CN110994628A - 一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，包含以下步骤：在锁相环中增加滤波器来获取电网基波正序分量；高穿发生瞬间对逆变电压电流环进行清积分封波处理；高穿发生后将母线电压指令值进行切换；根据电网升高高度发无功支撑电网恢复；对于Boost控制，在高穿时PV电流环的指令值由PV电压环的输出切换为高穿前的PV电流值；本发明专利可以有效减小高电压穿越过程的冲击电流，保证直流母线电压在高电压穿越过程的稳定和可靠，在高穿过程中发出无功电流支撑电网恢复，并保持高穿前后有功基本不变。

Description

一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及两级式光伏逆变器技术领域，具体涉及一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法。

背景技术

光伏逆变器是光伏发电系统的重要组成部分，两级式光伏逆变器一般由Boost升压电路和逆变电路组成，Boost电路将光伏阵列输出的低压升高成稳定的高压直流电，再经逆变电路转换为交流电，将能量送入电网。

高电压穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)是指当电力系统事故或扰动引起光伏逆变器交流出口侧电压升高时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏逆变器能保证不脱网连续运行，并发出动态无功，支持电网恢复。

两级式光伏逆变器具备可靠高电压穿越能力需要解决的关键问题主要包括电网有功、无功电流的控制以及直流母线电压的控制。现有技术多对电网电压升高不做特殊处理，存在逆变器冲击电流大、直流母线电压波动大、无功电流支持等问题。

因此，本领域技术人员需要一种两级式光伏逆变器高电压穿越的控制方法，能够在高电压穿越过程中稳定直流母线电压，并且向电网注入所需无功功率。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，通过对电网电压基波分量提取、正负序分离，快速更新母线基准值，高电压穿越发生瞬间封波处理，控制母线电压环、PV电流环、逆变母线电压环、逆变电流环，避免冲击电流、母线波动，提供快速无功支撑。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，两级式光伏逆变器由光伏阵列、前级Boost升压电路、后级逆变电路和电网组成；所述前级 Boost升压电路中的Boost1～BoostN分别与光伏阵列中的光伏阵列1～光伏阵列N串联连接，各Boost升压电路的输出端汇流输出至直流母线，直流母线的输出端与后级逆变电路的输入端相连接，后级逆变电路的输出端直接连接电网；该两级式光伏逆变器将光伏阵列输出的低压通过前级BOOST 升压电路升高成稳定的高压直流电后汇流到直流母线上，后级逆变电路将直流母线的高压直流电逆变为交流电后送入电网；

所述两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法包括逆变电路高电压穿越控制方法和Boost升压电路高电压穿越控制方法；

所述逆变电路高电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采样后级逆变电路三相电网侧电压u_a、u_b、u_c，对三相电网电压进行滤波，得到只含有基波分量的三相电网侧电压u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}；

步骤2：将步骤1得到的u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}进行abc->dq坐标变换得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，对d轴电压u_d和q轴电压u_q进行滤波得到d 轴电压的正序分量u_{d_Pos}和q轴电压的正序分量u_{q_Pos}；

步骤3：根据步骤2得到的d轴电压正序分量u_{d_Pos}判断是否要进入高电压穿越模式，若u_{d_Pos}>1.1U_N，U_N为额定电网电压，进入高电压穿越模式控制，执行步骤4至步骤9，否则不进入高电压穿越模式；

步骤4：进入高电压穿越模式，首先将逆变电路中逆变电压环和逆变电流环的积分量清除，封波持续5ms；

步骤5：直流母线电压参考值u_BusRef调整，u_BusRef最小值调整为u_{d_Max}+Δu， u_{d_Max}为电网电压d轴分量20ms内的最大值，Δu为逆变电路中电感和开关管的等效压降；

步骤6：直流母线电压环的比例调节系数K_{p_Ubus}调整为高电压穿越前的 10倍；

步骤7：直流母线电压参考值u_BusRef与直流母线电压采样值u_Bus之差经 PI调节后得出逆变电流环d轴指令值i_dRef；

步骤8：由公式i_qRef＝K×(1.1-u_{d_Pos}/U_N)×I_N计算逆变电路中逆变电流环q 轴指令值i_qRef，其中I_N为逆变器额定输出电流，K为比例系数，取值范围为0～1.5；

步骤9：将步骤7和步骤8得到的i_dRef和i_qRef作为逆变电流环给定，i_dRef、 i_qRef分别与d轴反馈值i_d、q轴电流反馈值i_q做差后经PI调节后计算出逆变电路输出的PWM调制信号；

所述Boost升压电路高电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：进入高电压穿越模式，停止最大功率跟踪MPPT扰动；

步骤2：Boost升压电路封波，光伏阵列PV电流环清积分，持续5ms；

步骤3：为保持输出功率不变，光伏阵列PV电流环指令值i_PvRef由光伏阵列PV电压环输出改为高电压穿越前的光伏阵列PV电流滤波值；

步骤4：为快速恢复输出功率，将光伏阵列PV电流环的比例调节系数K_{p_Ipv}和PV电流环的积分调节系数K_{i_Ipv}调整为不进入高电压穿越模式下的 10倍；

步骤5：光伏阵列PV电流指令值i_PvRef与光伏阵列PV电流反馈值i_Pv之差经PI调节后算出Boost升压电路PWM占空比。

所述逆变电路高电压穿越控制方法的步骤1中使用带通频率为50Hz 的滤波器对三相电网电压进行滤波。

所述逆变电路高电压穿越控制方法的步骤2中对d轴电压u_d和q轴电压u_q使用带阻频率为100Hz的带阻滤波器进行滤波得到d轴电压的正序分量u_{d_Pos}和q轴电压的正序分量u_{q_Pos}。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)高电压穿越发生时，采用了封波处理，有效的减小了冲击；

2)高电压穿越发生时，通过对母线电压指令值进行调整，同时对直流母线电压环比例调节系数进行调整，保证了三相对称及不对称高电压穿越过程中母线电压的稳定性；

3)提供无功电流支持电网恢复。

4)高电压穿越发生后，boost升压电路高电压穿越控制方法中对PV 电流环指令值和PV电流环PI调节系数进行了相应的调整从而保证了高电压穿越发生前后有功功率基本不变。

附图说明

图1两级式光伏逆变器的系统框图。

图2两级式光伏逆变器逆变电路高电压穿越的控制流程。

图3两级式光伏逆变器Boost电路高电压穿越控制流程。

图4三相电网电压升高为1.3倍高电压穿越时的电网电压、电网电流、有功和无功功率、母线电压波形。

图注：Ug：电网电压，Ig：电网电流，PQ：有功功率与无功功率， DcBus：直流母线电压。

图5两相电网电压升高为1.3倍高电压穿越时的电网电压、电网电流、有功和无功功率、母线电压波形。

图注：Ug：电网电压，Ig：电网电流，PQ：有功功率与无功功率， DcBus：直流母线电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为两级式光伏逆变器的系统框图，如图所示，Boost1～BoostN分别与光伏阵列1～光伏阵列N串联连接，各Boost升压电路的输出端汇流输出至直流母线，直流母线的输出端与后级逆变电路的输入端相连接，后级逆变电路的输出端直接连接电网。该两级式电路将光伏阵列输出的低压通过Boost升压电路升高成稳定的高压直流电后汇流到直流母线上，后级逆变电路将直流母线的直流电逆变为交流电后送入电网。

图2为两级式光伏逆变器逆变电路高电压穿越时的控制流程，如图所示：

步骤1：采样后级逆变器三相电网侧电压u_a、u_b、u_c，使用带通频率为 50Hz的滤波器对三相电网电压进行滤波，得到只含有基波分量的电网电压 u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}；

步骤2：将步骤1得到的u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}进行abc->dq坐标变换得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，对d轴电压u_d和q轴电压u_q使用带阻频率为100Hz的带阻滤波器进行滤波得到d轴电压的正序分量u_{d_Pos}和q轴电压的正序分量u_{q_Pos}；

步骤3：根据步骤2得到的d轴电压正序分量u_{d_Pos}判断是否要进入高电压穿越模式，若u_{d_Pos}>1.1U_N(U_N为额定电网电压)，进入高电压穿越模式控制，执行步骤4至步骤9，否则不进入高电压穿越模式，按照正常模式进行控制；

步骤4：进入高电压穿越模式，首先将逆变电路中逆变电压环和逆变电流环的积分量清除，封波持续5ms；

步骤5：直流母线电压参考值u_BusRef调整，u_BusRef最小值调整为u_{d_Max}+Δu，u_{d_Max}为电网电压d轴分量20ms内的最大值，Δu为逆变电路中电感和开关管的等效压降；

步骤6：直流母线电压环的比例调节系数K_{p_Ubus}调整为高电压穿越前的 10倍；

步骤7：直流母线电压参考值u_BusRef与直流母线电压采样值u_Bus之差经 PI调节后得出逆变电流环d轴指令值i_dRef；

步骤8：由公式i_qRef＝K×(1.1-u_{d_Pos}/U_N)×I_N计算逆变电流环q轴指令值 i_qRef，其中I_N为逆变器额定输出电流，K为比例系数，取值范围为0～1.5；

步骤9：将步骤7和步骤8得到的i_dRef和i_qRef作为逆变电流环给定，i_dRef、 i_qRef分别与d轴反馈值i_d、q轴电流反馈值i_q做差后经PI调节后计算出逆变电路输出的PWM调制信号。

图3为高穿时Boost电路的控制流程图，工作方法如下：

步骤1：进入高穿模式，停止MPPT(最大功率跟踪)扰动；

步骤2：Boost升压电路封波，PV电流环清积分，持续5ms；

步骤3：为保持功率不变，PV电流环指令值i_PvRef由PV电压环输出改为高电压穿越前的PV电流滤波值；

步骤4：为快速恢复功率，将PV电流环的比例调节系数K_{p_Ipv}和PV电流环的积分调节系数K_{i_Ipv}调整为不进入高电压穿越模式下的10倍；

步骤5：PV电流指令值i_PvRef与PV电流反馈值i_Pv之差经PI调节后算出 Boost模块PWM占空比。

图4为本发明实例提供的一种两级式光伏并网逆变器三相电网电压升高为1.3U_N时高电压穿越过程电网电压、电网电流、有功功率、无功功率、母线电压的波形，三相对称高穿发生时，电网电流先降为0，持续5ms，再快速恢复并发出无功功率，母线电压在高穿发生时迅速升高，整个过程较为平稳。

图5为本发明提供的一种两级式光伏并网逆变器两相电网电压升高为 1.3U_N时高电压穿越过程波形，可以看到，发生不对称高穿时三相电网电流、母线电压较为平稳，冲击较小，由于电网电压不对称，有功和无功有一定抖动。

本实施例提供的一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，在检测到电网电压升高并需要进入高穿时，在高穿瞬间逆变封波5ms，清除积分量，防止电网升高瞬间的电压电流冲击，同时将母线电压最小指令值切换为电网电压d轴瞬时值叠加一个增量，快速调节母线电压，对于Boost 电路，检测到进入高穿后，MPPT停止扰动，PV电流环指令值由PV电压环输出改为高穿前的PV电流值，并增大PV电流环的PI调节参数。

Claims (3)

1.一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，两级式光伏逆变器由光伏阵列、前级Boost升压电路、后级逆变电路和电网组成；所述前级Boost升压电路中的Boost1～BoostN分别与光伏阵列中的光伏阵列1～光伏阵列N串联连接，各Boost升压电路的输出端汇流输出至直流母线，直流母线的输出端与后级逆变电路的输入端相连接，后级逆变电路的输出端直接连接电网；该两级式光伏逆变器将光伏阵列输出的低压通过前级BOOST升压电路升高成稳定的高压直流电后汇流到直流母线上，后级逆变电路将直流母线的高压直流电逆变为交流电后送入电网；

其特征在于：所述两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法包括逆变电路高电压穿越控制方法和Boost升压电路高电压穿越控制方法；

所述逆变电路高电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采样后级逆变电路三相电网侧电压u_a、u_b、u_c，对三相电网电压进行滤波，得到只含有基波分量的三相电网侧电压u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}；

步骤2：将步骤1得到的u_{a_Filter}、u_{b_Filter}、u_{c_Filter}进行abc->dq坐标变换得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，对d轴电压u_d和q轴电压u_q进行滤波得到d轴电压的正序分量u_{d_Pos}和q轴电压的正序分量u_{q_Pos}；

步骤3：根据步骤2得到的d轴电压正序分量u_{d_Pos}判断是否要进入高电压穿越模式，若u_{d_Pos}>1.1U_N，U_N为额定电网电压，进入高电压穿越模式控制，执行步骤4至步骤9，否则不进入高电压穿越模式；

步骤4：进入高电压穿越模式，首先将逆变电路中逆变电压环和逆变电流环的积分量清除，封波持续5ms；

步骤5：直流母线电压参考值u_BusRef调整，u_BusRef最小值调整为u_{d_Max}+Δu，u_{d_Max}为电网电压d轴分量20ms内的最大值，Δu为逆变电路中电感和开关管的等效压降；

步骤6：直流母线电压环的比例调节系数K_{p_Ubus}调整为高电压穿越前的10倍；

步骤7：直流母线电压参考值u_BusRef与直流母线电压采样值u_Bus之差经PI调节后得出逆变电流环d轴指令值i_dRef；

步骤8：由公式i_qRef＝K×(1.1-u_{d_Pos}/U_N)×I_N计算逆变电路中逆变电流环q轴指令值i_qRef，其中I_N为逆变器额定输出电流，K为比例系数，取值范围为0～1.5；

步骤9：将步骤7和步骤8得到的i_dRef和i_qRef作为逆变电流环给定，i_dRef、i_qRef分别与d轴反馈值i_d、q轴电流反馈值i_q做差后经PI调节后计算出逆变电路输出的PWM调制信号；

所述Boost升压电路高电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：进入高电压穿越模式，停止最大功率跟踪MPPT扰动；

步骤2：Boost升压电路封波，光伏阵列PV电流环清积分，持续5ms；

步骤3：为保持输出功率不变，光伏阵列PV电流环指令值i_PvRef由光伏阵列PV电压环输出改为高电压穿越前的光伏阵列PV电流滤波值；

步骤4：为快速恢复输出功率，将光伏阵列PV电流环的比例调节系数K_{p_Ipv}和PV电流环的积分调节系数K_{i_Ipv}调整为不进入高电压穿越模式下的10倍；

步骤5：光伏阵列PV电流指令值i_PvRef与光伏阵列PV电流反馈值i_Pv之差经PI调节后算出Boost升压电路PWM占空比。

2.根据权利要求1所述的一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述逆变电路高电压穿越控制方法的步骤1中使用带通频率为50Hz的滤波器对三相电网电压进行滤波。

3.根据权利要求1所述的一种两级式光伏逆变器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述逆变电路高电压穿越控制方法的步骤2中对d轴电压u_d和q轴电压u_q使用带阻频率为100Hz的带阻滤波器进行滤波得到d轴电压的正序分量u_{d_Pos}和q轴电压的正序分量u_{q_Pos}。

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