CN111030178B - 光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板dc-dc变流器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池DC‑DC变流器的调制策略及系统，包括：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN，所述若干门限分别对应设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％；其中，当DC‑DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁；当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0；电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理；若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0。本发明能够实现系统在并网功率受限工况下的平稳过渡。

Description

光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控 制方法及系统

技术领域

本发明属于电力电子变压器调制策略技术领域，特别涉及一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池DC-DC变流器的调制策略及系统。

背景技术

传统的光伏电站采用光伏逆变器加升压变压器的结构，该结构通过光伏逆变器完成光伏电池板的最大功率跟踪控制，将各光伏电池板的能量汇集到低压交流母线，最终通过工频升压变压器将能量馈送至中压电网。

随着电力电子技术的发展，采用模块化级联结构的大功率电力电子变压器的技术已经成熟，电力电子变压器可直接完成低压直流到中压交流的能量交换，并且通过控制可实现能量的双向灵活调节。在基于电力电子变压器光伏电站中，光伏电池板输出通过一级DC-DC变流器汇集到低压直流母线，再通过电力电子变压器直接从低压直流逆变至中压交流，实现光伏发电并网。上述应用电力电子技术的方案相比传统的光伏电厂并网方案有以下优势：第一是变换环节少，夜间损耗低，可提供较高的系统效率；第二是电力电子变压器的启动电压更低，可提供光伏发电的时间更长；第三是电力电子变压器相对传统变压器体积小、重量轻；第四是电力电子变压器具有功率可控特性，可一定程度参与潮流控制。

在基于电力电子变压器并网的光伏电站中，电力电子变压器受远端调度中心控制，在必要情况下可对其输出功率进行限制调节。光伏电池板对应的DC-DC变流器实行独立控制，负责光伏电池板的最大功率跟踪控制(MPPT)。由于在实际光伏电站中，DC-DC变流器分布较分散，同时要保证系统各单元的独立性，因此光伏电池板对应的DC-DC变流器之间，以及DC-DC变流器与电力电子变压器之间一般不设通信通道。

随着新能源的大规模并网和电力电子技术的发展，越来越多可控的功率变换单元参与电网的并联。电网对新能源并网也提出了更复杂的要求。其中一条需求就是在某些工况下，电网需要限制光伏电站的并网功率。在光伏并网功率受限的工况下，由于低压侧直流母线输入、输出功率流在短时间内会出现不平衡，导致电压升高引起系统过压停机，因此如何实现低压侧母线电压的输入输出功率流的平衡成为了系统控制的难点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池DC-DC变流器的调制策略及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提出了一种基于电力电子变压器和DC-DC变流器的改良控制策略，能够实现系统在并网功率受限工况下的平稳过渡。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池DC-DC变流器的调制策略，电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制策略包括：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN，所述若干门限分别对应设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％；其中，当DC-DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁；若电压进一步升高至U_th2，则输出功率限幅进一步下降至η₂；以此类推，当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0；

在电力电子变压器并网功率受限制时，电力电子变压器的控制策略包括：电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理；若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0。

本发明的进一步改进在于，电力电子变压器并网功率受限制时，电力电子变压器的控制策略还包括：

设定门限

其中

小于额定电压，高于低压侧母线的最小工作电压；

当母线电压低于

时，恢复低压侧电压环比例积分控制器的积分系数，电力电子变压器恢复对低压侧直流母线的无静差控制。

本发明的进一步改进在于，电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制策略还包括：

在低压侧直流母线电压跌落的过程中，对应设置功率限幅恢复的门限

与U_th1、U_th2、U_th3……U_thN形成滞环，用于防止功率输出门限反复修改。

本发明的进一步改进在于，其特征在于，

稳态运行时，光伏电池板DC-DC变流器的控制策略包括：DC-DC变流器进行最大功率跟踪控制并实时检测监控低压侧直流母线电压；

稳态运行时，电力电子变压器的控制策略包括：电力电子变压器保持并网状态，控制低压侧直流母线电压；当DC-DC变流器输出功率增大，则电力电子变压器并网功率也增大。

本发明的进一步改进在于，所述光伏电站包括：

DC-DC变流器，用于完成光伏电池板的最大功率跟踪；

电力电子变压器，用于负责中压并网；

其中，电力电子变压器与光伏电池板的DC-DC变流器，以及光伏电池板DC-DC变流器之间均没有数据通信。

本发明的一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池DC-DC变流器的调制系统，包括：

光伏电池板DC-DC变流器控制模块，用于在电力电子变压器并网功率受限制时，实现光伏电池板DC-DC变流器的控制策略；其中，所述光伏电池板DC-DC变流器的控制策略包括：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN，所述若干门限分别对应设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％；当DC-DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁；若电压进一步升高至U_th2，则输出功率限幅进一步下降至η₂；以此类推，当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0；

电力电子变压器控制模块，用于在电力电子变压器并网功率受限制时，实现电力电子变压器的控制策略；其中，所述电力电子变压器的控制策略包括：电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理；若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的控制策略，是一种针对低压侧直流母线电压对光伏电池板输出功率进行逐级限制的控制策略，可实现在DC-DC变流器在不与外界通信的情况下调节直流母线输入功率，稳定低压侧直流母线电压。本发明的控制策略，是一种电力电子变压器并网功率受限时的控制策略，可实现在光伏输出功率大于并网功率的情况下对其并网功率的限制，同时在光伏输出功率下降时，实现对母线电压从有差调节到无差调节的过渡，平衡低压侧母线电压的功率流，稳定低压侧母线电压。本发明提出的基于光伏DC-DC变流器和电力电子变压器在并网功率受限工况下的系统控制策略，可以实现光伏电站在收到并网功率限制指令后的稳定运行。具体的，本发明在电力电子变压器并网功率受限制时，低压侧母线输入输出功率流不平衡工况时，通过修改电力电子变压器低压侧控制参数，使得当低压侧母线电压升高后，电力电子变压器并网输出功率限制在最大值，电压控制器修改为有差调节模式保持对母线电压的控制；在低压侧母线电压降低至设定门限后，控制参数恢复，控制器恢复对母线电压的无差调节控制。本发明中，电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制策略中，光伏电池的输出功率随着低压侧母线电压的升高进行阶梯式限幅，且功率恢复的过程中也设置为阶梯式恢复模式，功率限幅和功率恢复的门限形成滞环，保证系统不发生功率输出的震荡。

本发明的控制策略下，当并网功率限幅小于光伏电池板DC-DC变流器输出功率时，低压侧母线电压的流入功率大于流出功率，此时母线电压升高；当母线电压逐渐升高时，DC-DC变流器输出功率逐级下降，低压侧母线电压流入功率降低，流出功率不变，如此反复调节直至母线电压保持稳定。若光伏输出功率下降，则母线电压开始回落，当母线电压跌落至额定以下，此时电力电子变压器的输出功率开始随着母线电压的降低进行有差调节，一定程度上平衡低压侧母线的流入功率和流出功率。而若母线电压进一步跌落至

时，电力电子变压器的电压环积分重新投入，开始对母线电压进行无差控制，能保证在光伏发电功率大于并网限制功率时，随着母线电压的上升，DC-DC的功率输出逐级减小直至0，将母线电压稳定在一定范围内；在母线电压恢复的过程中，DC-DC的输出功率逐级恢复，最终恢复最大功率跟踪控制。

本发明的光伏电站中，随着低压侧母线电压的升高，阶梯性限制光伏电池DC-DC变流器的功率输出，以平衡光伏电池功率和并网功率。

本发明的控制系统，可以实现光伏系统在并网功率限制的情况下，调整光伏电池的DC-DC变流器和电力电子变压器的控制策略，保障系统的稳定过渡。本发明通过在并网功率受限制的情况下，修改电力电子变压器低压侧母线电压控制器的控制参数，并合理设置光伏电池板的DC-DC变流器的输出功率门限，达到控制整个系统输入和输出功率流的平衡，从而保证在限功率情况下系统的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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的附图。

图1是本发明实施例中，一种基于电力电子变压器的光伏电站系统示意图；

图2是本发明实施例中，光伏电池板DC-DC变流器控制流程示意框图；

图3是本发明实施例中，电力电子变压器控制策略流程示意框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，针对在光伏并网功率受限的工况下，由于低压侧直流母线输入、输出功率流在短时间内会出现不平衡，导致电压升高引起系统过压停机的情况，本发明实施例提供了一种基于电力电子变压器和DC-DC变流器的改良控制策略，以支持系统在该工况下的平稳过渡。

图1示出的系统为本发明实施例基于的现有的电力电子变压器的光伏电站系统。

本发明实施例的控制策略针对的光伏电站系统包含DC-DC变流器完成光伏电池板的最大功率跟踪，同时包含电力电子变压器负责中压并网。本发明针对该类型光伏电站在限制并网功率的情况下的系统控制策略。

其中，电力电子变压器与光伏电池板的DC-DC变流器，以及光伏电池板DC-DC变流器之间没有数据通信。

本发明实施例的一种基于电力电子变压器和DC-DC变流器的改良控制策略，具体步骤包括：

(1)光伏电池板DC-DC变流器的控制策略，包括：

稳态运行时的控制策略：稳态运行时，DC-DC变流器进行最大功率跟踪控制并实时检测监控低压侧直流母线电压。

限制并网功率时的控制策略：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN。对应分别设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％(η为对应百分比，从0％～100％)。当DC-DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁，若电压进一步升高至U_th2，则输出功率限幅进一步下降至η₂。以此类推，当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0，此时低压侧母线的能量馈入完全切断。

本发明中，电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制策略中，光伏电池的输出功率随着低压侧母线电压的升高进行阶梯式限幅，且功率恢复的过程中也设置为阶梯式恢复模式，功率限幅和功率恢复的门限形成滞环，保证系统不发生功率输出的震荡。

可选的，为防止功率输出门限反复修改，在低压侧直流母线电压跌落的过程中，对应设置功率限幅恢复的门限

与U_th1、U_th2、U_th3……U_thN形成滞环。

这样就能保证在光伏发电功率大于并网限制功率时，随着母线电压的上升，DC-DC的功率输出逐级减小直至0，将母线电压稳定在一定范围内；在母线电压恢复的过程中，DC-DC的输出功率逐级恢复，最终恢复最大功率跟踪控制。

请参阅图2，图2为DC-DC变流器具体的控制模式示意图，其中，U_L为低压侧母线电压，P_out为输出功率，P₀为当母线电压达到U_th1时的瞬时输出功率。本专利所提出的控制策略启动后，最初的状态输出功率P_out不受限制。当母线电压U_L开始升高到大于门限U_th1时，输出功率限制为η₁×P₀，直到母线电压跌落至小于门限

当母线电压继续上升至U_th2，当前输出功率限制为η₂×P₀(η₂＜η₁)，继续判断母线电压的变化，若母线电压不低于门限

则继续保持当前的功率输出限制；若母线电压继续上升，则功率输出进一步限制为η₃×P₀(η₃＜η₂)，以此类推。若母线电压上升至大于U_thN，则输出功率限制为0，若母线电压不小于门限

则输出功率保持为0，当母线电压小于

后，输出功率恢复为上一个限幅门限，也即η_N×P₀。

(2)电力电子变压器的控制策略

稳态运行时的控制策略：在稳态运行时，电力电子变压器保持并网状态，控制低压侧直流母线电压，当DC-DC变流器输出功率增大，则电力电子变压器并网功率也增大。

限制并网功率时的控制策略：电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理。若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0，此时若光伏输出功率降低，电力电子变压器仍可对母线电压保持一定调节能力。设定门限

(

小于额定电压，但高于系统低压侧母线的最小工作电压)，当母线电压低于

时，恢复控制器的积分系数，电力电子变压器恢复对低压侧直流母线的无静差控制。

在这种控制策略下，当并网功率限幅小于光伏电池板DC-DC变流器输出功率时，低压侧母线电压的流入功率大于流出功率，此时母线电压升高；当母线电压逐渐升高时，DC-DC变流器输出功率逐级下降，低压侧母线电压流入功率降低，流出功率不变，如此反复调节直至母线电压保持稳定。若光伏输出功率下降，则母线电压开始回落，当母线电压跌落至额定以下，此时电力电子变压器的输出功率开始随着母线电压的降低进行有差调节，一定程度上平衡低压侧母线的流入功率和流出功率。而若母线电压进一步跌落至

时，电力电子变压器的电压环积分重新投入，开始对母线电压进行无差控制。

请参阅图3，图3示出了电力电子变压器具体的控制模式，其中，P_out为输出功率，P_lim为功率限制，Ki为电压控制环的积分系数。本发明所提出的控制策略一旦开始，先判断所收到的功率限幅指令是否大于当前功率输出，若不大于，则正常输出；若功率限幅大于当前的输出功率，则进一步判断低压侧电压实时值是否小于恢复门限U_th，若判断不成立，则保持低压侧电压控制环的积分系数Ki清0，反之，逐步增加低压侧电压控制环的积分系数Ki至预设值。

本发明中，当功率限幅大于当前输出功率时，对电力电子变压器的低压侧电压控制环的积分控制系数清0，保证电力电子变压器的输出功率随着母线电压的降低而降低，具有一定的低压侧母线电压控制能力和功率调节能力；当母线电压降低至恢复门限后，对电力电子变压器的低压侧母线电压控制环积分系数进行逐步恢复，保证在光伏输出功率小于并网功率限制时电力电子变压器对母线电压的无静差控制。

综上，本发明公开了一种基于电力电子变压器并网的光伏电站在限制并网功率时的系统控制策略，该控制策略针对的光伏电站包含DC-DC变流器环节完成光伏电池板的最大功率跟踪控制，同时包含电力电子变压器负责中压并网。该策略可以帮助光伏系统在并网功率限制的情况下，调整光伏电池的DC-DC变流器和电力电子变压器的控制策略，保障系统的稳定过渡。本发明通过在并网功率受限制的情况下，修改电力电子变压器低压侧母线电压控制器的控制参数，并合理设置光伏电池板的DC-DC变流器的输出功率门限，达到控制整个系统输入和输出功率流的平衡，从而保证在限功率情况下系统的稳定运行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控制方法，其特征在于，

电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制方法包括：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN，所述若干门限分别对应设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％；

其中，当光伏电池板DC-DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁；若电压进一步升高至U_th2，则输出功率限幅进一步下降至η₂；以此类推，当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0；

在电力电子变压器并网功率受限制时，电力电子变压器的控制方法包括：电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理；若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0；

所述光伏电站包括：光伏电池板DC-DC变流器，用于完成光伏电池板的最大功率跟踪；电力电子变压器，用于负责中压并网；其中，电力电子变压器与光伏电池板DC-DC变流器，以及光伏电池板DC-DC变流器之间均没有数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控制方法，其特征在于，电力电子变压器并网功率受限制时，电力电子变压器的控制方法还包括：

设定门限

其中

小于额定电压，高于低压侧母线的最小工作电压；

当母线电压低于

时，恢复低压侧电压环比例积分控制器的积分系数，电力电子变压器恢复对低压侧直流母线的无静差控制。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控制方法，其特征在于，电力电子变压器并网功率受限制时，光伏电池板DC-DC变流器的控制方法还包括：

在低压侧直流母线电压跌落的过程中，对应设置功率限幅恢复的门限

与U_th1、U_th2、U_th3……U_thN形成滞环，用于防止功率输出门限反复修改。

4.根据权利要求1所述的一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控制方法，其特征在于，

稳态运行时，光伏电池板DC-DC变流器的控制方法包括：光伏电池板DC-DC变流器进行最大功率跟踪控制并实时检测监控低压侧直流母线电压；

稳态运行时，电力电子变压器的控制方法包括：电力电子变压器保持并网状态，控制低压侧直流母线电压；当光伏电池板DC-DC变流器输出功率增大，则电力电子变压器并网功率也增大。

5.一种光伏电站中电力电子变压器和光伏电池板DC-DC变流器的控制系统，其特征在于，包括：

光伏电池板DC-DC变流器控制模块，用于在电力电子变压器并网功率受限制时，实现光伏电池板DC-DC变流器的控制方法；其中，所述光伏电池板DC-DC变流器的控制方法包括：给低压侧直流母线电压设置若干门限U_th1、U_th2、U_th3……U_thN，所述若干门限分别对应设置输出功率限幅值为当前输出功率的η₁、η₂、η₃……0％；当光伏电池板DC-DC变流器检测低压侧直流母线电压高于U_th1时，将输出功率限制为当前输出功率的η₁；若电压进一步升高至U_th2，则输出功率限幅进一步下降至η₂；以此类推，当低压侧母线电压高于最高门限U_thN，输出功率限幅至0；

电力电子变压器控制模块，用于在电力电子变压器并网功率受限制时，实现电力电子变压器的控制方法；其中，所述电力电子变压器的控制方法包括：电力电子变压器收到并网功率限幅时，将输出功率进行限幅；若实际输出功率比功率限幅小时，电力电子变压器控制参数不做处理；若电力电子变压器实际输出功率比功率限幅大时，电力电子变压器的低压侧电压环比例积分控制器中积分系数修改为0；

其中，所述光伏电站包括：光伏电池板DC-DC变流器，用于完成光伏电池板的最大功率跟踪；电力电子变压器，用于负责中压并网；电力电子变压器与光伏电池板DC-DC变流器，以及光伏电池板DC-DC变流器之间均没有数据通信。

Images