CN110299726B - 一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，包括：针对光伏直流升压并网系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压的特性进行分析；根据分析结果，并结合逆变器控制内环的特性，修正逆变器控制内环负序电流参考值，并向系统直流电压中注入一定量的二次谐波，进而实现故障恢复控制。在受端电网经较大过渡电阻故障时，光伏侧难以切换为最大功率跟踪控制，MMC二次谐波注入后，光伏侧可以通过检测直流母线二次谐波电压幅值切换控制策略，从而可以使光伏发电单元在故障清除后快速切换回最大功率跟踪控制。

Description

一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法。

背景技术

随着光伏装机容量的激增，电力系统对光伏发电并网的安全稳定运行提出了更高的要求。与传统光伏交流汇集式并网系统相比，光伏直流升压并网系统在功率变换和效率传输方面具有显著的优势。光伏发电并网必须具有故障穿越能力，然而，光伏直流升压系统故障穿越时直流电压的稳定问题比传统交流汇集式更为突出，而且故障清除时光伏侧可能无法恢复为最大功率跟踪控制策略。

目前，对于受端电网经较大过渡电阻时的故障恢复控制研究较少，故障穿越控制主要集中在故障期间，从换流器侧或光伏侧对稳态并网控制策略进行改进。换流器在故障穿越期间一方面需要提供无功支撑或消除负序电流来稳定交流电压，另一方面需要与光伏侧协调控制维持系统有功平衡和稳定直流电压；而光伏侧根据直流母线电压的波动及时调节光伏发电单元输出的有功功率，以达到稳定直流电压的目的。但是受端电网经较大过渡电阻故障时直流母线的电压变化量较小，故障清除时光伏侧难以仅根据直流电压的波动切换回最大功率跟踪控制，从而会降低光伏的利用率，另外，两端均采用直流电压控制会对系统的稳定运行造成不利影响。因此有必要研究新的光伏直流系统故障恢复控制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，可以使光伏发电单元在故障清除后快速切换回最大功率跟踪控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，包括：

针对光伏直流升压并网系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压的特性进行分析；

根据分析结果，并结合逆变器控制内环的特性，修正逆变器控制内环负序电流参考值，并向系统直流电压中注入一定量的二次谐波，进而实现故障恢复控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在受端电网经较大过渡电阻故障时，光伏侧难以切换为最大功率跟踪控制，MMC二次谐波注入后，光伏侧可以通过检测直流母线二次谐波电压幅值切换控制策略，从而可以使光伏发电单元在故障清除后快速切换回最大功率跟踪控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的光伏直流升压汇集接入系统结构图；

图3为本发明实施例提供的直流变压器拓扑结构图；

图4为本发明实施例提供的故障穿越期间MMC的控制策略结构图；

图5为本发明实施例提供的基于MMC二次谐波注入的控制内环的控制框图；

图6为本发明实施例提供的MMC输出有功功率图；

图7为本发明实施例提供的谐波注入前后的光伏出力图；

图8为本发明实施例提供的谐波注入前后的二次谐波电压波形图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，如图1所示，其主要包括：

1、针对光伏直流升压并网系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压的特性进行分析。

受端电网发生短路故障时，并网逆变器输出的复功率表示为：

上式中，S为逆变器输出的复功率，P和Q分别为逆变器输出有功和无功功率，j为虚数单位，e和i分别为受端电网电压和电流，

表示电流的共轭，上标p、n分别表示正序、负序分量；下标d、q分别表示d、q轴分量，θ^p为正序基频电压的相角；由此推得逆变器输出的瞬时有功功率为：

P＝P₀+P_cos2 cos(2ωt)+P_sin2 sin(2ωt)

式中，ω为基波角频率，t为时间。其中：

上式中，P₀为有功功率的直流分量，P_cos2为有功功率二次谐波的余弦分量，P_sin2为有功功率二次谐波的正弦分量，e_dq ^p和e_dq ⁿ分别为受端电网电压在dq坐标下的正序和负序分量；根据上式看出，通过对MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)控制外环产生的负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，上式中的负序电流i_d ⁿ会随之改变，因此，MMC输出的有功功率和直流母线电压中均存在二倍频波动，光伏列阵输出的功率中存在同样的二倍频分量，光伏列阵运行点在偏移最大功率点后，会在新的运行平衡点附近上下波动；

根据光伏列阵输出P-V特性曲线，系统正常运行时，光伏列阵运行在最大功率点，此时输出有功功率为P_max，直流电压为u_mpp；故障穿越期间，MMC采用定功率控制并向电网提供一定的无功支撑，为了维持直流母线电压的稳定，DCT(Direct Current Transformer，直流变压器)切换为直流电压控制，直流电压升高，光伏列阵输出有功功率降低，稳定运行P-V特性曲线另一点，此时输出有功功率为P′，直流电压为u′；

光伏列阵最大功率运行点和故障穿越期间的运行点之间的P-V特性曲线部分，近似为一条直线，设其线性方程为：

p_pv＝p₀+ku_pv

式中，p_pv为光伏列阵输出有功功率，u_pv为光伏列阵端口电压，k为直线斜率，参数p₀和k满足下式：

联立上面两个式子，得到：

上式中，

p_pv＝P＝P₀+P_cos2cos(2ωt)+P_sin2 sin(2ωt)

不考虑电压的直流分量，系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压表达式为：

从上式中得出，直流母线二次谐波电压的幅值与系统中有功功率的二次谐波的正弦分量P_sin2和余弦分量P_cos2有联系。

2、根据分析结果，并结合逆变器控制内环的特性，修正逆变器控制内环负序电流参考值，并向系统直流电压中注入一定量的二次谐波，进而实现故障恢复控制。

本发明实施例提出了通过对逆变器控制内环参考电流的修正，提出基于MMC二次谐波注入的光伏直流并网系统故障恢复控制策略，并对光伏侧控制策略切换的直流电压二倍频分量阈值进行设定，具体方案如下：

在故障清除时，采用基于二次谐波注入的光伏故障恢复控制策略，MMC通过对负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，使系统中的有功功率含有一定量的二次谐波，再向系统注入一定量的二次谐波，DCT监测直流电压中的二次谐波幅值U_{dc_harm2}是否超过阈值

若是，则将直流电压控制切换为最大功率跟踪控制。负序电流参考值i_d ^n,ref的修正公式如下：

上式中，

为修正后的负序电流参考值，

为修正量；

修正结果用于内环调制电压的计算，通过对原有的控制策略的修正，使系统中的有功功率含有一定量的二次谐波(即前文提到的有功功率的二次谐波的正弦分量P_sin2和余弦分量P_cos2)；由于交流侧有功功率中含有一定量的二倍频波动，则直流电压就会有相应的二次谐波，直流变压器通过监测直流电压中的二次谐波幅值是否超过阈值，及时将直流电压控制切换为最大功率跟踪控制，使光伏列阵运行在最大功率点，提高光伏的利用率。

故障穿越期间，为了加快系统的响应速度，将系统电压αβ坐标轴下的正负序分量u_αβ ^pn前馈，同时负序分量的前馈，控制内环的传递函数为：

上式中，s为复频率，i_αβ ^pn为αβ坐标下的正序和负序MMC并网电流，i_αβ ^pn,ref为i_αβ ^pn的参考值；u_αβ ^ref为定功率控制器产生的调制电压αβ分量，ω_p为基频电压角频率，k_p和k_r为PR(proportional resonant controller，比例谐振控制)控制器的参数；

根据前文给出的系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压表达式，可以得到故障穿越期间直流母线二次谐波电压幅值为：

示例性的，u′-u_mpp＝1.5kV，P_max-P′＝0.29MW，则直流母线二次谐波电压的幅值U_{dc_harm2}为：

考虑接地电阻不同和各种故障类型，并留有一定安全裕量，通过引入系数k_set，则DCT直流电压二倍频分量阈值

设定为：

通常情况下，k_set取2～2.5，本示例取k_set＝2.3，则DCT直流电压二倍频分量阈值设定为：

本发明实施例上述方案，在受端电网经较大过渡电阻故障时，光伏侧难以切换为最大功率跟踪控制，MMC二次谐波注入后，光伏侧可以通过检测直流母线二次谐波电压幅值切换控制策略，从而可以使光伏发电单元在故障清除后快速切换回最大功率跟踪控制。

图2为光伏直流升压汇集接入系统结构图，光伏并网采用直流升压汇集接入式，其拓扑结构由光伏列阵、直流变压器、模块化多电平换流器(MMC)组成。其中，各直流变压器间采用并联输入串联输出的结构以提升输出直流电压，直流变压器内部由Boost电路和高频变压器组成，送出线路为40km。

图3为直流变压器拓扑结构图，主要由Boost电路和额定容量为0.5MVA的高频变压器组成。

图4为故障穿越期间MMC的控制策略结构图，稳态运行时，MMC采用直流电压控制。故障期间，利用受端电网的电压电流以及直流母线电压，采用基于MMC二次谐波注入的双闭环控制策略，使其满足光伏并网系统故障穿越的条件。

图5为基于MMC二次谐波注入的控制内环的控制框图，故障清除时，对负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，修正结果用于内环调制电压的计算，通过对原有的控制策略的修正，使系统中的有功功率含有一定量的二次谐波，直流变压器通过监测直流电压中的二次谐波幅值是否超过阈值，及时将直流电压控制切换为最大功率跟踪控制，使光伏列阵运行在最大功率点。

图6为MMC输出有功功率和无功功率图，受端电网发生两相短路故障(经较大过渡电阻)，MMC在故障穿越期间减少了有功功率的输出，同时增大了无功输出，对受端电网进行无功支撑，维持交流电网电压的稳定。

图7为谐波注入前后的光伏出力图，从图中可以看出，在故障恢复后，二次谐波电压的注入使得光伏列阵恢复为最大功率跟踪控制，光伏输出功率增大26％，光伏的利用率显著提高。

图8为谐波注入前后的二次谐波电压波形图，可以看出电网不对称故障期间，直流电压中含有一定的二倍频分量。故障恢复时MMC向系统注入一定量的二次谐波，直流电压中的二次谐波电压幅值增大，光伏侧通过检测二次谐波电压幅值切换为最大功率跟踪控制，有效避免了大过渡电阻对光伏侧控制策略产生的不利影响。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，其特征在于，包括：

针对光伏直流升压并网系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压的特性进行分析；

根据分析结果，并结合逆变器控制内环的特性，修正逆变器控制内环负序电流参考值，并向系统直流电压中注入一定量的二次谐波，进而实现故障恢复控制；

其中，所述根据分析结果，并结合逆变器控制内环的特性，向系统直流电压中注入一定量的二次谐波，并修正逆变器控制内环负序电流参考值包括：

在故障清除时，采用基于二次谐波注入的光伏故障恢复控制策略，MMC通过对负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，使系统中的有功功率含有一定量的二次谐波，再向系统注入一定量的二次谐波，DCT监测直流电压中的二次谐波幅值U_{dc_harm2}是否超过直流电压二倍频分量阈值

若是，则将直流电压控制切换为最大功率跟踪控制；故障清除时，对负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，如下式所示：

上式中，

为修正后的负序电流参考值，

为修正量；

修正结果用于内环调制电压的计算，通过对原有的控制策略的修正，使系统中的有功功率含有一定量的二次谐波。

2.根据权利要求1所述的一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，其特征在于，所述针对光伏直流升压并网系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压的特性进行分析包括：

受端电网发生短路故障时，并网逆变器输出的复功率表示为：

上式中，S为逆变器输出的复功率，P和Q分别为逆变器输出有功和无功功率，j为虚数单位，e和i分别为受端电网电压和电流，

表示电流的共轭，上标p、n分别表示正序、负序分量；下标d、q分别表示d、q轴分量，θ^p为正序基频电压的相角；由此推得逆变器输出的瞬时有功功率为：

P＝P₀+P_cos2cos(2ωt)+P_sin2sin(2ωt)

其中：

上式中，ω为基波角频率，t为时间，P₀为有功功率的直流分量，P_cos2为有功功率二次谐波的余弦分量，P_sin2为有功功率二次谐波的正弦分量，e_dq ^p和e_dq ⁿ分别为受端电网电压在dq坐标下的正序和负序分量；通过对模块化多电平换流器MMC控制外环产生的负序电流参考值i_d ^n,ref进行修正，上式中的负序电流i_d ⁿ会随之改变，MMC输出的有功功率和直流母线电压中均存在二倍频波动，光伏列阵输出的功率中存在同样的二倍频分量，光伏列阵运行点在偏移最大功率点后，会在新的运行平衡点附近上下波动；

根据光伏列阵输出P-V特性曲线，系统正常运行时，光伏列阵运行在最大功率点，此时输出有功功率为P_max，直流电压为u_mpp；故障穿越期间，MMC采用定功率控制并向电网提供一定的无功支撑，直流变压器DCT切换为直流电压控制，直流电压升高，光伏列阵输出有功功率降低，稳定运行P-V特性曲线另一点，此时输出有功功率为P′，直流电压为u′；

光伏列阵最大功率运行点和故障穿越期间的运行点之间的P-V特性曲线部分，近似为一条直线，设其线性方程为：

p_pv＝p₀+ku_pv

式中，p_pv为光伏列阵输出有功功率，u_pv为光伏列阵端口电压，k为直线斜率，参数p₀和k满足下式：

联立上面两个式子，得到：

上式中，

p_pv＝P＝P₀+P_cos2cos(2ωt)+P_sin2sin(2ωt)

不考虑电压的直流分量，系统故障穿越期间直流母线二次谐波电压表达式为：

从上式中得出，直流母线二次谐波电压的幅值与系统中有功功率的二次谐波的正弦分量P_sin2和余弦分量P_cos2有联系。

3.根据权利要求2所述的一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，其特征在于，

故障穿越期间直流母线二次谐波电压幅值为：

通过引入系数k_set，则DCT直流电压二倍频分量阈值设定为：

4.根据权利要求1或2所述的一种光伏直流并网系统故障恢复控制方法，其特征在于，

故障穿越期间，将系统电压αβ坐标轴下的正负序分量u_αβ ^pn前馈，同时负序分量的前馈，控制内环的传递函数为：

上式中，i_αβ ^pn为αβ坐标下的正序和负序MMC并网电流，i_αβ ^pn,ref为i_αβ ^pn的参考值；u_αβ ^ref为定功率控制器产生的调制电压αβ分量，ω_p为基频电压角频率，k_p和k_r为PR控制器的参数。

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