CN112271754A - 一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，属于光伏发电技术领域，包括以下步骤：S1：将大型光伏系统中的电网阻抗等效到单逆变器并网系统；S2：通过逆变侧电压矢量三角形关系得到系统并网输出功率曲线；S3：根据系统并网输出功率曲线得到不同电网阻抗条件下系统的输出功率最大值；S4：根据系统输出功率最大值设计MPPT跟踪方法使直流侧功率输入和输出功率平衡。本发明通过在传统MPPT算法中加入功率平衡语句实现直流侧输入与输出功率的实时平衡，避免了电网故障，无功及储能控制不足等情况下，系统直流侧电压的控制不稳定问题。

Description

一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法。

背景技术

为了解决环境污染和能源短缺问题，发展可再生能源受到了世界各国越来越多的重视。光伏发电作为可再生能源的重要组成部分正迅速发展。随着光伏发电系统的发展，光伏并网系统的规模越来越大，承担的电力供应责任也越来越大，其稳定性直接关系到相应的供电负荷及电力系统的可靠稳定运行。然而，大型光伏电站多位于远离负荷中心的偏远地区。一方面，并网接入地电网比较薄弱，另一方面，电网容易发生故障，使光伏电站面临极弱电网情况。这两方面的特点可以由并网系统中较大的等效电网阻抗来表征。等效电网阻抗对并网系统的稳定运行和并网电能质量有着重要的影响。一方面，等效电网阻抗与逆变器输出阻抗相互作用，容易使系统产生谐波谐振现象。另一方面，较大的等效电网阻抗会导致系统出现电压问题。

目前的研究主要集中在分析等效电网阻抗对逆变器电流控制和锁相控制的影响并提出相应的稳定性提高方法。然而，光伏并网系统中，两级式光伏并网逆变器中间直流侧电压的稳定性也受等效电网阻抗的影响。针对直流侧电压的稳定性问题，目前大部分研究集中在系统静态工作点存在的情况下，直流侧电压的小信号稳定性分析及控制器优化设计方面；并没有考虑逆变器前级MPPT控制与逆变器输出能力之间的矛盾，没有注意到电网阻抗引起的功率限制现象。这种功率限制现象在大型光伏并网系统中更容易产生，当系统输出功率与直流侧输入功率不平衡时，不平衡功率将会导致直流侧电压控制失去静态工作点而使系统发生振荡不稳定现象，从而威胁供电安全及可靠性。因此，提出一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决大型光伏并网系统中因直流侧输入与输出功率不平衡导致的直流侧电压控制不稳定问题，提供了一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：将大型光伏系统中的电网阻抗等效到单逆变器并网系统；

S2：通过逆变侧电压矢量三角形关系得到系统并网输出功率曲线；

S3：根据系统并网输出功率曲线得到不同电网阻抗条件下系统的输出功率最大值；

S4：根据系统输出功率最大值设计MPPT跟踪算法使直流侧功率输入和输出功率平衡。

更进一步地，所述步骤S1的具体过程如下：

S11：根据电流控制框图得到并网输出电流的表达式：

I_pv＝T_i(s)I_pvref+Y_pv(s)V_pv

其中，I_pvref，V_pv分别为并网电流参考值和并网输出电压；T_i(s)、Y_pv(s)分别为参考电流和逆变器输出电压到逆变器输出电流的传递函数；

S12：将单台逆变器由一个电流源并联一个导纳来表示，得到其诺顿等效电路；

S13：根据单台逆变器诺顿等效电路得到大型光伏并网系统等效电路并化简为单逆变器并网系统。

更进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：

S21：单位功率因素并网情况下，根据逆变侧电压向量关系得到逆变侧输出电压：

其中，V_l＝nI_pvωL_g，V_g为电网线电压；

S21：由逆变侧输出电压和电流得到逆变侧输出功率：

更进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：

S31：根据输出功率得到特定逆变器并联数和等效电网电感条件下系统的输出功率最大值：

其中，I₂为逆变侧输出最大功率时所对应的电流值，由下式计算得到：

S32：当考虑储能时输出功率最大值为：

其中，P_b，I_b分别为储能吸收功率及吸收电流。

更进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：

S41：将逆变侧输出功率最大值与直流侧输入功率进行实时比较，形成MPPT控制约束语句；

S42：在系统发生功率不平衡情况时改变MPPT跟踪方向；

S43：MPPT在新算法下使系统运行于功率平衡状态。

更进一步地，在所述步骤S42中，MPPT控制约束语句的控制逻辑如下：

S421：当逆变侧输出功率最大值小于直流侧输入功率时，通过sign函数输出-1，使迭代步长符号为负，改变MPPT跟踪方向，降低光伏输出电压V_p；

S422：当逆变侧输出功率最大值大于等于直流侧输入功率时，通过sign函数输出1保持迭代步长符号为正，MPPT控制算法正常工作。

本发明相比现有技术具有以下优点：该大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，通过在传统MPPT算法中加入功率平衡语句实现直流侧输入与输出功率的实时平衡，避免了电网故障，无功及储能控制不足等情况下，系统直流侧电压的控制不稳定问题；并且该方法实现简单，效果明显，不影响系统原控制性能，是大型光伏并网系统直流侧电压控制的一种安全保证，有利于大型光伏并网系统的可靠稳定运行，具有良好的应用前景，值得被推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例中大型光伏并网系统图；

图2为本发明实施例中LCL型并网逆变器主电路图；

图3为本发明实施例中并网电流控制框图；

图4为本发明实施例中并网逆变器诺顿等效电路图；

图5为本发明实施例中大型光伏并网系统等效电路图；

图6为本发明实施例中大型光伏并网系统单逆变器并网等效电路图；

图7为本发明实施例中逆变侧电压向量图；

图8为本发明实施例中逆变侧输出功率曲线图；

图9为本发明实施例中系统不稳定波形图；

图10为本发明实施例中两级式光伏并网系统控制框图；

图11为本发明实施例中MPPT优化控制原理图；

图12为本发明实施例中MPPT优化控制实现策略图；

图13为本发明实施例中优化控制下系统稳定波形图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

考虑到大型光伏并网系统中主要包括光伏并网逆变器，升压变压器，输电线路及电网。其中，光伏并网逆变器采用并联结构连接以提高光伏电站的输出容量，升压变压器及输电线路实现电能的变换和传输。由于升压变压器及输电线路主要含有感性电抗，因此可以将其统一等效为由并网逆变侧看向电网的等效电网阻抗，并由Z_g表示，则两级式光伏并网系统可以由图1表示。当只考虑交流侧时，光伏并网逆变器主电路如图2所示。由于光伏并网逆变器对并网电流进行控制，其在αβ轴下的控制框图如图3所示，由于α轴与β轴下两者完全一样，这里只给出了α轴下的控制框图。因此，可以得到逆变器并网输出电流I_pv的表达式为：

I_pv＝T_i(s)I_pvref+Y_pv(s)V_pv (1)

其中，I_pvref，V_pv分别为并网电流参考值和并网输出电压；T_i(s)，Y_pv(s)分别为参考电流和逆变器输出电压到逆变器输出电流的传递函数。则单台逆变器可以由一个电流源并联一个导纳来表示，如图4所示。结合大型光伏并网系统结构可以进一步得到n台逆变器相并联之后系统的诺顿等效电路如图5所示。根据电路定理将电流源与导纳合并之后，可以得到将大型光伏并网系统等效到单台逆变器并网系统的等效电路图，如图6所示。根据图6可以得到逆变器输出电压矢量表达式为：

V_pv＝V_l+V_g (2)

其中，V_l＝nI_pvZ_g，V_g为电网线电压，为简化分析，以单位功率因数并网系统为例，逆变器输出电压V_pv和并网电流I_pv同频同相，当忽略电网阻抗的电阻分量时，电网阻抗为感性，即：Z_g＝jωL_g，此时，V_l相位超前I_pv相位90°，并且V_pv、V_l和V_g呈直角三角形关系。三个电压的矢量关系图如图7所示。其中虚线表示阻抗压降增大时系统运行点由a点变换到b点后的三角形关系。从图中可以直观看出，当V_l增大的时候，由于直角三角形关系的约束，逆变器输出电压V_pv将会沿着以V_g为直径的参考圆弧逐渐降低。此时，可以计算出逆变器输出电压的幅值为：

若以nI_pv表征大型光伏系统容量，则由式(3)可以看出，当并联逆变器台数n增大，或单台并网逆变器输出电流增大的时候，逆变器输出电压会降低。由于逆变器输出电流的增加导致了逆变器输出电压的降低，那么逆变器输出功率必然不能随逆变器输出电流的增加而增加。此时，逆变器的输出功率可以计算为：

可以看出，在等效电网阻抗存在的条件下，逆变器输出功率是逆变器输出电流的二次函数。图8给出了不同等效电网阻抗情况下，逆变器输出功率随逆变器输出电流的变化曲线。可以看出，逆变器输出功率存在最大值，并且随等效电网阻抗及光伏系统容量的增大而降低。当光伏系统直流侧输入功率大于逆变器输出功率时，直流电容上将会存在不平衡功率ΔP，设直流侧输入功率为P_in，逆变侧输出功率为P_pv，则直流电容上的不平衡功率为：

ΔP＝P_in-P_pv (5)

该不平衡功率ΔP将会给直流侧电容进行充电，即满足关系：

进一步，可以得到直流侧电压的表达式为：

可以看出，直流侧电压是时间t的函数，这表明随着时间的增加，直流侧电压将会在不平衡功率的作用下持续上升。然而，考虑到后级逆变器控制，当直流侧电压控制不住时，逆变系统控制将会产生振荡现象。对于500kW并网系统，系统参数如表1所示，根据图8可以看出，当nL_g为0.4mH时，系统不会出现不平衡功率情况，但是当nL_g为0.5mH时，逆变侧的输出功率最大值将达不到500kW，此时，直流侧电压将会在不平衡功率的作用下出现不稳定现象。系统的不稳定波形图如图9所示，其中，图9(a)为直流侧电容输入与输出功率不平衡的情况，图9(b)为直流侧电压在不平衡功率的作用下控制不稳定的情况，图9(c)为并网输出三相电压和电流的振荡不稳定波形。

表1 500kW并网逆变器参数

Table 1Parameters of 500kW grid-connected PV inverter

考虑到该直流侧电压控制不稳定问题是由于直流侧电容上的输入和输出功率不平衡导致的，因此该不稳定问题可以从增大逆变侧输出功率和减小直流侧电容充电功率两方面入手。第一方面可以采用对系统进行无功补偿来实现，第二方面可以采用储能来实现。然而，这两种方法都需要通过附加设备来实现，在工作过程中涉及到与逆变器控制相互配合的问题，当系统出现故障等紧急情况时，储能及无功补偿可能不能及时响应，此时直流侧电压将会控制不住从而进一步影响储能及无功补偿，最终系统整体会出现不稳定现象。为了实时保证直流侧输入和输出功率的平衡，本实施例从逆变器自身控制入手，提出了一种MPPT优化控制算法，从而避免直流侧电压因功率不平衡而出现控制不稳定问题。对于图10所示的两级式光伏并网系统，图11给出了以扰动观察法为例的MPPT优化算法。其中P_in为直流侧实时输入功率，P₂为逆变输出最大功率，其计算公式为：

其中，I₂为逆变输出最大功率时所对应的电流值，其可由式(9)得到：

图10中的虚线框内则为在传统扰动观察法中加入的功率平衡语句，其功能主要是实现当直流侧输入功率大于其输出功率的时候使系统停止跟踪最大功率点而运行于最大输出功率模式。值得注意的是这里没有考虑输送给储能的功率，当考虑储能时，则：

其中，P_b，I_b分别为储能吸收功率及吸收电流。

根据图11所示控制逻辑，首先采样k时刻光伏电池输出的电压V_p(k)和电流I_p(k)并计算输出功率P_in(k),然后将P_in(k)与逆变输出最大功率P₂进行比较，如果P_in(k)>P₂，则说明直流侧会产生不平衡功率，此时功率平衡器起作用，通过改变占空比迭代步长符号改变光伏电池输出的电压。当光伏系统运行在最大功率点左侧时(dP_indV_p>0,dP_in、dV_p分别为光伏电池输出功率和电压增量)，功率平衡器使V_p降低；当光伏系统运行在最大功率点右侧时(dP_indV_p<0),功率平衡器使V_p增加，从而使系统运行于逆变器允许输出最大功率点而非光伏曲线最大功率点。图12给出了一种优化后的MPPT实现方式，其中δ为调节步长。该实现方式通过sign函数作用于δ的符号，从而实现对占空比和V_p的控制。在P_in(k)≤P₂时，sign输出为1，δ为正，此时MPPT正常工作，V_p逐渐接近最大工作点；当P_in(k)>P₂时,sign输出为-1，此时δ为负，V_p改变方向，停止追踪光伏曲线最大功率点，而使系统运行于P₂处。对于上述nL_g＝0.5mH时系统的不稳定情况，应用本发明所述的MPPT优化控制方法之后，系统可以稳定运行，系统运行图如图13所示。可以看出直流侧输入和输出功率在算法下保持相等，直流电容上电压可以保持稳定，逆变器输出电压和电流也能稳定运行。

综上所述，本实施例的大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，通过在传统MPPT算法中加入功率平衡语句实现直流侧输入与输出功率的实时平衡，避免了电网故障，无功及储能控制不足等情况下，系统直流侧电压的控制不稳定问题；该方法实现简单，效果明显，不影响系统原控制性能，是大型光伏并网系统直流侧电压控制的一种安全保证，有利于大型光伏并网系统的可靠稳定运行，具有良好的应用前景，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将大型光伏系统中的电网阻抗等效到单逆变器并网系统；

S2：通过逆变侧电压矢量三角形关系得到系统并网输出功率曲线；

S3：根据系统并网输出功率曲线得到不同电网阻抗条件下系统的输出功率最大值；

S4：根据系统输出功率最大值设计MPPT跟踪方法使直流侧功率输入和输出功率平衡。

2.根据权利要求1所述的一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体过程如下：

S11：根据电流控制框图得到并网输出电流的表达式：

I_pv＝T_i(s)I_pvref+Y_pv(s)V_pv

其中，I_pvref，V_pv分别为并网电流参考值和并网输出电压；T_i(s)、Y_pv(s)分别为参考电流和逆变器输出电压到逆变器输出电流的传递函数；

S12：将单台逆变器由一个电流源并联一个导纳来表示，得到其诺顿等效电路；

S13：根据单台逆变器诺顿等效电路得到大型光伏并网系统等效电路并化简为单逆变器并网系统。

3.根据权利要求2所述的一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S2的具体过程如下：

S21：单位功率因素并网情况下，根据逆变侧电压向量关系得到逆变侧输出电压：

其中，V_l＝nI_pvωL_g，V_g为电网线电压；

S21：由逆变侧输出电压和电流计算得到逆变侧输出功率：

4.根据权利要求3所述的一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程如下：

S31：根据输出功率得到特定逆变器并联数和等效电网电感条件下系统的输出功率最大值：

其中，I₂为逆变侧输出最大功率时所对应的电流值，由下式计算得到：

S32：当考虑储能时输出功率最大值为：

其中，P_b，I_b分别为储能吸收功率及吸收电流。

5.根据权利要求4所述的一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于：所述步骤S4的具体过程如下：

S41：将逆变侧输出功率最大值与直流侧输入功率进行实时比较，形成MPPT控制约束语句；

S42：在系统发生功率不平衡情况时改变MPPT跟踪方向；

S43：通过MPPT跟踪方法控制系统运行于功率平衡状态。

6.根据权利要求5所述的一种大型光伏并网系统直流侧电压稳定控制方法，其特征在于：在所述步骤S42中，MPPT控制约束语句的控制逻辑如下：

S421：当逆变侧输出功率最大值小于直流侧输入功率时，通过sign函数输出-1，使迭代步长符号为负，改变MPPT跟踪方向，降低光伏输出电压V_p；

S422：当逆变侧输出功率最大值大于等于直流侧输入功率时，通过sign函数输出1保持迭代步长符号为正，MPPT控制算法正常工作。

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