CN109888818A - 一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统及方法，包括网侧变流器的统一电流调制控制子系统与光伏侧升压斩波电路的降功率控制子系统。网侧变流器的统一电流调制控制策略根据控制变量优先级确立控制变量限制顺序，通过选定特定的辅助参数，产生不同模式下网侧变流器输出参考电流指令值。光伏侧升压斩波电路的发送功率的限制策略利用快速计算修改单元与微调矫正单元共同组成故障期间升压斩波电路占空比调制单元，快速修改单元保证了控制的响应速度，微调矫正单元保证了控制的准确性。网测变流器控制策略与光伏侧升压斩波电路控制策略搭配组成协同控制系统，在一定的电流限制范围内最大化并网光伏系统能力。

Description

一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及并网光伏发电系统设备技术领域，尤其涉及一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统及方法。

背景技术

光伏发电是一种重要的可再生能源技术，根据涉及安装目标常被分为并网光伏发电系统与离网光伏发电系统。离网光伏发电系统被设计以替代或补充常规供电电源，并网光伏发电系统则将发出电力馈入电网。并网光伏系统一般有光伏阵列、逆变器以及计量系统组成。在光照富集的偏远地区，成片光伏阵列通过发电场内线路集中直接接入输电线路经过线路传输送入负荷中心。在构建新型能源体系的框架下，风能、太阳能等新能源将逐渐占据电网发电主导地位。并网光伏发电系统由于内部的直流源特性，相较于风电受制于故障瞬间的电磁与机电暂态的短板，对于电压暂降事件的耐受能力也相较更强。因此对于并网光伏系统的要求不仅限制于低电压穿越能力的提升，发电系统本身的辅助服务能力最大化也应计入考量。

实际运行期间，根据并网光伏发电系统的安装位置与服务目标的不同，并网光伏系统选取的无功补偿目标存在差异，一种定制的兼容双运行模式的控制系统能够为电网运行提供不同层面的辅助服务方法。

若要采用一种控制系统而同时兼顾并网光伏系统的低电压穿越能力与辅助服务能力，则必定采用一套统一的电流调制框架。一般地，灵活电流控制策略作为一种常用的电流调制策略，通过引入辅助参数精准控制输出正负序比例，在特殊的辅助参数条件下可以实现直流母线二次频的消除，然而由于外部电网条件的差异，该控制策略无法通过指定特定的辅助参数实现负序补偿的精准控制。而引入基于比例谐振控制的负序补偿控制器则可以最大化并网光伏系统的负序补偿能力，然而该控制系统模式单一，且对于不同情景下的控制变量没有对应的电流限制，带来潜在的过电流问题，因此该控制策略控制效果不佳、且不能兼容于光伏系统中的两种模式。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统及方法，能够通过统一的电流调制框架，结合灵活电流控制策略与负序补偿控制器的优点，提出对控制策略中各控制参数设置统一电流限制架构下的限制顺序与限制式，解决了并网光伏系统低电压穿越的控制问题，在兼容多种可能运行模式的架构下最大化并网光伏系统辅助服务能力。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统，所述包括：网侧变流器的统一电流调制控制子系统与光伏侧升压斩波电路的降功率控制子系统；

所述系统的各个子系统用于通过以下步骤进行网侧变流器电流的实时限流控制：

网侧变流器的统一电流调制控制子系统根据直流母线纹波最小化模式与负序补偿模式的控制变量优先级的要求确定第一模式与第二模式的多级电流限制变量，并协调所述多级电流限制变量的控制顺序；光伏侧升压斩波电路的发送功率限制子系统根据两种模式的第一级电流限制变量下调光伏侧发送功率，稳定两种模式下的直流母线电压，协同网侧变流器的统一电流调制控制子系统实现对网侧变流器电流的实时限流控制；网侧变流器的统一电流调制控制子系统通过选取特定的辅助参数，并基于修正后的电压值与所述多级限制变量求出两种模式下电流参考值，以实现对网侧变流器电流的实时限流控制。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述第一模式为光伏系统的直流母线纹波最小化模式；所述第二模式为光伏系统的负序补偿模式。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述网侧变流器的统一电流调制控制子系统还包括负序补偿器，所述负序补偿器用于对所述负序补偿模式进行静电压值的负序补偿。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述负序补偿模式的多级限制变量按照第一级限制变量有功功率、第二级限制变量负序控制变量、第三级限制变量无功功率的顺序设置限制顺序优先级；所述限制顺序为前一级限制变量归零时，进入下一级限制变量的限制。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述负序补偿模式的第一级限制变量有功功率计算式为：

当所述第一级限制变量有功功率被置于0时，第二级限制变量负序控制变量计算式为：

当所述第二级限制变量负序控制变量被置于0时，第三级限制变量无功功率计算式为：

其中，Q^*为原始无功功率指令值，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为设定的网侧变流器电流限制值，m为整数，N为负序补偿控制器输出的负序控制变量。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述第一模式的多级限制变量按照第一级限制变量有功功率、第二级限制变量无功功率的顺序设置限制顺序优先级，所述限制顺序为前一级限制变量归零时，进入下一级限制变量的限制。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述第一模式下的第一级限制变量有功功率计算式为：

当所述第一级限制变量有功功率被置于0时，第一模式下的第二级限制变量无功功率计算式为：

其中，Q^*为原始无功功率指令值，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为设定的网侧变流器电流限制值，m为整数。

优选的，所述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统中，所述光伏侧升压斩波电路的降功率控制子系统包括快速计算修改单元与微调矫正单元，其中，所述快速计算修改单元用于实现光伏阵列端电压的快速上调或下调，以实时控制阵列功率；所述微调矫正单元用于辅助所述快速计算修改单元进行阵列功率的实时限制。

一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制方法，使用上述用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统进行用于并网光伏系统的实时电流控制

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过设置同一控制框架实现两种控制方式的平缓转换，此外设置负序补偿器使系统在容量容许范围内实现正序/负序并网点电压的近似无差补偿，并在容量有限情况下设置有序的控制分量限制，并在所有情况下避免并网逆变器过电流事件的发生；解决了并网光伏系统低电压穿越的控制问题，在兼容多种可能运行模式的架构下最大化并网光伏系统辅助服务能力。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的网侧变流器的统一电流调制控制系统的示意图；

图2为本发明示例性实施例的负序补偿控制示意图；

图3为本发明示例性实施例的光伏侧升压斩波电路的降功率控制系统的示意图；

图4为本发明示例性实施例的光伏侧端电压-发送功率关系的示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1示出了根据本发明示例性实施例的网侧变流器的统一电流调制控制子系统。该实施例的统一电流调制控制子系统主要包括：控制变量产生单元、控制变量限制单元与统一参考电流调制框架。并且网侧变流器的统一电流调制控制子系统会根据第一模式(直流母线纹波最小化模式)的控制变量优先级及相应的控制变量公式确定多级限制变量；并根据第二模式(负序补偿模式)的控制变量优先级及相应的控制变量公式确定多级限制变量。

其中控制变量产生单元中原始有功功率与无功功率指令值P^*，Q^*通过直流母线电压参考值与直流母线电压实际值U_dc作差输入PI控制器得到；无功功率指令值Q^*通过正序电压参考值U^+*与测量点正序电压U^+*作差输入PI控制器得到；i_α ^*(NSC)，i_β ^*(NSC)作为负序控制器的输出。三者作为控制变量产生单元的输出，输入至在线电流限制单元作为该单元输出，经过在线电流限制单元内的限制后输出限制变量有功功率P^* _mod、无功功率Q^* _mod与负序补偿参考电流 i^* _αmod(NSC),三者作为输入馈入统一参考电流调制框架最终输出参考电流i_α ^*,i_β ^*。

本实施例针对并网光伏发电系统提供了一种兼容两种运行模式的统一的参考电流调制框架，在此基础上根据参考电流调制方式改进了负序补偿控制器，最终根据控制变量优先级确立了控制变量限制顺序，提供了一种网侧变流器的统一电流调制控制系统，实现在线电流限制，特别地，提供了故障期间并网光伏发电系统有功功率的限制建议。

所述兼容两种运行模式的统一参考电流调制框架可经公式

计算，简单地，可分解为辅助参数k指导下的灵活功率控制与负序补偿控制两部分。通过选定特定的辅助参数，两部分控制信号通过叠加产生不同模式下网侧变流器输出参考电流指令值。具体地，置信号k＝1并屏蔽负序补偿控制模块，并网光伏发电系统运行于直流母线纹波最小化模式(第一模式)；置信号k＝0并置入负序补偿控制模块，系统运行于负序补偿模式(第二模式)。在此统一的控制框架下，通过设定合适的控制参数，并网光伏系统可以实现平稳的模式转换。

如图2所示，本实施例提供了一种负序补偿控制器，其作为控制变量产生单元的一部分，在故障发生后，处于直流母线纹波最小化模式时，负序补偿控制置出，负序补偿控制变量N置0；在故障发生后，处于负序补偿模式时，负序控制置入，比例谐振控制器置入与网侧变流器电流控制器组合成环，利用线路的无功支撑作用，实现并网点负序电压的向下调整，达到负序控制目的，此时静止坐标轴下负序补偿控制器的输出的平方和求根对应负序补偿控制变量N作为后文控制变量限制式的关键变量。

特别地，该控制器不需在电网信号同步期间实时计算正负序相位夹角，赋予了该控制器在完全负序补偿情况下，不会由于负序电压信号缺失而导致控制失稳。通过负序控制输出补偿变量，在完全负序补偿情况下仍能推算正负序相位夹角，使得该负序控制器相较一般的负序控制器具备更强更深入的补偿能力。

所述控制变量优先级与控制变量限制顺序如下所述，其作为在线电流限制单元的核心控制逻辑，由于暂降发生限制了网侧变换器功率输出能力，其网侧注入有功功率与无功功率存在固有的矛盾。在引入负序控制情况下，多种控制变量由于网侧变流器输出电流的固有限制而存在限制必要，其限制顺序可根据控制变量优先级而确立。

在所述控制主导下，故障期间并网光伏发电系统的过剩有功可根据机侧升压斩波电路控制而相应下调，这为网侧逆变器无功补偿与负序补偿扩展了裕度。其控制变量的限制幅度均可通过网侧变流器采样点正序电压幅值U⁺、负序电压幅值U^-以及正负序相角差δ等信号以及网侧变流器电流限制I_lim实时计算，在线电流限制单元的控制逻辑如下所述：

故障期间，处于直流母线纹波最小化模式的控制变量限制顺序如下所示：

第一限制变量有功功率P^* _mod可根据如下公式推算：

当有功功率被限制至0时，由于该模式下负序控制切出，控制变量的限制转向第二限制变量无功功率Q^* _mod，可根据如下公式推算：

在该模式下，网侧变流器的主要控制目标在于最小化直流母线电压纹波，使得并网光伏发电系统在不对称故障发生期间处于“自保”模式，其无功功率的注入也是遵照并网标准最低无功需求进行补偿。实际地，为实现并网光伏发电系统辅助服务能力最大化，母线电容应当容忍适当程度的电压纹波。

故障期间，处于负序补偿模式的控制变量限制顺序如下所示：

第一限制变量有功功率P^* _mod可根据如下公式推算：

在该模式下，默认无功补偿与负序补偿目标为完全补偿，控制变量限制参考的正负序相角差来自于图2所示的负序控制器。暂降深度增大到一定程度，限制有功功率下降至0，网侧变流器没有剩余裕度实现完全补偿，则实际控制进入不完全补偿的区间，该模式下负序控制实时在线，负序电流带来的三相不对称使得单/双相电流过限的危险加剧，负序电流限制应作为首要的限制目标。

在此考虑下，第二限制变量负序控制变量N^* _mod应遵循：

当不对称暂降深度继续加深，负序补偿电流最终被限制于0,网侧变流器只输出三相对称无功补偿电流，此时转向第三限制变量无功功率Q^* _mod的实时计算：

在负序补偿模式下，正序电流与负序电流处于解耦状态，控制顺序先后对准冗余有功、超限负序补偿、超限正序无功补偿，在此框架下，并网光伏系统的辅助服务能力能达到最大化，并网光伏发电系统的低电压穿越优势得到充分体现。

请参阅图3，本发明实施例提供了一种光伏侧升压斩波电路的控制系统，包括：原MPPT控制单元、降功率控制单元。

所述原MPPT控制单元在故障发生前后保持在线，根据外部环境条件(温度、光照)实时跟踪最大功率点，在标准工况下获得最大功率点电压U_mppt ^*，与最大发送功率P_mppt。

所述降功率控制单元利用网侧逆变器实时计算所得容许传送最大有功功率

故障期间，由于网侧变流器输出功率水平受限，进而需要顺势下调光伏侧发送功率，得到机侧光伏阵列端电压的修改值与采集所得端电压信号U_pv进行作差输入PI控制器，得到光伏侧升压斩波电路占空比，动态调整机侧端电压水平。

请参阅图4，本发明实施例提供了一种提供了一种故障期间光伏侧升压斩波电路的降功率控制系统，作为光伏侧升压斩波电路控制系统故障期间的控制系统，包括：快速计算修改单元、微调矫正单元。

所述快速计算修改单元与微调矫正单元共同组成故障期间升压斩波电路占空比调制单元。

所述快速计算修改单元负责暂降期间根据剩余功率快速计算斩波电路新占空比运行水平，实现光伏阵列端电压的快速上调/下调以降低阵列发送功率。具体地，请参照图4，根据光伏阵列运行外部环境条件确立最大功率点与开路电压运行点(U_oc，0)。利用最大功率点与开路电压运行点连线简单线性化功率曲线，可利用公式(8)完成图4中区间Ⅰ所对应的新运行状态下的光伏阵列端电压U_{pv_est}的快速计算。根据公式(9)升压斩波电路的占空比定义可以确定快速计算修改单元的输出：

所述微调矫正单元作为快速计算修改单元的补充，利用光伏侧实时测量的电压电流信号计算实际发送功率，以实际发送功率与第一限制有功功率作差，输入PI控制器，以PI控制器输出补偿快速计算单元未能控制的区间，对应图4中区间Ⅱ。

快速计算修改单元与微调矫正单元二者作为一个整体，在故障期间协同产生占空比信号，两者互为补充，快速修改单元保证了控制的响应速度，微调矫正单元保证了控制的准确性。

由以上技术方法可知，本发明提供了一种用于并网光伏系统的兼容两种运行模式的控制系统，包括用于网侧变流器的统一电流调制控制系统以及用于光伏侧升压斩波电路的降功率控制系统。其中网侧变流器的统一电流调制控制策略包含统一的电流调制框架、负序补偿控制器以及控制变量优先级与控制变量限制顺序的定义。故障发生后，根据光伏发电系统控制目标的不同，置入不同的辅助参数，则可转换至相应的控制模式，在统一的电压调制方式下，赋予了双模式控制相当的灵活性；负序补偿控制器利用比例谐振控制器置入与网侧变流器电流控制器组合成环，利用线路的无功支撑作用，实现并网点负序电压的向下调整，并且在完全负序补偿情况下仍能推算正负序相位夹角，使得该负序控制器相较一般的负序控制器具备更强更深入的补偿能力。控制变量优先级与控制变量限制顺序的定义使得在裕度运行的条件下，补偿能力最大化，无功功率优先级置于最后以保障可观的无功输送能力。用于光伏侧升压斩波电路的降功率控制系统包含快速计算修改单元与微调矫正单元，二者作为一个整体，在故障期间协同产生占空比信号，两者互为补充，快速修改单元保证了控制的响应速度，微调矫正单元保证了控制的准确性。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统，其特征在于，所述包括：网侧变流器的统一电流调制控制子系统与光伏侧升压斩波电路的降功率控制子系统；

所述系统的各个子系统用于通过以下步骤进行网侧变流器电流的实时限流控制：

网侧变流器的统一电流调制控制子系统根据直流母线纹波最小化模式与负序补偿模式的控制变量优先级的要求确定第一模式与第二模式的多级电流限制变量，并协调所述多级电流限制变量的控制顺序；光伏侧升压斩波电路的发送功率限制子系统根据两种模式的第一级电流限制变量下调光伏侧发送功率，稳定两种模式下的直流母线电压，协同网侧变流器的统一电流调制控制子系统实现对网侧变流器电流的实时限流控制；网侧变流器的统一电流调制控制子系统通过选取特定的辅助参数，并基于修正后的电压值与所述多级限制变量求出两种模式下电流参考值，以实现对网侧变流器电流的实时限流控制。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一模式为光伏系统的直流母线纹波最小化模式；所述第二模式为光伏系统的负序补偿模式。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述网侧变流器的统一电流调制控制子系统还包括负序补偿器，所述负序补偿器用于对所述负序补偿模式进行静电压值的负序补偿。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述负序补偿模式的多级限制变量按照第一级限制变量有功功率、第二级限制变量负序控制变量、第三级限制变量无功功率的顺序设置限制顺序优先级；所述限制顺序为前一级限制变量归零时，进入下一级限制变量的限制。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述负序补偿模式的第一级限制变量有功功率计算式为：

当所述第一级限制变量有功功率被置于0时，第二级限制变量负序控制变量计算式为：

当所述第二级限制变量负序控制变量被置于0时，第三级限制变量无功功率计算式为：

其中，Q^*为原始无功功率指令值，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为设定的网侧变流器电流限制值，m为整数，N为负序补偿控制器输出的负序控制变量。

6.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述第一模式的多级限制变量按照第一级限制变量有功功率、第二级限制变量无功功率的顺序设置限制顺序优先级，所述限制顺序为前一级限制变量归零时，进入下一级限制变量的限制。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述第一模式下的第一级限制变量有功功率计算式为：

当所述第一级限制变量有功功率被置于0时，第一模式下的第二级限制变量无功功率计算式为：

其中，Q^*为原始无功功率指令值，U⁺为正序电压，U^–为负序电压，δ为正负序相角差，I_lim为设定的网侧变流器电流限制值，m为整数。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述光伏侧升压斩波电路的降功率控制子系统包括快速计算修改单元与微调矫正单元，其中，所述快速计算修改单元用于实现光伏阵列端电压的快速上调或下调，以实时控制阵列功率；所述微调矫正单元用于辅助所述快速计算修改单元进行阵列功率的实时限制。

9.一种用于并网光伏系统的兼容双模式的控制方法，其特征在于，使用根据权利要求1至8中任一项所述的用于并网光伏系统的兼容双模式的控制系统进行用于并网光伏系统的实时电流控制。