CN111917130A - 一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高光伏低电压穿越能力的方法，包括步骤：1)建立光伏L型逆变器数学模型；2)对步骤1)中数学模型进行Park变换，得到二维电压方程；3)化简步骤2)电压方程；4)将步骤3)中的d、q轴交叉耦合项作为电流控制前馈补偿；5)将步骤4)前馈补偿项进行离散，得到k+1时刻d、q轴预测方程；6)将k时刻输出控制量表示为预测方程；7)将步骤6)k时刻输出控制量带入步骤5)预测方程中，得到新d、q轴预测方程；8)根据k时刻控制增量为0，步骤7)的预测方程，得到k+2时刻预测模型；9)根据光伏低穿工况，设置目标函数；10)设置正常/电压跌落两种模式电流控制方式。本发明采用模型预测在光伏逆变器控制中，提高低穿能力。

Description

一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法。

背景技术

随着电网容量不断增加，光伏等新能源发电大规模接入，势必会对电力系统稳定性造成影响。光伏通过逆变装置实现并网，当网侧发生电压跌落事故，会造成逆变装置用到的电力电子元器件损坏。因此需要开展提高光伏发电低电压穿越能力的研究。

为了使光伏电站具备低电压穿越能力，目前主流方法是改进逆变器控制算法。光伏逆变器控制采用PI控制，传统PI控制无法实现无静差调节，不具备电压快速跟踪能力。

模型预测控制作为一种新兴控制策略，因为快速动态响应能力强，可同时控制多个目标，输出特性好，在光伏并网逆变器控制领域得到广泛关注，但该控制策略存在计算量大的问题，这就需要更高性能的处理器，这无疑增加了成本，不利于该控制算法的推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，具体应用多步模型预测控制策略提高光伏低电压穿越能力，该方法是对光伏L型逆变器中电流环控制建立数学模型，并对其进行简化和离散。针对传统模型预测存在的周期延时问题，提出一种在当前采样时刻对未来两个采样周期预测方法，即在k时刻采样预测步长变为原些步长的2倍，使其保持长期的最优状态，提高光伏发电场站低电压穿越能力。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，包括以下步骤：

1)建立光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型；

2)对步骤1)中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型进行Park变换；

3)对步骤2)中经过Park变换得到的二维电压方程化简成单输入、单输出的数学模型；

4)将步骤3)中得到的单输入、单输出的数学模型中的d轴和q轴之间交叉耦合项视为扰动，得到后续电流控制系统中的前馈补偿项；

5)将步骤4)前馈补偿项进行离散化处理，得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程；

6)将k时刻输出控制量表示为预测方程形式；

7)将步骤6)的k时刻输出控制量带入步骤5)的d轴、q轴的预测方程中，得到新的d轴、q轴的预测方程；

8)根据k-1时刻的控制量决定了k时刻的预测值，k时刻控制增量为0，并根据步骤7)的新d轴、q轴的预测方程，得到k+2时刻预测模型；

9)根据光伏发电低电压穿越实际工况，设置目标函数；

10)在光伏并网逆变器控制系统中设置正常/网侧发生低电压跌落，两种电流控制方式，一种是在光伏逆变并网正常运行时，多步模型预测控制中的电流参考值由外环电压给定；一种是网侧发生低电压跌落，多步模型预测控制中的电流参考值由人工设定。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型为：

其中：L为滤波电感、R为线路等效阻抗；i_a、i_b、i_c为逆变器输出三相交流电流；u_a、u_b、u_c为逆变器输出三相交流电压；e_a、e_b、e_c为负载侧电压。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型，进行Park变换，得到光伏L型逆变器在dq两相坐标系下的数学模型

其中：

T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：对步骤2)中经过Park变换得到的二维电压方程化简成单输入、单输出的数学模型

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)得到的单输入、单输出的数学模型中的d轴和q轴之间交叉耦合项视为扰动，得到后续电流控制系统中的前馈补偿项

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)前馈补偿项进行离散化处理，得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程

其中：

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：将k时刻输出控制量表示为预测方程形式：

其中：u_d(k)和u_q(k)为k时刻输出控制量，Δu_d(k)、Δu_q(k)为k时刻控制增量。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)的k时刻输出控制量带入步骤5)的d轴、q轴的预测方程中，得到新的d轴、q轴的预测方程

其中：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：根据k-1时刻的控制量决定了k时刻的预测值，k时刻控制增量为0，并根据步骤7)的新d轴、q轴的预测方程，得到k+2时刻预测模型

其中：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：根据光伏发电低电压穿越实际工况，设置目标函数

其中：

分别为d、q轴电流参考值；i_d(k+2)、i_q(k+2)分别为d、q轴k+2时刻电流预测值；ε₁、ε₂分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ₁、λ₂分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用模型预测控制方法在光伏发电并网逆变器电流PI控制中，实现电流快速跟踪性能，进而提高光伏发电低电压穿越能力。

2.本发明针对传统模型预测存在的周期延时问题，提出一种在当前采样时刻对未来两个采样周期预测方案，使其保持长期的最优状态，提升光伏低电压低穿越电压调节能力。

附图说明

图1为光伏发电L并网逆变器模型；

图2为模型预测控制原理图；

图3为光伏电站低电压穿越要求曲线；

图4为采用多步模型预测的光伏逆变并网控制框图；

图5为接地故障验证低电压穿越能力仿真图；

图6为三相短路接地，网侧电压、电流仿真图；其中图6(a)为电网三相电压，图6(b)为电网三相电流；

图7为单相短路接地，网侧电压、电流仿真图；其中图7(a)为电网三相电压，图7(b)为电网三相电流。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型为：

式中：L为滤波电感、R为线路等效阻抗；i_a、i_b、i_c为逆变器输出三相交流电流；u_a、u_b、u_c为逆变器输出三相交流电压；e_a、e_b、e_c为负载侧电压。

对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到光伏L型逆变器在dq两相坐标系下的数学模型为：

式中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。

将二维电压方程化简为单输入、单输出的数学模型，表达式为：

将d轴和q轴之间的交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项：

如图2所示，为了对动态模型实现预测控制，以该模型当前状态量为基础，进行下一时刻的状态量预测控制，在预测过程中应以目标函数最小为约束条件，不断对电压矢量进行优化，达到电压矢量最优。将该电压矢量与开关状态相对，实现光伏并网逆变器的PWM控制。，为了使光伏并网逆变器具有低电压穿越能力，满足电压跌落情况下电流大幅调节特性，本发明将模型预测控制算法应用于电流控制系统中。

由式(3)可知：在d、q轴上，电流方程具有相同形式。设采样时间为T_s，对式(4)进行离散化处理，可以得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程：

式中：

为了表示方便，将k时刻输出控制量u_d(k)和u_q(k)写成：

式中：Δu_d(k)、Δu_q(k)为k时刻控制增量。将上式带入式(7)可以得到：

其中：

基于单步模型预测的光伏并网逆变器低电压穿越控制并未考虑系统在采样、计算PWM占空比时存在一个周期延时，无法得知后续能否保持最优控制效果。本发明提出一种在当前采样时刻，对未来两个采样周期(k+1、k+2)的电流值进行预测方案，使其保持长期的最优状态，达到最优控制效果。

k-1时刻的控制量决定了k时刻的预测值，即Δu_d(k)、Δu_q(k)均为0，则：

根据式(8)可以得到k+2时刻预测模型为：

其中：

本发明所提基于多步模型预测的光伏并网逆变器低电压穿越控制，与传统多步预测控制的第一步预测类似，k+1时刻的电流预测值是建立在k时刻的采样值；在第二步预测即k+2时刻，本发明所提方案是建立在k时刻的采样值，预测步长变为2T_s，而传统多步预测控制中每一步预测值都是基于前一步的预测值。光伏并网逆变器控制系统面对电压跌落工况，需要快速提供无功支持，这就需要电流具有快速跟踪和响应能力。本发明所提控制方案在相同的约束条件下，具有更好的控制性能。

如图3所示，根据国家标准《光伏电站接入电网技术规定》，大中型光伏电站在电网发生接地故障要具备低电压穿越能力，为电网稳定提供支撑，图中：U_N为光伏并网额定电压，U_L为发生电压跌落光伏电站不脱网最低电压，一般为0.2U_N。根据《光伏电站接入电网技术规定》，当网侧发生电压跌落事故，光伏并网电压需保持在U_L至少1s时间，电站才具备低电压穿越能力。

使光伏电站具有低电压穿越能力，需要在电压跌落工况下，对i_d和i_q进行控制，在并网稳定状态下，i_d对应的有功功率与视在功率相同，i_q对应的无功功率为0，为了穿越过低电压状态，需要控制系统按照有功、无功电流参考值

进行有功、无功功率调节，有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流的关系为：

光伏逆变并网输送至网侧的无功功率对应的i_q应具备实时跟踪并网点电压变化的能力，需满足：

为了使光伏逆变并网控制系统具备低电压穿越能力，在应用多步模型预测电流控制算法时，需要设置目标函数来提升系统电流追踪性能。在模型预测电流控制中，目标是下一周期被控量的预测值与该量差值尽可能小，同时控制量也不要过大，基于此本发明所提目标函数为：

式中：

分别为d、q轴电流参考值；i_d(k+2)、i_q(k+2)分别为d、q轴k+2时刻电流预测值；ε₁、ε₂分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ₁、λ₂分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。

如图4所示，光伏逆变并网两种电流控制方式，一种是在光伏逆变并网正常运行时，多步模型预测控制中的电流参考值由外环电压给定；一种是网侧发生低电压跌落，多步模型预测控制中的电流参考值由人工设定。

如图5所示，在仿真模型线路侧分别设置三相接地故障、单相接地故障，来验证本发明所提的多步模型预测电流控制方案可以提高光伏逆变并网低电压穿越能力。0.55s线路发生三相接地、A相接地故障，0.75s继电保护动作切除故障，采用多步模型预测控制的并网逆变器控制系统可以快速下达电流指令来为电网提供电压支持。在图(a)中对比未采用模型预测得到的母线电压波形，并网点电压标幺值由原些的0.65上升至0.72。在图(b)并网点电压标幺值由如图5所示，原些的0.68上升至0.75。

如图6所示，发生三相短路接地故障，采用本发明所提出的基于两步模型预测控制的光伏低电压穿越方案，在故障期间三相并网电压仍能保持平衡，幅值变换幅度不大，可以平稳穿越过三相短路接地故障时段。电网三相电流也可在故障期间保持平衡，采用本发明控制方案可以将电流限制在额定电流的1.1倍之内，满足规程要求。

如图7所示，当线路发生A相接地短路时，A相电压幅值减小，B、C相电压基本保持不变，当故障消除后三相电压又达到平衡。故障期间A、B、C相电流基本对称，幅值增长满足额定电流限制，故障消除后，很快恢复至系统额定运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型；

2)对步骤1)中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型进行Park变换；

3)对步骤2)中经过Park变换得到的二维电压方程化简成单输入、单输出的数学模型；

4)将步骤3)中得到的单输入、单输出的数学模型中的d轴和q轴之间交叉耦合项视为扰动，得到后续电流控制系统中的前馈补偿项；

5)将步骤4)前馈补偿项进行离散化处理，得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程；

6)将k时刻输出控制量表示为预测方程形式；

7)将步骤6)的k时刻输出控制量带入步骤5)的d轴、q轴的预测方程中，得到新的d轴、q轴的预测方程；

8)根据k-1时刻的控制量决定了k时刻的预测值，k时刻控制增量为0，并根据步骤7)的新d轴、q轴的预测方程，得到k+2时刻预测模型；

9)根据光伏发电低电压穿越实际工况，设置目标函数；

10)在光伏并网逆变器控制系统中设置正常/网侧发生低电压跌落，两种电流控制方式，一种是在光伏逆变并网正常运行时，多步模型预测控制中的电流参考值由外环电压给定；一种是网侧发生低电压跌落，多步模型预测控制中的电流参考值由人工设定。

2.根据权利要求1所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤1)的中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型为：

其中：L为滤波电感、R为线路等效阻抗；i_a、i_b、i_c为逆变器输出三相交流电流；u_a、u_b、u_c为逆变器输出三相交流电压；e_a、e_b、e_c为负载侧电压。

3.根据权利要求2所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)中光伏L型逆变器在abc三相坐标系下的数学模型，进行Park变换，得到光伏L型逆变器在dq两相坐标系下的数学模型

其中：

T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。

4.根据权利要求3所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：对步骤2)中经过Park变换得到的二维电压方程化简成单输入、单输出的数学模型

5.根据权利要求4所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)得到的单输入、单输出的数学模型中的d轴和q轴之间交叉耦合项视为扰动，得到后续电流控制系统中的前馈补偿项

6.根据权利要求5所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤4)前馈补偿项进行离散化处理，得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程

其中：

7.根据权利要求6所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：将k时刻输出控制量表示为预测方程形式：

其中：u_d(k)和u_q(k)为k时刻输出控制量，Δu_d(k)、Δu_q(k)为k时刻控制增量。

8.根据权利要求7所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)的k时刻输出控制量带入步骤5)的d轴、q轴的预测方程中，得到新的d轴、q轴的预测方程

其中：

9.根据权利要求8所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：根据k-1时刻的控制量决定了k时刻的预测值，k时刻控制增量为0，并根据步骤7)的新d轴、q轴的预测方程，得到k+2时刻预测模型

其中：

10.根据权利要求9所述的一种提高光伏发电低电压穿越能力的方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：根据光伏发电低电压穿越实际工况，设置目标函数

其中：

分别为d、q轴电流参考值；i_d(k+2)、i_q(k+2)分别为d、q轴k+2时刻电流预测值；ε₁、ε₂分别为d轴电流误差、q轴电流误差在优化性能函数中所占的权重；λ₁、λ₂分别为d轴控制电压变化量、q轴控制电压变化量。

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