CN111600336A - 一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，包括步骤：计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出电流参考值；设计光伏逆变器比例谐振调节器；计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出无功功率参考值；设计不平衡电压暂降时光伏逆变器控制模式。本发明优点在于在电网发生不平衡电压暂降时，使光伏逆变器在不平衡电压暂降期间输出有功功率与无功功率无波动，并减轻了输出电流的畸变问题，降低了公共连接点点的电压不平衡度，达到电压支撑的目的。从而可以使光伏逆变器在不平衡电压暂降时可以正常进行低电压穿越。

Description

一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电控制技术领域，特别是涉及一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法。

背景技术

电网发生的故障多为不平衡故障，造成的暂降多为不平衡暂降。随着光伏发电等新能源发电装置在电网的渗透率不断提高，光伏逆变器在不平衡暂降时的控制得到了越来越多学者的关注。在电网发生不平衡电压暂降时，会造成一定程度上的电压不平衡现象，此时出现的负序分量会使光伏逆变器输出的有功功率与无功功率发生波动，造成输出电流发生畸变。而《GB/T 19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》规定光伏逆变器在电网发生电压暂降时应有一定的动态无功支撑能力即在电压暂降时光伏逆变器需要向电网输入无功功率，使其达到支撑并网点电压的能力。因此针对不平衡电压暂降下光伏逆变器需考虑电压支撑、功率波动和电流谐波的控制。

发明内容

本发明的目的为提供一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，消除不平衡暂降时光伏逆变器输出功率波动，降低输出电流畸变，对公共连接点电压进行电压支撑，满足实际工程要求。

本发明包括不平衡电压暂降时光伏逆变器输出电流参考值的计算、比例谐振调节器设计、无功功率参考值计算和光伏逆变器控制方法设计。为实现此目的，具体包括以下步骤：

A、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器的输出电流参考值，对所述输出电流进行快速傅里叶变换；

B、设计光伏逆变器比例谐振调节器，对步骤A中的输出电流进行谐波补偿；

C、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器的输出无功功率参考值；

D、设计不平衡电压暂降时光伏逆变器的控制方法。

进一步，所述步骤A中，不平衡电压暂降时电网电压含有负序分量，会使光伏逆变器输出的有功功率与无功功率存在2倍频波动，影响光伏逆变器运行。因此为使光伏逆变器输出的有功功率与无功功率无2倍频波动，采用瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法。根据瞬时功率理论，光伏逆变器输出的有功功率、无功功率为：

p＝u·i，q＝u_⊥·i (1)

式中，u是逆变器输出电压相量；i是逆变器输出电流相量；u_⊥是与电压相量u正交的相量(超前相量u 90°)。

可得参考电流表达式为：

式中，i_p、i_q为有功、无功电流，P、Q分别为有功、无功功率参考值，|u|²为电压相量u的模值，由下式得到：

|u|²＝|u⁺|²+|u^-|²+2u⁺·u^-＝|u⁺|²+|u^-|²+2|u⁺||u^-|cos(2ωt+θ⁺-θ^-) (3)

其中，相量u⁺、u^-分别为相量u的正、负序分量，θ⁺、θ^-分别为电压的正序、负序的初始相位角。

由此，可得瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法的参考电流表达式为：

采用的瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法在电网电压出现不平衡暂降时会使输出电流产生畸变，因此将所得到的电流参考值进行快速傅里叶变换，分析各次谐波含量。

所述步骤B中，为抑制电流畸变，对输出电流参考值各次谐波进行比例谐振调节补偿谐波。将光伏逆变器输出电流参考值从三相ABC坐标系通过坐标变换到两相αβ静止坐标系，将输出参考电流输入到比例谐振控制器，针对谐波含量比较高的各次谐波，由比例谐振谐波补偿器进行针对性补偿，其传递函数为：

式中，K_rh为比例谐振谐波补偿器增益常数，ω₀＝2πf，f为电网频率,s为变量，h表示h次谐波。

为有效抑制谐波，将比例谐振谐波补偿传递函数在截止频率f_c处简化为：

系统在截止频率f_c处的增益为1，可得：

故可得：K_rh＝L(j2πf_c+hω₀) (8)

式中，L为逆变器输出电感。

因此，当系统的截止频率确定后，便可根据公式(8)求得K_rh。

所述步骤C中，光伏逆变器在电压暂降期间不仅向电网注入一定的有功功率，还可注入一定的无功功率以支撑公共连接点电压，防止光伏逆变器脱网。将基于瞬时有功无功控制得到的输出电流正负序分离，可得此时输出电流的正负序表达式：

式中，i⁺、i^-是光伏逆变器输出正负序电流相量，u⁺、u^-是光伏逆变器输出正负序电压相量，u_⊥ ⁺、u_⊥ ^-是与电压相量u⁺、u^-正交的相量(超前相量u 90°)，P₀、 Q₀是有功/无功功率初始参考值。

光伏逆变器并网点电压与电网电压之间的关系为：

式中，u_g ⁺、u_g ^-为电网电压的正负序分量，u_pcc ⁺、u_pcc ^-为公共连接点电压的正负序分量，L_g为电网内部电感。

将公式(9)的i⁺、i^-代入到上式并忽略有功功率(在感性电网条件下，有功功率对电压支撑不起作用)得到公共连接点电压为：

式中，u_⊥ ⁺、u_⊥ ^-是与电压相量u⁺、u^-正交的相量(超前相量u 90°)

由此可得无功功率参考值为：

式中，Q_ref ⁺、Q_ref ^-为无功功率参考值的正负序分量。

光伏逆变器在电网发生电压暂降时给电网注入上式的无功功率参考值以此来达到支撑公共连接点电压的作用。

所述步骤D中，设计不平衡电压暂降时光伏逆变器的控制模式，在发生不平衡电压暂降时，有功功率按电网电压正常时输出，无功功率按无功功率参考值表达式所求得到的无功功率输出，将此时得到的有功无功功率参考值代入到参考电流表达式得到此时的电流参考值，电流参考值正、负序分量i_d ^+*、i_d ^-*、i_q ^+*、 i_q ^-*经过坐标变换，得到在两相αβ静止坐标系下的电流参考值i_α ^+*、i_α ^-*、i_β ^+*、i_β ^-*，与电流实际值正、负序分量i_α ⁺、i_α ^-、i_β ⁺、i_β ^-经过比例谐振补偿后得到输出电压参考值正、负序分量，再经过αβ/abc坐标变换，得到三相abc静止坐标下的输出电压参考值正负序分量，输出电压参考值正负序分量相加后经过SPWM调制得到光伏逆变器开关器件的触发信号，此时为可电压支撑的改进瞬时有功无功控制模式。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中光伏逆变器；

图2是本发明具体实施方式中谐波补偿前各次谐波含量；

图3是本发明具体实施方式中比例谐振控制器补偿原理图；

图4是本发明具体实施方式中谐波补偿后各次谐波含量；

图5是本发明具体实施方式中电压支撑原理图；

图6是本发明具体实施方式中公共连接点正负序电压与不平衡度

图7是本发明具体实施方式中光伏逆变器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图表，对本发明作详细说明。

以下公开详细的推理分析方法和示范分析例。然而，此处公开的具体推理及分析过程细节仅仅是出于描述示范分析例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

本发明具体实施方式中光伏逆变器的拓扑结构如图1所示，，光伏逆变器的控制方法对光伏系统以及电网有着决定性的作用。在电网电压发生不平衡暂降时，电网电压含有负序分量使光伏逆变器输出功率出现2倍频波动，输出电流出现畸变。

为此本发明实施方式中不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法包括以下步骤：

A、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出电流参考值，将计算得到的输出电流参考值进行快速傅里叶变换；

B、设计光伏逆变器比例谐振调节器，对步骤A中快速傅里叶变换后的输出电流参考值进行电流谐波补偿；

C、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器的输出无功功率参考值；

D、设计不平衡电压暂降时光伏逆变器控制模式。

通过本发明的不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，能够使光伏逆变器在不平衡电压暂降期间输出有功功率与无功功率无波动，并减轻了输出电流的畸变问题，降低了公共连接点的电压不平衡度，达到电压支撑的目标。

在一个具体实施方式中，本发明步骤A中，光伏逆变器参考电流算法是指通过给定的有功功率、无功功率与电网电压参考值来获得输出电流参考值的一种控制策略。通过参考电流算法可以直接控制光伏逆变器输出电流，这对于光伏逆变器的低电压穿越有着重要意义。为使得逆变器输出有功功率、无功功率无2倍频波动，选择基于瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法。推导过程如下：

根据瞬时功率理论，光伏逆变器输出的有功功率、无功功率表达式为：

p＝u·i，q＝u_⊥·i (1)

式中，u是逆变器输出电压相量；i是逆变器输出电流相量；u_⊥是与电压相量u正交的相量(超前相量u 90°)。

根据上式，可得参考电流表达式为：

式中，i_p、i_q为有功、无功电流，P、Q分别为有功、无功功率参考值，|u|²为电压相量u的模值，由下式得到：

|u|²＝|u⁺|²+|u^-|²+2u⁺·u^-＝|u⁺|²+|u^-|²+2|u⁺||u^-|cos(2ωt+θ⁺-θ^-) (3)

其中，相量u⁺、u^-分别为相量u的正、负序分量。

由此，可得瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法的参考电流表达式为：

此时瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法的输出功率表达式为：

由上式可以看出基于瞬时有功无功控制的电流参考值算法的输出电流表达式中存在电压模值|u²|，而|u²|存在2倍频波动分量，这使输出的电流参考值存在大量的谐波。而基于瞬时有功无功控制的电流参考值算法的输出功率表达式可以给出准确的输出功率，因此不会出现2倍频波动。将输出电流参考值进行傅里叶分析，可得各次谐波含量如图2所示。

在一个具体实施方式中，本发明步骤B中，设计光伏逆变器比例谐振调节器包括：

基于瞬时有功无功控制的电流参考值算法输出的电流谐波畸变率较高，可以有针对性的补偿特定次谐波来达到降低谐波畸变率的目的。

比例谐振控制器可以对特定频率下的交流指令信号进行无静差跟踪，将光伏逆变器输出的交流量从三相ABC坐标系通过坐标变换到两相αβ静止坐标系，比例谐振控制器可以在两相αβ静止坐标系对交流量进行无静差跟踪。而对特定次数谐波的补偿只需在原有的比例谐振控制器的基础之上增加某次谐波的补偿就可达到降低该次谐波的目的。比例谐振控制器补偿原理如图3所示。h次谐波会在频率hω₀处发生谐振，而且只在谐振点处有非常大的增益，因此可以达到对 h次谐波进行补偿的目的，而对其他频率信号影响较小。将输出参考电流输入到比例谐振控制器，针对谐波含量比较高的各次谐波，由比例谐振谐波补偿器进行针对性补偿，其传递函数为：

式中，K_rh为比例谐振谐波补偿器增益常数，ω₀＝2πf，f为电网频率。

为有效抑制谐波，将比例谐振谐波补偿传递函数在截至频率f_c处简化为：

系统在截至频率f_c处的增益为1，可得：

故可得：K_rh＝L(j2πf_c+hω₀)(9)

式中，L为逆变器输出电感。

因此，当系统的截至频率确定后，便可根据公式(9)求得K_rh。

经过谐波补偿后的各次谐波含量如图4所示。

在一个具体实施方式中，本发明步骤C中，计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出无功功率参考值包括：

光伏逆变器在电压暂降期间不仅向电网注入一定的有功功率，还可注入有一定的无功功率来达到支撑公共连接点电压，防止光伏逆变器脱网的目的。其控制原理图如图5所示。

将基于瞬时有功无功控制得到的输出电流正负序分离可得此时输出电流的正负序表达式：

式中，i⁺、i^-是光伏逆变器输出正负序电流相量，u⁺、u^-是光伏逆变器输出正负序电压相量，u_⊥ ⁺、u_⊥ ^-是与电压相量u⁺、u^-正交的相量(超前相量u 90°)，P₀、 Q₀是有功/无功功率初始参考值。

根据图5的并网结构可得光伏逆变器并网点电压与电网电压之间的关系表达式：

式中，u_g ⁺、u_g ^-为电网电压的正负序分量，u_pcc ⁺、u_pcc ^-为公共连接点电压的正负序分量，L_g为电网内部电感。

将公式(10)中的i⁺、i^-代入到上式并忽略有功功率(在感性电网条件下，有功功率对电压支撑不起作用)得到下式：

由上式可得无功功率参考值表达式：

通过上式，光伏逆变器在电网发生电压暂降时给电网注入一定的无功功率以此来达到支撑PCC点电压的作用。公共连接点的正负序电压与电压不平衡度如图6所示。

在一个具体实施方式中，本发明方法步骤D中，设计不平衡电压暂降时光伏逆变器控制模式。

系统控制框图如图7所示，U_d1为光伏系统MPPT得到的直流侧电压参考值，在发生不平衡电压暂降时，有功功率按电网电压正常时输出，无功功率按无功功率参考值表达式所求得到的无功功率输出，将此时得到的有功无功功率参考值代入到参考电流表达式得到此时的电流参考值，电流参考值正、负序分量i_d ^+*、 i_d ^-*、i_q ^+*、i_q ^-*经过坐标变换，得到在两相αβ静止坐标系下的电流参考值i_α ^+*、i_α ^-*、 i_β ^+*、i_β ^-*，与电流实际值正、负序分量i_α ⁺、i_α ^-、i_β ⁺、i_β ^-经过比例谐振补偿调解后得到输出电压参考值正、负序分量，再经过αβ/abc坐标变换，得到三相abc静止坐标下的输出电压参考值正负序分量，输出电压参考值正负序分量相加后经过SPWM调制得到光伏逆变器开关器件的触发信号，此时为可电压支撑的改进瞬时有功无功控制模式。

本发明从功率波动、电流畸变和电压支撑三个角度对光伏逆变器控制方法进行优化。光伏逆变器在不平衡电压暂降期间输出有功功率与无功功率无波动，并减轻了输出电流的畸变问题，降低了公共连接点的电压不平衡度，达到电压支撑的目标。

通过上述说明，本发明不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法的基本功能得到了阐述。本发明的不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，实现了对光伏逆变器在电网发生电压暂降时需提供一定的无功功率以达到电压支撑，并抑制了光伏逆变器在不平衡电压暂降时的功率波动与电流畸变问题，考虑问题更全面，适用范围更广泛。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方式，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思的前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，其特征在于包括以下步骤：

A、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出电流的参考值，将输出电流进行快速傅里叶变换；

B、设计光伏逆变器比例谐振调节器，对进行电流谐波补偿；

C、计算不平衡电压暂降时光伏逆变器输出的无功功率参考值；

D、设计不平衡电压暂降时光伏逆变器的控制模式。

2.根据权利要求1所述的一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤A中，不平衡电压暂降时电网电压含有负序分量，会使光伏逆变器输出的有功功率与无功功率存在2倍频波动，影响光伏逆变器运行，为使光伏逆变器输出的有功功率与无功功率无2倍频波动，采用瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法，光伏逆变器输出的有功功率、无功功率如式(1)所示：

p＝u·i，q＝u_⊥·i (1)

式中，u是光伏逆变器输出电压相量；i是光伏逆变器输出电流相量；u_⊥是与电压相量u正交的相量，其超前相量u 90°；

得到参考电流的表达式如式(2)所示：

式中，i_p、i_q为有功、无功电流，P、Q分别为有功、无功功率参考值，|u|²为电压相量u的模值，如式(3)所示：

|u|²＝|u⁺|²+|u^-|²+2u⁺·u^-＝|u⁺|²+|u^-|²+2|u⁺||u^-|cos(2ωt+θ⁺-θ^-) (3)

其中，相量u⁺、u^-分别为相量u的正、负序分量，θ⁺、θ^-分别为电压的正序、负序的初始相位角；

瞬时有功无功控制的输出电流参考值算法的参考电流表达式如式(4)所示：

式中，u_⊥是与电压相量u正交的相量,其超前相量u 90°；

将所得到的电流参考值进行快速傅里叶变换，分析各次谐波含量。

3.根据权利要求2所述的一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤B为：

设计比例谐振谐波补偿结构，其补偿器的传递函数方程如式(5)所示：

式中，K_rh为比例谐振谐波补偿器增益常数，ω₀＝2πf，f为电网频率，K_rh＝L(j2πf_c+hω₀)，L为逆变器输出电感，s为变量，h表示h次谐波。

4.根据权利要求3所述的一种不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤C中，不平衡电压暂降时光伏逆变器输出的无功功率参考值的表达式为：

其中，ω为电网角频率，u_g ⁺、u_g ^-为电网电压的正负序分量，u_pcc ⁺、u_pcc ^-为公共连接点电压的正负序分量，L_g为电网内部电感，|u|²为电压相量u的模值，表示为式(3)所示，Q_ref ⁺、Q_ref ^-为无功功率参考值的正负序分量。

5.根据权利要求4所述的不平衡电压暂降时考虑电压支撑的光伏逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤D不平衡电压暂降时光伏逆变器控制模式为：

在发生不平衡电压暂降时，有功功率按电网电压正常时输出，无功功率按所述无功功率参考值表达式所求得到的无功功率输出，将此时得到的有功无功功率参考值代入到参考电流表达式得到此时的电流参考值，电流参考值正、负序分量i_d ^+*、i_d ^-*、i_q ^+*、i_q ^-*经过坐标变换，得到在两相αβ静止坐标系下的电流参考值i_α ^+*、i_α ^-*、i_β ^+*、i_β ^-*，与电流实际值正、负序分量i_α ⁺、i_α ^-、i_β ⁺、i_β ^-经过比例谐振补偿调解后得到输出电压参考值正、负序分量，再经过αβ/abc坐标变换，得到三相abc静止坐标下的输出电压参考值正负序分量，输出电压参考值正负序分量相加后经过SPWM调制得到光伏逆变器开关器件的触发信号，此时即为可电压支撑的改进瞬时有功无功控制模式。

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