CN108448589A - 一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，该方法包括如下步骤：(1)计算并存储故障前光伏并网逆变器输出有功功率P_pre；(2)检测并网点实际电压E是否跌落，且0.2E_N≤E≤0.9E_N，E_N为并网点额定电压，若是则执行步骤(3)，否则采用电网电压正常时并网控制方法进行控制；(3)光伏并网逆变器切换至低电压穿越无功控制模式：具体地：(31)获取光伏并网逆变器允许输出最大有功功率P_max；(32)若P_pre≤P_max，则光伏并网逆变器工作于MPPT模式，否则光伏并网逆变器工作于非MPPT模式；(4)返回步骤(2)循环执行。与现有技术相比，本发明最大限度的利用了光伏逆变器的容量，节省无功设备投入，节约了资源。

Description

一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统并入电网技术，尤其是涉及一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法。

背景技术

环境、能源问题的日益突出，可再生绿色能源的开发、利用是解决当前环境恶化、能源紧缺现状的有效措施。光伏发电作为绿色能源开发利用的重要方式得到了全世界各国的重视，光伏装机比例越来越大。大量光伏发电系统接入电网，传统由于电网故障而快速将光伏发电系统切出电网的方法已不能满足要求，突然将大容量光伏切出系统会对电网系统造成严重冲击，影响系统的稳定性。为了保证电力系统的稳定性，光伏发电系统应具有一定的低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力，国家电网公司的企业标准《光伏电站接入电网技术规定》(Q/GDW 617—2011)中规定了大中型光伏电站在电网故障时对低电压穿越能力的具体要求，并且要求在低电压穿越过程中光伏电站应提供无功支持。

低电压穿越能力是指电网故障期间保持光伏发电系统不间断并网运行。常规电压外环、电流内环双环并网控制策略在电网电压跌落时不能实现低电压穿越。当电网电压跌落，由于光伏阵列输出有功功率与光伏逆变器输出功率不平衡，光伏逆变器交流侧电流急剧增加，直流侧电压升高，将烧毁逆变器元件。此外，当电网故障时，通常接入电容器、SVC等无功补偿装置补充无功需求，忽视了光伏发电系统自身的无功输出能力，造成了资源的浪费。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)计算并存储故障前光伏并网逆变器输出有功功率P_pre；

(2)实时检测并网点实际电压E是否跌落，且0.2E_N≤E≤0.9E_N，E_N为并网点额定电压，若是则执行步骤(3)，否则光伏并网逆变器采用电网电压正常时并网控制方法进行控制；

(3)光伏并网逆变器切换至低电压穿越无功控制模式：

具体地：

(31)获取光伏并网逆变器允许输出最大有功功率P_max；

(32)若P_pre≤P_max，则光伏并网逆变器工作于MPPT模式，否则光伏并网逆变器工作于非MPPT模式；

(4)返回步骤(2)循环执行。

所述的电网电压正常时并网控制方法具体为：光伏并网逆变器采用电压外环电流内环控制，光伏电池板发出直流电经过升降压电路使光伏并网逆变器直流侧电压稳定，光伏并网逆变器输出与电网电压同频同相交流电进行并网。

步骤(31)中P_max通过如下方式获得：

S_max＝3E·1.1I_N， (2)

其中，Q_min为光伏并网逆变器输出最小无功功率，S_max为光伏并网逆变器允许输出最大视在功率，S为光伏并网逆变器视在功率，I_N为光伏并网逆变器输出A相额定电流。

步骤(32)中光伏并网逆变器工作于MPPT模式，具体为：控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

步骤(32)中光伏并网逆变器工作于非MPPT模式，具体为：控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

光伏并网逆变器采用电压外环电流内环控制具体为：

根据光伏电池板的两端电压U_PV和电流I_PV计算得到光伏电池板的最大功率点电压U_{PV_ref}，通过PI调节控制器使光伏电池板工作在最大功率点电压值U_{PV_ref}，光伏并网逆变器前级的升降压电路将光伏并网逆变器直流侧电压控制在稳定值范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，不仅把光伏并网逆变器出口电流限制在过流保护动作电流之内，同时在考虑故障前光伏发电系统有功出力的前提下，为电网电压恢复为正常值提供了无功支持，节省无功设备投入，节约了资源；

(2)本发明低电压穿越无功控制模式根据光伏并网逆变器允许输出最大有功功率和故障前光伏并网逆变器输出有功功率的比较使得光伏并网逆变器工作与两种模式下，当工作于MPPT模式时，光伏并网逆变器保持故障前的有功功率输出的同时输出最大的无功功率，提供无功支撑，充分利用了光伏并网逆变器的容量；当工作于非MPPT模式时，有效保持了光伏并网逆变器直流侧电压的稳定。

附图说明

图1为光伏发电系统的拓扑结构图；

图2为同步旋转坐标系下光伏发电系统并网控制示意图；

图3为本发明光伏发电系统低电压穿越无功控制方法的流程框图；

图4为本发明实验室仿真系统示意图；

图5为本发明电网电压正常时实验波形图；

图6为本发明传统控制策略下电网电压跌落实验波形图；

图7为本发明低电压穿越控制策略下非MPPT模式运行下电网电压跌落实验波形；

图8为本发明低电压穿越无功控制策略下MPPT模式运行下电网电压跌落实验波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示光伏发电系统，主要由光伏阵列、光伏逆变器、L型滤波器和并网控制系统构成。其中：L为电网侧电感值；R为电网侧回路等效电阻；U_PV、I_PV分别为光伏阵列的输出电压和电流；C为光伏阵列出口直流母线电容；u、i分别为三相逆变器网侧电压和电流；e_a、e_b、e_c、i_a、i_b、i_c分别为电网侧三相电压和电流。

如图2所示为同步旋转坐标系下光伏发电系统并网控制示意图，电网电压正常时，光伏并网逆变器采用传统电压外环电流内环控制策略。MPPT模块根据光伏电池板的两端电压U_PV和电流I_PV计算得到光伏电池板的最大功率点电压U_{PV_ref}。通过PI调节控制器使光伏电池板工作在最大功率点电压值U_{PV_ref}，即控制光伏阵列出口电压U_PV在U_{PV_ref}。然后光伏逆变器前级的DC-DC变换器经过Boost电路或者Buck电路将DC-AC直流侧电压控制在稳定值范围(本实施例控制在690V)，再经过光伏并网逆变器为与电网电压同频同相交流电并网。

当控制器检测到并网点电压跌落且在0.2倍额定电压至0.9倍额定电压之间时，光伏并网逆变器切换至低电压穿越无功控制策略，分别计算光伏逆变器输出最小无功功率Q_min，允许输出最大视在功率S_max和允许输出最大有功功率P_max。然后通过比较故障前输出有功功率P_pre和允许输出最大有功功率P_max判断光伏发电系统LVRT过程以最大功率模式运行或者以非最大功率模式运行。在实现光伏发电系统低电压穿越的同时，考虑了故障前光伏发电系统的运行状态，选择不同向电网输出无功功率的控制策略，很好解决了光伏发电系统跌落故障时并网以及太阳能资源充分利用，减少无功设备投入的问题，充分利用了光伏逆变器的容量。

为了保证电压跌落瞬间，光伏并网逆变器不仅要保证不脱网，还要使其具有很好的动态响应性能，设计切换控制策略，其控制流程图如图3所示，具体地：

一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)计算并存储故障前光伏并网逆变器输出有功功率P_pre；

(2)实时检测并网点实际电压E是否跌落，且0.2E_N≤E≤0.9E_N，E_N为并网点额定电压，若是则执行步骤(3)，否则光伏并网逆变器采用电网电压正常时并网控制方法进行控制；

(3)光伏并网逆变器切换至低电压穿越无功控制模式：

具体地：

(31)获取光伏并网逆变器允许输出最大有功功率P_max；

(32)若P_pre≤P_max，则光伏并网逆变器工作于MPPT模式，否则光伏并网逆变器工作于非MPPT模式；

(4)返回步骤(2)循环执行。

电网电压正常时并网控制方法具体为：光伏并网逆变器采用电压外环电流内环控制，光伏电池板发出直流电经过升降压电路使光伏并网逆变器直流侧电压稳定，光伏并网逆变器输出与电网电压同频同相交流电进行并网。在此过程中，根据光伏电池板的两端电压U_PV和电流I_PV计算得到光伏电池板的最大功率点电压U_{PV_ref}，通过PI调节控制器使光伏电池板工作在最大功率点电压值U_{PV_ref}，光伏并网逆变器前级的升降压电路将光伏并网逆变器直流侧电压控制在稳定值范围内。

结合国家电网公司和德国对光伏发电系统LVRT能力的要求，在低电压穿越过程中，光伏发电系统输出无功功率Q为：

式中：S为光伏并网逆变器视在功率，E_N为并网点额定电压，E为并网点实际电压，ΔE＝E-E₀。

假设故障前并网点电压为额定电压，取k＝2，则光伏并网逆变器输出最小无功功率Q_min与并网点实际电压E的关系为：

为了保证保护不动作，通常限制光伏并网逆变器网侧电流在1.1倍额定电流以内，则光伏并网逆变器允许输出最大视在功率S_max为：

S_max＝3E·1.1I_N， (8)

式中，I_N为光伏并网逆变器输出A相额定电流。

由此，步骤(31)中光伏并网逆变器允许输出最大有功功率P_max为：

步骤(32)中光伏并网逆变器工作于MPPT模式：

具体地：电网电压跌落故障前光伏发电系统运行在并网控制策略，以功率因数为1并网运行，输出光伏阵列可发出的最大功率。若P_pre≤P_max，则控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

由上式知，低电压穿越过程光伏发电系统运行在保持故障前的有功功率输出的同时输出最大的无功功率，提供无功支撑，充分利用了光伏并网逆变器的容量。

步骤(32)中光伏并网逆变器工作于非MPPT模式：

具体地：若P_pre＞P_max，如果继续保持故障前有功功率运行，由于光伏逆变器允许输出有功功率与光伏阵列发出有功功率不平衡，则光伏并网逆变器直流侧电压升高。因此前级DC-DC变换器需断开MPPT控制，控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

本实施例对一个容量为50kW的光伏发电系统并入电网低电压穿越能力进行仿真测试以验证所提出低电压穿越无功控制策略的可行性、有效性。

搭建如图4所示的光伏发电系统，主要由光伏阵列、光伏逆变器、L型滤波器构成，其中光伏逆变器由实现光伏阵列MPPT功能的前级DC-DC变换器和实现并网功能的后级DC-AC变换器两部分构成。算例光伏发电系统中并网逆变器直流侧参考电压U_DC-ref设为690V，网侧出口电压设为400V，接入额定电压为380V无穷大配网系统，电网频率f＝50Hz。设光伏阵列的最大功率P_m＝50kW，光伏逆变器容量S＝50kW，。主电路参数为：光伏阵列出口直流母线电容C₁＝10 000μF；光伏逆变器直流侧电容C₂＝80 000μF，电阻R₂＝0.01Ω；光伏逆变器出口电感L₁＝0.0003H；滤波电感L₂＝0.000 2H。控制器参数为：光伏逆变器直流母线电压PI调节器的比例系数和积分系数分别为0.1和0.02；最大功率跟踪PI调节器的比例系数和积分系数分别为0.8和0.02；正负序电流内环PI调节器的比例系数和积分系数均为0.8和0.02；逆变器开关频率k＝5kHz。

电网电压正常时实验波形见图5。若环境温度光照条件良好，光伏发电系统的实际输出有功功率接近系统容量。

在传统的电压、电流双环控制策略下，当电网电压正常时，光伏逆变器使光伏阵列工作在环境条件下的最大功率点，如图5(a)所示，其中，V_ref为MPPT模块计算光伏阵列最大功率点电压，V_DCVLTG为光伏阵列时间工作电压。同时控制光伏逆变器网侧电流与电网电压同相，以功率因数为1并入电网，如图5(b)所示。

传统控制策略下电网电压跌落实验波形见图6。设定仿真条件，1s时电网电压跌落至0.7倍额定电压，0.2s后故障清除，电网电压恢复，并网点电压波形如图6(a)所示。故障期间，DC-DC变换器保持对光伏阵列的MPPT控制，光伏阵列保持最大功率输出，如图6(b)所示。

由图6(c)光伏逆变器有功、无功功率仿真波形可以看出，故障期间光伏逆变器有功功率保持不变，不输出无功功率。由于在此控制策略下光伏逆变器输出有功功率保持不变，而并网点电压跌落，则并网三相电流急剧增大，如图6(d)所示，远远超过保护动作电流，故障期间，光伏发电系统切出电网，甚至会烧毁光伏逆变器的元件。

LVRT控制策略下电网电压跌落实验波形见图7。为了和传统控制策略在电网电压跌落时响应波形对比，设定相同的光照条件和环境温度条件，保证光伏阵列输出的最大功率相同，此外设定同样的仿真条件，即1s时电网电压跌落至0.7倍额定电压，0.2s后故障清除，电网电压恢复，并网点电压波形如图7(a)所示。

当E＝0.7E_N时，可得：

而故障前光伏逆变器输出有功功率P_pre接近光伏逆变器容量S＝50kW，即P_pre>P_max，则光伏发电系统LVRT期间运行在非MPPT模式。

光伏逆变器前级DC-DC变换器断开光伏阵列MPPT控制，光伏逆变器根据式(13)输出有功功率、无功功率，如图7(c)所示。根据光伏发电系统实际输出有功功率，则光伏阵列输出有功功率如图7(b)所示。由于在LVRT过程中，LVRT无功控制策略限制光伏逆变器网侧电流为1.1倍额定电流。1.2s时电网电压恢复，光伏逆变器恢复并网控制策略，则故障前后网侧电流如图7(d)所示。

若改变环境条件，环境温度为T_ref＝25℃，光照条件R_ref＝500W/m²。设定同样的仿真条件，1s时电网电压跌落至0.7倍额定电压，0.2s后故障清除，电网电压恢复，并网点三相电压波形如图8(a)所示。故障前光伏阵列工作在最大功率点，由于故障前光伏逆变器输出有功功率P_pre小于式(12)中P_max，则LVRT期间光伏发电系统运行在MPPT模式，光伏逆变器前级DC-DC保持对光伏阵列的MPPT控制，则光伏阵列始终工作在最大功率点，如图8(b)所示。光伏逆变器根据式(10)输出有功功率、无功功率，如图8(c)所示。同样在LVRT期间，限制光伏逆变器网侧三相电流为1.1倍额定电流，如图8(d)所示。

光伏发电系统在LVRT过程中，通过MPPT运行模式和非MPPT运行模式的选择，充分利用了光伏逆变器的容量，在实现LVRT的同时，最大限度地向电网注入无功，提供无功支撑，节省了无功补偿设备的投入。

本发明提出了一种光伏逆变器低电压穿越无功控制策略，在实现低电压穿越的同时，输出无功功率，提供无功支撑。在电网电压跌落故障期间，光伏发电系统根据故障前光伏阵列输出功率和光伏逆变器最大允许视在功率和有功功率，确定低电压穿越过程中运行模式，向电网输出有功功率、无功功率，提供无功支撑。最后通过算例仿真验证了该控制策略的可行性，具有一定的实际意义。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (6)

1.一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)计算并存储故障前光伏并网逆变器输出有功功率P_pre；

(2)实时检测并网点实际电压E是否跌落，且0.2E_N≤E≤0.9E_N，E_N为并网点额定电压，若是则执行步骤(3)，否则光伏并网逆变器采用电网电压正常时并网控制方法进行控制；

(3)光伏并网逆变器切换至低电压穿越无功控制模式：

具体地：

(31)获取光伏并网逆变器允许输出最大有功功率P_max；

(32)若P_pre≤P_max，则光伏并网逆变器工作于MPPT模式，否则光伏并网逆变器工作于非MPPT模式；

(4)返回步骤(2)循环执行。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，所述的电网电压正常时并网控制方法具体为：光伏并网逆变器采用电压外环电流内环控制，光伏电池板发出直流电经过升降压电路使光伏并网逆变器直流侧电压稳定，光伏并网逆变器输出与电网电压同频同相交流电进行并网。

3.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，步骤(31)中P_max通过如下方式获得：

S_max＝3E·1.1I_N， (2)

其中，Q_min为光伏并网逆变器输出最小无功功率，S_max为光伏并网逆变器允许输出最大视在功率，S为光伏并网逆变器视在功率，I_N为光伏并网逆变器输出A相额定电流。

4.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，步骤(32)中光伏并网逆变器工作于MPPT模式，具体为：控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

5.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，步骤(32)中光伏并网逆变器工作于非MPPT模式，具体为：控制光伏并网逆变器输出实际有功P_real和实际无功功率Q_real为：

6.根据权利要求2所述的一种光伏发电系统低电压穿越无功控制方法，其特征在于，光伏并网逆变器采用电压外环电流内环控制具体为：

根据光伏电池板的两端电压U_PV和电流I_PV计算得到光伏电池板的最大功率点电压U_{PV_ref}，通过PI调节控制器使光伏电池板工作在最大功率点电压值U_{PV_ref}，光伏并网逆变器前级的升降压电路将光伏并网逆变器直流侧电压控制在稳定值范围内。