CN107482671B - 电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，在传统三相电流型并网逆变器的直流侧增加开关管SW和二极管D，开关管SW用于在电网电压跌落时控制直流电流稳定，二极管D用于为直流储能电感提供续流通路。通过传感器获得电网电压ug，并计算出电网电压的标幺值uT。正常工况下，开关管SW保持常通状态，当uT小于正常模式所能承受的电压跌落限值Uth，将逆变器控制模式切换为低电压穿越控制模式。本发明使电流型并网逆变器具备良好的低电压穿越能力，能在电网电压严重跌落时保持直流电流平稳不失控，网侧电流不过流以及使电流型并网逆变器在具备低电压穿越能力的同时能在正常工况下实现系统单位功率因数运行。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法。
背景技术
随着我国光伏发电产业的发展，光伏发电技术已经得到深入研究与推广。电压型逆变器应用技术比较成熟，并拥有良好的双向功率传输控制能力，因此目前市场上主流光伏并网逆变器大都为电压型逆变器。而电流型逆变器由于自带升压能力、短路保护可靠性高、对电流的直接控制等优点，更适合应用于光伏发电系统。此外，相比电压型逆变器直流侧电容储能，电流型并网逆变器直流采用电感储能，拥有更长的寿命和可靠性。
低电压穿越是指在电网发生故障时，逆变器能在一定时间内保持不间断并网运行，“穿越”这一段故障时间。最新的光伏并网技术规定中甚至要求光伏并网逆变器有一定的零电压穿越能力。相比光伏，风力发电系统发展更早更成熟，目前已有大量文献针对风力发电系统的低电压穿越技术展开研究。在直驱型风力发电系统中，其低电压穿越方案通常为网侧变流器控制电流限幅，直流侧采用撬棒泄放风机能量，防止直流侧过压。同时配以风机桨距角控制，减小风机风能捕获。电压型光伏并网逆变器的控制与直驱型风力发电系统网侧变流器的控制相似，因而很多直驱型风力发电系统的控制策略可套用到光伏并网逆变器中，通过电流限幅即可实现光伏并网逆变器低电压穿越。由于光伏系统中没有风力发电系统中的机械惯性，电网故障时直流侧电压不会大幅度增加，其上限为光伏阵列的开路电压，因而控制相对更简单。但是这种低电压穿越控制方法并不适用于三相电流型并网逆变器，仅仅依靠网侧电流限幅会导致电流型并网逆变器直流侧电流失控。现有的电流型光伏并网逆变器低电压穿越方案为在网侧串联电容，但是该方案在正常工况下无法保持系统单位功率因数运行，并且在电网电压严重跌落时仍然无法控制住直流电流。
发明内容
发明目的：提供一种适合于电流型光伏并网逆变器的低电压穿越控制方法，在电网电压严重跌落时能保持直流电流稳定，使电流型光伏并网逆变器具备一定的低电压穿越能力和零电压穿越能力。
技术方案：一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制系统，包括PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网和控制系统，所述控制系统包括数字锁相环，空间矢量调制模块，Clark变换和Park变换模块，Park反变换模块，交流控制模块，直流控制模块，所述PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网依次连接，所述Clark变换和Park变换模块的输入端连接三相电网电流，输出端连接交流控制模块，所述数字锁相环输入端连接三相电网电压生成锁相角度，并将锁相角度输出至Clark变换和Park变换模块以及Park反变换模块，所述交流控制模块的输入端连接Clark变换和Park变换模块，输出至Park反变换模块，Park反变换模块输出端连接空间矢量调制模块，空间矢量调制模块连接逆变器；在PV太阳能光伏电池板和RL电路之间还设置有开关管SW和二极管D，开关管SW用于在电网电压跌落时控制直流电流稳定，二极管D用于为直流储能电感提供续流通路，所述开关管SW的集电极连接PV太阳能电池板，所述开关管SW的发射极连接RL电路，直流控制模块接收采集到的直流母线上的电流，控制开关管SW栅极的开通和关断以及生成第一电流指令信号，在所述电网上连接有传感器，所述二极管D的阴极连接开关管SW的发射极与RL电路的公共点，所述二极管D的阳极连接PV太阳能电池板，在控制系统中还包括电流指令信号生成单元，可生成第二电流指令信号，所述交流控制模块接收第一电流指令信号或第二电流指令信号，控制Park反变换模块。
一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，实现该控制方法的步骤为：
步骤一：通过传感器获得电网电压ug，根据公式计算出电网电压的标幺值uT；
步骤二：当uT高于正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，开关管SW保持常通状态，交流控制模块接收直流控制模块的第一电流指令信号，当uT不超过正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，逆变器控制模式切换为低电压穿越控制模式，交流控制模块接收电流指令信号生成单元的第二电流指令信号；
步骤三：低电压穿越控制模式下，直流电流给定值与采样到的直流母线电流进行比较，其误差输入进直流控制模块中的直流PI调节器，电网电压的标幺值uT作为前馈信号与直流PI调节器的输出电压相加后，经直流控制模块中的PWM模块生成PWM调制信号，控制开关管SW由常通模式变为斩波模式，从而保持直流电流稳定不失控；
步骤四：低电压穿越控制模式下，第二电流指令信号的网侧无功电流指令值igq *和有功电流指令值igd *可根据电网电压标幺值uT、额定电流IN和过流系数λ计算为：
网侧电流采样后，经Clark变换和Park变换转换为两相同步dq坐标系下直流量igq和igd，，与无功和有功电流指令值比较，其误差输入至交流控制模块中的无功和有功电流PI调节器，无功和有功电流PI调节器的输出经反Park变换到两相静止坐标后输入至空间矢量调制模块，产生PWM调制信号控制逆变器。
进一步地，电压跌落限值Uth表示为：
进一步地，电网电压ug跌落至零或接近零时，切断数字锁相环中PI调节器的输入，使数字锁相环能保持稳定的电网电压相角输出。
有益效果：
(1)现有电流型并网逆变器低电压穿越方案在电网电压严重跌落时无法控制直流电流，本发明使电流型并网逆变器具备良好的低电压穿越能力，能在电网电压严重跌落时保持直流电流平稳不失控，网侧电流不过流。
(2)现有电流型并网逆变器低电压穿越方案在正常工况下无法保持单位功率因数运行，本发明使电流型并网逆变器在具备低电压穿越能力的同时能在正常工况下实现系统单位功率因数运行。
附图说明
图1为传统电流型光伏并网逆变器的拓扑和控制结构图；
图2为本发明的控制结构图；
图3为本发明直流电流控制结构图；
图4为本发明交流控制框图；
图5为本发明锁相环控制框图；
图6为本发明运行状态过程图；
图7为电网电压跌落至20％时系统低电压穿越过程电压和电流试验波形图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
下面结合图2对本发明实施方式作进一步说明。一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制系统，包括PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网和控制系统，所述控制系统包括数字锁相环，空间矢量调制模块，Clark变换和Park变换模块，Park反变换模块，交流控制模块，直流控制模块，所述数字锁相环，空间矢量调制模块，Clark变换和park变换模块，park反变换模块，交流控制模块，直流控制模块均通过在硬件控制器中采用软件算法实现，所述PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网依次连接，所述Clark变换和Park变换模块的输入端连接三相电网电流，输出端连接交流控制模块，所述数字锁相环输入端连接三相电网电压生成锁相角度，并将锁相角度输出至Clark变换和Park变换模块以及Park反变换模块，所述交流控制模块的输入端连接Clark变换和Park变换模块，输出至Park反变换模块，Park反变换模块输出端连接空间矢量调制模块，空间矢量调制模块连接逆变器；在PV太阳能光伏电池板和RL电路之间还设置有开关管SW和二极管D，开关管SW用于在电网电压跌落时控制直流电流稳定，二极管D用于为直流储能电感提供续流通路，所述开关管SW的集电极连接PV太阳能电池板，所述开关管SW的发射极连接RL电路，直流控制模块接收采集到的直流母线上的电流，控制开关管SW栅极的开通和关断以及生成第一电流指令信号，在所述电网上连接有传感器，所述二极管D的阴极连接开关管SW的发射极与RL电路的公共点，所述二极管D的阳极连接PV太阳能电池板，在控制系统中还包括电流指令信号生成单元，可生成第二电流指令信号，所述交流控制模块接收第一电流指令信号或第二电流指令信号，控制Park反变换模块。
具体实现步骤为：
步骤一：通过传感器获得电网电压ug，根据公式计算出电网电压的标幺值uT，具体公式如下，其中ugN为电网电压额定值。
步骤二：当uT高于正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，开关管SW保持常通状态，交流控制模块接收直流控制模块的第一电流指令信号，当uT不超过正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，将逆变器控制模式切换为低电压穿越控制模式，控制环路由传统双闭环切换为交直流分别闭环的控制模式，直流电流由直流控制模块单独控制，交流控制模块接收电流指令信号生成单元的第二电流指令信号；
步骤三：低电压穿越控制模式下，直流电流给定值与采样到的直流母线电流进行比较，其误差输入进直流控制模块中的直流PI调节器，电网电压的标幺值uT作为前馈信号与直流PI调节器的输出电压相加后，经直流控制模块中的PWM模块生成PWM调制信号，控制开关管SW由常通模式变为斩波模式，从而保持直流电流稳定不失控。
步骤四：低电压穿越控制模式下，网侧电流可控制为逆变器所能输出的最大电流，第二电流指令信号的网侧无功电流指令值igq *和有功电流指令值igd *可根据电网电压标幺值uT、额定电流IN和过流系数λ计算为：
网侧电流采样后，经Clark变换和Park变换转换为两相同步dq坐标系下直流量igq和igd，与无功和有功电流指令值比较，其误差输入至交流控制模块中的无功和有功电流PI调节器，无功和有功电流PI调节器的输出经反Park变换到两相静止坐标后输入至空间矢量调制模块，产生PWM调制信号控制逆变器。
结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为传统三相电流型光伏并网逆变器的拓扑和控制结构图，其中逆变器采用三相桥式结构。由于电流型并网逆变器为升压型逆变器，直流电流由闭环控制得到，因而无法在电网电压严重跌落时实现低电压穿越功能。本发明针对这个问题提出一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，可以实现电流型并网逆变器的低电压穿越功能。
图2为本发明所采用的拓扑和控制结构。在传统三相电流型光伏并网逆变器直流侧增加开关管SW和二极管D，开关管SW用于在电网电压跌落时控制直流电流稳定，二极管D用于为直流储能电感提供续流通路。当电网电压严重跌落时，将直流侧开关管由常通模式变为斩波模式，控制直流电流稳定不失控，网侧电流则控制为逆变器所能输出的最大电流，从而实现其低电压穿越的功能。图3为本发明电流型光伏并网逆变器低电压穿越直流电流控制结构图，直流电流给定值与采样值比较，其误差输入进直流PI调节器。直流PI调节器的输出经PWM模块生成PWM调制信号，控制开关管SW，从而保持直流电流稳定不失控，此时逆变器可以等效为一个直流电源udc。图4为本发明电流型光伏并网逆变器低电压穿越交流控制框图。网侧无功电流指令值igq *和有功电流指令值igd *可根据电网电压标幺值uT、额定电流IN和过流系数λ计算为：
网侧电流采样后，经Clark变换和Park变换转换为两相同步dq坐标系下直流量igq和igd，与无功和有功电流指令值比较，其误差输入至无功和有功电流PI调节器。无功和有功电流PI调节器的输出经反Park变换到两相静止坐标后输入至空间矢量调制模块，产生6路PWM调制信号控制逆变器。图5为本发明电流型光伏并网逆变器低电压穿越数字锁相环控制框图。电网电压跌落至零或接近零时，切断数字锁相环中PI调节器的输入，使锁相环能保持稳定的电网电压相角输出，为控制环路提供近似的电网相位。图6为本发明电流型光伏并网逆变器低电压穿越运行状态图。图7为电网电压跌落至20％时系统低电压穿越过程电压和电流试验波形图，由图7可知，采用本发明提出的控制结构，可实现三相电流型光伏并网逆变器的低电压穿越功能。且整个低电压穿越过程中交直流电流平稳。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，采用电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制系统实现，所述电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制系统包括PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网和控制系统，所述控制系统包括数字锁相环，空间矢量调制模块，Clark变换和Park变换模块，Park反变换模块，交流控制模块，直流控制模块，所述PV太阳能电池板，RL电路，逆变器，滤波器，电网依次连接，所述Clark变换和Park变换模块的输入端连接三相电网电流，输出端连接交流控制模块，所述数字锁相环输入端连接三相电网电压生成锁相角度，并将锁相角度输出至Clark变换和Park变换模块以及Park反变换模块，所述交流控制模块的输入端连接Clark变换和Park变换模块，输出至Park反变换模块，Park反变换模块输出端连接空间矢量调制模块，空间矢量调制模块连接逆变器；其特征在于：在PV太阳能光伏电池板和RL电路之间还设置有开关管SW和二极管D，开关管SW用于在电网电压跌落时控制直流电流稳定，二极管D用于为直流储能电感提供续流通路，所述开关管SW的集电极连接PV太阳能电池板，所述开关管SW的发射极连接RL电路，直流控制模块接收采集到的直流母线上的电流，控制开关管SW栅极的开通和关断以及生成第一电流指令信号，在所述电网上连接有传感器，所述二极管D的阴极连接开关管SW的发射极与RL电路的公共点，所述二极管D的阳极连接PV太阳能电池板，在控制系统中还包括电流指令信号生成单元，可生成第二电流指令信号，所述交流控制模块接收第一电流指令信号或第二电流指令信号，控制Park反变换模块；
实现该控制方法的步骤为：
步骤一：通过传感器获得电网电压ug，根据公式计算出电网电压的标幺值uT；
步骤二：当uT高于正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，开关管SW保持常通状态，交流控制模块接收直流控制模块的第一电流指令信号，当uT不超过正常模式所能承受的电压跌落限值Uth时，逆变器控制模式切换为低电压穿越控制模式，交流控制模块接收电流指令信号生成单元的第二电流指令信号；
步骤三：低电压穿越控制模式下，直流电流给定值与采样到的直流母线电流进行比较，其误差输入进直流控制模块中的直流PI调节器，电网电压的标幺值uT作为前馈信号与直流PI调节器的输出电压相加后，经直流控制模块中的PWM模块生成PWM调制信号，控制开关管SW由常通模式变为斩波模式，从而保持直流电流稳定不失控；
步骤四：低电压穿越控制模式下，第二电流指令信号的网侧无功电流指令值igq *和有功电流指令值igd *可根据电网电压标幺值uT、额定电流IN和过流系数λ计算为：
网侧电流采样后，经Clark变换和Park变换转换为两相同步dq坐标系下直流量igq和igd，与无功和有功电流指令值比较，其误差输入至交流控制模块中的无功和有功电流PI调节器，无功和有功电流PI调节器的输出经反Park变换到两相静止坐标后输入至空间矢量调制模块，产生PWM调制信号控制逆变器。
2.如权利要求1所述的电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：电压跌落限值Uth表示为：
3.如权利要求1所述的电流型光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：电网电压ug跌落至零或接近零时，切断数字锁相环中PI调节器的输入，使数字锁相环能保持稳定的电网电压相角输出。
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Granted publication date: 20190813 Termination date: 20200720 |