CN106253339B - 一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，包括以下步骤：A：搭建光伏阵列模型；B；从光伏逆变器输出的三相电压中提取出正、负、零序电压分量；C：基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析光伏逆变器输出有功功率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率；D：静止坐标系下使用比例谐振PR控制器来设计光伏逆变器的并网电流控制结构；本发明在静止坐标系下采用比例谐振控制器实现光伏逆变器输出电流正、负序分量同时控制，解决了现有的不对称故障条件下光伏逆变器的控制策略主要侧重谐波抑制或者功率波动的其中一点，而不是全面考虑的问题。

Description

一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电控制领域，尤其涉及一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法。

背景技术

由于电网中的三相不对称故障时有发生，因此导致电网电压同时存在正负序分量以及谐波分量；众所周知，负序分量会导致电网电压及电流出现二倍频波动现象，甚至引起输出电流波形畸变，增加逆变器的谐波损耗；同时还会导致逆变器输出功率波动，从而影响光伏电池的最大功率跟踪控制，降低光伏电池的转换效率，严重时甚至会因逆变器功率控制不稳而烧毁逆变器。

目前对于电网发生不对称故障条件下绝大多数的光伏逆变器控制策略主要侧重谐波抑制或者功率波动其中的一点，有的不对称故障条件下光伏逆变器的控制策略虽然同时考虑了谐波抑制和功率波动，但调节范围有限，有功功率波动较大，因此需要对不对称故障条件下光伏逆变器控制策略进行深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，用以解决现有的不对称故障条件下光伏逆变器的控制策略主要侧重谐波抑制或者功率波动的其中一点，而不是全面考虑的问题。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，包括以下步骤：

A：搭建光伏阵列模型；

B；从光伏逆变器输出的三相电压中提取出正、负、零序电压分量；

C：基于IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，并基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析光伏逆变器输出有功功率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率；

D：静止坐标系下使用比例谐振PR控制器来设计光伏逆变器的并网电流控制结构。

所述的步骤A中的光伏阵列模型采用美国SEL实验室(Solar Energy Laboratory)提出的5参数光伏电池模型。

步骤B中所述的从不对称三相电压中提取出正、负、零序电压分量的方法为：

式中，v_a、v_b、v_c分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的正序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的负序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的零序分量，其中，a和a²为复数算子，a为单位相量逆时针旋转120°，a²为单位相量逆时针旋转240°。

所述的步骤C包括以下步骤：

C1：基于IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，具体方法为：

传统的IARC的并网电流公式，即IARC控制策略为：

其中，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值，u_⊥是与电压向量u正交的向量(超前90度)；i_IARC为IARC控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

多参数光伏逆变器输出电流控制策略在IARC控制策略中加入了k、n、m三个调节参数，形成多参数光伏逆变器输出电流控制策略，多参数光伏逆变器输出电流控制策略为：

式中k的调节范围为0≤k≤2，n的调节范围为0≤p≤1，m的调节范围为-1≤m≤1，u⁺，u-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，u_⊥是与电压向量u正交的向量(超前90度)，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值；i为多参数光伏逆变器输出电流控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

C2：基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析逆变器输出有功功率波动率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率，具体方法为：

采用多参数光伏逆变器输出电流控制策略在发生不对称故障时光伏逆变器的输出电流总谐波畸变率THD为：

A＝1+nε²+nkε，B＝1+nε²-nkε

式中ε为电压不平衡度；

采用多参数光伏逆变器输出电流控制策略在发生不对称故障时光伏逆变器输出的有功功率波动率ΔP_max和无功功率波动率ΔQ_max为：

和

式中，p和P分别为光伏逆变器输出有功功率值和有功功率的参考值，q为光伏逆变器输出无功功率，ε为电压不平衡度，ω为角速度，t为时间量。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，基于瞬时无功理论提出一种综合考虑光伏逆变器输出有功功率波动率、光伏逆变器输出无功功率波动率以及输出电流谐波总畸变率的控制方法，在传统的IARC控制策略基础上加入多个调节参数，分析了光伏逆变器输出有功功率波动率、光伏逆变器输出无功功率波动率以及输出电流谐波总畸变率同调节参数之间的关系，在静止坐标系下采用比例谐振控制器实现光伏逆变器输出电流正、负序分量同时控制，解决了现有的不对称故障条件下光伏逆变器的控制策略主要侧重谐波抑制或者功率波动的其中一点，而不是全面考虑的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为不对称故障条件下光伏逆变器输出的有功功率波动率的示意图；

图3不对称故障条件下光伏逆变器输出电流总谐波畸变率的示意图；

图4为k＝1、n＝1、m＝0时光伏逆变器输出有功功率和输出无功功率的示意图；

图5为k＝1、n＝1、m＝0时光伏逆变器输出三相电流图。

具体实施方式

本发明所述的一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建光伏阵列模型；

优选方案为，本发明所述的光伏阵列模型采用美国SEL实验室(Solar EnergyLaboratory)提出的5参数光伏电池模型，5参数光伏电池模型的等效电路为一个电流源并联一个反向二极管和一个等效并联电阻，然后再串联一个等效串联电阻；5参数光伏电池模型共包含5个参数：分别为光生电流I_pv、二极管反向饱和漏电流I₀、理想因子a、等效并联电阻R_p和等效串联电阻R_s；5参数光伏电池模型的输出特性I-V方程如下式所示：

然后进入步骤B；

步骤B；从光伏逆变器输出的三相电压中提取出正、负、零序电压分量；

提取出光伏逆变器输出的三相电压的正、负、零序电压分量的方法为：

式中，v_a、v_b、v_c分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的正序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的负序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的零序分量，其中，以上提取出光伏逆变器输出的三相电压的正、负、零序电压分量的方法为现有技术，属于本领域技术人员的公知技术，这里不再赘述；然后进入步骤C；

步骤C：基于传统的IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，并基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析光伏逆变器输出有功功率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率；

所述的步骤C包括以下步骤：

步骤C1：基于IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，具体方法为：

由瞬时功率理论：

可得：

其中，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值；u_⊥是与电压向量u正交的向量(超前90度)；|u|²为电压向量模值，又因为：

其中，式中u_a、u_b、u_c是光伏逆变器输出的A、B、C三相电压，u_α、u_β是α、β静止坐标系下电压，u⁺、u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，|u⁺|²、|u^-|²分别为正负序电压向量模值；

可得IARC的并网电流公式，即传统的IARC控制策略：

其中，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值，u_⊥是与电压向量u正交的向量(超前90度)；i_IARC为IARC控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

但是，虽然IARC控制策略具有精确的功率控制能力，但是一方面由于光伏逆变器输出的电压不对称时电压向量模值|u|²有二倍频振荡项，使得其并网电流含有大量的谐波；另一方面，IARC控制策略对并网电流控制的动态性能要求很高，所以本发明所述的不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法在IARC控制策略的基础上，提出了一种新的多参数光伏逆变器输出电流控制策略，具体方法如下所示：

在传统的IARC控制策略中加入k、n、m三个调节系数进行调节，变化k、n系数，可以对输出电流总谐波畸变率进行调节，对k、n、m三个系数的调节能够对光伏逆变器输出的有功功率波动和无功功率波动进行调节，输出电流参考值表达式即多参数光伏逆变器输出电流控制策略如下所示：

式中k的调节范围为0≤k≤2，n的调节范围为0≤p≤1，m的调节范围为-1≤m≤1，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，u_⊥是与电压向量u正交的向量(超前90度)，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值；i为多参数光伏逆变器输出电流控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

步骤C2：基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析逆变器输出有功功率波动率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率，具体方法为：

由步骤C1所述的多参数光伏逆变器输出电流控制策略可得光伏逆变器输出的有功功率波动率ΔP_max为：

式中p和P分别为光伏逆变器输出有功功率和光伏逆变器输出有功功率的参考值，ε为电压不平衡度，其表达式为：

ε＝u⁺/u^-；

式中，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序分量的幅值。

对于光伏逆变器输出的无功功率，一般光伏系统都运行在单位功率因数下，因此将无功功率Q设为0，同样可以得到光伏逆变器输出无功功率波动率ΔQ_max为：

式中q和P分别为光伏逆变器输出无功功率和光伏逆变器输出有功功率的参考值，ε为电压不平衡度；

输出电流谐波畸变率THD为：

A＝1+nε²+nkε，B＝1+nε²-nkε，其中ε为电压不平衡度；

综上所述，不对称故障条件下光伏逆变器输出的有功功率波动率和输出谐波电流畸变率如图2、3所示：光伏逆变器输出有功功率、无功功率以及输出电流谐波畸变率受k、n、m三个调节系数的影响很大，n和k越大输出电流谐波畸变率越大；当n＝1和k＝2时，输出电流谐波畸变率达到最大值；若此时的电压不平衡度ε为0.3，那么输出电流谐波畸变率为34.15％；当n＝0或k＝0时其输出电流谐波畸变率为0；m、n和k能够对有功功率波动造成影响，当n＝1、m＝1和k＝2时，此时的功率波动值最小为0；对无功功率来说，主要受到m和n两个参数的影响，当m＝1时，此时无功功率波动为0，而n的增大将导致无功功率波动减小。m变小能够在较大范围内减小有功功率波动，但是此时无功功率波动将增大；

由图4和图5可知：图4、5给出了电压不平衡度为0.3，k＝1、n＝1、m＝0时输出功率波动和输出电流仿真波形图，其中输出电流谐波畸变率为14.15％，输出有功功率波动为12％，输出无功功率波动为30％。

D：在静止坐标系(是否为α、β坐标系)下使用比例谐振PR控制器控制光伏逆变器的输出电流，使光伏逆变器的输出电流与步骤C1中多参数光伏逆变器输出电流控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值相同；

由于比例谐振控制器能够对谐振频率为±ω₀上的信号具有无限增益，能够实现正弦量无静差控制，因此本发明所述的不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法在α、β坐标系下采用PR控制器控制注入电流，且只需要两个PR控制器来分别调节α、β轴上的注入电分量，控制简单，动态性能好；利用比例谐振PR控制器控制光伏逆变器的输出电流的输出电流属于现有成熟技术，这里不再赘述。

综上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本发明所述的一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，基于瞬时无功理论提出一种综合考虑光伏逆变器输出有功功率波动率、光伏逆变器输出无功功率波动率以及输出电流谐波总畸变率的控制方法，在传统的IARC控制策略基础上加入多个调节参数，分析了光伏逆变器输出有功功率波动率、光伏逆变器输出无功功率波动率以及输出电流谐波总畸变率同调节参数之间的关系，在静止坐标系下采用比例谐振控制器实现光伏逆变器输出电流正、负序分量同时控制，解决了现有的不对称故障条件下光伏逆变器的控制策略主要侧重谐波抑制或者功率波动的其中一点，而不是全面考虑的问题。

Claims (3)

1.一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：搭建光伏阵列模型；

B；从光伏逆变器输出的三相电压中提取出正、负、零序电压分量；

C：基于IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，并基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析光伏逆变器输出有功功率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率；

所述的步骤C包括以下步骤：

C1：基于IARC控制策略提出多参数光伏逆变器输出电流控制策略，具体方法为：

传统的IARC的并网电流公式，即IARC控制策略为：

其中，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值，u_⊥是与电压向量u正交的向量，u_⊥超前电压向量u 90度；i_IARC为IARC控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

多参数光伏逆变器输出电流控制策略在IARC控制策略中加入了k、n、m三个调节参数，形成多参数光伏逆变器输出电流控制策略，多参数光伏逆变器输出电流控制策略为：

式中k的调节范围为0≤k≤2，n的调节范围为0≤n ≤1，m的调节范围为-1≤m≤1，u⁺，u^-分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量，u_⊥是与电压向量u正交的向量，u_⊥超前电压向量u 90度，|u⁺|²、|u^-|²分别为光伏逆变器输出电压的正、负序电压向量模值，P、Q分别为光伏逆变器输出的有功功率和无功功率参考值；i为多参数光伏逆变器输出电流控制策略下光伏逆变器输出电流的参考值；

C2：基于多参数光伏逆变器输出电流控制策略分析逆变器输出有功功率波动率、无功功率波动率和输出电流总谐波畸变率，具体方法为：

采用多参数光伏逆变器输出电流控制策略在发生不对称故障时光伏逆变器的输出电流总谐波畸变率为：

A＝1+nε²+nkε，B＝1+nε²-nkε

式中ε为电压不平衡度；

采用多参数光伏逆变器输出电流控制策略在发生不对称故障时光伏逆变器输出的有功功率波动率Δp和无功功率波动率Δq为：

和

式中，p和P分别为光伏逆变器输出有功功率值和有功功率的参考值，q为光伏逆变器输出无功功率，ε为电压不平衡度，ω为角速度，t为时间量；

D：静止坐标系下使用比例谐振PR控制器来设计光伏逆变器的并网电流控制结构。

2.根据权利要求1所述的一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，其特征在于：所述的步骤A中的光伏阵列模型采用美国SEL实验室(Solar Energy Laboratory)提出的5参数光伏电池模型。

3.根据权利要求1所述的一种不对称故障条件下光伏逆变器输出电流控制方法，其特征在于，步骤B中所述的从不对称三相电压中提取出正、负、零序电压分量的方法为：

式中，v_a、v_b、v_c分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的正序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的负序分量，分别为光伏逆变器输出的A、B、C三相电压的零序分量，其中，