CN112467787A - 一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，包括：建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式；得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；定义故障切除后，光伏并网点电压表达式；得到光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式，得到电压骤升带来的电容器多输出无功表达式，得到无功电流参考值表达式；定义有功电流参考值取值范围；得到LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式；分析LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式中电压升高比例系数，根据不同电压骤升幅度设计不同无功电流参考值和有功电流参考值。本发明解决了光伏并网故障切除后电压骤升带来的暂态冲击问题。

Description

一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法

技术领域

本发明涉及一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，该方法用于解决光伏并网故障切除后电压骤升带来的暂态冲击问题，采用无功电流控制策略来稳定并网点母线电压。

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，其间歇性、不稳定性会影响电力系统稳定性。尤其是随着光伏并网规模的增大，如何保证电站安全稳定运行，不会因为网或者故障切除后无功过剩、并网电压骤升等现象，成为最近光伏并网控制领域研究热点。

目前分析故障发生到故障切除全过程光伏故障穿越过程鲜有研究，因此需要开展光伏并网故障切除电压支撑能力研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，以解决光伏并网故障切除后电压骤升带来的暂态冲击问题，分析有功、无功功率变化情况，提出一种无功电流控制策略来稳定直流母线电压方法。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，包括以下步骤：

1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；

2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型；

3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式；

4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；

5)定义故障切除后，光伏并网点电压表达式；

6)结合步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下无功功率Q表达式，和步骤5)故障切除后，光伏并网点电压表达式，得到光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式；

7)根据步骤6)光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式，得到电压骤升带来的电容器多输出无功表达式，进一步的得到无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式；

8)为了在故障切除后稳定直流母线电压，根据步骤7)无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式，定义有功电流参考值取值范围；

9)当步骤4)输出有功功率保持不变，标幺值恒为1，根据步骤8)有功电流参考值取值范围得到LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式；

10)分析步骤9)LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式中电压升高比例系数，根据不同电压骤升幅度设计不同无功电流参考值和有功电流参考值。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：

其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将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。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式：

其中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0；e_d恒定时，i_d控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q控制并网逆变器无功功率。

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2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：

其中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：定义故障切除后，光伏并网点电压表达式：U＝αE₀；

其中：E₀为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：结合步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下无功功率Q表达式，和步骤5)故障切除后，光伏并网点电压表达式，得到光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式：

其中：U_C、U_C0为故障切除后和正常状态下并联电容器端电压幅值；X_C为容抗。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式，得到电压骤升带来的电容器多输出无功表达式：ΔQ_C＝(α²-1)Q_C0，进一步的得到无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：为了在故障切除后稳定直流母线电压，根据步骤7)无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式，定义有功电流参考值取值范围：

其中：I_N为网侧额定电流，1.1I_N是按照并网逆变器中缘栅双极型晶体管IGBT长时耐受电流整定。

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：当步骤4)输出有功功率保持不变，标幺值恒为1，根据步骤8)有功电流参考值取值范围得到LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式：

其中：P₀为光伏并网逆变器输出额定有功；P_max为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关；取标幺值I_N＝1，求解上式分别可得：α₁＝1、α₂＝1.272；α₃＝0.9、α₄＝1.35；

步骤10)的具体实现方法为：分析步骤9)LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式中电压升高比例系数，根据不同电压骤升幅度设计不同无功电流参考值和有功电流参考值；当α∈[1 1.272]时，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*根据i_d ^*设置，标幺值I_N＝1.0，

其中：i_d0 ^*为电压外环有功电流参考值；当α∈(1.272 1.35)时，网侧电压升高，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，标幺值I_N∈(1.0 1.1)，

当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到并网逆变器输出极限，i_d ^*根据i_q ^*设置，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，标幺值I_N＝1.1，

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明解决当路故障切除后网侧电压升高，电流下降，光伏并网点冗余大量容性无功问题，为了稳定直流母线电压，同时改善网侧电能质量，提出一种无功电流稳压控制方案，避免线路故障切除后，电压骤升带来的暂态冲击问题。

2.本发明根据不同电压骤升幅度，设计不同电流参考值，通过实时调整无功电流参考值更好响应无功动态调节。

附图说明

图1为光伏并网LCL并电路拓扑；

图2为无功电流稳压控制流程图；

图3为光伏逆变并网仿真模型；

图4为网侧发生A相接地短路故障，不同控制方法无功功率对比仿真波形；

图5为网侧发生三相对称短路故障，不同控制方法无功功率对比仿真波形。

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，U_dc为直流侧母线电压；R_f、L_f、L_g、R_g构成LCL型滤波电路。用L表示线路等效电感(L＝L_f+L_g)，用R表示线路等效电阻(R＝R_f+R_g)，根据基尔霍夫电压定律可得：

式(1)中：L表示线路等效电感；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

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

式(2)中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，通常做法是采用前馈解耦控制，将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。

忽略并网逆变器自身损耗，在电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q：

式(3)中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0。e_d恒定时，i_d可以控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q可以控制并网逆变器无功功率。为了实现光伏并网逆变器控制，只需要控制i_d和i_q即可。在光伏发电并网逆变控制中，电流调节采用PI控制，则传递函数：

式(4)中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值。

如图2所示，光伏发电并网单元工作于最大功率点追踪模式(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)，且并网逆变器具有隔离作用，输出有功功率不受网侧线路故障的影响，并始终满足功率平衡。当线路故障切除后网侧电压升高，电流下降，光伏并网点冗余大量容性无功，为了稳定直流母线电压，同时改善网侧电能质量，需要感性无功来平衡冗余容性无功。本发明提出一种无功电流稳压控制方案，避免线路故障切除后，电压骤升带来的暂态冲击问题。

故障切除后，光伏并网点电压可表示为：

U＝αE₀ (5)

式(5)中：E₀为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功可表示为：

式(6)中：U_C、U_C0为故障切除后和正常状态下并联电容器端电压幅值；X_C为容抗。电压骤升带来的电容器多输出无功可表示为：

ΔQ_C＝(α²-1)Q_C0 (7)

无功电流参考值i_q ^*(标幺值)可表示为：

为了在故障切除后稳定直流母线电压，并保持光伏发电单元一直处于MPPT模式，有功电流参考值取值范围需满足：

式(9)中：I_N为网侧额定电流，1.1I_N是按照并网逆变器中缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)长时耐受电流整定。

输出有功功率保持不变，标幺值恒为1，即

式(10)中：P₀为光伏并网逆变器输出额定有功；P_max为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关。取I_N(标幺值)＝1，求解上式分别可得：α₁＝1、α₂＝1.272；α₃＝0.9、α₄＝1.35。本发明根据α取值，即不同电压骤升幅度设计不同i_d ^*、i_q ^*。

当α∈[1 1.272]时，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*根据i_d ^*设置，I_N(标幺值)＝1.0。

式(11)中：i_d0 ^*为电压外环有功电流参考值。

当α∈(1.272 1.35)时，网侧电压升高，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，I_N(标幺值)∈(1.0 1.1)。

当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到并网逆变器输出极限，i_d ^*根据i_q ^*设置，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，I_N(标幺值)＝1.1。

如图3所示，为了验证本发明所提控制方案的有效性。在MATLAB/Simulink下搭建光伏逆变并网仿真模型。该仿真模型中：一个光伏板阵列容量为0.5WM，两个光伏板阵列各自通过逆变器与一个容量为1000kVA的双绕组分裂式变压器相连，由0.4kV升压至10kV后接入电网，架空线路选择LCJ-240/40，长度为10km。光伏并网LCL逆变器参数如表1

表1光伏并网LCL逆变器参数表

如图4所示，电网A相接地短路和故障切除后，电压恢复阶段采用传统PI控制和无功电流控制无功功率输出波形。2s时刻故障切除，传统PI控制下光伏并网逆变器输出无功功率存在震荡现象，而采用本发明所提无功电流控制方法得到的无功功率波形无震荡，且很快稳定。切除单相接地故障后，无功功率减少响应母线电压上升，传统PI控制下无功功率减为0Mvar，无功电流控制下无功功率减少至-0.05Mvar(进相运行，网侧吸收感性无功)，为了恢复故障前母线电压，需要从网侧吸收0.05Mvar感性无功，传统PI控制不具备此控制能力。

如图5所示，切除三相接地故障后，传统PI控制还是以无功功率减为0Mvar为目标值进行调节，无功电流控制以电压骤升幅度进行调节，最终无功减少至-0.07Mvar，当三相接地故障切除后，为了恢复母线电压，需要从网侧吸收0.07Mvar感性无功，本发明所提无功电流控制则可以通过实时调整无功电流参考值很好响应无功动态调节。

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)

1.一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；

2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型；

3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式；

4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；

5)定义故障切除后，光伏并网点电压表达式；

6)结合步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下无功功率Q表达式，和步骤5)故障切除后，光伏并网点电压表达式，得到光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式；

7)根据步骤6)光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式，得到电压骤升带来的电容器多输出无功表达式，进一步的得到无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式；

8)为了在故障切除后稳定直流母线电压，根据步骤7)无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式，定义有功电流参考值取值范围；

9)当步骤4)输出有功功率保持不变，标幺值恒为1，根据步骤8)有功电流参考值取值范围得到LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式；

10)分析步骤9)LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式中电压升高比例系数，根据不同电压骤升幅度设计不同无功电流参考值和有功电流参考值。

2.根据权利要求1所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：

其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

3.根据权利要求2所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将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。

4.根据权利要求3所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式：

其中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0；e_d恒定时，i_d控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q控制并网逆变器无功功率。

5.根据权利要求4所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：

其中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值。

6.根据权利要求5所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：定义故障切除后，光伏并网点电压表达式：U＝αE₀；

其中：E₀为网侧正常状态下电压幅值；α为电压升高比例系数。

7.根据权利要求6所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：结合步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下无功功率Q表达式，和步骤5)故障切除后，光伏并网点电压表达式，得到光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式：

其中：U_C、U_C0为故障切除后和正常状态下并联电容器端电压幅值；X_C为容抗。

8.根据权利要求7所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)光伏LCL并网逆变器的并联电容器输出无功表达式，得到电压骤升带来的电容器多输出无功表达式：ΔQ_C＝(α²-1)Q_C0，进一步的得到无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式：

9.根据权利要求8所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：为了在故障切除后稳定直流母线电压，根据步骤7)无功电流参考值i_q ^*即标幺值表达式，定义有功电流参考值取值范围：

其中：I_N为网侧额定电流，1.1I_N是按照并网逆变器中缘栅双极型晶体管IGBT长时耐受电流整定。

10.根据权利要求9所述的一种抑制光伏并网故障切除电压骤升的方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：当步骤4)输出有功功率保持不变，标幺值恒为1，根据步骤8)有功电流参考值取值范围得到LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式：

其中：P₀为光伏并网逆变器输出额定有功；P_max为长时最大输出有功，其与长时耐受电流有关；取标幺值I_N＝1，求解上式分别可得：α₁＝1、α₂＝1.272；α₃＝0.9、α₄＝1.35；

步骤10)的具体实现方法为：分析步骤9)LCL光伏并网逆变器输出有功功率系数表达式中电压升高比例系数，根据不同电压骤升幅度设计不同无功电流参考值和有功电流参考值；当α∈[1 1.272]时，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*根据i_d ^*设置，标幺值I_N＝1.0，

其中：i_d0 ^*为电压外环有功电流参考值；当α∈(1.272 1.35)时，网侧电压升高，i_d ^*取自电压外环有功电流参考值，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，标幺值I_N∈(1.0 1.1)，

当α＝1.35时，网侧电压进一步升高，达到并网逆变器输出极限，i_d ^*根据i_q ^*设置，i_q ^*按照电压骤升幅度取值，标幺值I_N＝1.1，

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