CN105610186B - 一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法 - Google Patents

一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法。本发明可以能够根据最大功率点跟踪技术控制光伏阵列输出电压维持稳定。同时，在电网电压发生跌落时，根据并网逆变器控制系统设定的电压‑无功曲线与实际测量的电压‑无功值进行比较，从而可以控制并网逆变器发出所需要的无功功率，达到了稳定电网电压的目的。本发明与传统控制方法相比，不仅可以使光伏输出的电压稳定在合理的范围内，而且还可以在电网电压发生跌落时支撑并网点电压。因此该发明提高了光伏发电的电能质量，也提高了新能源发电业主的经济效益，同时由于该发明还可以维持并网点电压的稳定，增加了电力运营商使用新能源设备的积极性，具有良好的社会和经济效益。

Description

一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法
技术领域
本发明涉及一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法。
背景技术
由于光伏发电固有的不稳定特性，在其连接到电网时，需要先稳定光伏阵列随着温度和光照变化的输出电压。同时，在光伏接入电网时，电网电压也存在波动现象，因此稳定电网电压成为三相光伏并网领域亟待解决的问题。
目前，电压源型逆变器由于其结构简单，控制策略成熟，在现阶段已成为应用最为广泛的一种逆变器拓扑结构。此外在光伏并网系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还要受外界环境的影响，如光照强度、负载以及温度等。在不同的外界环境条件下，光伏阵列输出的工作电压值不同，但只有当输出在某一电压值时，其输出功率才会达到最大值。光伏发电最大功率点跟踪原理就是通过控制光伏逆变器，对光伏阵列的输出功率进行实时的检测，来预测光伏方阵在当前工况下可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况使系统输出功率最大。实现最大功率点跟踪主要方法有：电导增量法，爬山法，扰动观察法等。本发明专利主要采用电导增量法实现最大功率点跟踪。
值得注意的是，最大功率点跟踪(MPPT)技术仅可以调节光伏阵列并网的电压，而在实际并网系统中，不仅光伏阵列输出电压会实时变化，电网电压也会波动。因此可以通过控制光伏并网逆变器，来使得光伏阵列接入电网的电压稳定，从而解决了光伏接入地区电网的电压不稳定等电能质量问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法，适用于光伏并网系统，所述光伏并网系统包括光伏阵列；所述光伏阵列与光伏并网逆变器连接；所述光伏逆变器与变压器连接；该方法包括以下步骤：
1)将多个光伏电池通过串联和并联连接在一起，形成光伏发电阵列；
2)稳定光伏阵列输出的电压，根据最大功率点跟踪要求控制光伏逆变器开关管的开断，稳定光伏逆变器的输出电压，形成电流的内环控制，电流内环控制的最大功率点跟踪满足以下条件：
dP＝IdU+UdI
dP/dU＝I+UdI/dU
令dP/dU＝0,得到：
dI/dU＝-I/U
P为光伏阵列输出功率，U为光伏阵列输出电压，I为光伏阵列输出电流；
3)将光伏并网逆变器输出的电压、无功功率与已知的标准无功-电压补偿曲线进行比较，得到光伏逆变器输出的无功偏差，将无功偏差经过PI调节后生成光伏逆变器的控制信号，调节光伏逆变器的开关器件，通过光伏并网逆变器修正开关频率，补充无功偏差，使得在电网电压发生波动的时候稳定电网电压，实现无功的外环控制；无功外环控制的稳定性满足以下公式：
GQ(s)为无功控制回路增益，KQ(s)代表无功外环控制系统的比例积分系数；I1q(s)为逆变器输出电流的q轴增益，QPV(s)为无功增益。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明光伏阵列与电压源型逆变器相连，利用最大功率点跟踪(MPPT)技术，控制光伏并网逆变器达到控制光伏输出电压稳定的目的；同时根据将测量得到的电网电压反馈到光伏逆变器的控制系统中，与设定的电网中的电压—无功补偿曲线对比，最终得出一系列的控制信号，并将该控制信号输入到光伏并网逆变器中，使得逆变器发出相应的无功功率，从而达到支撑电网电压的目的。本发明与传统控制方法相比，不仅可以使光伏输出的电压稳定在合理的范围内，同时还能够支撑并网点电压；因此该发明提高了光伏发电的电能质量，提高了新能源发电业主的经济效益，同时由于该发明还可以稳定电网电压，增加了电力运营商使用新能源设备的积极性，因此具有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是光伏电池的内部结构；
图3是三相电压型逆变器拓扑结构图；
图4是MPPT控制方法的流程图；
图5是逆变器控制原理图；
其中：
1：光伏阵列；2：光伏并网逆变器及其控制系统；3：并网变压器；4：控制系统设定的标准电压-无功补偿曲线；5：PI控制器；6：光电感应电池；7：锁相环；8：空间矢量脉宽调制。
具体实施方式
本发明系统结构图如图1所示。其中，光伏阵列1的输出侧通过并联电容器连接光伏并网逆变器2，光伏并网逆变器输出端连接LCL滤波器，用于滤除电力电子器件产生的纹波。之后再通过升压变压器3接入电网。光伏并网逆变器2的控制系统主要包括两个部分，第一部分主要利用最大功率点跟踪技术控制光伏并网逆变器的电力电子器件的开通与关断，从而实现稳定光伏阵列输出电压的目的；第二部分为：将测量到的电网电压输入到光伏并网逆变器的控制系统中，通过与设定的标准电压-无功补偿曲线比较，得到光伏并网逆变器输出的电压无功偏差，之后再采用PWM调制方式输出光伏并网逆变器的控制信号，从而达到稳定并网点电压的作用。因此与传统光伏系统相比，本发明提出的控制方法在光伏阵列输出电压稳定的基础上，可以更好的跟踪电网电压变化，并且在电网电压波动时对电网电压进行实时调节，实现支撑电网电压的作用。
下面介绍本发明的支撑电网电压原理。图2为所示光伏电池工作原理图，在日光照射下，光伏电池发出光电流I0，Id为反向二极管的电流，I和U为单块光伏电池的输出电流和电压。在特定的温度和光照条件下，光伏电池板输出的电压和电流值是可以通过相关计算得到的。
其中，I0，Id的值随着光照和温度的变化而变化，在实际工程应用中，一般采用并联和串联的方式将多个光伏电池组组成光伏阵列，对公式(1)来说，光伏阵列输出总电流为并联光伏电池的电流值之和，光伏阵列输出总电压为串联光伏电池的电压之和。
如图3所示为三相电压源型光伏并网逆变器拓扑结构图。如图4所示为MPPT(最大功率点跟踪)技术采用电导增量法的工作原理图。电导增量法在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高。
如图5所示逆变器控制原理图。锁相环的作用是通过相位捕捉模块，获得电网频率及相位信息，实现系统并网控制。将采集到的相关信息进行Clark变换，可得从ABC坐标系到αβ坐标系。
再经过park变换，将两相静止坐标系下的交流量变换成同步坐标系下的恒定直流量。
并网逆变器的控制策略是光伏系统并网技术的关键。控制过程中需要实现两个基本控制要求：其一，是保持直流侧电压稳定；其二，是实现并网电流控制或者根据功率指令控制来实现无功功率调节。首先对三相电压型并网逆变器主电路拓扑结构进行分析，选定合适的拓扑结构作为并网系统的主电路；其次根据MPPT最大功率点跟踪技术，控制逆变器电力开关元件的开断，稳定逆变器的输出电压；然后通过基尔霍夫电流电压定律建立交流侧回路方程及三相静止坐标系下的逆变器数学模型，并根据Clark变化及park变换的矢量关系建立两相静止、旋转坐标系下的数学模型。最后考虑到交流侧并网过程中电压震荡情况，根据相关电压—无功补偿曲线，及时调整逆变器的电力开关元件控制，补偿电网中的无功，实现对电网电压的支撑。

Claims (1)

1.一种具有电网电压支撑能力的光伏并网控制方法，适用于光伏并网系统，所述光伏并网系统包括光伏阵列；所述光伏阵列与光伏并网逆变器连接；所述光伏并网逆变器与变压器连接；其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将多个光伏电池通过串联和并联连接在一起，形成光伏阵列；
2)稳定光伏阵列输出的电压，根据最大功率点跟踪要求控制光伏并网逆变器开关管的开断，稳定光伏并网逆变器的输出电压，形成电流的内环控制，电流内环控制的最大功率点跟踪满足以下条件：
dP＝IdU+UdI
dP/dU＝I+UdI/dU
令dP/dU＝0,得到：
dI/dU＝-I/U
P为光伏阵列输出功率，U为光伏阵列输出电压，I为光伏阵列输出电流；
3)将光伏并网逆变器输出的电压、无功功率与已知的标准无功-电压补偿曲线进行比较，得到光伏并网逆变器输出的无功偏差，将无功偏差经过PI调节后生成光伏并网逆变器的控制信号，调节光伏并网逆变器的开关器件，通过光伏并网逆变器修正开关频率，补充无功偏差，使得在电网电压发生波动的时候稳定电网电压，实现无功的外环控制；无功外环控制的稳定性满足以下公式：
<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>V</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>q</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
GQ(s)为无功控制回路增益，KQ(s)代表无功外环控制系统的比例积分系数；I1q(s)为光伏并网逆变器输出电流的q轴增益，QPV(s)为无功增益。
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