CN108718094A - 一种提高大型光伏系统低电压穿越性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型光伏电站直流外送系统的低电压穿越方法。包括：当交流电网发生不同类型故障时整个系统在基本电压电流双闭环控制策略下存在并网电流畸变及直流母线过电压等问题，无法实现低电压穿越。在此情况下，提出一种光伏发电模块MPPT模式的动态切换控制方法与基于优化型解耦双同步参考坐标系的锁相环DDSRF‑PLL的VSC换流器正负序双电流环控制相结合的新型低电压控制方法。通过前级光伏电站与后级VSC换流器两者之间的协调配合，有效抑制了直流母线的过电压及负序分量对并网电流的影响，成功实现大型光伏电站的低电压穿越运行，大大提高了大型光伏电站接入系统稳定运行的能力。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，特别涉及一种提高大型光伏系统低电压穿越性能的方法。
背景技术
近年来，由于光伏的低压直流输出特性，大功率DC/DC变换器的不断发展，及高压直流电网发展日益成熟，光伏发电技术要求必须具备接入直流电网的能力。并且随着光伏大规模集群化接入，光伏直流并网系统与受端交流电网的交互影响日益显著。为保障电网故障期间保持光伏电站并网运行不间断，提高整个系统的稳定可靠运行，国家电网规定光伏并网必须具备低电压穿越LVRT能力。
现有的LVRT控制策略大部分应用于中低压交流并网系统中，不适用于大型光伏电站直流升压外送系统，且现阶段的光伏直流并网方案中VSC控制策略比较基础，未考虑交流电网故障的影响。交流电网故障时在整个系统的基本电压电流双闭环控制策略下，会出现直流母线过电压及并网电流畸变等问题，从而导致外送系统LVRT穿越失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高大型光伏系统低电压穿越性能的方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高大型光伏系统低电压穿越性能的方法，该方法基于大型光伏电站直流升压外送系统，大型光伏电站通过大功率高变比的有源箝位Boost全桥升压变换器BFBIC串联升压，然后经VSC-HVDC直流并网系统，其中光伏电站的每个发电升压模块主要包括光伏阵列和有源箝位BFBIC，通过N个升压模块的串联升压实现与直流母线电压相匹配；包括以下步骤：
步骤1，当电网交流侧发生故障时，检测电网电压跌落的特征，根据电压跌落的幅值特征确定为对称故障或非对称故障；当检测到的交流电网电压跌落的幅值相同时，为对称故障；当检测的交流电网电压跌落的幅值不相同时，为不对称故障；
步骤2，为对称故障时，检测各光伏发电模块的输出电压是否超过其额定值的1.2倍，若超过其额定值的1.2倍，进入最大功率点跟踪MPPT切换模式工作，将有源箝位BFBIC的动态占空比从DMPPT切换至合适的值Dref，使光伏发电模块偏MPPT运行；
步骤3，为不对称故障时，采用基于优化型解耦双同步参考坐标系的锁相环DSOGI-PLL的正负序双电流环控制方法作为低电压穿越控制方法，具体包括以下步骤：
1)首先将VSC换流站交流侧电压Uabc转换成αβ信号，然后通过带有广义二阶积分环节的双正交信号发生器SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，得到不含谐波的αβ信号；
2)在DDSRF-PLL的作用下进行dq变换，将电压正负序分离并提取，并跟踪电网电压的相位和频率；
3)令各负序电流的参考值为零，即和令网侧无功功率的参考值
4)由式(1)得到dp轴上正序电流和的参考值如式(2)所示：
式中分别为三相电网电压Uabc在dq轴上的正负序分量，为有功功率参考值；
5)然后通过电压外环PI调节器输出有功功率参考值如式(3)所示：
式中Udref为直流线路电压，Kvp和Kvi分别是电压外环PI控制器的比例、积分调节增益；
6)将得到的电压跌落深度U通过电网电压前馈控制环节，算出合适的平均有功指令系数k0，可得修正后有功功率参考值如式(4)所示：
式中Udc为直流参考电压；
7)通过式(2)和式(4)得到修正后的正序电流参考值如式(5)所示，正序分量与负序分量的电流内环控制电压参考值如式(6)所示：
式中分别为dp轴上正、负序电压的参考值，分别为dp轴上正、负序电流分量，KiP、KiI为电流内环PI控制器的比例、积分调节增益，ω为同步旋转角频率，L为交流侧滤波电感；
8)将正负序分量同时送入SPWM发生器得到VSC换流器的控制信号，成功实现换流器的LVRT运行。
进一步的，正负序分离是基于优化型DSOGI-PLL，优化型DSOGI-PLL包括SOGI-QSG和DDSRF-PLL；在DDSRF-PLL的基础上，通过引入SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，得到不含谐波的αβ信号。
进一步的，电网不平衡时，在dq坐标系下VSC换流器的输出有功、无功功率分别为：
其中：式中P0、Q0分别为有功、无功功率的平均值；Pc2、Ps2分别为两次有功余弦、正弦谐波峰值；Qc2、Qs2分别为两次无功余弦、正弦谐波峰值；令网侧无功功率的参考值由式(7)可以得到有功无功功率参考值和
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
1.针对光伏系统的交流电网侧发生不同类型故障时，建立了一套完整的低电压控制方法。通过前级光伏电站的偏MPPT运行抑制直流母线的过电压，再利用后级VSC换流器的正、负序的解耦独立控制抑制负序分量对并网电流的影响，两者协调配合，成功实现大型光伏电站直流外送系统LVRT穿越。
2.在该控制方法中引入了电网电压前馈控制环节，根据跌落深度U算出合适的平均有功指令系数k0，避免当电网发生严重不对称故障时VSC换流器因过流保护而停机脱网，确保换流器的LVRT运行。
3.在DDSRF-PLL的基础上，引入了SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，从而避免谐波和三相不对称对收集信号所带来的干扰，有效抑制正序电压分量在dq轴上的二倍频振荡和消除负序分量影响，进而快速准确将电压正负序分离并提取，保证了控制策略稳定迅速的执行。
附图说明
图1为大型光伏电站直流升压外送系统的拓扑结构图；
图2为电网故障时大型光伏电站直流外送系统LVRT控制方法流程图；
图3为光伏发电模块MPPT模式的动态切换控制框图；
图4为优化型DSOGI-PLL锁相环的结构图；
图5为基于优化型DSOGI-PLL的正负序双电流环控制框图；
图6a-图6e为电网电压对称跌落故障时传统控制方式下的结果仿真图；
图7a-图7e为电网电压对称跌落故障时新型控制方式下的结果仿真图；
图8a-图8e为电网电压不对称跌落故障时传统控制方式下的结果仿真图；
图9a-图9e为电网电压不对称跌落故障时新型控制方式下的结果仿真图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
本文发明了一种提高光伏系统低电压穿越的方法，具体涉及一种将光伏发电模块MPPT模式的动态切换控制与基于优化型DDSRF-PLL的VSC换流器正负序双电流环控制相结合的新型低电压控制方法。并结合(图1～图9)对大型光伏直流升压外送系统低电压穿越方法具体实施方式进行说明，其具体过程为：
在Matlab/Simulink中构建大型光伏电站直流升压外送系统的仿真模型，网架结构(如图1所示)，然后针对交流电网侧的故障特性(如图6、图8所示)进行仿真,验证模型的正确性，最后以系统交流侧发生故障为例对本发明中提出的一种将光伏发电模块MPPT模式的动态切换控制(如图3所示)与基于优化型DDSRF-PLL的VSC换流器正负序双电流环控制相结合的新型低电压控制方法(如图4、图5所示)进行验证(如图7、图9所示)，详细说明如下所述。
1)针对图1中Matlab/Simulink里搭建VSC-HVDC直流升压外送网架结构参数，详细说明如下：
一台由4个1MW光伏发电模块串联的4MW/±30kV大型光伏电站直流升压外送系统仿真模型，整个系统的主要仿真参数如下：光伏电站的额定容量4MW，有源嵌位BFBIC变换效率为96％，直流母线侧电压±30kV，直流侧电容120μF，网侧滤波电感3.5mH，网侧滤波电容50μF，交流电网频率50Hz，交流电网电压110kV，开关频率10kHz。
2)针对系统发生故障时系统低电压穿越控制方法，结合图2、图3、图4、图5详细说明如下：
控制流程如图2所示，当电网交流侧发生故障时，检测电网电压跌落的特征，根据电压跌落的幅值特征确定为对称故障(a)或非对称故障(b)；
(a)当检测到的交流电网电压跌落的幅值相同时，即为对称故障。此时低电压穿越控制方法为光伏发电模块MPPT模式的动态切换控制方法，结合图3详细说明如下：
故障期间，通过测量模块检测各单个光伏发电模块实际输出端电压，并与设置的1.2倍额定输出电压上限值比较，当某个发电模块实际输出端电压大于上限值时，通过切除该光伏发电模块的MPPT控制器，将有源箝位BFBIC变换器的占空比DMPPT切换至合适的值Dref，使出现过电压的光伏发电模块偏MPPT运行。其中Dref由交流故障侧功率跌落的幅值来确定。此时，直流母线电压不变，偏MPPT运行的光伏发电模块输出功率减小，输出端电压也相应减小。偏MPPT运行抑制直流母线的过电压现象，进而避免光伏发电模块出现过电压，从而确保系统的安全稳定运行，成功实现大型光伏电站的LVRT穿越。
(b)当交流电网电压跌落的幅值不相同时，即发生的故障为不对称故障。由于系统交流侧是通过△/Y形连接，可认为VSC换流站交流侧电压Uabc只存在正负序分量，不存在零序分量。此时低电压穿越控制方法为基于优化型DSOGI-PLL的正负序双电流环控制方法，结合图4、图5详细说明如下：
当电网交流侧发生不对称故障时，首先进行正负序分离，所采用的正负序分离是基于优化型DSOGI-PLL，结构图如图3所示。其主要由SOGI-QSG和DDSRF-PLL两部分构成。在DDSRF-PLL的基础上，通过引入SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，得到不含谐波的αβ信号，从而避免谐波和三相不对称所带来的干扰，有效抑制正序电压分量在dq轴上的二倍频振荡和消除负序分量影响，进而在DDSRF-PLL的作用下快速准确将电压正负序分离并提取，并快速精准地跟踪电网电压的相位和频率。图中LPF为低通滤波器，SOGI-QSG中的系统增益k值决定了DSOGI滤波性能，并当电网混入负序分量时，k值也决定了正负序分离提取的能力。SOGI-QSG中的ω取电网的额定角频率，即ω＝2π×50＝314rad/s。
电网不平衡时，在dq坐标系下VSC换流器的输出有功、无功功率分别为：
由上式可以看出，电网不对称故障时交流侧出现负序分量，大型光伏电站直流升压外送系统在低电压穿越过程中，可选取抑制并网电流负序分量的方法，保证并网电流电能质量的控制方案。可令各负序电流的参考值为零，即为保证光伏直流升压汇集接入系统单位功率因数运行，令网侧无功功率的参考值Q0*＝0，由式(1)可以得到有功无功功率参考值和
由式(2)求得正序电流和的参考值：
有功功率的参考值可以通过电压外环PI控制器输出给定，如式(4)所示。
考虑到电网发生严重不对称故障时，VSC换流器可能会因过流保护而停机脱网，需对其输出电流进行限制。由式(3)可知，正序dq轴电流参考值的大小与有功功率的参考值P0 *的大小有关，为此，可以通过引入电网电压前馈控制环节，依据电网电压跌落程度U成比例降低馈入电网的有功功率参考值，选取适合的有功功率系数k0，令k0＝f(U)，由式(10)可得修正后有功功率参考值为：
因此可以得到修正后的正序电流参考值为：
所以正序分量与负序分量的电流内环控制电压参考值分别表示为：
根据式(2)～式(7)，可以得到电网不对称时基于优化型DDSRF-PLL的正负序双电流环控制方法，如图5所示。VSC换流器外环的直流母线电压参考值通过直流电压-功率偏差斜率控制器的动态调节，使其稳定在合适值，再采用定直流母线电压控制，并经过PI得到平均有功功率的参考值，内环采用正负序双电流环控制，先通过优化型DDSRF-PLL对网侧的电压、电流进行正负序分离，然后通过PI调节器，有效跟踪正负序的参考电流。该控制方法引入电网电压前馈控制环节，根据跌落深度U算出合适的平均有功指令系数k0，最终作用于SPWM给出控制信号，避免VSC换流器因过流保护而停机脱网，成功实现换流器的LVRT运行。
3)针对图6、图7光伏电网对称故障的结果仿真特征，具体说明如下：
如图6a和图7a所示，当该系统稳定运行到0.2s时，并网点三相电压同时发生严重对称跌落至0.2pu，0.3s后故障切除。传统的电压电流双闭环控制方法如图6所示，由图6b可知，故障期间，VSC输出的并网电流增大，但有功电流被限幅未超过安全值；由图6c、d、e可以看出，故障期间VSC输出的有功功率减小，但光伏发电模块仍保持最大功率输出，致使直流母线电压上升至75kV，进而导致光伏发电模块的输出电压增大至18.8kV，直流母线电压和光伏发电模块的输出电压均超过了额定值的1.2倍，出现过电压状态。
在本文所提的新型LVRT控制方法下，整个系统的运行特性如图7所示。由图7b可知，由于故障期间电压跌落深度大于设定值(0.5pu)，将光伏发电模块切换至偏MPPT运行模式，故障清除后，又切换回MPPT运行，经过短暂的过程后，系统又恢复到正常运行状态，期间并网电流先增大后减小然后增大至额定值；图7c、d、e可知，故障期间光伏电站和VSC的输出功率均减小，致使光伏发电模块的输出电压和直流母线电压均运行在安全运行值内，进而并网电流幅值未超过安全值，实现了系统的平稳过渡，保证了整个系统继续安全稳定运行。
4)针对图8、图9光伏电网不对称故障的结果仿真特征，具体说明如下：
如图8a和图9a所示，当该系统稳定运行到0.2s时，并网点三相电压发生不对称跌落，a相跌落至0.9pu，b相跌落至0.6pu，c相跌落至0.2pu，0.3s后故障切除。在传统的电压电流双闭环控制方法下，整个系统的运行特性如图8所示。由图8b可知，电网发生不对称故障期间，由于电网中含有负序分量，在电压电流双闭环控制方法下并网电流发生不对称畸变，严重影响VSC的正常运行；由图8c、d、e可知，故障期间，整个光伏电站仍处于最大功率运行状态，VSC输出的有功功率减小，但减小幅度较小，光伏发电模块的输出电压以及直流母线电压升高，并在故障期间呈上升趋势。
本发明所提的新型LVRT控制方法下，整个系统的运行特性如图9所示。由图9b可知，采用本文所提的新型LVRT控制方法，成功抑制了并网电流中的负序分量和电流的上升，使电流实现正弦化，其幅值也处在安全值范围内，保证了VSC的正常运行；从图9c、d、e可以看出，与传统电压电流双闭环控制方法相比，故障期间VSC输出的有功功率有一定的增加，光伏发电模块的输出电压和直流母线电压升高幅度减小，且故障期间较为平稳，提高了整个系统的传输效率，并成功实现LVRT穿越运行。
Claims (4)
1.一种提高大型光伏系统低电压穿越性能的方法，其特征在于，该方法基于大型光伏电站直流升压外送系统，大型光伏电站通过大功率高变比的有源箝位Boost全桥升压变换器BFBIC串联升压，然后经VSC-HVDC直流并网系统，其中光伏电站的每个发电升压模块主要包括光伏阵列和有源箝位BFBIC，通过N个升压模块的串联升压实现与直流母线电压相匹配；包括以下步骤：
步骤1，当电网交流侧发生故障时，检测电网电压跌落的特征，根据电压跌落的幅值特征确定为对称故障或非对称故障；当检测到的交流电网电压跌落的幅值相同时，为对称故障；当检测的交流电网电压跌落的幅值不相同时，为不对称故障；
步骤2，为对称故障时，检测各光伏发电模块的输出电压是否超过其额定值的1.2倍，若超过其额定值的1.2倍，进入MPPT切换模式工作，将有源箝位BFBIC的动态占空比从DMPPT切换至合适的值Dref，使光伏发电模块偏MPPT运行；
步骤3，为不对称故障时，采用基于优化型DSOGI-PLL的正负序双电流环控制方法作为低电压穿越控制方法，具体包括以下步骤：
1)首先将VSC换流站交流侧电压Uabc转换成αβ信号，然后通过带有广义二阶积分环节的双正交信号发生器SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，得到不含谐波的αβ信号；
2)在DDSRF-PLL的作用下进行dq变换，将电压正负序分离并提取，并跟踪电网电压的相位和频率；
3)令各负序电流的参考值为零，即和令网侧无功功率的参考值
4)由式(1)得到正序电流和的参考值如式(2)所示；
5)然后通过PI调节器输出有功功率参考值如式(3)所示；
6)将得到的电压跌落深度U通过电网电压前馈控制环节，算出合适的平均有功指令系数k0，可得修正后有功功率参考值如式(4)所示；
7)通过式(2)和式(4)得到修正后的正序电流参考值如式(5)所示，正序分量与负序分量的电流内环控制电压参考值如式(6)所示；
8)将正负序分量同时送入SPWM发生器得到VSC换流器的控制信号，成功实现换流器的LVRT运行。
2.根据权利要求1所述的一种提高光伏系统低电压穿越性能的方法，其特征在于，正负序分离是基于优化型DSOGI-PLL，优化型DSOGI-PLL包括SOGI-QSG和DDSRF-PLL；在DDSRF-PLL的基础上，通过引入SOGI-QSG对αβ信号进行滤波，得到不含谐波的αβ信号。
3.根据权利要求1所述的一种提高光伏系统低电压穿越性能的方法，其特征在于，电网不平衡时，在dq坐标系下VSC换流器的输出有功、无功功率分别为：
其中：式中P0、Q0分别为有功、无功功率的平均值；Pc2、Ps2分别为两次有功余弦、正弦谐波峰值；Qc2、Qs2分别为两次无功余弦、正弦谐波峰值；分别为三相输出电流Iabc在dq轴上的正负序分量；令网侧无功功率的参考值由式(7)可以得到有功无功功率参考值和
4.根据权益要求1所述的一种提高光伏系统低电压穿越性能的方法，其特征在于，在控制方法中引入了电网电压前馈控制环节，根据跌落深度U算出合适的平均有功指令系数k0，避免当电网发生严重不对称故障时VSC换流器因过流保护而停机脱网，确保换流器的LVRT运行。
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