CN106410839A - 基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，主要包括：首先在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入电容电流控制环构成双电流环控制；然后给定电流参考值，对正常运行情况和暂态稳定情况分别给出相应的控制策略；本发明提出的有功无功电流协调控制的并网逆变器控制方法有利于系统发生短路故障之后暂态电压的恢复，提高了系统的暂态稳定性。

Description

基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统暂态稳定性研究领域技术领域，具体地，涉及基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法。

背景技术

光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，其原理是使用太阳能电板将接受的光能转化成为电能。由于光能相对于其他传统能源具有永不枯竭特性，因此光伏发电具有运行成本小，来源永不枯竭等特点，随着技术和制作工艺水平的提高，它具有广阔的发展前景。

目前光伏发电一般有两种利用方式。一种是分布式光伏发电方式，另外一种是并入电网的光伏发电方式，即并网光伏发电。分布式发电系统容量小，主要是为用户自己提供电能；并网光伏发电是指中大型光伏电站把发出的电能输送到电力系统里。

并网光伏系统通常由光伏阵列，逆变器和电网三部分组成。光伏阵列是由单个光伏电池经串并联组成，其功能是把太阳辐射的光能转换为电能。光伏阵列与并网逆变器直接相连或者经过稳压电路与逆变器相连。逆变器既可将光伏产生的直流电能转化为与电网电压同频率的正弦波电流，又可以作为光伏发电系统连入交流电网的接口，同时在没有稳压电路的系统里可以实现对光伏阵列的最大功率跟踪控制和对输入电力系统的电流进行控制。

在光伏电站出力稳定时，如果系统发生故障，由于光伏电站的接入可能会对电力系统稳定性产生巨大影响。电力系统运行过程中时常会发生故障，其中大多数故障为短路故障。短路故障会引起系统电压降落，使系统一些设备的电压过低。设备电压过低将对其产生不利影响。

发电机机端电压过低时，其电流将因功角的增大而增大，引起定子绕组发热，为使其不至于过热，不得不减少发电机发出的功率，相应的，也不得不减少负荷。

电压较低如果是因为无功不足引起时，在某些枢纽变电所母线电压在微小的扰动下有可能会大幅下降，发生“电压崩溃”现象，成为一个瓦解系统的灾难性事故，系统失去稳定。

综上所述，在电压出现较大幅度下跌时有必要对电压进行控制和调整。补偿无功功率是一种常用的调节电压的措施。因为国内的大中型光伏电站中无功补偿装置建设落后甚至不具备补偿要求，目前无功和电压控制方法的研究主要集中在分布式光伏发电领域，并网光伏电站有关无功和电压控制的研究还不广泛，所以研究适用于大中型光伏电站的无功和电压控制策略是很有必要的。对于并网光伏电站的无功补偿研究大多集中在并联电容器、静止无功功率补偿器(SVC)和静止调相机(STATCOM)等柔性输电设备(FACTS)上，而忽视了光伏并网逆变器本身所具有的发出无功功率而调节电压的功能，这对光伏电站来说是一种浪费。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，以实现改善系统暂态电压，提高系统的暂态稳定性的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入电容电流控制环构成双电流环控制；

步骤2：通过给定电流参考值，分别对正常运行情况和暂态运行情况进行控制。

进一步地，所述两级式并网逆变器使用前级Boost电路实现光伏电站电压控制，使用后级逆变器实现输入系统电流的控制。

进一步地，步骤1具体为对并网逆变器的控制采用基于电网电压定向的控制策略，实现有功无功的解耦控制，得到在逆变器允许运行范围内所能达到的最大无功功率，经过解耦过程，各量的d轴分量和q轴分量之间没有了耦合关系，在此基础上引入电容电流控制环构成双电流环控制，这种情况下，系统的开环传递函数为：

其中L₁，L₂，C₂为LCL滤波器中的电感和电容的参数，k_p，k_i为PI调节器比例系数。

进一步地，所述解耦过程具体为，引入状态反馈解耦控制，当电流控制器为PI控制器时，u_d，u_q的控制方程为

其中G_c(s)为PI控制器开环传递函数，i_1d i_1q分别为转换器输出电流的d轴,q轴分量，i_2d i_2q分别为滤波器输出电流的d轴,q轴分量，结合上式和逆变器的数学模型，进行解耦。

进一步地，正常运行情况下为了充分利用太阳能，光伏电站运行于最大功率点，此时向系统提供的无功功率为零，设这种情况下提供的有功功率为P_M，则输送有功功率的参考值为P_ref＝P_M，无功功率参考值Q_ref＝0，给定的电流参考值为

暂态运行情况下，充分利用逆变器的无功调节功能缓解电压降落的过程，即当电网发生短路时，逆变器向电网提供足够的无功电流支持电网电压恢复，具体为通过电压控制器将测量到的母线电压U_g经过测量环节与系统给定的电网电压参考值U_ref进行比较，两者的差值经PI控制器控制后，作为无功电流大小参考值，无功电流大小参考值除以母线电压即为调节注入系统的无功电流参考值i_qref，所述u_ref为稳态时并网点电压的大小；

向电网传输功率为Q＝u_gdi_q，有功功率取值范围为， 得到调节注入系统的有功电流参考值i_dref。

进一步地，所述调节注入系统的无功电流参考值的上限值为i_qmax，调节注入系统的无功电流参考值的下限值i_qmin，根据其中，i_qref受限幅环节限制，有

本发明各实施例的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，由于主要包括：在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入电容电流控制环构成双电流环控制；通过给定电流参考值，分别对正常运行情况和暂态运行情况进行控制；从而可以实现改善系统暂态电压，提高系统的暂态稳定性的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的两级式光伏并网逆变器控制结构图；

图2为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的引入电容电流反馈的双环控制图；

图3为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的并网逆变器内环控制模型；

图4为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的光伏逆变器的低电压穿越要求；

图5为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的有功电流i_qref的控制图；

图6为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的无功电流i_dref的控制图；

图7为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的三机九节点测试系统单线结构图；

图8为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的光伏电站接入7号节点支路1-4发生故障节点7电压幅值波形图；

图9为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的光伏电站接入6号节点支路1-4发生故障节点7电压幅值波形图；

图10为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的两种控制方式下发电机的功角差图；

图11为本发明实施例中基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法的光伏电站接入节点4支路5-7发生故障5号节点电压幅值波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入电容电流控制环构成双电流环控制；

步骤2：通过给定电流参考值，分别对正常运行情况和暂态运行情况进行控制。

所述两级式并网逆变器使用前级Boost电路实现光伏电站电压控制，使用后级逆变器实现输入系统电流的控制。

步骤1具体为对并网逆变器的控制采用基于电网电压定向的控制策略，实现有功无功的解耦控制，得到在逆变器允许运行范围内所能达到的最大无功功率，经过解耦过程，各量的d轴分量和q轴分量之间没有了耦合关系，在此基础上引入电容电流控制环构成双电流环控制，这种情况下，系统的开环传递函数为：

其中L₁，L₂，C₂为LCL滤波器中的电感和电容的参数，k_p，k_i为PI调节器比例系数。

所述解耦过程具体为，引入状态反馈解耦控制，当电流控制器为PI控制器时，u_d，u_q的控制方程为

其中G_c(s)为PI控制器开环传递函数，i_1d i_1q分别为转换器输出电流的d轴,q轴分量，i_2d i_2q分别为滤波器输出电流的d轴,q轴分量，结合式(2)和逆变器的数学模型，进行解耦。

正常运行情况下为了充分利用太阳能，光伏电站运行于最大功率点，此时向系统提供的无功功率为零，设这种情况下提供的有功功率为P_M，则输送有功功率的参考值为P_ref＝P_M，无功功率参考值Q_ref＝0，给定的电流参考值为

暂态运行情况下，充分利用逆变器的无功调节功能缓解电压降落的过程，即当电网发生短路时，逆变器向电网提供足够的无功电流支持电网电压恢复，具体为通过电压控制器将测量到的母线电压U_g经过测量环节与系统给定的电网电压参考值U_ref进行比较，两者的差值经PI控制器控制后，作为无功电流大小参考值，无功电流大小参考值除以母线电压即为调节注入系统的无功电流参考值i_qref，所述u_ref为稳态时并网点电压的大小；

向电网传输功率为Q＝u_gdi_q，有功功率取值范围为， 得到调节注入系统的有功电流参考值i_dref。

所述调节注入系统的无功电流参考值的上限值为i_qmax，调节注入系统的无功电流参考值的下限值i_qmin，根据其中，i_qref受限幅环节限制，有

结合图7，三机九节点测试系统单线结构图，其中系统一共有9条支路，3个节点连有发电机、3个节点连有负荷，忽略变压器损耗。结合研究需要，选择基于改进欧拉法和迭代解法的暂态分析方法完成暂态程序的设计。该方法采用改进欧拉法求解微分方程，采用迭代解法求解网络方程。为方便程序编写，发电机使用双绕组模型，负荷使用恒功率模型，网络线性用节点导纳方程表示，机电暂态仿真时步取10ms。

在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入了电容电流控制环构成双电流环控制，能够通过给定电流参考值，对正常运行情况和暂态稳定情况给出相应的控制策略，步骤如下：

步骤一：两级式并网逆变器结构使用前级Boost电路达到光伏电站电压控制，使用后级逆变器达到控制输入系统电流的目的。基本思想示意图如图1所示。对并网逆变器的控制采用的是基于电网电压定向的控制策略，以此来实现有功无功的解耦控制，从理论上得到在逆变器允许运行范围内所能达到的最大无功功率。

图1中，从光伏电池出口侧引入电压和电流分量作为MPPT的输入量，输入至最大功率算法单元，把计算出来的电压值输入至DC/DC变换器，即可实现最大功率跟踪。根据电网电压与正常运行时比较的结果确定逆变器的工作状态(是否发出无功功率)，得到有功电流和无功电流的参考值，然后输入至逆变器。

同步旋转坐标系下逆变器的数学模型如下：

从式(1)可看出，i_1d不仅和u_rd，u_cd有关，而且还与i_1q有关，同样的i_1q也和i_1d有关，也就是说，Park变换过程中引入了耦合。同样的，式(2)，式(3)也有耦合项存在。这里引入状态反馈解耦控制，当电流控制器为PI控制器时，u_d，u_q的控制方程为

结合式(4)和逆变器的数学模型，经过解耦，其中各量的d轴分量和q轴分量之间没有了耦合关系，使控制器设计更为方便。在此基础上引入电容电流控制环构成双电流环控制，控制方法如图2所示。这种情况下，系统的开环传递函数为：

双闭环控制性能好，系统稳定性更强。

电流控制如图3所示，图中解耦只列出了对i_1d和i_1q解耦部分，其他部分未画出。引入电容电流i_cd，i_cq作为反馈变量，不仅构成双电流环控制，还构成了基于陷波器校正的有源阻尼控制方案。i_dref和i_qref分别代表有功电流和无功电流的参考值；i_2d，i_2q分别是逆变器输出电流的有功分量和无功分量；i_cd，i_cq分别是滤波器中电容电流的有功分量和无功分量；解耦时电流需要除以K_pwm是因为它是逆变器的调制比。

步骤二：电流参考值的给定

1)正常运行情况：

正常运行情况下，为了充分利用太阳能，光伏电站运行于最大功率点，此时向系统提供的无功功率为零。设这种情况下提供的有功为P_M，则输送有功功率的参考值为P_ref＝P_M，无功功率参考值Q_ref＝0，参考电流为

2)暂态运行情况：

在短路情况下发生低电压穿越时，根据国家电网公司2011年颁布的《光伏电站接入电网技术规定》，低电压穿越要求如图4所示。

图4中可以看出，当系统发生短路时，电压在曲线1以上时，光伏电站不能脱网运行，在曲线1以下时可以脱网运行。电压过低会对电力系统各元件产生不利的影响，充分利用逆变器的无功调节功能可以缓解电压降落的过程。即当电网发生短路时，逆变器向电网提供足够的无功电流以支持电网电压恢复。因此，无功注入采用的是如图5的控制策略。通过电压控制器将测量到的母线电压U_g经过测量环节与系统给定的电网电压参考值U_ref进行比较，两者的差值差值经过PI控制器作为无功电流大小的参考值，此值除以母线电压即为调节注入系统的无功电流参考值i_qref。u_ref在这里可以用稳态时并网点电压的大小。

图5中i_qmax主要是受逆变器容量的制约；i_qmin一般取0。

式(7)中，i_qref受限幅环节限制，有

有功电流参考值(i_dref)的控制策略如图6所示。此时，向电网传输的功率为Q＝u_gdi_q，则有功功率取值范围为

则

新型控制方法与传统控制方法仿真结果对比与分析如下：

1)故障设置为支路1-4的末端即4节点在1s时发生故障，0.1s后故障清除，本线路两端断路器跳开，1.6s时断路器重合闸成功。光伏电站分别接入7号节点和6号节点前后电压幅值变化图如图8和图9所示。

外界环境按照表1中1～10号逆变器运行环境设置并且不发生变化时，从图8中可看出，光伏电站使用传统控制方法时，电压幅值出现振荡，然而使用本文建立的控制方法后，电压能逐渐恢复至稳定水平。图9显示，使用本文所建立的控制方法时，故障清除后没有出现电压幅值大幅下降的情况，这是因为电压下降时光伏电站向电网提供了大量的无功功率，保证了电力系统安全稳定运行。

2)光伏电站接入节点4，支路5-7发生故障时，使用传统的控制方法和本方法发电机功角差和节点电压(以5号节点为例)波形如图10和图11所示。

从图10和图11可看出，在传统的控制方式下，发电机间的功角差不断增大，节点电压幅值也产生了剧烈的振荡，说明故障清除后系统未能稳定运行。而在本控制方式下，功角差逐渐趋近于恒定值，电压幅值也逐渐达到稳定的水平，说明此情况是暂态稳定的。这也说明了提出的新型控制方法有利于暂态电压的恢复，有利于系统的暂态稳定。

至少可以达到以下有益效果：与传统的逆变器控制方式相比能够有效的改善系统暂态电压，故障清除后不会出现电压幅值大幅下降的情况，与传统的逆变器控制方式相比更能够使发电机相对功角逐渐趋近于恒定值，提高系统的暂态稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在基于电网电压定向的控制策略的两级式并网逆变器中引入电容电流控制环构成双电流环控制；

步骤2：通过给定电流参考值，分别对正常运行情况和暂态运行情况进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，所述两级式并网逆变器使用前级Boost电路实现光伏电站电压控制，使用后级逆变器实现输入系统电流的控制。

3.根据权利要求2所述的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤1具体为对并网逆变器的控制采用基于电网电压定向的控制策略，实现有功无功的解耦控制，得到在逆变器允许运行范围内所能达到的最大无功功率，经过解耦过程，各量的d轴分量和q轴分量之间没有了耦合关系，在此基础上引入电容电流控制环G_i(s)构成双电流环控制，系统的开环传递函数为：

$G_1\left(s\right)=\frac{(k_{p}s+k_i)G_i\left(s\right)}{L_1{C}_2{L}_2{s}^4+L_2{s}^2+L_1{s}^2+G_i\left(s\right)C_2{L}_2{s}^3}$

其中L₁，L₂，C₂为LCL滤波器中的电感和电容的参数，k_p，k_i为PI调节器比例系数。

4.根据权利要求3所述的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，所述解耦过程具体为，引入状态反馈解耦控制，当电流控制器为PI控制器时，发电机定子电压在dq坐标系上的分量u_d，u_q的控制方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=G_c\left(s\right)(i_{2d}^{*}-i_{2d})-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{1q}-{\mathrm{s\ωL}}_1{\mathrm{Cu}}_{cq}-s^2{\mathrm{\ωL}}_1{\mathrm{CL}}_2{i}_{2q}\\ u_q=G_c\left(s\right)(i_{2q}^{*}-i_{2q})+{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{1d}+{\mathrm{s\ωL}}_1{\mathrm{Cu}}_{cd}+s^2{\mathrm{\ωL}}_1{\mathrm{CL}}_2{i}_{2d}\end{array}\right.$

其中G_c(s)为PI控制器开环传递函数，i_1d i_1q分别为转换器输出电流的d轴,q轴分量，i_2di_2q分别为滤波器输出电流的d轴,q轴分量，结合上式和逆变器的数学模型，进行解耦。

5.根据权利要求1所述的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤2具体为，正常运行情况下为了充分利用太阳能，光伏电站运行于最大功率点，此时向系统提供的无功功率为零，设这种情况下提供的有功功率为P_M，则输送有功功率的参考值为P_ref＝P_M，无功功率参考值Q_ref＝0，给定的电流参考值为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{2P_{ref}}{3u_{gd}}\\ i_{qref}=0\end{array}\right.;$

其中u_gd为光伏电站并网点电压的d轴分量，

暂态运行情况下，充分利用逆变器的无功调节功能缓解电压降落的过程，即当电网发生短路时，逆变器向电网提供足够的无功电流支持电网电压恢复，具体为通过电压控制器将测量到的母线电压U_g经过测量环节与系统给定的电网电压参考值U_ref进行比较，两者的差值经PI控制器控制后，作为无功电流大小参考值，无功电流大小参考值除以母线电压即为调节注入系统的无功电流参考值i_qref，所述u_ref为稳态时并网点电压的大小；

向电网传输功率为Q＝u_gdi_q，有功功率取值范围为， 得到调节注入系统的有功电流参考值i_dref。

6.根据权利要求5所述的基于有功无功电流协调控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，所述调节注入系统的无功电流参考值的上限值为i_qmax，调节注入系统的无功电流参考值的下限值i_qmin，根据其中，i_qref受限幅环节限制，有

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{qmax}=\frac{2Q}{3u_g^{\′}}\\ i_{q\min }=0\end{array}\right..$