CN110581565A - 光伏发电并网系统中的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电并网系统中的低电压穿越控制方法和装置，光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流‑直流变换器，连接到光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到直流‑直流变换器；及变压隔离设备，经由公共并网点连接到逆变器并接入主电网，方法包括：当检测到公共并网点的电压下降超过一预定阈值时，根据电压下降程度和相应电网规定的低电压穿越要求计算逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给逆变器，低电压穿越要求包括在公共并网点的电压下降超过该预定阈值时逆变器需保持连网的最长时间及所需提供的无功电流比例其中至少之一。本发明可在电网低电压故障中保持更高有功能量输出。

Description

光伏发电并网系统中的控制方法和装置

技术领域

本申请涉及可再生能源发电领域，更具体地，涉及一种光伏发电并网系统中的控制方法和装置。

背景技术

太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等能源作为取之不尽用之不竭的环保能源，其规模化生产及输电并网发展迅猛，并已得到各国政策和资源上的大力支持。以太阳能发电为例，起初，当公共并网点电压发生故障性下降时，并网光伏逆变器将因保护装置的启动而直接脱网运行。然而，光伏装置的简单切除将使有功功率更加减少，并使电网电压进一步下降，最终极有可能导致脱网范围的扩展和电网的崩溃。随着光伏发电系统在电力系统中的比重快速增长，低电压穿越(low-voltage-ride-through，LVRT)能力已经成为太阳能等新能源并网技术的安全要求和难点之一。

以太阳能发电为例，为保证光伏装置和电力系统的安全运行和稳定性，当前工业界主流的低电压穿越方式是在光伏系统中装入储能系统或卸荷电路。在维持光伏发电系统故障中不断网的情况下，发电侧捕获的多余光能将被主动消耗掉或者储存在化学电池等储能设备中。但是，外加电路设备的引入无疑会造成经济效益差、配置容量高的问题。另一方面，低电压故障过程中并网点无功功率的补偿可以一定程度地加快系统恢复正常运行的速度并提供电压支撑。专利申请公布号为CN105591401、发明名称为“一种含无功电流注入的光伏低电压穿越方法”的申请详细公开了一种含无功电流注入的低电压穿越方法，该方法在电压下降未超过阈值时保持注入电网的有功功率不变，同时提供一定量的无功功率，在电压下降超过阈值时全部提供无功功率。上述专利申请对无功功率的控制简单，未能真正满足电力系统要求。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种光伏发电并网系统中的控制方法和装置。

本发明实施例提供一种控制方法，应用在光伏发电并网系统中，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流-直流变换器，连接到该光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到该直流-直流变换器；以及变压隔离设备，经由公共并网点连接到该逆变器，并接入主电网，该方法包括：当检测到该公共并网点的电压下降超过一预定阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例其中至少之一。

在一实施例中，上述方法还可以包括：当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比，使该光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

在一实施例中，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比可以包括：根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref，并根据下面的等式(1)和(2)计算该直流-直流变换器的开关控制占空比D：

D＝k_Dpid(u_dc-u_dcref) (1)

k_Dpid＝k_Dp+k_Di/s+k_Dds (2)

其中，u_dc表示该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值，k_Dpid表示PID控制器，包括比例控制器k_Dp、积分控制器k_Di和微分控制器k_Dd，S表示拉普拉斯变换后的复数变量。

在一实施例中，可以通过下式(3)计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref：

其中，t_p表示根据该预定的低电压穿越要求在发生该电压下降时该逆变器需保持连网的最长时间，P_r表示发生该电压下降时的最大有功功率输出标幺值，U_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电压，I_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电流的有功分量，C表示该直流链路电容的电容值，K表示动态调节系数。

在一实施例中，所述根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量可以包括：根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref，并根据如下等式(4)-(6)计算电压的有功分量U_d和无功分量U_q：

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (5)

k_xpi＝k_xp+k_xi/s x∈{d,q} (6)

其中，V表示发生该电压下降时检测到的公共并网点的电压有效值，V_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时该公共并网点的电压有效值，i_d表示该逆变器输出电流的有功分量，i_q表示该逆变器输出电流的无功分量，I_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时的并网电流有效值，k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi。

在一实施例中，该逆变器的输出可以满足下式(7)所示的动态模型：

该逆变器经过该PI控制器之后，通过下式(8)得到实际控制信号和

其中，u_gd和u_gq分别表示该逆变器输出的电压经过dq解耦之后的有功分量和无功分量，L表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效感性阻抗，R表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效电阻。

在一实施例中，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，可以将该逆变器的输出电流设定为原额定电流的1.1倍，该逆变器的电流无功分量处于到范围内，电流有功分量处于到的范围内，该逆变器的无功功率满足以及该逆变器的有功功率处于到的范围内，如下式(8)-(13)：

其中，K_s为无功补偿系数，U为该公共并网点的电压。

在一实施例中，当检测到公共并网点的电压下降超过10％时，该逆变器的电流无功分量可以满足下式(14)：

其中I_reactive表示产生的无功电流分量；U_rated和I_rated分别表示该光伏发电并网系统正常工作时的电压和电流；U_sag等于U_rated-U。

在一实施例中，在该光伏发电并网系统正常运行时，该直流-直流变换器可以执行最大功率点追踪控制，利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，然后经过载波调制得到开关驱动信号以驱动该直流-直流变换器。

在一实施例中，在该光伏发电并网系统正常运行时，该逆变器可以保持恒定为1的功率因数输出功率，该逆变器通过下式(15)-(17)中的帕克变换和反帕克变换，执行电流信号的dq解耦：

其中，I_d和I_q分别表示该逆变器输出电流的有功和无功分量，I_a、I_b、I_c和I_m分别表示该逆变器输出的三相电流瞬时值及对称电流最大值，ωt表示该逆变器输出的a相电流参考相位，θ是该逆变器输出的电压相位角。

在一实施例中，可以利用下式(18)计算该光伏发电并网系统正常工作时该光伏发电设备的最大功率点电流值并将其保存在寄存器中：

I_{dref_offset}＝P_{PV_MPP}*K_vg (18)

其中，P_{PV_MPP}为该光伏发电设备的最大功率输出，K_vg表示该公共并网点的电压倒数，

在该公共并网点的电压下降后该光伏发电并网系统又恢复正常工作时，读取该寄存器中的最大功率点电流值作为前馈控制该光伏发电设备迅速恢复到最大功率状态。

在一实施例中，该预定阈值可以为10％。

本发明实施例还提供一种控制装置，应用在光伏发电并网系统中，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流-直流变换器，连接到该光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到该直流-直流变换器；以及变压隔离设备，经由公共并网点连接到该逆变器，并接入主电网，该控制装置包括：逆变器控制单元，当检测到该公共并网点的电压下降超过一预定阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例其中至少之一。

在一实施例中，上述装置还可以包括：减载单元，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比，使该光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

在一实施例中，该减载单元可以包括：计算器，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值；减法器，将该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值减去计算出的该直流链路电容的电压参考值；PID控制器，对该减法器的输出进行调节；PWM控制器，对该PID控制器的输出进行编码以得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，并将该开关控制占空比提供给该直流-直流变换器。

在一实施例中，该计算器可以通过下式(1)计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref：

其中，t_p表示根据该预定的低电压穿越要求在发生该电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间，P_r表示发生该电压下降时的最大有功功率输出标幺值，U_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电压，I_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电流的有功分量，C表示该直流链路电容的电容值，K表示动态调节系数。

在一实施例中，该逆变器控制单元可以包括：电流参考值计算单元，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref；dq解耦器，将该逆变器输出的电流转换为电流有功分量i_d和电流无功分量i_q；电压有功分量计算单元，根据下式(2)和(4)计算电压的有功分量U_d；以及电压无功分量计算单元，根据下式(3)和(4)计算电压的无功分量U_q，

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (3)

k_xpi＝k_xp+k_xi/s x∈{d,q} (4)

其中，V表示发生该电压下降时检测到的公共并网点的电压有效值，V_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时该公共并网点的电压有效值，I_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时的并网电流有效值，k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi，S表示拉普拉斯变换后的复数变量。

在一实施例中，该逆变器的输出可以满足下式(5)所示的动态模型：

该逆变器经过该PI控制器之后，通过下式(6)得到实际控制信号和

其中，u_gd和u_gq分别表示该逆变器输出的电压经过dq解耦之后的有功分量和无功分量，L表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效感性阻抗，R表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效电阻。

在一实施例中，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，可以将该逆变器的输出电流设定为原额定电流的1.1倍，该逆变器的电流无功分量处于到范围内，电流有功分量处于到的范围内，该逆变器的无功功率满足以及该逆变器的有功功率处于到的范围内，如下式(7)-(12)：

其中，K_s为无功补偿系数，U为该公共并网点的电压。

在一实施例中，当检测到公共并网点的电压下降超过10％时，该逆变器的电流无功分量满足下式(13)：

其中I_reactive表示产生的无功功率；U_rated和I_rated分别表示该光伏发电并网系统正常工作时的电压和电流；U_sag等于U_rated-U。

在一实施例中，上述装置还可以包括：最大功率点追踪控制器，利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，然后经过载波调制得到开关驱动信号提供给该直流-直流变换器以驱动该直流-直流变换器。

在一实施例中，该dq解耦器可以根据下列等式(14)-(16)对该逆变器的输出电流执行解耦处理：

其中，I_d和I_q分别表示该逆变器输出电流的有功和无功分量，I_a、I_b、I_c和I_m分别表示该逆变器输出的三相电流瞬时值及对称电流最大值，ωt表示该逆变器输出的a相电流参考相位，θ是该逆变器输出的电压相位角。

在一实施例中，上述装置还可以包括：前馈计算器，利用下式(17)计算该光伏发电并网系统正常工作时该光伏发电设备的最大功率点电流值：

I_{dref_offset}＝P_{PV_MPP}*K_vg (17)

其中，P_{PV_MPP}为该光伏发电设备的最大功率输出，K_vg表示该公共并网点的电压倒数；以及

寄存器，保存该光伏发电设备的最大功率点电流值，在该公共并网点的电压下降后该光伏发电并网系统又恢复正常工作时，读取该寄存器中的最大功率点电流值作为前馈控制该光伏发电设备迅速恢复到最大功率状态。

在一实施例中，该预定阈值可以为10％。

本发明的有益效果包括如下：

首先，在无额外设备引入前提下，通过低电压故障下中间端直流母线电容电压的动态控制和光伏发电减载协调控制，本发明可以有效保证电压跌落故障时光伏逆变器不会出现过压过流现象，而且可以使光伏阵列在故障中仍吸收更多的光能储存并在故障消除之后释放。已经验证，通过直流电容储能，可以将部分传统方案中损失的能量捕获并转化为电能输入电网，且在故障开始时提升直流母线参考电压可以有效缓解中间端电压过冲。

其次，故障中后级逆变器采用dq解耦的单环电流环控制，可以实现更快的动态响应。与传统方案不同，通过发挥直流侧电容电压的功率检测特性，减载的光伏阵列输出由后级电流环输出约束，避免了传统上由固定减载量控制的有功功率输出引起的有功功率输出误差。通过控制环的改变，本发明使用输出导向的控制方法，可以在低电压故障中捕获和传输更多的能量。

再次，通过对电网要求和电力电子设备容量的建模，本发明中逆变器有严格的电流有功分量和无功分量及功率限制，保证了系统和设备的安全和可靠。通过两个前馈环控制，本发明可以使逆变器输出迅速跟进光照、温度等环境变化以及可以实现故障消除后的快速恢复最大功率点追踪。

最后，本发明所提出光伏系统低电压穿越方案已经在三相配网系统中仿真验证成功并在实际单相微智能电网系统逆变器中实现。

附图说明

图1示出了不同国家及国际组织对大规模并网光伏系统低电压穿越的要求；

图2(a)-图2(c)示出了根据本发明一实施例100KW光伏三相并网系统的主拓扑图；

图3示出了光伏发电阵列的输出曲线随光照和温度变化的曲线；

图4示出了光伏并网逆变器正常工作时的控制框图；

图5示出了光伏并网系统低电压穿越的控制结构；

图6示出了不同动态调节系数下中间端直流母线电容的电压参考值变化；

图7示出了根据本发明实施例的光伏减载控制逻辑与传统方法的区别；

图8示出了考虑电力电子设备容量和电网要求的逆变器输出控制范围；

图9示出了新的输出控制范围较以往策略的优势；

图10示出了根据本发明实施例的光伏系统低电压穿越逆变器电流环控制框图；

图11示出了根据本发明实施例的光伏系统低电压穿越逆变器电流环控制频域响应图；

图12示出了根据本发明实施例的光伏系统低电压穿越前级直流变换器控制框图；

图13示出了根据本发明实施例的光伏系统低电压穿越前级变换器控制频域响应图；

图14示出了并网点电压跌落20％时的系统响应；

图15示出了并网点电压跌落60％时的系统响应；

图16示出了并网点电压跌落100％时的系统响应；

图17示出了硬件验证中微逆变器正常工作的设备图；

图18示出了硬件验证中电压跌落时光伏发电阵列减载结果图；

图19示出了硬件验证中电压跌落时逆变器输出并网电流图；

图20示出了硬件验证中电压跌落时逆变器中间端直流母线电容储能图。

图21示出了根据本发明实施例的控制装置的结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例。应当注意，这里描述的实施例仅用于举例说明，并不用于限制本申请的范围。

未来的电网有两个显著的特点：一个是微电网集成的分散式结构，另一个是由于可再生能源的高度波动和间歇性以及较小的惰性而导致的稳定性差。

以太阳能系统为例，过去，分布式太阳能系统可以在低压故障时自由地从主电网脱网。然而，随着近年来太阳能系统的普及率越来越高，低电压穿越(Low-Voltage-Ride-Through，LVRT)成为配电网要求的一种必要的能力，以帮助光伏(Photovoltaic，PV)逆变器在故障期间生存。早期的电网规程(如IEEE 1547-2003)要求光伏发电机在特定情况下应保持连接和单位功率因数，其只考虑有功功率。在2010年之后，修改后的电网规程还要求提供与电压跌落深度(depth of voltage sag)相对应的无功功率，以支持公共并网点(commoncoupling point，PCC)的电压恢复。

图1示出了不同电网规程的LVRT标准，其中列举了近几年来不同国家和国际组织针对大规模并网光伏系统低电压穿越所提出的硬性要求。如图中该要求所示，光伏并网逆变器仅可在电网电压跌落故障持续时间穿过黑线以下方可脱网运行，即，除非电网电压低于不同的标准(线)，否则太阳能逆变器是不允许从电网断开的。所有要求中最严格的一个要求来自德国，由德国能源和水行业协会(BDEW)和E.ON公司出版，其中在PCC电压为0p.u.的情况下，分布式光伏发电机应保持连接到电网达到至少150ms；在PCC电压为0.3p.u.的情况下，分布式光伏发电机应保持连接到电网达到至少625ms。同时，要求2％的额定功率作为每1％电压骤降的无功功率。无功功率支持有利于电网恢复。到目前为止，LVRT被认为是并网太阳能系统等可再生能源并网的最重要的功能之一。下述实施例均以该要求作为逆变器低电压穿越控制标准，但本发明不以此为限。此外，下述实施例均以太阳能并网为例进行说明，但本发明也不局限于此，而是可以适用于需要低电压穿越能力的各种并网系统中。

一般来说，LVRT能力有三个意义：防止PV逆变器的过压或过流问题；稳定发生故障的电力系统；以及支持电网恢复。为了避免破坏最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)并确保设备的安全，经常使用撬棍电路(crowbar circuit)与直流电容器并联，该撬棍电路作为保护电路，一旦发现电网故障，就可以将光伏面板与逆变器分开。还有一种改进的方法称为动态电阻器或斩波电路，其中电阻器可以消耗PV阵列产生的额外功率，以保证有功功率平衡，并有效地避免逆变器侧的过流和直流总线的过压。为了避免过多的能量作为热量消散，还开发了各种方法来利用超级电容器、化学电池的能量储存系统(ESS)或与其他资源(如风力涡轮机、燃料电池或EV(电动汽车))相结合，在故障期间吸收太阳能，以储存额外的能量。这些方法提高了能量转换效率，并能顺利地控制能量的释放。尽管上述策略能提供令人满意的LVRT性能，但它们需要安装额外的硬件或设备，这引起过度和不必要的成本，其改变了电路的原始拓扑结构并可能降低系统的可靠性。

因此，提出一种通过将逆变器输入切换到非MPPT操作模式的PV减载算法。还提出了一种电流幅值限制控制(current amplitude limitation control，CALC)，并与直流斩波器相结合，使电网能够根据电流限制不断地从光伏面板中提取功率。基于比例谐振(PR)或微分环，许多控制方法能最大限度地减小电网扰动的影响，并获得更好的暂态响应。

此外，还提出了一种基于单级逆变器的LVRT控制方案，该单级逆变器连接到单相电网并比较多个单相PLL(锁相环)的不同影响。然而，两级变换器对于MPPT算法的分层控制和功率控制来说更为方便和有效。另外，为了分别调节有功功率和无功功率，提出d-q解耦控制策略，其将控制信号从三维静止坐标系通过帕克(Park)变换变换到二维旋转坐标系。

还可以利用电压跌落深度来计算PV减载电流参考值，但由于环境参数的变化和PV输出曲线的非线性特性，在一定程度上该计算并不准确。还可以确定具有空间矢量运算的直接功率控制(DPC)和预测功率控制(PPC)。但这些策略只改变了逆变侧的控制方式，对减载参考值和能量采集并没有影响。还有一种采用交错并联升压(interleaved-boost)变换器的LVRT的多模式操作，以降低输入的波动。还可以降低直流链路的电压，以保持相对较高的调制比率，从而衰减注入电网的谐波，但在故障时仍需消耗过多的能量。

根据本公开的一实施例中，提供了一种控制方法，应用在光伏发电并网系统中，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流-直流变换器，连接到该光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到该直流-直流变换器；以及变压隔离设备，连接到该逆变器和公共并网点，该方法包括：当检测到该公共并网点的电压下降超过一预设阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例(即，无功电流注入比例)其中至少之一。

如图5所示，光伏发电并网系统包括：光伏发电设备10；直流-直流变换器30，连接到该光伏发电设备10；逆变器50，经由直流链路电容(即，直流母线电容)40连接到该直流-直流变换器30；以及变压隔离设备70，经由公共并网点(PCC)连接到该逆变器50，并接入主电网80。在图5中示出了两级型光伏并网变换器，包括前级直流-直流变换器30和后级逆变器50，但本发明不以此为限。

在图5中，光伏发电设备10为光伏发电阵列。

光伏发电设备10的输出经由平波电容20连接到直流-直流变换器30。该直流-直流变换器30可以为升压(Boost)变换器，其可以包括电感、晶体管开关、二极管，用于将从光伏发电设备10输出的直流电压进行升压并提供给中间端直流母线电容侧。使用升压型变换器的优势在于输入电流连续，可以减小控制和输出扰动。

升压后的直流电压经由直流链路电容40提供给后级逆变器50。例如，该逆变器50可采用三相全桥逆变器，通过六个开关管协调控制，实现从直流高压母线电压向公共并网点交流电压的转换，但逆变器50也可以采用其他类型。由于公共并网点的电压受到电网嵌位，三相输出逆变器的输出可以等效为电流源模式。为了实现电流的有功和无功分量的分离控制，逆变器50可以使用帕克变换方法将三相对称电压及电流转变为可控的dq两相解耦有功和无功电压分量以及有功和无功电流分量。电流变换公式如下(1)-(3)：

式中，I_d和I_q分别表示并网电流(即，逆变器输出电流)的有功和无功分量，I_a、I_b、I_c和I_m分别表示该逆变器输出的三相电流瞬时值及对称电流最大值，ωt表示该逆变器输出的a相电流参考相位，θ是该逆变器输出的电压相位角。电压变换公式与电流变换公式类似，在此不再赘述。

该逆变器50将接收的直流电压转换为交流电压并提供给三相滤波器60进行滤波。之后，经滤波的电压通过变压隔离设备70(例如变压器)提供给主电网80，从而实现光伏发电设备的并网。

如图5所示，从三相滤波器60输出的电压Ua、Ub和Uc经由锁相环(PLL)240后得到相位角θ。此外，该相位角θ以及该电压Ua、Ub和Uc被提供给dq解耦器140进行dq解耦，从而输出电压有功分量Ugd和无功分量Ugq到故障检测器150，进而检测出电压跌落深度。

在一示例中，上述的预设阈值可以为10％。也就是说，电网电压0.9p.u.-1.0p.u.是死区(dead band)，在此区域内不启动低电压穿越控制。而当跌落电压超过10％时，启动低电压穿越控制。

在一示例中，该预定的低电压穿越要求由相应电网规定。

以下先说明在光伏发电并网系统正常工作时的控制方法。

在光伏发电并网系统正常工作时，直流-直流变换器30可以使用改进的动态步长扰动观测法实现光伏发电设备在不同环境条件下的最大功率点追踪。动态步长扰动观测法可以有效加快光伏发电设备的最大功率点追踪速度，并减小稳态时的扰动，减小输出功率纹波。例如，前级直流-直流变换器30可以利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备10输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器30的电子开关的占空比信号，然后经过载波调制得到直流-直流变换器30的开关驱动信号。

当电网稳定工作时，两级型光伏并网变换器控制如图4所示。

在该光伏发电并网系统正常工作时，光伏发电设备10将输出电压U_PV和输出电流I_PV提供给MPPT算法器90，该MPPT算法器90基于此计算出最大功率点电流I_{PV_MPP}和最大功率点电压U_{PV_MPP}，最大功率点电流I_{PV_MPP}和输出电流I_PV经运算后被提供给第一PI(Proportional-Integrate，比例积分)控制器160进行调节，然后第一PI控制器160的输出提供给第一PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调节)控制器100进行调制。经过调制后的信号(即，开关控制占空比)D提供给直流-直流变换器30以控制直流-直流变换器30执行最大功率点追踪。

在先前控制中，故障期间所供应的有功功率基于以下等式(4)-(8)。根据电压暂降程度，将光伏发电设备的电流调节为固定值。

U_d＝k_dpi(i_d-k_upi(u_dc-u_dcref)) (4)

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (5)

k_xpi＝k_xp+k_xi/s x∈{u,d,q,D} (8)

根据本发明的实施例，在该光伏发电并网系统正常工作时，该逆变器50输出电流的有功分量采用外环电容电压、内环电感电流的双环控制，电流的无功分量采用单内环电感电流控制，并设定无功电流参考值为零，如上式(4)和下式(9)所示，以实现有功功率的更准确的参考值：

U_q＝k_qpi(i_q-0) (9)

式中，i_d、i_q和u_dc分别表示实际测量的电流有功分量、无功分量以及中间端电容电压测量值，u_dcref表示正常运行时电容电压参考值。k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi，x可为d、q和u。

以下说明在检测到该公共并网点的电压下降超过预定阈值时的控制方法。

当公共并网点出现电压跌落时，即，该公共并网点的电压下降超过一预定阈值(例如10％)时，光伏发电并网系统可自动采用本发明实施例中提供的低电压穿越方案，控制框图的转变如图5所示。

当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，该直流-直流变换器30取消使用最大功率点追踪算法，转为减载控制。例如，通过改变该直流-直流变换器30的开关控制占空比，使该光伏发电设备10工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

在一示例中，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比包括：根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref，并根据下面的等式(10)-(11)计算该直流-直流变换器的开关控制占空比D：

D＝k_Dpid(u_dc-u_dcref) (10)

k_Dpid＝k_Dp+k_Di/s+k_Dds (11)

其中，u_dc表示该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值，k_Dpid表示PID控制器，包括比例控制器k_Dp、积分控制器k_Di和微分控制器k_Dd，S表示拉普拉斯变换后的复数变量。

如图5所示，自适应电压计算器220根据所检测的该公共并网点的电压下降程度(即，电压跌落深度)来计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref，该电压参考值u_dcref和由直流链路电容40提供的u_dc经过处理后提供给PID 170，经过PID 170处理后提供直流-直流变换器的开关控制占空比D给第一PWM控制器100，进而提供信号以驱动直流-直流变换器30。

如前所述，前级DC-DC变换器从原本的最大功率点追踪算法转变为使用中间端直流母线电容电压环负反馈控制，以新计算出的动态电容电压值作为参考值，通过比例积分微分环节补偿得到控制开关管的占空比信号，经过三角载波调制后得到控制前级电力电子开关的驱动控制信号。

在一示例中，逆变器50可以根据电压跌落程度大小通过下式(12)-(13)得到直流链路电容40的新的电压参考值：

由等式(12)整理可得下式：

其中，t_p表示根据该预定的低电压穿越要求在发生该电压下降时该逆变器需保持连网的最长时间，P_r表示发生该电压下降时的最大有功功率输出标幺值，U_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电压，I_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电流的有功分量，C表示该直流链路电容的电容值，K表示动态调节系数。

如上所述，在低电压故障中，光伏发电设备采用减载控制，暂时取消最大功率点追踪算法，通过改变直流-直流变换器的开关控制占空比，使光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，减小光电转换功率输出。与以往策略不同，减载工作点由逆变器的有功功率控制决定。如图7所示，以光伏并网为例，实线示出的是相关技术中的控制逻辑方式，双点划线示出的是根据本发明实施例的控制逻辑方式。相关技术中依赖光伏减载的低电压穿越方案通过计算出的有功功率控制光伏发电阵列工作点，从而控制后级逆变器有功输出。然而，功率电子变换器转换效率一般在90％左右，实际的输出功率会出现一定幅度偏差，造成了资源的浪费。由下式(14)可知，直流母线电容电压可以反映前后两级(前级直流-直流变换器和后级逆变器)的功率偏差，即，有功功率不平衡受到直流链路的电压波动的影响。本公开通过直接控制输出有功功率参考值，前级直流-直流变换器的光伏减载点由输出负反馈控制，可以有效避免输出有功误差，充分发挥光伏阵列输出效率。

Cu_dcdu_dc/dt＝u_pvi_pv-3/2(u_gdi_d+u_gqi_q) (14)

对于以前的控制，计算所需的有功功率来调节发电设备的输入功率，通常是光伏阵列电流。从而，输出实际功率将随输入的变化而变化。然而，通过根据本发明实施例所提出的控制策略，发电机的输出有功功率由图8中示出的所提出的电网限制通过单回路逆变器控制直接决定。从光伏发电设备中提取的功率必须跟随逆变器输出的调节。值得注意的是，由于单PI回路，逆变器控制中实现了更快的响应。此外，从光伏发电设备吸收的能量也增加。因为根据以下三个因素，在以往的策略中有功功率参考值通常是不精确的：光伏阵列的非线性P-I特性，导致光伏电流控制中的偏差；电网故障期间的辐照度和温度的环境变化；在转换器中不可避免的功率损耗。在一些研究中，前两个因素可以通过功率反馈消除，但最后一个因素永远不会被消除。换言之，即使从光伏发电设备中提取的功率被精确控制，流入PCC的有功功率也低于与转换器效率相关的所需值，其通常为90％到95％之间。

通过上述直流链路电容电压参考值的改变，低电压故障中的部分能量损失能够被储存到电容构成的电场能量中。举例来讲，若动态调节系数K设置为0.1，则至少可以将以往控制策略中损失的10％的能量存储在电容中，并在故障消除后将该能量释放给电网。在不同的调节系数下，中间端电容电压参考改变见图6。

在图6中，DC链路的正常电压是750V。可以通过自适应直流链路电压的参考值而获得两大主要优势。首先，从光伏发电设备中吸收和储存更多的能量，而不需要例如超级电容器或电池那样的储能系统。当k等于0.1时，在电网故障期间，原策略中至少有10％的浪费能量将保存在电容器中。其次，直流链路上的协调控制能有效地抑制在电压跌落时的超调(overshoot)，并降低电压波动，这有利于系统的稳定。

在一示例中，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电压的有功分量和无功分量可以包括：根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref，并根据如下等式(15)-(17)计算电压的有功分量U_d和无功分量U_q：

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (16)

k_xpi＝k_xp+k_xi/sx∈{d,q} (17)

其中，V表示发生该电压下降时检测到的公共并网点的电压有效值，V_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时该公共并网点的电压有效值，i_d表示该逆变器输出电流的有功分量，i_q表示该逆变器输出电流的无功分量，I_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时的并网电流有效值，k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi。

如上所示，在并网点出现低电压故障到恢复过程中，前后两级电力电子变换器的控制环路将发生改变。后级逆变器对dq解耦后的电流有功分量和电流无功分量分别进行控制。具体步骤如下：逆变器50在低电压故障中根据电网要求和电力电子器件容量的共同限制，分别计算出新的电流有功分量参考值和无功分量参考值i_d ^ref和i_q ^ref；然后并网电感电流有功分量和无功分量测量值与参考值误差通过比例积分环节和限幅环节得到控制逆变器50的开关矢量占空比，再经过SPWM调制器得到控制逆变器50的电力电子开关驱动信号。

如图5所示，该逆变器50的输出电流I_a,I_b和I_c经过dq解耦器120进行解耦后得到有功电流分量I_d和无功电流分量I_q。另外，电流参考值计算器230可以根据BDEW规定和提议的操作限制(如图8所示)以及由故障检测器150检测的电压跌落深度来计算电流有功分量参考值I_dref和电流无功分量参考值I_qref。电流有功分量I_d和电流有功分量参考值I_dref输入PI控制器190进行处理得到电压有功分量U_d，电流无功分量I_q和电流无功分量参考值I_qref输入PI控制器200进行处理得到电压无功分量U_q。该电压有功分量U_d和电压无功分量U_q被输入到dq解耦器130处理为三相电压信号，之后该三相电压信号被提供到PWM控制器110进行脉冲宽度调制得到驱动信号，该驱动信号被提供给逆变器50以对逆变器50进行控制。

在一示例中，该逆变器50的输出可以满足下式(18)所示的动态模型：

该逆变器50经过PI控制器190和200之后，通过下式(19)的补偿环节得到实际控制信号和

其中，u_gd和u_gq分别表示该逆变器输出的电压经过dq解耦之后的有功分量和无功分量，L表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效感性阻抗，R表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效电阻。

在一示例中，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，逆变器50可以主动使输出视在电流值设定为原额定电流的1.1倍，以满足无功补偿要求和有功功率输出。该逆变器应满足如下式(20)-(25)所限制的有功无功电流及功率操作范围。即，该逆变器的电流无功分量处于到范围内，电流有功分量处于到的范围内，该逆变器的无功功率满足以及该逆变器的有功功率处于到的范围内：

其中，K_s为无功补偿系数，U为该公共并网点的电压。

在上式中，电压电流均采用以正常工作时额定电压电流为标准的标幺值。

在一示例中，当检测到公共并网点的电压下降超过10％时，该逆变器50的电流无功分量可以满足下式(26)：

其中，I_reactive表示产生的无功功率；U_rated和I_rated分别表示该光伏发电并网系统正常工作时的电压和电流；U_sag等于U_rated-U，K_s为无功补偿系数。

在考虑电力电子器件容量和电网要求的结合控制后，逆变器50输出的操作范围可由图8所示，其中，不同图片中相同灰度代表相同操作点，灰度越深表示有功输出越多，相反，表示无功输出越多。

新的输出控制范围较以往策略可以输出更多有功电流，亦即有功功率，见图9所示。

在一示例中，如图4所示，结合图5，最大功率点电压U_{PV_MPP}被提供给最大功率点电流值计算器210，该最大功率点电流值计算器210利用下式(27)计算最大功率点电流值，并将其保存在寄存器240中：

I_{dref_offset}＝P_{PV_MPP}*K_vg (27)

其中，P_{PV_MPP}为该光伏发电设备的最大功率输出，比例因子K_vg与PCC电压的倒数有关，例如K_vg表示该公共并网点的电压倒数。P_{PV_MPP}仅在光照或温度等出现大幅波动时更新。在正常工作过程中，逆变器的电流控制可以实现对环境参数变化的快速响应。

通过该光伏发电并网系统正常工作时该光伏发电设备的的原始条件(包括输出电压和电流)记录在寄存器中，即，使用寄存器记录光伏发电并网系统正常工作时光伏发电设备的最大功率点电流值。在电网经历电压跌落故障之后再次恢复正常运行时，光伏发电设备的当前参考值将被设置为寄存器中的值，即，可将之前记录在寄存器240中的原最大功率点电流作为前馈信号控制前级直流-直流变换器快速回到最大功率点运行。

由上可见，当系统并网点的电压传感器(图中未示出)检测到公共并网点出现电压跌落时，逆变器50可以通过判断电压跌落程度自发主动地重新改变前级变换器30和后级逆变器50的控制方法，根据严格电网要求和电力电子设备容量共同要求重新分配设定传输入电网的有功和无功电流指令i_d ^ref和i_q ^ref来实现并网有功功率和无功功率的控制。逆变器50在故障中通过中间端直流电容40电压的动态调节和光伏发电设备减载控制储存和限制逆变器的有功输出。在低电压故障中，前级控制信号由中间端直流电容40的电压测量与参考偏差通过补偿环节控制，后级控制信号dq解耦后的单一电流环补偿控制。

后级有功功率控制由双环耦合控制转变为单电流内环控制，通过对并网点电压跌落程度检测及严格电网规定要求得到有功及无功电流控制参考值i_d ^ref和i_q ^ref。

在不引入更多设备装置的前提下，为了降低光伏发电设备侧减载控制带来的能量损失，在低电压故障中，逆变器可以采用中间端直流电容动态电压控制和光伏发电设备减载协调控制。

下式(28)-(29)以及图10、图11、图12和图13示出了新的低电压控制方案两级变换器小信号控制模型、开环传递函数以及频域响应波形，为两级光伏逆变器控制环路参数设计提供参考。

上式(28)中逆变器并网采用LCL三阶滤波器，L_f,L_g,C,R分别表示逆变器侧电感，网侧电感，滤波电容和电容串联阻尼；T_s表示PWM的信号采样延时和惯性特性；k_pwm表示PWM增益；k_d,qp,k_d,qi表示逆变器电流环比例积分控制参数。上式(29)中采用boost变换电路开关周期平均模型，L_b,C_dc,R_e分别表示等效电感，电容和电阻；K_Dp,K_Di,K_Dd表示DC-DC变换电路比例积分微分控制参数；K_sample,V_pwm,D分别表示直流反馈采样比例，PWM调制比例和占空比。

本公开还提供一种控制装置，应用在光伏发电并网系统中。如图21所示，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备10；直流-直流变换器30，连接到该光伏发电设备10；逆变器50，经由直流链路电容40连接到该直流-直流变换器30；以及变压隔离设备60，经由公共并网点(PCC)连接到该逆变器50，并接入主电网80，该控制装置包括：逆变器控制单元300，当检测到该公共并网点的电压下降超过一预定阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例其中至少之一。

在一示例中，该控制装置还包括：减载单元400，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比，使该光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

在一示例中，该减载单元包括：计算器，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值；减法器，将该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值减去计算出的该直流链路电容的电压参考值；PID控制器，对减法器的输出进行调节；PWM控制器，对该PID控制器的输出进行编码以得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，并将该开关控制占空比提供给该直流-直流变换器。

在一示例中，该计算器通过上面的等式(12)计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref。

在一示例中，该逆变器控制单元包括：电流参考值计算单元，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref；dq解耦器，将该逆变器输出的电流转换为电流有功分量i_d和电流无功分量i_q；电压有功分量计算单元，根据上面的等式(15)计算电压的有功分量U_d；以及电压无功分量计算单元，根据上面的等式(16)计算电压的无功分量U_q，

在一示例中，该控制装置还可以包括：最大功率点追踪控制器，利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，然后经过载波调制得到开关驱动信号提供给该直流-直流变换器。

在一示例中，该dq解耦器根据上面等式(1)-(3)对该逆变器的输出执行处理。

在一示例中，该控制装置还可以包括：计算器，在该光伏发电并网系统正常工作时，利用上面的等式(27)计算最大功率点电流值；以及寄存器，保存该最大功率点电流值。

本公开以不引入任何额外装置设备且满足故障中电网无功要求为核心出发点，将提出一整套协调控制的低电压穿越方案，并明确指出在电力电子设备容量和电网要求的共同约束下电网故障中光伏装置的操作范围。考虑到两级逆变器的中间端直流电容的能量存储潜力，本发明通过该电容的动态电压控制和光伏阵列的减载控制协调配合，成功消除了低电压故障中的过流过压现象，防止器件损坏和系统连锁反应，保障了故障过程中电力系统的稳定性，并捕获和存储了更多光能。从控制层面，本发明有效加快了故障过程中系统响应速度，在满足系统所需无功补偿的前提下，缓解了电压暂态过冲并提供了更加精确的有功功率控制，实现了光伏发电高渗透率下电力系统的低电压穿越。

本发明公开了一种两级型光伏逆变并网系统在发生公共并网点电压跌落故障时的低电压穿越方案。该方案可以避免传统上光伏逆变器故障时脱网的情况，并可以最大限度地增加光伏发电装置对电网的有功功率输入以及无功功率补偿。该方法通过直流母线电容电压动态调整和光伏阵列减载控制的协调配合，保证了故障过程中无过压过流现象的发生，同时有效地吸收和存储了部分原本浪费的光能并可以缓解直流电压过冲。控制拓扑上，后级DC-AC变流器在低电压穿越中由原本的外环电压内环电流控制转变为基于dq解耦的单电流环控制，加快了系统响应速度。方法提出将前级DC-DC变流器在低电压穿越中由最大功率点追踪控制转变为直流母线电压反馈控制，从根本上保证了故障中输出有功功率分量的精准控制。另外，该方案通过前馈控制加快了故障恢复过程。本发明方案在光伏三相并网及单向并网系统均可实施并充分发挥作用。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

首先，本发明采用了一种新颖的自适应直流链路电压调节和PV减载的同步控制，使直流链路的电压灵活。换句话说，在电网电压骤降时，增加电压调节参考值，以便在故障期间吸收和保留更多的太阳能。

其次，通过将直流链路反馈信号改变为DC-DC变换器控制回路，引入了一种更有效的故障期间的控制逻辑，用以实现在最小化参考误差的情况下，进行更精确的功率控制。此外，故障下新的控制回路可以最大限度地提高电网的有功功率，而不考虑电路损耗，并提高系统的动态响应。

第三，提出并说明了最严格的电网规程和电力电子元件的工作限制，以保证电力系统的安全稳定。

第四，采用两个前馈控制来加快系统的恢复过程。

以下使用光伏发电阵列作为光伏发电设备的实例，给出使用MATLAB Simulink进行仿真的说明。

该光伏发电阵列可由光伏发电模块通过并串联得到，每个光伏模块的最大输出功率约为245W，光伏阵列包括21条并联电路，每条并联电路包括20个串联模块。整个光伏发电阵列的总功率为100KW左右，最大功率点电压为589.8V，最大功率点电流为174.51A。光伏发电阵列的P-V以及I-V曲线随环境变化如图3所示。图3中的(a)示出了光伏发电阵列随着温度而变化的电流-电压曲线；图3中的(b)示出了光伏发电阵列随着太阳光辐射能(光照)变化的电流-电压曲线；图3中的(c)示出了光伏发电阵列随着温度变化的功率-电压曲线；图3中的(d)示出了光伏发电阵列随着太阳光辐射能变化的功率-电压曲线。

仿真参数如下表1所示。

参数	数值
		逆变器输入端电容	C<sub>in</sub>＝150μF
直流母线电容	C<sub>dc</sub>＝30mF
		输出滤波器	L<sub>f</sub>＝510μH,R<sub>f</sub>＝660μΩ,LR滤波器
最大功率点	100KW
		并网点电压有效值	220V,50Hz(三相)
DC-链路电容额定电压	750V
		开关频率	20KHz
仿真环境	STC(1000W/m<sup>2</sup>,25℃)

表1

根据图1中德国的LVRT操作的最严格时间限制来仿真三种电网故障，即，仿真并网点存在三个电压跌落故障，分别跌落到0.8p.u.，0.4p.u.以及0p.u.，故障时间分别为1.35s，0.77s和0.1s。仿真结果如图14、图15和图16所示。基于上面等式(13)的太阳能储能采用更高的直流链路电压。故障期间有功电流和无功电流参考值由图8中所提出的限制来决定。

以下说明100W微逆变器硬件验证。

本发明在120VA智能逆变器样机上实验验证。这种智能逆变器在实验室中可以在单个铜铟镓硒(CIGS)太阳能面板上实施。采用这种微型智能逆变器的太阳能电池板能有效地抑制因局部阴影环境而造成的能量损耗，在此前提下，传统的串级逆变器必须牺牲部分功率。同时，根据光伏面板的不同固有状态和老化情况，微逆变器可提供更精确的控制。表2显示了CIGS模块的电源规格。

元件	规格
		P<sub>mpp</sub>	95W
尺寸	1200*600*19mm

表2

该电路是两级微逆变器，由用于最大功率点跟踪的主升压变换器和用于功率调节的辅助双降压单相逆变器组成。采用二阶广义积分器锁相环(SOGI-PLL)。详细的电路参数在表3指定。实验环境在图17中示出。

输入太阳能发电可以由作为光伏模拟器的CIGS太阳能面板或色度可编程电源62150H产生。逆变器的输出连接到色度可编程AC源61511，其可以产生基于时间的电压骤降作为电网故障。控制算法嵌入到来自Texas仪器的TMS320F28035数字信号处理器。通过笔记本电脑，利用代码编写器(CCS)和示波器对操作参数进行修改和监控。当电网正常工作时，最大功率点被持续跟踪，而不管图17中示出的辐射或温度变化。

当电网电压跌落时，由于电力电子器件的电流限制，逆变器输出功率受到限制。为了保持逆变器的有功功率平衡，从发电机的输入端采用太阳能缩减。根据DC-DC变换器直流链路控制以及逆变器的功率调节之间的解耦设计，逆变器的有功功率调节决定了稳态减载位置。选择0.63p.u.电网电压故障来评估智能逆变器的性能。下面的图17介绍了太阳能的输入，即CIGS太阳能电池板或太阳能模拟器，并说明了减载结果。

本发明不仅适用于大规模光伏并网系统的低电压穿越控制，也同样适用于微电网中微逆变器的控制。微电网，尤其是智能微电网，已经成为当下科研和工业界热门研究课题。针对未来社会中的分布式发电设备，智能微电网的研究可以提高电能利用效率，提升电网稳定性，可靠性。智能微逆变器是将分布式光伏设备接入电网的关键设备，具有安装维护方便，控制多元化，稳定性高等主要优点，并可以有效解决光伏发电阵列部分遮光引起的光能浪费问题。

针对未来新能源高渗透率的分布式电网结构引起的低惯性，并网点短路容量小等问题，智能微逆变器应当具备协助光伏发电装置低电压穿越能力。本发明已经在100W微逆变器上实施成功，电路参数如下表3所示。

表3

电路包括光伏发电设备输入，智能微逆变器，电网接入点。其中光伏发电可以用单晶硅或薄膜型光伏板，也可以用Chroma的可编程直流电源62150H输出光伏功率曲线。输出电网接入点可以直接接入主电网，但是，为了得到实时可控的电网电压，可以使用Chroma的可编程交流电源61511。微逆变器为两级型变换器，前级为反激变换器，提供隔离升压控制，并实现最大功率点追踪。后级为双Buck型单相并网逆变器。逆变器控制上采用电流源输出控制方法，应用SOGI-PLL的方法得到单相电流的dq解耦结果，即与电网电压同相位的有功电流部分和与电网电压相差90°的无功电流部分。通过前实施例中的控制方法，光伏单相微逆变器也可以具备低电压穿越能力，控制芯片可以采用TI公司的DSP28035。

在上述情况下，在故障期间，额定有功功率应减少36％左右。通过所提出的控制结构，太阳能电池板的输入功率将随输出有功功率的变化而变化。在图18的右侧，实现了减载并在计算机上监控减载，其中圆点显示太阳能电池输出的工作点。

在电网电压骤降期间，提供相应的无功功率，以支持电网电压的恢复。在上述情况下，电网输出电压和电流在图19中示出。通道1测量电网电压，而通道2是在时域中测量电网电流的电流探针。当电网电压跌落时，输出电感的电流在1.1p.u.额定电网电流下调节，其由所要求的无功电流和有功电流组成。在振荡器中，电网电压信号与电网电流信号之间可见相位差，如图19所示。

为降低故障中浪费的太阳能，同时采用具有减载控制的电容器的自适应直流链路电压，如图20所示。

通道1显示具有偏移的直流链路电容电压，而通道2是测量PV输出电流的电流探头。当电网处于正常状态时，第一级变换器采用具有扰动的最大功率点算法。在电压跌落的情况下，光伏电流基准是由直流链路电压控制回路输出产生的，这被证明比精确的控制方案更精确。同时，增加了直流链路电压的电压参考值，使电容器储能，该能量可在电网故障后释放。

微逆变器正常工作、低电压穿越时光伏发电阵列减载控制、输出并网电流以及中间端直流母线电容储能分别如图17、图18、图19和图20所示。

低电压穿越能力是未来电网系统稳定的必要条件，可广泛应用于各种情况，包括但不限于：

·具有可再生发电机的高渗透力的电力系统，像太阳能发电厂；

·具有智能电网集成的电力系统；

·海上岛屿电网系统。

本发明提出的LVRT方案可以实现在，但不限于：

·与太阳能光伏阵列连接的串行逆变器；

·与单个太阳能电池板相连的微型智能逆变器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种控制方法，应用在光伏发电并网系统中，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流-直流变换器，连接到该光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到该直流-直流变换器；以及变压隔离设备，经由公共并网点连接到该逆变器，并接入主电网，该方法包括：

当检测到该公共并网点的电压下降超过一预定阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器的输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例其中至少之一。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比，使该光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比包括：

根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref，并根据下面的等式(1)和(2)计算该直流-直流变换器的开关控制占空比D：

D＝k_Dpid(u_dc-u_dcref) (1)

k_Dpid＝k_Dp+k_Di/s+k_Dds (2)

其中，u_dc表示该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值，k_Dpid表示PID控制器，包括比例控制器k_Dp、积分控制器k_Di和微分控制器k_Dd，s表示拉普拉斯变换后的复数变量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过下式(3)计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref：

其中，t_p表示根据该预定的低电压穿越要求在发生该电压下降时该逆变器需保持连网的最长时间，P_r表示发生该电压下降时的最大有功功率输出标幺值，U_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电压，I_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电流的有功分量，C表示该直流链路电容的电容值，K表示动态调节系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量包括：

根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref，并根据如下等式(4)-(6)计算电压的有功分量U_d和无功分量U_q：

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (5)

k_xpi＝k_xp+k_xi/sx∈{d,q} (6)

其中，V表示发生该电压下降时检测到的公共并网点的电压有效值，V_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时该公共并网点的电压有效值，i_d表示该逆变器输出电流的有功分量，i_q表示该逆变器输出电流的无功分量，I_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时的并网电流有效值，k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，该逆变器的输出满足下式(7)所示的动态模型：

该逆变器经过该PI控制器之后，通过下式(8)得到实际控制信号和

其中，u_gd和u_gq分别表示该逆变器输出的电压经过dq解耦之后的有功分量和无功分量，L表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效感性阻抗，R表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效电阻。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，将该逆变器的输出电流设定为原额定电流的1.1倍，该逆变器的电流无功分量处于到范围内，电流有功分量处于到的范围内，该逆变器的无功功率满足以及该逆变器的有功功率处于到的范围内，如下式(8)-(13)：

其中，K_s为无功补偿系数，U为该公共并网点的电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当检测到公共并网点的电压下降超过10％时，该逆变器的电流无功分量满足下式(14)：

其中I_reactive表示产生的无功电流分量；U_rated和I_rated分别表示该光伏发电并网系统正常工作时的电压和电流；U_sag等于U_rated-U。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在该光伏发电并网系统正常运行时，该直流-直流变换器执行最大功率点追踪控制，利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，然后经过载波调制得到开关驱动信号以驱动该直流-直流变换器。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在该光伏发电并网系统正常运行时，该逆变器保持恒定为1的功率因数输出功率，该逆变器通过下式(15)-(17)中的帕克变换和反帕克变换，执行电流信号的dq解耦：

其中，I_d和I_q分别表示该逆变器输出电流的有功和无功分量，I_a、I_b、I_c和I_m分别表示该逆变器输出的三相电流瞬时值及对称电流最大值，ωt表示该逆变器输出的a相电流参考相位，θ是该逆变器输出的电压相位角。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，利用下式(18)计算该光伏发电并网系统正常工作时该光伏发电设备的最大功率点电流值并将其保存在寄存器中：

I_{dref_offset}＝P_{PV_MPP}*K_vg (18)

其中，P_{PV_MPP}为该光伏发电设备的最大功率输出，K_vg表示该公共并网点的电压倒数，

在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值后该光伏发电并网系统又恢复正常工作时，读取该寄存器中的最大功率点电流值作为前馈控制该光伏发电设备迅速恢复到最大功率状态。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，该预定阈值为10％。

13.一种控制装置，应用在光伏发电并网系统中，该光伏发电并网系统包括：光伏发电设备；直流-直流变换器，连接到该光伏发电设备；逆变器，经由直流链路电容连接到该直流-直流变换器；以及变压隔离设备，经由公共并网点连接到该逆变器，并接入主电网，该控制装置包括：

逆变器控制单元，当检测到该公共并网点的电压下降一预定阈值时，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求来计算该逆变器输出电流的有功分量和无功分量，并将计算出的电流的有功分量和无功分量反馈给该逆变器，其中该低电压穿越要求包括在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时该逆变器需保持连网的最长时间以及所需提供的无功电流比例其中至少之一。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括：

减载单元，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，改变该直流-直流变换器的开关控制占空比，使该光伏发电设备工作在偏离最大功率的操作点，从而减小功率输出。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，该减载单元包括：

计算器，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度来计算该直流链路电容的电压参考值；

减法器，将该直流链路电容在发生该电压下降前的电压测量值减去计算出的该直流链路电容的电压参考值；

PID控制器，对该减法器的输出进行调节；

PWM控制器，对该PID控制器的输出进行编码以得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，并将该开关控制占空比提供给该直流-直流变换器。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，该计算器通过下式(1)计算该直流链路电容的电压参考值u_dcref：

其中，t_p表示根据该预定的低电压穿越要求在发生该电压下降时该逆变器需保持连网的最长时间，P_r表示发生该电压下降时的最大有功功率输出标幺值，U_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电压，I_rated表示该光伏发电并网系统正常工作时该公共并网点的电流的有功分量，C表示该直流链路电容的电容值，K表示动态调节系数。

17.根据权利要求13所述的装置，其中，该逆变器控制单元包括：

电流参考值计算单元，根据所检测的该公共并网点的电压下降程度和预定的低电压穿越要求计算电流有功分量参考值i_d ^ref和电流无功分量参考值i_q ^ref；

dq解耦器，将该逆变器输出的电流转换为电流有功分量i_d和电流无功分量i_q；

电压有功分量计算单元，根据下式(2)和(4)计算电压的有功分量U_d；以及

电压无功分量计算单元，根据下式(3)和(4)计算电压的无功分量U_q，

U_q＝k_qpi(i_q-2(1-V/V_rated)I_rated) (3)

k_xpi＝k_xp+k_xi/sx∈{d,q} (4)

其中，V表示发生该电压下降时检测到的公共并网点的电压有效值，V_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时该公共并网点的电压有效值，I_rated表示该光伏发电并网系统正常运行时的并网电流有效值，k_xpi表示PI控制器，包括比例控制器k_xp和积分控制器k_xi，s表示拉普拉斯变换后的复数变量。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，该逆变器的输出满足下式(5)所示的动态模型：

该逆变器经过该PI控制器之后，通过下式(6)得到实际控制信号和

其中，u_gd和u_gq分别表示该逆变器输出的电压经过dq解耦之后的有功分量和无功分量，L表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效感性阻抗，R表示该逆变器的单相输出与该公共并网点连接的等效电阻。

19.根据权利要求13所述的装置，其中，当检测到该公共并网点的电压下降超过该预定阈值时，该逆变器的输出电流被设定为原额定电流的1.1倍，该逆变器的电流无功分量处于到范围内，电流有功分量处于到的范围内，该逆变器的无功功率满足以及该逆变器的有功功率处于到的范围内，如下式(7)-(12)：

其中，K_s为无功补偿系数，U为该公共并网点的电压。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，当检测到公共并网点的电压下降超过10％时，该逆变器的电流无功分量满足下式(13)：

其中I_reactive表示产生的无功功率；U_rated和I_rated分别表示该光伏发电并网系统正常工作时的电压和电流；U_sag等于U_rated-U。

21.根据权利要求13所述的装置，还包括：最大功率点追踪控制器，利用电压电流传感器实时采样该光伏发电设备输出的电压和电流信号，通过扰动观测法或爬坡法得到该直流-直流变换器的开关控制占空比，然后经过载波调制得到开关驱动信号提供给该直流-直流变换器以驱动该直流-直流变换器。

22.根据权利要求17所述的装置，其中，该dq解耦器根据下列等式(14)-(16)对该逆变器的输出电流执行解耦处理：

其中，I_d和I_q分别表示该逆变器输出电流的有功和无功分量，I_a、I_b、I_c和I_m分别表示该逆变器输出的三相电流瞬时值及对称电流最大值，ωt表示该逆变器输出的a相电流参考相位，θ是该逆变器输出的电压相位角。

23.根据权利要求13所述的装置，还包括：

前馈计算器，利用下式(17)计算该光伏发电并网系统正常工作时该光伏发电设备的最大功率点电流值：

I_{dref_offset}＝P_{PV_MPP}*K_vg (17)

其中，P_{PV_MPP}为该光伏发电设备的最大功率输出，K_vg表示该公共并网点的电压倒数；以及

寄存器，保存该光伏发电设备的最大功率点电流值，在该公共并网点的电压下降超过该预定阈值后该光伏发电并网系统又恢复正常工作时，该寄存器中的最大功率点电流值被读取作为前馈控制该光伏发电设备迅速恢复到最大功率状态。

24.根据权利要求13所述的装置，其中，该预定阈值为10％。