电流内环控制自动转换为电压电流双闭环控制。
【D，E】阶段，属于低(零)电压穿越后的恢复期。相位取θ1，有功电流按照30％IdSetN/s的速度逐渐恢复至跌落前的数值，无功电流按照1.05IqSetN/30ms的速度降低至跌落前的数值，本实例中为0。
E点右侧，属于正常运行稳态。逆变器有功电流和无功电流的数值均恢复至电网电压跌落前的状态，即与A点左侧状态相同。
本发明的有益效果在于：通过采用本发明中的零电压穿越控制技术，逆变器能在电网电压瞬时电压跌落时，迅速判断跌落现象的发生，并根据电压跌落深度自动计算所需的有功电流和无功电流的指令值，并能够自动限幅；能确保逆变器输出电压及电流的相位稳定跟踪电网电压相位，避免跌落瞬间及跌落过程中产生冲击电流，顺利完成零电压穿越过程。但逆变器控制系统及算法并没有因此而变得很繁琐复杂，该发明方案简单、易理解、易实现。
图2和图3分别为500kW逆变器满载运行时，三相对称和A相不对称跌落至2V(零电压跌落深度)时的电压电流瞬时波形图。由图2和图3可以看出，本发明所提供的低(零)电压穿越控制方法，能够保证逆变器即使是运行在500kW这样的大功率等级状态下，当发生三相对称及单相不对称的零电压跌落的瞬间，都能平滑过渡，限制住了可能的电流冲击；同时，整个零电压跌落期间，直至电网电压恢复至稳态，逆变器均运行平稳。同时，从图1中还可以看出，电压跌落的[B，C]期间，无功电流实际值Iq(L3线)大于其指令值IqRef(L4线)；在跌落期间Um(L1线)>0，该现象也佐证了逆变器在零电压跌落期间，提供了足够的无功电流，并很好地对电网电压恢复起到了支撑作用。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
附件：
参考文献(如专利/论文/标准)
1、光伏并网逆变器兼容低电压穿越的正负序解耦控制方法，申请号：201310380141.6，国别省市：河南，41。

Claims (4)

1.一种大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电压跌落与电压正常两种状态的识别；
(2)根据步骤(1)的识别结果决定逆变器控制策略：正常控制模式或低电压穿越控制模式，正常控制模式转步骤(3)，低电压穿越控制模式转步骤(4)；
(3)正常控制模式：直流电压外环指令值UdcRef由最大功率点跟踪MPPT算法决定，直流电压外环指令值UdcRef与直流电压Udc的实际值比较，经PI控制器得到电流内环的d轴电流指令值IdRef，保证逆变器运行在光伏电池板的最大功率输出点；q轴电流指令值IqRef由系统要求的无功功率输出决定；
(4)低电压穿越控制模式：实时计算并网点电压幅值Em，根据并网点电压幅值Em与并网点电压幅值的额定值VN，求得跌落深度k：
<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>E</mi> <mi>m</mi> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> </mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
然后，根据跌落深度k的大小、国家光伏逆变器行业标准要求的电压跌落期间的无功电流需求、逆变器容量，设定q轴电流指令值IqRef和d轴电流指令值IdRef；
所述步骤(2)中，逆变器控制策略具体包括：
①当逆变器处于正常控制模式时，采用直流电压外环、交流电流内环的双闭环控制策略；
②当逆变器处于低电压穿越控制模式时，则去掉直流电压外环，仅采用交流电流单内环控制策略；
③电网电压跌落瞬间和电网电压恢复瞬间，立即封脉冲2～3个开关周期Ts，有效避免暂态切换中，因输出电压与并网点电压幅值Em差异所导致的数倍于额定值的冲击电流，保证前两种控制策略之间自动、平滑切换。
2.如权利要求1所述的大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，判定电压跌落的方法有三种，同时复合使用，具体包括：
①并网点电压幅值Em小于90％额定值；
②三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值1；
③三相交流电流任意一相的瞬时值超过限定值，所述超过限定值是指电流值过大，但小于交流过流保护值；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压跌落，逆变器进入低电压穿越控制模式。
3.如权利要求1所述的大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，判定电压正常的方法有三种，同时复合使用，具体包括：
①三相电网电压任意一相的并网点电压幅值大于UmRe；
②并网点电压幅值Em前后两个周期的差值大于设定值；
③三相电网电压任意一相的前一个周期的瞬时值与后一个周期的瞬时值之差超过限定值2；
当以上三个条件有任意一个满足时，则判定为电压正常，逆变器进入正常控制模式。
4.如权利要求1所述的大功率光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中的两种控制，均需要电压相位角θ来完成输出电压及输出电流的abc/dq旋转坐标系变换及反变换，具体按以下方法计算：
①正常运行模式：由硬件过零检测、软件锁相环得到相位角θ1，并一直存储其前2个工频周期的相位值θ11；
②低电压穿越模式：第一个开关周期的相位角θ2＝θ11，从第二个开关周期开始θ2＝θ2+n，其中：
fs为逆变器开关频率，
f0为电网电压频率50Hz；
<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 2
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