CN105914788A - 一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统，该系统在电流内环电压外环的双闭环矢量控制的基础上，还包括低电压穿越控制模块和子模块电容电压控制模块；当检测到并网点电压跌落时，低电压控制模块用于无功电流注入和限制有功电流，子模块电容电压控制模块通过桥臂环流优化单元和/或子模块电容参考电压调整单元控制发出无功功率时子模块电容电压波动范围。该系统解决了在采用无功注入低电压穿越时子模块电容电压波动会造成不能顺利穿越的问题，一些逆变器不能很好的实现低电压穿越问题，不需要增加额外的外电力设备装置，低成本就能实现基于MMC的光伏逆变系统的低电压穿越，保证光伏安全并网运行。

Description

一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及光伏并网逆变的低电压穿越控制领域

背景技术

随着光伏发电比重的快速增加，光伏电站并网也会给电力系统运行带来安全稳定的问题，特别是在系统并网点发生故障导致电压跌落情况下，给光伏电站并网带来了低电压穿越问题。现在面临的这一低电压穿越问题已经成为了新能源并网技术中的难点以及研究热点。目前大多是基于传统的VSC的光伏并网逆变的低电压穿越技术的研究，但随着新型的逆变器不断出现，如MMC(模块化多电平逆变器)等，基于VSC的低电压穿越方法在移用的时候多少会出现不适应，如基于MMC的系统在采用无功注入方法时子模块电容电压波动会受无功功率大小影响，当MMC发出无功功率到达一定值时，子模块电容电压波动可能超过规定值，从而限制了无功功率发出的大小。因此，需要先克服新型逆变器的子模块电容电压波动，防止器件损坏的问题，以提高其发出无功功率能力，从而实现稳定、安全的低电压穿越。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统，采用无功电流注入和有限电流限制实现低电压穿越的同时，并结合对子模块电容电压控制，实现稳定、安全的低电压穿越，保证了光伏并网的安全运行。

本发明所述的光伏并网逆变器低电压穿越控制系统如下：

在传统的电流内环电压外环的双闭环矢量控制系统的基础上，加入了低电压穿越控制模块和子模块电容电压控制模块；当检测到并网点电压跌落时，低电压控制模块用于无功电流注入和限制有功电流，子模块电容电压控制模块用于发出无功功率时控制子模块电容电压波动范围，从而实现低电压顺利穿越，保证光伏安全并网运行。

所述的低电压控制模块包括无功电流注入单元和有功电流限制单元；当检测到并网点电压跌落时，无功电流注入单元用于通过判断电压跌落程度来重新分配无功电流指令值以实现无功电流注入，有功电流限制单元用于引入新的有功电流指令值来限制有功电流；其中，无功电流注入单元包括无功外环、计算模块1和控制逻辑1，无功外环用于光伏逆变系统正常运行时的输出设置，控制逻辑1用于判断电网是否发生跌落，通过电压跌落程度判断系统是处于正常运行状态还是处于故障情况下的低电压运行状态，并切换相应的运行方式，计算模块1用于根据电网电压跌落程度，计算并重新分配新的无功电流指令值有功电流限制单元包括计算模块2和控制逻辑2，限制有功电流，计算模块2用来计算新的有功电流指令值控制逻辑2用来比较新的有功电流指令值和和电压外环有功电流指令值的大小，并切换相应的运行方式。

其中，无功电流注入单元的逻辑控制模块1包括开关1、开关2和开关3；通过控制逻辑1判断，若光伏并网逆变系统正常运行时，开关1和开关2相连，取无功外环无功指令值作为输出；若光伏并网点电压跌落时，开关1和开关3相连，闭锁无功外环，计算模块1计算无功电流值指令值注入无功电流使逆变器发出无功功率，实现动态无功支撑能力。

逻辑控制模块1判断光伏并网点电压跌落时标幺值U_T所处的范围，对

无功电流指令值进行重新分配，分配方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_q^{ref}=1.5\&times;(0.9-U_T)I_N,(0.2\&le;U_T\&le;0.9)\\ i_q^{ref}=1.05\&times;I_N,(U_T<0.2)\\ i_q^{ref}=0,(U_T>0.9)\end{array}\right.$

式中，U_T表示光伏并网点电压的标幺值，I_N表示逆变器的额定电流。

所述的有功限制单元的逻辑控制模块2包括开关4、开关5和开关6，计算模块2计算有功电流值指令值后，若控制逻辑2判断电压外环有功电流指令值小于有功电流值指令值开关5与开关4相连，闭锁计算模块2，有功电流指令值按照输出；若控制逻辑2判断大于等于时，开关5和开关6相连，有功电流指令按照新的有功电流指令值输出，闭锁电压外环，从而实现有功电流限制。

当光伏并网系统的并网电压发生跌落时，规定并网点电流i不能超过额定电流I_N的1.5倍，计算模块2计算新的有功电流值指令值公式如下：

$i_d^{ref}=\sqrt{{\left(1.5I_N\right)}^2-{\left(i_q^{ref}\right)}^2}$

式中，i_d表示有功电流，i_q表示无功电流，I_N表示额定电流。

进一步的，为控制子模块电容电压波动，所述的子模块电容电压控制模块包括桥臂环流优化单元，桥臂环流优化单元通过优化桥臂环流来减小或消除二倍频电容电压以增加逆变器发出无功功率能力，并保证逆变器子模块电容电压波动量在允许范围之内。

其中，桥臂环流I_ca的优化方法是：电网中，有A,B,C三相，以A相作为代表，同理可得B、C相；原MMC桥臂电流I_ca大小为：式中，I_dc为直流侧电流，I_2f为二次环流幅值，将桥臂电流I_ca通过公式优化后得到新的桥臂环流优化公式为：式中，I_dc为直流侧电流，K为电压调制系数，I_m为输出基频电流幅值；

并得到优化后的MMC子模块电容电压：

式中，为MMC逆变器上子模块电容电压，为下子模块电容电压，U_dc为直流侧电压，P_dc为直流侧功率，K为电压调制系数。

进一步，还可以通过控制子模块电容参考电压U_cref来控制子模块电容电压波动。

所述的子模块电容电压控制模块可增加子模块电容参考电压调整单元，通过引入子模块电容参考电压U_cref调整系数λ来调整子模块电容参考电压U_cref，进一步控制子模块电容电压波动范围，引入λ后的关系式为：λU_cref+Δu_smc≤u_max，式中，λ表示参考电压调整系数，其取值范围为0.9～1.1，Δu_smc表示子模块电容电压波动量，u_max表示电容电压上限。

为更好的控制子模块电容电压波动，子模块电容电压控制模块可同时包括桥臂环流优化单元和子模块电容参考电压调整单元。

进一步的，该系统还包括光伏阵列、Boost斩波电路、逆变器，光伏阵列采用扰动观察法，实现最大功率输出，Boost斩波电路用于将光伏输出电压进行升压；其特征在于：逆变器采用MMC模块化多电平逆变器，用于将直流逆转换成交流。

有益效果：

1)在传统的电流内环电压外环的双闭环矢量控制系统基础上，通过低电压控制模块和子模块电容电压控制模块，解决了新型逆变器，特别是MMC逆变器，在采用无功注入时会引起子模块电容电压波动，不能很好的实现低电压穿越问题；

2)子模块电容电压控制模块创新采用桥臂环流优化单元，能抑制电容电压波动，增大输出无功功率，有效解决了采用无功注入的低电压穿越方法子模块电容电压波动越限的问题；

3)子模块电容电压控制模块创新引入子模块电容参考电压调整单元，通过控制子模块参考电压，优化子模块电容电压波动范围，使子模块电容电压波动范围进一步得到控制，从而进一步防止子模块电容电压波动越限；

4)可将桥臂环流优化单元和子模块电容参考电压调整单元结合起来使用，能更好的减小子模块电容电压波动，方法简单有效、易实现，且不需要增加额外的外电力设备装置，低成本就能实现基于MMC的光伏逆变系统的低电压穿越，保证光伏安全并网运行。

附图说明

图1光伏并网逆变器的低电压穿越系统框图

图2光伏并网逆变器的低电压穿越系统中的低电压控制模块框图

图3光伏并网逆变器的低电压穿越方法的流程图

图4-1光伏并网点电压仿真图

图4-2采用本发明的低电压穿越控制方法的MMC逆变器的输出电流仿真图

图4-3无功电流实际值和指令值仿真图

图4-4基于MMC的光伏并网逆变器输出的无功功率仿真图

图4-5未优化子模块电容电压仿真图

图4-6优化后子模块电容电压波动仿真图

实施例

以MMC模块化多电平逆变器为例：如图1所示，本发明所述的光伏并网逆变器低电压穿越控制系统如下：在传统的电流内环电压外环的双闭环矢量控制系统的基础上，加入了低电压穿越控制模块和子模块电容电压控制模块；当检测到并网点电压跌落时，低电压控制模块用于无功电流注入和限制有功电流，子模块电容电压控制模块用于发出无功功率时控制子模块电容电压波动范围。

如图2所示，低电压控制模块包括无功电流注入单元和有功电流限制单元；当检测到并网点电压跌落时，无功电流注入单元用于通过判断电压跌落程度来重新分配无功电流指令值以实现无功电流注入，有功电流限制单元用于引入新的有功电流指令值来限制有功电流；其中，无功电流注入单元包括无功外环、计算模块1和控制逻辑1，无功外环用于光伏逆变系统正常运行时的输出设置，控制逻辑1用于判断电网是否发生跌落，通过电压跌落程度判断系统是处于正常运行状态还是处于故障情况下的低电压运行状态，并切换相应的运行方式，计算模块1用于根据电网电压跌落程度，计算并重新分配新的无功电流指令值有功电流限制单元包括计算模块2和控制逻辑2，限制有功电流，计算模块2用来计算新的有功电流指令值控制逻辑2用来比较新的有功电流指令值和和电压外环有功电流指令值的大小，并切换相应的运行方式。

其中，无功电流注入单元的逻辑控制模块1包括开关1、开关2和开关3；通过控制逻辑1判断，若光伏并网逆变系统正常运行时，开关1和开关2相连，取无功外环无功指令值作为输出；若光伏并网点电压跌落时，开关1和开关3相连，闭锁无功外环，计算模块1计算无功电流值指令值注入无功电流使逆变器发出无功功率，实现动态无功支撑能力。

逻辑控制模块1判断光伏并网点电压跌落时标幺值U_T所处的范围，对

无功电流指令值进行重新分配，分配方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_q^{ref}=1.5\&times;(0.9-U_T)I_N,(0.2\&le;U_T\&le;0.9)\\ i_q^{ref}=1.05\&times;I_N,(U_T<0.2)\\ i_q^{ref}=0,(U_T>0.9)\end{array}\right.$

式中，U_T表示光伏并网点电压的标幺值，I_N表示逆变器的额定电流。

所述有功限制单元的逻辑控制模块2包括开关4、开关5和开关6，计算模块2计算有功电流值指令值后，若控制逻辑2判断电压外环有功电流指令值小于有功电流值指令值开关5与开关4相连，闭锁计算模块2，有功电流指令值按照输出；若控制逻辑2判断大于等于时，开关5和开关6相连，有功电流指令按照新的有功电流指令值输出，闭锁电压外环，从而实现有功电流限制。

当采用MMC光伏并网逆变系统的并网点电压没有发生跌落时，并网点电流可用下式表达：

$i=\sqrt{i_d^2+i_q^2}$

式中，i_d表示有功电流，i_q表示无功电流。

当光伏并网系统的并网电压发生跌落时，根据行业习惯规定并网点电流i不能超过额定电流I_N的1.5倍，计算模块2计算新的有功电流值指令值公式如下：

$i_d^{ref}=\sqrt{{\left(1.5I_N\right)}^2-{\left(i_q^{ref}\right)}^2}$

式中，i_d表示有功电流，i_q表示无功电流，I_N表示额定电流。

进一步的，为控制子模块电容电压波动，所述的子模块电容电压控制模块包括桥臂环流优化单元，桥臂环流优化单元通过优化桥臂环流来减小或消除二倍频电容电压以增加逆变器发出无功功率能力，并保证逆变器子模块电容电压波动量在允许范围之内。

在电网中，有A,B,C三相，以A相作为代表，同理可得到B、C相的相应公式及对应值；MMC子模块电容电压大小为：

式中，U_cpa为优化前A相上子模块电容电压，U_cna为优化前A相下子模块电容电压，U_dc为直流侧电压，P_dc为直流侧功率，K为电压调制系数，为功率因数。

由上式分析可知，在保持传输功率不变、子模块电容值以及直流电压恒定的情况下，子模块电容电压波动主要受功率因数影响，功率因数越小表示MMC发出无功功率越大，则子模块电容电压的基频和二倍频电容电压波动越大。在光伏逆变低电压穿越期间，MMC逆变器需要发出无功功率，会导致系统的功率因数降低，从而子模块电容电压波动量很大，可能超过规定波动的最大值，导致损坏器件，所以在光伏并网系统的低电压穿越期间必须保持子模块电容电压波动在规定范围之内，满足小于子模块电容参考电压10％的要求。

A相原MMC桥臂电流I_ca大小为:

式中，I_dc为直流侧电流，I_2f为二次环流幅值。

桥臂环流I_ca的优化方法是：

将桥臂电流I_ca通过公式优化后得到新的桥臂环流优化公式为：

式中，I_dc为直流侧电流，K为电压调制系数，I_m为输出基频电流幅值；

并得到优化后的MMC子模块电容电压：

式中，为MMC逆变器上子模块电容电压，为下子模块电容电压，U_dc为直流侧电压，P_dc为直流侧功率，K为电压调制系数。

进一步，还可以通过控制子模块电容参考电压U_cref来控制子模块电容电压波动。

当MMC的子模块数量到达一定数量时，对于子模块电容电压波动量有以下公式：

${\mathrm{\&Delta;u}}_{smc\_pa}\&ap;\frac{\&Integral;P_{pa}dt}{{\mathrm{NCU}}_{cref}}$

式中，N表示上桥臂子模块数，U_cref表示子模块参考电压，C为电容，Δu_{smc_pa}表示上桥臂电容电压波动量，P_pa表示上桥臂有功功率。

从上式分析可知，在上桥臂子模块数、电容和功率一定时，子模块参考电压为U_cref的改变会影起电容电压波动，即，子模块参考电压U_cref变大，则电容电压波动Δu_{smc_pa}减小；子模块参考电压U_cref变小，则电容电压波动Δu_{smc_pa}变大。子模块电容电压由电容参考电压U_cref和波动量Δu_smc组成，即U_cref+Δu_smc。因此，也可通过控制子模块电容参考电压U_cref来控制波动量Δu_smc，以保证子模块电容电压在合理范围内。

故，本发明还可以通过添加子模块电容参考电压调整单元，引入子模块电容参考电压U_cref调整系数λ来调整子模块电容参考电压U_cref，进一步控制子模块电容电压波动范围，引入λ后的关系式为：

λU_cref+Δu_smc≤u_max

式中，λ表示参考电压调整系数，其取值范围为0.9～1.1，Δu_smc表示子模块电容电压波动量，u_max表示电容电压上限。

为更好的控制子模块电容电压波动，子模块电容电压控制模块可同时包括桥臂环流优化单元和子模块电容参考电压调整单元。

进一步的，该系统还包括光伏阵列、Boost斩波电路、MMC逆变器，光伏阵列采用扰动观察法，实现最大功率输出，Boost斩波电路用于将光伏输出电压进行升压，MMC用于将直流逆转换成交流。

基于上述系统，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建的低电压穿越的控制系统，参数如下表1，仿真采用MMC光伏并网系统如图1，

光伏阵列参数名称	数值	MMC参数名称	数值
				光照强度	25℃	直流母线额定电压	800V
温度	1000W/m3	交流电网额定电压	380V
				开路电压	44.5V	MMC桥臂子模块数	4
短路电流	8.2A	子模块的电压额定值	200V
				最大功率点电压	35V	载波频率	3kHz
最大功率点电流	7.86A	子模块电容值	1mF
				光伏阵列串联数目	16	桥臂电感值	5mH
光伏阵列并联数目	114	连接电抗值	2mH
				额定容量	50kW	等效电阻值	0.01Ω

表1仿真主要参数

联网系统并网点在1.3s发生三相短路故障，1.925s故障消失，系统的故障维持时间是0.625s，设置的故障电阻大小为0.0013Ω，接地电阻大小为0.001Ω，三相电压降至额定电压的20％左右，1.925s三相电压开始恢复。本系统额定电流为80A。

由图4-1和图4-2，并网点电压、电流恢复正常，光伏电站实现了低电压穿越。并由图4-2可知，并网点电流成功限制在1.5倍额定电流内，即120A，保证光伏系统安全运行。图4-3为无功电流实际值和指令值，在电网电压跌落时，计算出无功指令值，其中图4-3中虚线代表无功电流指令值，实线代表无功电流实际值，从图中可以看出无功电流实际值能够准确跟踪指令值，无功电流值由正常运行期间的0A变为80A，成功实现无功电流的注入，并由图4-4可知，MMC逆变器发出无功功率约为8.5kvar。由图4-5分析可知，在MMC发出无功功率期间，无优化子模块电容电压波动范围约为22.5％，远远大于MMC逆变器10％的规定值，由图4-6分析可知，采用优化后子模块电容电压波动后，子模块波动范围约为7.5％，符合MMC逆变器正常运行要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统，其特征在于：在电流内环电压外环的双闭环矢量控制系统的基础上，还包括低电压穿越控制模块和子模块电容电压控制模块；当检测到并网点电压跌落时，低电压控制模块用于无功电流注入和限制有功电流，子模块电容电压控制模块用于发出无功功率时控制子模块电容电压波动范围。

2.根据权利要求1所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：低电压控制模块包括无功电流注入单元和有功电流限制单元；当检测到并网点电压跌落时，无功电流注入单元用于通过判断电压跌落程度来重新分配无功电流指令值以实现无功电流注入，有功电流限制单元用于引入新的有功电流指令值来限制有功电流；其中，无功电流注入单元包括无功外环、计算模块(1)和控制逻辑(1)，无功外环用于光伏逆变系统正常运行时的输出设置，控制逻辑(1)用于判断电网是否发生跌落，通过电压跌落程度判断系统是处于正常运行状态还是处于故障情况下的低电压运行状态，并切换相应的运行方式，计算模块(1)用于根据电网电压跌落程度，计算并重新分配新的无功电流指令值有功电流限制单元包括计算模块(2)和控制逻辑(2)，限制有功电流，计算模块(2)用来计算新的有功电流指令值控制逻辑(2)用来比较新的有功电流指令值和和电压外环有功电流指令值的大小，并切换相应的运行方式。

3.根据权利要求1所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：子模块电容电压控制模块包括桥臂环流优化单元，桥臂环流优化单元通过优化桥臂环流来减小或消除二倍频电容电压以增大逆变器发出无功功率能力，并保证逆变器子模块电容电压波动量在允许范围之内。

4.根据权利要求3所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：桥臂环流I_ca的优化方法是：

电网中，有A,B,C三相，以A相作为代表，同理可得B、C相；原MMC桥臂电流I_ca大小为：式中，I_dc为直流侧电流，I_2f为二次环流幅值，将桥臂电流I_ca通过公式优化后得到新的桥臂环流优化公式为：式中，I_dc为直流侧电流，K为电压调制系数，I_m为输出基频电流幅值；

并得到优化后的子模块电容电压：

式中，为逆变器上子模块电容电压，为下子模块电容电压，U_dc为直流侧电压，P_dc为直流侧功率，K为电压调制系数。

5.根据权利要求1所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：子模块电容电压控制模块包括子模块电容参考电压调整单元，通过引入子模块电容参考电压U_cref调整系数λ来调整子模块电容参考电压U_cref，进一步控制子模块电容电压波动范围，引入λ后的关系式为：λU_cref+Δu_smc≤u_max，式中，λ表示参考电压调整系数，其取值范围为0.9～1.1，Δu_smc表示子模块电容电压波动量，u_max表示电容电压上限。

6.根据权利要求2所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：无功电流注入单元的逻辑控制模块(1)包括开关(1)、开关(2)和开关(3)；通过控制逻辑(1)判断，若光伏并网逆变系统正常运行时，开关(1)和开关(2)相连，取无功外环无功指令值作为输出；若光伏并网点电压跌落时，开关(1)和开关(3)相连，闭锁无功外环，计算模块(1)计算无功电流值指令值注入无功电流使逆变器发出无功功率，实现动态无功支撑。

7.根据权利要求2所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：有功限制单元的逻辑控制模块(2)包括开关(4)、开关(5)和开关(6)，计算模块(2)计算有功电流值指令值后，若控制逻辑(2)判断电压外环有功电流指令值小于有功电流值指令值开关(5)与开关(4)相连，闭锁计算模块(2)，有功电流指令值按照输出；若控制逻辑(2)判断大于等于时，开关(5)和开关(6)相连，有功电流指令按照新的有功电流指令值输出，闭锁电压外环，实现有功电流限制。

8.根据权利要求6所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：通过逻辑控制模块(1)判断光伏并网点电压跌落时标幺值U_T所处的范围，对无功电流指令值进行重新分配，分配方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_q^{ref}=1.5\&times;(0.9-U_T)I_N,(0.2\&le;U_T\&le;0.9)\\ i_q^{ref}=1.05\&times;I_N,(U_T<0.2)\\ i_q^{ref}=0,(U_T>0.9)\end{array}\right.$

式中，U_T表示光伏并网点电压的标幺值，I_N表示逆变器的额定电流。

9.根据权利要求7所述的低电压穿越控制系统，其特征在于：当光伏并网系统的并网电压发生跌落时，规定并网点电流i不能超过额定电流I_N的1.5倍，计算模块(2)计算新的有功电流值指令值公式如下：

$i_d^{ref}=\sqrt{{\left(1.5I_N\right)}^2-{\left(i_q^{ref}\right)}^2}$

式中，i_d表示有功电流，i_q表示无功电流，I_N表示额定电流。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的低电压穿越控制系统，该系统还包括光伏阵列、Boost斩波电路、逆变器，光伏阵列采用扰动观察法，实现最大功率输出，Boost斩波电路用于将光伏输出电压进行升压；其特征在于：逆变器采用MMC模块化多电平逆变器，用于将直流逆转换成交流。