CN113572201A - 一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法 - Google Patents

一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：初始化信号量；按照指定的周期定时获取光伏当前输出电压和电流值，光伏逆变器交流侧电压和电流，直流母线电压，并根据正负序分离计算出系统并网点正序有功电压；将有功电压与预设的低电压故障判断电压进行比较，通过图形近似法快速估算出减载点工作电压，推导出故障期间光伏参考工作点位置，实现光伏输出功率快速减载；其次利用拟合出的光伏电流‑电压曲线估算光伏短路电流，通过Lambert‑W函数计算出最大功率点电压，实现光伏输出功率快速恢复。本发明提出的控制策略无需额外硬件设备，有较好的故障穿越能力和故障恢复效果，且经济性较好，有助于光伏并网发电技术的推广应用。

Description

一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及光伏低电压穿越控制技术，具体涉及一种基于柔性工作点追踪的光伏低电压穿越控制方法。
背景技术
当电网发生低电压故障时，光伏并网系统的并网逆变器输出能力下降，光伏输出功率无法完全输送到网侧，由此产生的不平衡功率将对直流母线电容充电，严重时将导致设备损坏。因此，低电压穿越技术(LowVoltage Ride Through,LVRT)对光伏并网系统的稳定运行具有重要意义。
目前国内外学者针对光伏低电压穿越技术已开展大量研究。基于卸荷电路的低电压穿越控制策略在光伏并网系统的直流侧接入卸荷电路，消耗故障期间的不平衡功率，从而实现故障穿越。虽然该方案能够有效稳定直流母线电压，但需要安装额外的硬件电路以消耗不平衡功率，因此存在功率损失和结构复杂的问题。基于储能设备的低电压穿越控制为最大程度利用电网故障期间的不平衡功率，避免光伏功率损失，在并网系统接入储能设备实现电网故障期间系统的功率平衡,稳定直流母线电压。虽然储能设备能够储存电网故障期间的不平衡功率，但是其高昂的成本是该方案面临的主要问题。
除接入额外硬件设备实现并网系统低电压穿越外，针对光伏工作点控制的低成本低电压穿越控制策略也受到广泛关注。传统基于光伏工作点控制的低电压穿越控制算法通过对工作电压施加小扰动，观察功率值与一个参考功率值Pref的绝对值差值|ΔP|，将功率绝对值减小的方向作为下一次扰动的方向，这样最终工作点会稳定在对该参考值的绝对值差值|ΔP|最小处。而当参考值的绝对值差值|ΔP|较大时，传统算法调节时间较长，仍可能导致母线电压上升。此外，目前基于光伏工作点控制的低电压穿越控制策略对于功率削减后光伏输出功率恢复的研究较少，通常采用常规扰动观察法追踪最大功率点，因此故障后光伏输出功率恢复较慢。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于柔性工作点追踪的光伏低电压穿越控制方法，能够提升并网系统故障恢复能力，并且解决了现有光伏并网发电系统低电压穿越控制存在的母线过电压问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：
S1：初始化信号量S，令S＝0；
S2：按照指定的周期定时获取光伏当前输出电压Vpv(k)和电流值Ipv(k)，光伏逆变器交流侧电压Vabc和电流Iabc，直流母线电压Vdc，并计算出系统并网点正序有功电压ed,p；
S3：将ed,p与预设的低电压故障判断电压0.9eN进行比较：
如果ed,p大于低电压故障判断电压，则根据信号量S判断最大功率点追踪方式，具体为：如果S＝0，采用扰动观察法追踪最大功率点，返回步骤S2；如果S＝1，则通过故障快速恢复控制实现光伏输出功率快速恢复；
如果ed,p小于低电压故障判断电压，则根据信号量S判断故障快速减载控制的控制方法，具体为：如果S＝0，将并网系统逆变器控制计算逆变器输出有功功率参考值Pg0,ref作为故障期间光伏输出功率参考值Ppv,ref，通过图形近似的方法快速估算近似的减载点工作电压Vapp，并使S＝1，返回步骤S2；如果S＝1，根据并网系统直流母线电压对光伏工作电压参考值进行微调，返回步骤S2。
进一步地，所述步骤S2中系统并网点正序有功电压ed,p由正负序分离控制计算得出。
进一步地，所述步骤S3中低电压故障判断电压为0.9eN。其中，eN为并网点额定电压。低电压故障判断电压是根据《光伏发电站接入电力系统技术规定GB/T19964-2012》中的标准确定。
进一步地，所述步骤S3中通过故障快速恢复控制实现光伏输出功率快速恢复的方法为：采样故障恢复前的光伏恒流区中的一对光伏工作点，将恒流区(Constant CurrentRegion,CCR)光伏I-V曲线拟合为一条斜率一定的直线L’，通过L’的函数方程，计算光伏短路电流Isc，并估算光伏最大功率点电流Impp，最后通过Lambert-W函数估算光伏最大功率点电压Vmpp，并使S＝0，返回步骤S2。
进一步地，所述步骤S3中拟合直线L’函数表达式计算方式如下：
I(k)＝-mV(k)+Isc
Figure BDA0003222420390000021
其中，I(k)、V(k)分别为当前采样的光伏工作电流、电压值；I(k-1)、V(k-1)分别为先前采样的光伏工作电流、电压值；Isc为光伏短路电流。
进一步地，所述步骤S3中减载工作点参考电压Vapp的计算方式如下：
Figure BDA0003222420390000022
其中，Vmpp为故障发生前光伏最大功率点电压；Pmpp为故障发生前光伏最大功率点功率。
进一步地，所述步骤S3中根据并网系统直流母线电压对光伏工作电压参考值进行微调的具体方式为：判断母线电压Vdc是否大于直流母线电压上限参考值Vdc,max，当Vdc大于Vdc,max时，将光伏参考电压调低Vref＝Vpv-ΔV；当Vdc小于Vdc,max时，判断Vdc是否小于直流母线电压下限参考值Vdc,min，当Vdc大于Vdc,min时，维持光伏参考电压Vref＝Vpv，当Vdc小于Vdc,min时，将光伏参考电压调高Vref＝Vpv+ΔV。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、本发明提出的基于柔性工作点控制的低电压穿越控制策略无需外接额外硬件设备，经济性较好。
2、本发明提出的LVRT控制中的故障快速减载控制通过图形近似的方法将复杂的光伏参考工作点推理简化为代数的比例关系，完成故障期间工作点的快速整定，从而解决了现有光伏并网发电系统低电压穿越控制存在的母线过电压问题，有利于简化系统控制结构，提升控制系统稳定性。
3、本发明提出的LVRT控制中的故障快速恢复控制通过估算光伏最大功率点电压，合理地减少了光伏工作点的调节时间，能够提升并网系统的故障恢复能力。
附图说明
图1为基于柔性工作点控制的光伏低电压穿越控制策略流程图；
图2为故障快速恢复控制原理示意图；
图3为故障快速减载控制原理示意图；
图4为光伏并网实验系统结构示意图；
图5为三相对称故障实验验证波形图；
图6为不对称故障实验验证波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其基本的控制原理为：基于柔性工作点控制的低电压穿越控制策略通过图形近似法快速估算出减载点工作电压，推导出故障期间光伏参考工作点位置；并利用拟合出的光伏电流-电压曲线估算光伏短路电流，通过Lambert-W函数计算出最大功率点电压。
如图1所示，其具体包括如下步骤：
(1)初始化信号量S，令S＝0。
(2)按照指定的周期定时获取光伏当前输出电压Vpv(k)和电流值Ipv(k)，光伏逆变器交流侧电压Vabc和电流Iabc，直流母线电压Vdc，并根据正负序分离控制计算出系统并网点正序有功电压ed,p。
(3)如果ed,p大于预设的低电压故障判断电压0.9eN，则根据信号量S判断最大功率点追踪方式：
如果S＝0，采用扰动观察法追踪最大功率点，并且返回步骤(2)；
如果S＝1，则通过故障快速恢复控制实现光伏输出功率快速恢复：采样故障恢复前的光伏恒流区中的一对光伏工作点，将恒流区光伏I-V曲线拟合为一条斜率一定的直线L’，如图2中a)所示。直线L’的函数计算公式计算如下：
I(k)＝-mV(k)+Isc
Figure BDA0003222420390000041
通过L’的函数方程，计算光伏短路电流Isc，并估算光伏最大功率点电流Impp，如图2中b)所示。
最后通过Lambert-W函数估算光伏最大功率点电压Vmpp，如图2中c)所示。并使S＝0，返回步骤(2)。光伏最大功率点电压估算如下：
Figure BDA0003222420390000042
其中，Is为反向饱和电流；Rs、Rp为光伏串联电阻和并联电阻；η＝NsAKT/q(其中Ns为组件串联数；A为光伏二极管理想因子；K为波尔兹曼常数；T为光伏温度；q为基本电荷)
(4)如果ed,p小于低电压故障判断电压，则根据信号量S判断故障快速减载控制的控制方法：
如果S＝0，将并网系统逆变器控制计算逆变器输出有功功率参考值Pg0,ref作为故障期间光伏输出功率参考值Ppv,ref，通过图形近似的方法快速估算近似的减载点工作电压Vapp，如图3所示。并使S＝1，返回步骤(2)；
近似的减载工作电压Vapp计算公式计算如下：
Figure BDA0003222420390000043
其中，Vmpp为故障发生前光伏最大功率点电压；Pmpp为故障发生前光伏最大功率点功率。
如果S＝1，根据并网系统直流母线电压对光伏工作电压参考值进行微调，返回步骤(2)。微调的具体方式为：判断母线电压Vdc是否大于直流母线电压上限参考值Vdc,max，当Vdc大于Vdc,max时，将光伏参考电压调低Vref＝Vpv-ΔV；当Vdc小于Vdc,max时，判断Vdc是否小于直流母线电压下限参考值Vdc,min，当Vdc大于Vdc,min时，维持光伏参考电压Vref＝Vpv，当Vdc小于Vdc,min时，将光伏参考电压调高Vref＝Vpv+ΔV。
根据上述微调方式，光伏参考工作电压计算公式计算如下：
Figure BDA0003222420390000051
基于上述方案，为了验证本发明方案的效果，本实施例中通过硬件在环测试系统(Hardware In the Loop,HIL)验证本发明的有益效果，具体如下：
假定环境温度和辐照度分别为25℃和1000W/m^2。电网发生故障时，对称故障和不对称故障对并网系统的影响不同，因此分别对三相对称故障、两相相间短路故障以及单相接地故障进行实验分析，并网系统容量为10kW，通过0.38kV/10kV变压器并入10kV电网。光伏阵列最大工作点电压为263V，并网系统直流母线电压额定值为500V，母线电压最大值和最小值分别设为600V和400V。控制系统中，直流母线上限参考值和下限参考值分别设为550V和500V。系统结构如图4所示。
三相对称故障期间，光伏并网点电压在t1时刻跌落到0.5p.u.，低电压故障持续0.5s。低电压故障期间，电压穿越测试波形如图5所示。由图5可知，t1时刻控制策略检测到低电压故障发生后，控制策略迅速调整光伏工作点至近似的减载工作点。由于光伏工作点的迅速调整，光伏阵列的输出功率得以快速减载，调整后并网系统功率基本平衡，直流母线电压变化平稳。当检测到母线电压Vdc超过Vdc,max时，控制策略通过二次微调光伏工作点进一步稳定电压，防止电压越限。t2时刻电网恢复后，控制策略能够通过快速估算光伏最大功率点电压将光伏工作点调整至最大功率点，以此恢复光伏阵列输出功率至故障前水平，如图5矩形区域所示。
电网不对称故障期间，负序分量的存在影响并网系统的稳定运行。为证明LVRT控制的性能，分别通过两相相间短路故障和单相接地故障进行验证。两相相间短路故障发生在t1时刻，光伏并网点BC相电压从1p.u.跌落到0.5p.u.，故障持续0.5s。单相接地故障中，并网点C相电压在t1时刻跌落50％，故障持续0.5s。图6中的(a)和(b)分别为并网系统在不对称故障期间直流母线电压和逆变器输出电流波形。由图知，两种故障期间所提控制系统的直流母线电压均被稳定在电压限值内，不对称故障期间逆变器的输出电流幅值平稳，波形较好。
由上可以看出，根据本发明提出的LVRT控制策略能够克服并网系统母线电压上升的问题，并实现光伏输出功率的快速恢复，合理减少了光伏工作点的调节时间，提高了光伏并网系统低电压穿越的可靠性，无需接入额外硬件设备，有较好的经济性，有助于光伏并网发电技术的推广应用。

Claims (7)

1.一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：初始化信号量S，令S＝0；
S2：按照指定的周期定时获取光伏当前输出电压Vpv(k)和电流值Ipv(k)，光伏逆变器交流侧电压Vabc和电流Iabc，直流母线电压Vdc，并计算出系统并网点正序有功电压ed,p；
S3：将ed,p与预设的低电压故障判断电压进行比较：
如果ed,p大于低电压故障判断电压，则根据信号量S判断最大功率点追踪方式，具体为：如果S＝0，采用扰动观察法追踪最大功率点，返回步骤S2；如果S＝1，则通过故障快速恢复控制实现光伏输出功率快速恢复；
如果ed,p小于低电压故障判断电压，则根据信号量S判断故障快速减载控制的控制方法，具体为：如果S＝0，将并网系统逆变器控制计算逆变器输出有功功率参考值Pg0,ref作为故障期间光伏输出功率参考值Ppv,ref，通过图形近似的方法估算近似的减载点工作电压Vapp，并使S＝1，返回步骤S2；如果S＝1，根据并网系统直流母线电压对光伏工作电压参考值进行微调，返回步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S2中系统并网点正序有功电压ed,p由正负序分离控制计算得出。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S3中低电压故障判断电压为0.9eN。其中，eN为并网点额定电压。低电压故障判断电压是根据《光伏发电站接入电力系统技术规定GB/T19964-2012》中的标准确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S3中通过故障快速恢复控制实现光伏输出功率快速恢复的方法为：采样故障恢复前的光伏恒流区中的一对光伏工作点，将恒流区光伏I-V曲线拟合为一条斜率一定的直线L’，通过L’的函数方程，计算光伏短路电流Isc，并估算光伏最大功率点电流Impp，最后通过Lambert-W函数估算光伏最大功率点电压Vmpp，并使S＝0，返回步骤S2。
5.根据权利要求4所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S3中拟合直线L’函数表达式计算方式如下：
I(k)＝-mV(k)+Isc
Figure FDA0003222420380000011
其中，I(k)、V(k)分别为当前采样的光伏工作电流、电压值；I(k-1)、V(k-1)分别为先前采样的光伏工作电流、电压值；Isc为光伏短路电流。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S3中减载工作点参考电压Vapp的计算方式如下：
Figure FDA0003222420380000021
其中，Vmpp为故障发生前光伏最大功率点电压；Pmpp为故障发生前光伏最大功率点功率。
7.根据权利要求1所述的一种基于柔性工作点控制的低电压穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S3中根据并网系统直流母线电压对光伏工作电压参考值进行微调的具体方式为：判断母线电压Vdc是否大于直流母线电压上限参考值Vdc,max，当Vdc大于Vdc,max时，将光伏参考电压调低Vref＝Vpv-ΔV；当Vdc小于Vdc,max时，判断Vdc是否小于直流母线电压下限参考值Vdc,min，当Vdc大于Vdc,min时，维持光伏参考电压Vref＝Vpv，当Vdc小于Vdc,min时，将光伏参考电压调高Vref＝Vpv+ΔV。
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