CN111030105A - 一种基于三相级联h桥的光伏发电系统低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，该方法包括以下步骤：步骤1)，建立光伏发电系统并网模型；步骤2)，在并网逆变器交流侧各相接入级联H桥；步骤3)，采用模型电流预测控制级联H桥的输出电流；步骤4)，根据不同的运行状态给定不同的级联H桥输出电流目标值。本发明能够显著提高光伏并网系统的低电压穿越能力。

Description

一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及混合交直流配电网协调优化技术领域，更具体地说，涉及一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法。

背景技术

目前，对于分布式电源出力不确定性导致的配电网运行损耗增加及运行可靠性降低的问题，需研究不确定运行条件下融合多种主动调控措施的混合配电网协调优化方法。仅考虑分布式电源出力的日前预测值制定配电网调度计划，其系统决策有效性受到质疑，此外，作为未来智能配电网发展的新趋势，混合交直流配电网中不同类型无功电压设备，交/直流换流站及储能系统的有效统筹协调控制有待进一步探究，以促进配电网的可再生能源消纳和灵活可靠供电。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于二阶段随机规划的混合交直流配电网协调优化方法，将混合交直流配网中的无功电压设备、交/直流换流站及储能系统进行协调优化调度，结合二阶段随机规划模型得出的调度决策，提高不确定运行环境下调度方案的有效性和可靠性，并提高其对可再生能源的消纳水平。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

设计一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)，建立光伏发电系统并网模型；

步骤2)，在并网逆变器交流侧各相接入级联H桥；

步骤3)，采用模型电流预测控制级联H桥的输出电流；

步骤4)，根据不同的运行状态给定不同的级联H桥输出电流目标值。

在上述技术方案中，在所述步骤3)中，定义子H桥单元的逻辑开关函数：

公式(1)中，S_i1、S_i2、S_i3、S_i4表示H桥单元i的四个三极管；

级联H桥的输出电压表示为：

公式(2)中，u_dc表示H桥单元的输入电压；

根据基尔霍夫电压定律，级联H桥的输出电流的微分方程表示为：

公式(3)中，u表示接入点电压，L_h为滤波电感，i_h为级联H桥的输出电流，R_h表示线路电阻；

设系统采样周期为T，在(t_k，t_k+1)时间内，对公式(3)进行离散化，得到：

级联H桥两端的电压表示为：

设定级联H桥的目标输出电流为i_{h_ref}，令：

i_h(k+1)＝i_{h_ref} (6)

得到：

建立价值函数：

通过评价每个子H桥的逻辑开关函数，选取使得价值函数c取得最小值的函数值，将该函数值所对应的开关动作作用于下一个周期，重复计算，使得级联H桥的输出电流持续追踪目标值，实现控制目标。

在上述技术方案中，在所述步骤4)中，级联H桥的目标输出电流表示为：

i_{h_ref}＝i_{g_ref}-i_pv (9)

其中，i_{g_ref}为并网电流的额定值，i_pv为并网逆变器的输出电流；当光伏发电系统处于正常的并网运行状态时，级联H桥发挥滤波作用；系统正常运行时，大电网三相电压保持平衡，光伏系统向电网输入有功功率P，无功功率为0，功率因数保持在1；采用电网电压矢量定向控制，将dq旋转坐标系的d轴定向于电网电压合成矢量方向上，得到光伏发电系统的输出电流在dq轴上的参考分量：

公式(10)中，U_d表示并网点电压在d轴上的分量；

在并网点电压发生跌落时，光伏发电站注入电力系统的无功电流I_q实时跟踪并网点电压变化，并满足：

公式(11)中，U_T为光伏发电站并网点电压标幺值；I_N＝光伏电站额定装机容量/(

×并网点额定电压)；根据并网点电压得到注入电网的无功电流后，有功与无功电流不超过额定电流的标幺值1.1，即满足：

确定有功电流目标值和无功电流目标值后，得到并网电流额定值i_{g_ref}各相的大小：

其中，θ为d轴与a轴的夹角，根据i_{g_ref}每相电流的大小确定每相级联H桥输出目标电流的大小。

(三)有益效果

本发明所采用的级联H桥结构简单，制造成本以及维护费用低并且接入光伏发电系统方便；本发明所采用的模型预测控制可以提升系统的动态特性，响应速度快，同时控制系统设计简便；本发明所采用的级联H桥不仅能在故障情况下动作，提升光伏发电系统的低电压穿越能力，同时在系统正常运行时可以消除谐波，提升并网电流的质量，自身的利用率比较高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法的示意图；

图2是本发明实施例提供的并网逆变器交流侧各相接入级联H桥的示意图；

图3为本发明实施例提供的光伏发电系统仿真模型示意图；

图4为本发明实施例提供的光伏发电系统入网电流示意图；

图5为本发明实施例提供的三相级联H桥投切前后谐波幅值对比示意图；

图6为本发明实施例提供的光伏发电系统并网点电压示意图；

图7为本发明实施例提供的光伏发电系统并网电流示意图；

图8为本发明实施例提供的光伏发电系统注入电网功率示意图；

图9为本发明实施例提供的并网点电压有无LVRT控制的对比示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明提出一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)，建立光伏发电系统并网模型；

步骤2)，在并网逆变器交流侧各相接入级联H桥。单相示意图如图2所示，i_h为级联H桥的输出电流，i_pv为并网逆变器的输出电流，i_g为并网电流，u为接入点电压，R_h为线路电阻，L_h为滤波电感。

步骤3)，采用模型电流预测控制级联H桥的输出电流。定义子H桥单元的逻辑开关函数：

级联H桥的输出电压可以表示为：

根据基尔霍夫电压定律，级联H桥的输出电流的微分方程可以表示为：

设系统采样周期为T，在(t_k，t_k+1)时间内，对上式进行离散化，得到：

级联H桥两端的电压可以表示为：

假设级联H桥的目标输出电流为i_{h_ref}，令：

i_h(k+1)＝i_{h_ref} (6)

可以得到：

建立价值函数：

通过评价每个子H桥的逻辑开关函数，选取可以使得价值函数c取得最小值的函数值，将该函数值所对应的开关动作作用于下一个周期。经过不断的重复计算，使得级联H桥的输出电流持续快速追踪目标值，实现控制目标。

步骤4)，根据不同的运行状态给定不同的级联H桥输出电流目标值。级联H桥的目标输出电流可以表示为：

i_{h_ref}＝i_{g_ref}-i_pv (9)

其中，i_{g_ref}为并网电流的额定值。当光伏发电系统处于正常的并网运行状态时，级联H桥发挥滤波作用。系统正常运行时，大电网三相电压保持平衡，光伏系统向电网输入有功功率P，无功功率为0，功率因数保持在1。我们采用电网电压矢量定向控制，将dq旋转坐标系的d轴定向于电网电压合成矢量方向上，得到光伏发电系统的输出电流在dq轴上的参考分量：

当并网点电压发生跌落时，光伏发电站注入电力系统的无功电流I_q应实时跟踪并网点电压变化，并满足：

公式(11)中，U_T为光伏发电站并网点电压标幺值；I_N＝光伏电站额定装机容量/(

×并网点额定电压)。根据并网点电压得到注入电网的无功电流后，有功与无功电流应不超过额定电流的1.1(标幺值)，即满足：

确定有功电流目标值和无功电流目标值后，就可以得到并网电流额定值i_{g_ref}各相的大小：

其中，θ为d轴与a轴的夹角。根据i_{g_ref}每相电流的大小就可以确定每相级联H桥输出目标电流的大小。

在Matlab/Simulink仿真平台搭建如图2的仿真模型，对本发明所提出的一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法的可行性与正确性进行验证。仿真参数见下表1。

表1光伏发电系统仿真参数

在不投入级联H桥的情况下，光伏电站正常运行。如图4所示，为了更好地证明级联H桥的谐波补偿功能，在光伏逆变器交流侧a相加入幅值为20A的3次谐波，在b相加入幅值为40A的6次谐波，在c相加入幅值为60A的3次谐波。0.5s时，在接入点投入级联H桥。级联H投切前后各相电流谐波幅值的对比如图5所示。a相的总谐波失真从21.20％下降为1.69％，b相的总谐波失真从28.62％下降到1.68％，c相的总谐波失真从41.79％下降到1.67％。可以看出，级联H桥的投入对并网电流的谐波补偿效果十分明显，各相的谐波分量几乎都被完全消除。

光伏电站以额定功率运行，功率因数为1，0.5s时K1处发生三相短路故障，0.6s时故障消除，系统恢复正常运行。当光伏发电系统发生对称性故障时，根据并网点电压跌落程度给定目标有功电流和目标无功电流，然后通过dq/abc坐标变换得到三相参考电流，再进一步得到级联H桥的目标注入电流，将其带入价值函数，得到级联H桥的开关信号。如图6所示，并网点电压在故障期间下降了50％。如图7所示，入网电流在跌落开始和跌落结束时有幅值和相位上的波动，其他时间基本保持不变，因此不会因为并网电流过流而损坏器件或触动保护使断路器关断。如图8所示，当并网点电压发生跌落后，级联H桥根据电压跌落程度立即向并网点注入21KW左右的无功功率，满足了低电压穿越的要求。根据图9所示的并网点电压对比图可以看出，采用低电压穿越策略之后并网点电压得到了提升。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)，建立光伏发电系统并网模型；

步骤2)，在并网逆变器交流侧各相接入级联H桥；

步骤3)，采用模型电流预测控制级联H桥的输出电流；

步骤4)，根据不同的运行状态给定不同的级联H桥输出电流目标值。

2.根据权利要求1所述的一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，其特征在于，在所述步骤3)中，定义子H桥单元的逻辑开关函数：

公式(1)中，S_i1、S_i2、S_i3、S_i4表示H桥单元i的四个三极管；

级联H桥的输出电压表示为：

公式(2)中，u_dc表示H桥单元的输入电压；

根据基尔霍夫电压定律，级联H桥的输出电流的微分方程表示为：

公式(3)中，u表示接入点电压，L_h为滤波电感，i_h为级联H桥的输出电流，R_h表示线路电阻；

设系统采样周期为T，在(t_k，t_k+1)时间内，对公式(3)进行离散化，得到：

级联H桥两端的电压表示为：

设定级联H桥的目标输出电流为i_{h_ref}，令：

i_h(k+1)＝i_{h_ref} (6)

得到：

建立价值函数：

通过评价每个子H桥的逻辑开关函数，选取使得价值函数c取得最小值的函数值，将该函数值所对应的开关动作作用于下一个周期，重复计算，使得级联H桥的输出电流持续追踪目标值，实现控制目标。

3.根据权利要求2所述的一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越方法，其特征在于，在所述步骤4)中，级联H桥的目标输出电流表示为：

i_{h_ref}＝i_{g_ref}-i_pv (9)

其中，i_{g_ref}为并网电流的额定值，i_pv为并网逆变器的输出电流；当光伏发电系统处于正常的并网运行状态时，级联H桥发挥滤波作用；系统正常运行时，大电网三相电压保持平衡，光伏系统向电网输入有功功率P，无功功率为0，功率因数保持在1；采用电网电压矢量定向控制，将dq旋转坐标系的d轴定向于电网电压合成矢量方向上，得到光伏发电系统的输出电流在dq轴上的参考分量：

公式(10)中，U_d表示并网点电压在d轴上的分量；

在并网点电压发生跌落时，光伏发电站注入电力系统的无功电流I_q实时跟踪并网点电压变化，并满足：

公式(11)中，U_T为光伏发电站并网点电压标幺值；

根据并网点电压得到注入电网的无功电流后，有功与无功电流不超过额定电流的标幺值1.1，即满足：

确定有功电流目标值和无功电流目标值后，得到并网电流额定值i_{g_ref}各相的大小：

其中，θ为d轴与a轴的夹角，根据i_{g_ref}每相电流的大小确定每相级联H桥输出目标电流的大小。

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