CN106786737A - 一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，集散式光伏发电系统的逆变器在直流电压外环和基于dq变换的电网电压前馈解耦控制电流内环的基础上，实时检测电网电压的跌落深度，进行低电压穿越控制模式和低电压穿越恢复模式；集散式光伏发电系统的智能MPPT汇流箱在各自输入电压外环和输入电流内环的基础上，实时判断直流母线电压过压状况，进行直流母线过压控制模式和直流母线过压恢复控制模式；本发明解决了集散式发电系统低电压穿越过程中直流母线电压失控及低电压穿越恢复后有功功率无法快速恢复的难题。

Description

一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，属于光伏并网发电技术领域。

背景技术

集散式光伏发电系统结合集中式及组串式逆变器两种方案的优势，既具备多路MPPT跟踪、提高发电量，又具备电能质量高的优点，最终实现高效、可靠和高收益。

集散式光伏发电系统和组串式逆变器均采用两级功率变换。组串式逆变器的两级功率变换由同一控制器控制，协调方便，控制简单；而集散式光伏发电系统中，DC/DC升压和DC/AC逆变两级功率变换分别由智能MPPT汇流箱和逆变器单独控制，协调困难，控制复杂。集散式光伏发电系统的智能MPPT汇流箱和逆变器若采用通信进行协调，对通信的实时性较高，难以满足电网电压低电压穿越尤其是零电压穿越的要求。

集散式光伏发电系统拓扑结构如图1所示，1个光伏方阵包括m台智能MPPT汇流箱和1台逆变器，每台智能MPPT汇流箱有n路独立的BOOST电路。正常工况下，有如下关系：

P_1-mpp+P_2-mpp+P_3-mpp+…+P_m-mpp≤P_inverter-max (1)

式中，P_i-mpp(i＝1,2,...,m)表示在一定光照和温度条件下，第i台智能MPPT汇流箱输入侧所有光伏组件能够达到的最大功率，P_inverter-max表示逆变器最大输出有功功率，逆变器最大输出电流I_max一般为额定电流I_N的1.1倍。

由式(1)可以看出，正常工况下，所有光伏组件的最大功率不大于逆变器能够输出的最大功率。逆变器将光伏组件的最大功率减去线路和装置损耗后全部输出到电网。

但是，当电网电压跌落时，式(1)将不再成立，将可能出现以下关系：

P_1-mpp+P_2-mpp+P_3-mpp+…+P_m-mpp＞P_inverter-max (2)

特别地，当电网电压跌零时，逆变器最大输出有功功率P_inverter-max为零。

此时，如果智能MPPT汇流箱仍工作在光伏组件最大功率点，必然导致智能MPPT汇流箱与逆变器之间的直流母线电压急剧上升，导致直流母线回路上的所有装置因过压冲击而损坏。

若智能MPPT汇流箱检测到直流母线电压过高后，停止所有DC/DC电路，直至直流母线电压恢复正常后再重新启动MPPT运行，又难以满足有功功率以至少30％额定功率/秒的功率变化率恢复至正常发电状态的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，解决了在电网电压跌落时，智能MPPT汇流箱和逆变器工作状态不稳定，故障清除后有功功率恢复速率慢的问题，提高了集散式光伏发电系统的安全性和稳定性。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，包括逆变器的低电压穿越控制和智能MPPT汇流箱直流母线过压控制；

所述逆变器的低电压穿越控制包括以下步骤：

1-1)逆变器控制直流母线电压，采用外环直流电压环和内环电流环控制；所述内环电流环采用基于dq变换的电网电压前馈解耦控制；

1-2)逆变器将直流母线电压稳定到参考值U_{dc_ref1}，直流电压环PI1的输出作为逆变器有功电流给定Id_Ref，非低电压穿越条件下，逆变器无功电流给定Iq_Ref为0，直流电压环PI1输出最大值限幅值和积分项最大值限幅值等于逆变器最大输出电流I_max；

1-3)逆变器的控制器在进行前馈解耦控制的同时，实时计算电网正序电压跌落深度U_T，并进行低穿标志位flag_LVRT判断，当电网正序电压跌落深度正常时，令flag_LVRT＝0；当电网正序电压跌落深度U_T＜0.9时，令flag_LVRT＝1，进入低电压穿越控制模式；

1-4)当电网电压跌落时，逆变器根据要求向电网注入动态无功电流给定Iq_Re f，在该控制模式下，对直流电压环PI1的输出和积分器的输出进行限幅；

1-5)当检测到电网电压恢复正常后，令标志位flag_LVRT＝2，逆变器首先将无功电流给定Iq_Ref降为0；然后，将直流电压环PI1的输出放大到I_max，同时将积分器的输出从限幅值恢复到正常值；至此，逆变器恢复到正常模式，令标志位flag_LVRT＝0；

所述智能MPPT汇流箱直流母线过压控制包括以下步骤：

2-1)智能MPPT汇流箱直流母线过压控制采用输入电压环PI4，输入电流环PI5和直流过压控制环PI6进行控制；

2-2)智能MPPT汇流箱的控制器实时采集第i路BOOST电路的输入电压Uin_i和输入电流Iin_i，通过MPPT算法进行最大功率点跟踪，得到第i路BOOST电路的输入电压目标给定值Uin_i_Ref；正常模式下，令直流过压控制环PI6的输出δ＝0，输入电压环PI4的输出作为第i路BOOST电路的输入电流给定Iin_i_Ref，PI4的积分项最大值限幅值等于智能MPPT汇流箱最大输入电流，输入电流环PI5的输出产生第i路的PWM脉冲PWM_i，实时调节第i路输入电流；

2-3)当逆变器进入低电压穿越后，直流母线电压抬升，当直流母线电压超过直流过压控制环PI6的给定Udc_Ref2时，令标志位flag_OVRT＝1，智能MPPT汇流箱进入直流母线过压控制模式；

2-4)智能MPPT汇流箱记录直流母线过压控制模式前的第i路BOOST电路的输入电压值Uin_i_pre和输入电流值Iin_i_pre，i＝1,2,…,n，对输入电压环PI4的输入电压目标给定值Uin_i_Ref进行最大值限幅，对输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt进行最大值限幅；n表示每台智能MPPT汇流箱有n路BOOST电路；

2-5)通过直流过压控制环实时调节n路BOOST电路的输入电流给定增量δ，使直流母线电压稳定在区间[Udc_Ref2,Udc_Ref2+Δ]中的一个固定值，Δ为大于0的实数；

2-6)当δ＝0时，智能MPPT汇流箱进入恢复模式，令标志位flag_OVRT＝2；在此模式下，第i路BOOST电路的输入电流Iin_i实际值已恢复到低电压穿越前的输入电流，将输入电压环PI4的输出值PI4_Out恢复到正常值，将输入电压环PI4的积分器的输出值PI4_ErrInt恢复到正常值；1s后，取消对输入电压环PI4的输入电压目标给定的限制。

前述的步骤1-4)中，对直流电压环PI1的输出和积分器的输出进行限幅，是指直流电压环PI1的输出和积分器的输出分别满足：

式中，PI1_ErrInt为积分器的输出，I_N为逆变器的额定电流，K_{I_1}为直流电压环PI1的I参数。

当直流母线电压失控时，逆变器快速分断直流断路器1～直流断路器m。

前述的步骤1-5)中，将直流电压环PI1的输出放大到I_max是指按照30％额定电流/秒的变化率将直流电压环PI1输出放大到I_max。

前述的步骤2-4)中，对输入电压环PI4的输入电压目标给定值Uin_i_Ref进行最大值限幅，是指Uin_i_Ref满足：

Uin_i_Ref≤Uin_i_pre (5)。

前述的步骤2-4)中，对输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt进行最大值限幅，是指输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt分别满足：

PI4_Out≤Iin_i_pre (6)

PI4_ErrInt≤Iin_i_pre/K_{I_4} (7)

式中，K_{I_4}为输入电压环PI4的I参数。

本发明的有益效果是：在集散式光伏发电系统电网电压跌落时，直流母线电压抬升幅值小；电网电压恢复时，有功功率恢复流畅，速度快，满足低电压穿越要求。同时，每个智能MPPT汇流箱自成独立的控制系统，无需与逆变器通信，降低了逆变器控制逻辑的复杂度。

附图说明

图1为集散式光伏发电系统拓扑结构图；

图2为集散式光伏发电系统逆变器控制结构图；

图3为集散式光伏发电系统逆变器低电压穿越控制流程图；

图4为集散式光伏发电系统汇流箱控制结构图；

图5为集散式光伏发电系统汇流箱直流母线过压控制流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参考图1，集散式光伏发电系统中1个光伏方阵由m台智能MPPT汇流箱和1台逆变器组成。m台智能MPPT汇流箱的直流输出通过m个直流断路器全部并联到逆变器的直流母线(DC-link)上。

每台智能MPPT汇流箱包含n路BOOST电路，n路BOOST电路的输入电压分别为Uin_1,Uin_2,…,Uin_n，n路输入电流分别为Iin_1,Iin_2,…,Iin_n，直流母线电压Udc，逆变器交流电网电压Ue。

1、逆变器控制策略请参考图2。逆变器控制直流母线电压，采用外环直流电压环，内环电流环的控制策略。直流电压环对应PI1，内环电流环采用基于dq变换的电网电压前馈解耦控制策略，有功电流环对应PI2，无功电流环对应PI3。Ue_d和Ue_q分别对应电网电压的d轴和q轴分量，ω为电网频率，L为并网电感大小。

逆变器控制流程如图3所示，包括以下步骤：

(1)正常模式

逆变器将直流母线电压稳定到参考值U_{dc_ref1}，直流电压环PI1的输出作为逆变器有功电流给定Id_Ref。直流电压环PI1输出最大值限幅值和积分项最大值限幅值等于逆变器最大输出电流，即有功电流给定不超过逆变器最大输出电流。

非低电压穿越条件下，逆变器无功电流给定Iq_Ref为0。

逆变器的控制器在进行前馈解耦控制的同时，实时计算电网正序电压跌落深度U_T，并进行低穿标志位flag_LVRT判断。当电网电压正常时，令flag_LVRT＝0；当U_T＜0.9时，令flag_LVRT＝1，进入低电压穿越控制模式。

(2)低电压穿越控制模式

当电网电压跌落时，逆变器根据要求向电网注入动态无功电流给定Iq_Re f。

为保证逆变器最大输出电流I_max不超过额定电流I_N的1.1倍，同时为了防止低电压穿越过程中光照变弱，最大功率点下降导致逆变器输出有功功率大于智能MPPT汇流箱输入功率的情况，并不关闭直流电压环PI1，只对直流电压环PI1的输出(对应有功电流给定Id_Re f)和积分器值PI1_ErrInt进行限幅。

式中，K_{I_1}为直流电压环PI1的I参数。

当电网电压跌落深度足够小时，逆变器输出无功电流较大，有功电流相应较小。当输出有功电流小到一定程度时，将出现式(2)的情况，直流母线电压抬升。此时，智能MPPT汇流箱的直流母线过压控制模式快速调节光伏组件输入功率，稳定直流母线电压。

异常工况下，当直流母线电压失控时，逆变器快速分断直流断路器1～直流断路器m，防止逆变器和直流母线回路上的其他设备因电压过冲而损坏。当然，若采用本发明所述的控制方法，不会出现直流母线电压失控的情况，只是作为一种故障保护。

(3)低电压穿越恢复模式

当检测到电网电压恢复正常后，令标志位flag_LVRT＝2，逆变器首先将无功电流给定Iq_Ref降为0。然后，按照30％额定电流/秒的变化率将直流电压环PI1输出从式(3)放大到I_max，同时将直流电压环PI1积分器PI1_ErrInt从式(4)恢复到正常值。至此，逆变器恢复到正常模式，令标志位flag_LVRT＝0。

2、智能MPPT汇流箱控制策略请参考图4。

每台智能MPPT汇流箱的n路BOOST电路独立工作。图中，MPPT模块为最大功率点跟踪算法，PI4为输入电压环，PI5为输入电流环，PI6为直流过压控制环。

智能MPPT汇流箱控制流程如图5所示，包括以下步骤：

(1)正常模式

智能MPPT汇流箱的控制器实时采集第i路BOOST电路的输入电压Uin_i和输入电流Iin_i，通过MPPT算法进行最大功率点跟踪，得到第i路BOOST电路的输入电压目标给定值Uin_i_Ref。正常模式下，令直流过压控制环PI6的输出δ＝0，不起作用。输入电压环PI4的输出将作为第i路BOOST电路的输入电流给定Iin_i_Ref，PI4的积分项最大值限幅值等于智能MPPT汇流箱最大输入电流。输入电流环PI5的输出产生第i路的PWM脉冲PWM_i，实时调节第i路输入电流。

(2)直流母线过压控制模式

当逆变器进入低电压穿越后，直流母线电压抬升。

请参考图4，当直流母线电压超过Udc_Ref2时，令标志位flag_OVRT＝1。智能MPPT汇流箱进入直流母线过压控制模式。

智能MPPT汇流箱记录直流母线过压控制模式前的第i路BOOST电路的输入电压值Uin_i_pre(i＝1,2,…,n)，输入电流值Iin_i_pre(i＝1,2,…,n)。

对输入电压环PI4的输入电压目标给定Uin_i_Ref进行最大值限幅：

Uin_i_Ref≤Uin_i_pre (5)

对输入电压环PI4的输出PI4_Out和积分器值PI4_ErrInt进行最大值限幅：

PI4_Out≤Iin_i_pre (6)

PI4_ErrInt≤Iin_i_pre/K_{I_4} (7)

式中，K_{I_4}为输入电压环PI4的I参数。

请参考图4，直流过压控制环PI6的给定为Udc_Ref2，设计时，满足Udc_Ref1＜Udc_Ref2。直流过压控制环PI6的输出δ(-Iin_N≤δ≤0)为输入电流给定的叠加量。在δ的作用下，第i(i＝1,2,…,n)路BOOST电路的输入电流快速调整，使直流母线电压稳定在区间[Udc_Ref2,Udc_Ref2+Δ]中的一个固定值。

(3)直流母线过压恢复模式

当δ＝0时，智能MPPT汇流箱进入恢复模式，令标志位flag_OVRT＝2。

在此模式下，第i路BOOST电路的输入电流Iin_i实际值已恢复到低穿前的输入电流。将输入电压环PI4的输出限幅值PI4_Out从式(6)恢复到正常值，同时将输入电压环PI4的积分器值PI4_ErrInt从式(7)恢复到正常值。1s后，取消式(5)对输入电压目标给定Uin_i_Ref的限制。

采取该针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，在集散式光伏发电系统电网电压跌落时，直流母线电压抬升幅值小；电网电压恢复时，有功功率恢复流畅，速度快，满足低电压穿越要求。同时，每个智能MPPT汇流箱自成独立的控制系统，无需与逆变器通信，降低了逆变器控制逻辑的复杂度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，包括逆变器的低电压穿越控制和智能MPPT汇流箱直流母线过压控制；

所述逆变器的低电压穿越控制包括以下步骤：

1-1)逆变器控制直流母线电压，采用外环直流电压环和内环电流环控制；所述内环电流环采用基于dq变换的电网电压前馈解耦控制；

1-2)逆变器将直流母线电压稳定到参考值U_{dc_ref1}，直流电压环PI1的输出作为逆变器有功电流给定Id_Ref，非低电压穿越条件下，逆变器无功电流给定Iq_Ref为0，直流电压环PI1输出最大值限幅值和积分项最大值限幅值等于逆变器最大输出电流I_max；

1-3)逆变器的控制器在进行前馈解耦控制的同时，实时计算电网正序电压跌落深度U_T，并进行低穿标志位flag_LVRT判断，当电网正序电压跌落深度正常时，令flag_LVRT＝0；当电网正序电压跌落深度U_T＜0.9时，令flag_LVRT＝1，进入低电压穿越控制模式；

1-4)当电网电压跌落时，逆变器根据要求向电网注入动态无功电流给定Iq_Re f，在该控制模式下，对直流电压环PI1的输出和积分器的输出进行限幅；

1-5)当检测到电网电压恢复正常后，令标志位flag_LVRT＝2，逆变器首先将无功电流给定Iq_Re f降为0；然后，将直流电压环PI1的输出放大到I_max，同时将积分器的输出从限幅值恢复到正常值；至此，逆变器恢复到正常模式，令标志位flag_LVRT＝0；

所述智能MPPT汇流箱直流母线过压控制包括以下步骤：

2-1)智能MPPT汇流箱直流母线过压控制采用输入电压环PI4，输入电流环PI5和直流过压控制环PI6进行控制；

2-2)智能MPPT汇流箱的控制器实时采集第i路BOOST电路的输入电压Uin_i和输入电流Iin_i，通过MPPT算法进行最大功率点跟踪，得到第i路BOOST电路的输入电压目标给定值Uin_i_Ref；正常模式下，令直流过压控制环PI6的输出δ＝0，输入电压环PI4的输出作为第i路BOOST电路的输入电流给定Iin_i_Re f，PI4的积分项最大值限幅值等于智能MPPT汇流箱最大输入电流，输入电流环PI5的输出产生第i路的PWM脉冲PWM_i，实时调节第i路输入电流；

2-3)当逆变器进入低电压穿越后，直流母线电压抬升，当直流母线电压超过直流过压控制环PI6的给定Udc_Ref2时，令标志位flag_OVRT＝1，智能MPPT汇流箱进入直流母线过压控制模式；

2-4)智能MPPT汇流箱记录直流母线过压控制模式前的第i路BOOST电路的输入电压值Uin_i_pre和输入电流值Iin_i_pre，i＝1,2,…,n，对输入电压环PI4的输入电压目标给定值Uin_i_Re f进行最大值限幅，对输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt进行最大值限幅；n表示每台智能MPPT汇流箱有n路BOOST电路；

2-5)通过直流过压控制环实时调节n路BOOST电路的输入电流给定增量δ，使直流母线电压稳定在区间[Udc_Ref2,Udc_Re f2+Δ]中的一个固定值，Δ为大于0的实数；

2-6)当δ＝0时，智能MPPT汇流箱进入恢复模式，令标志位flag_OVRT＝2；在此模式下，第i路BOOST电路的输入电流Iin_i实际值已恢复到低电压穿越前的输入电流，将输入电压环PI4的输出值PI4_Out恢复到正常值，将输入电压环PI4的积分器的输出值PI4_ErrInt恢复到正常值；1s后，取消对输入电压环PI4的输入电压目标给定的限制。

2.根据权利要求1所述的一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤1-4)中，对直流电压环PI1的输出和积分器的输出进行限幅，是指直流电压环PI1的输出和积分器的输出分别满足：

$Id\_\mathrm{Re}f\≤\sqrt{{\left(1.1I_N\right)}^2-Iq\_\mathrm{Re}{f}^2}---\left(3\right)$

$PI1\_ErrInt\≤\sqrt{{\left(1.1I_N\right)}^2-Iq\_\mathrm{Re}{f}^2}/K_{I\_1}---\left(4\right)$

式中，PI1_ErrInt为积分器的输出，I_N为逆变器的额定电流，K_{I_1}为直流电压环PI1的I参数。

3.根据权利要求1所述的一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，当直流母线电压失控时，逆变器快速分断直流断路器1～直流断路器m。

4.根据权利要求1所述的一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤1-5)中，将直流电压环PI1的输出放大到I_max是指按照30％额定电流/秒的变化率将直流电压环PI1输出放大到I_max。

5.根据权利要求1所述的一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤2-4)中，对输入电压环PI4的输入电压目标给定值Uin_i_Ref进行最大值限幅，是指Uin_i_Ref满足：

Uin_i_Ref≤Uin_i_pre (5)。

6.根据权利要求1所述的一种针对集散式光伏发电系统的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤2-4)中，对输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt进行最大值限幅，是指输入电压环PI4的输出值PI4_Out和积分器的输出值PI4_ErrInt分别满足：

PI4_Out≤Iin_i_pre (6)

PI4_ErrInt≤Iin_i_pre/K_{I_4} (7)

式中，K_{I_4}为输入电压环PI4的I参数。