CN115051411A - 一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，该控制方法在并网点电压出现电压骤升时，控制后级并网逆变器持续输出与并网点未出现电压骤升时的有功功率相等的有功功率，以维持直流母线电压的稳定；同时，根据并网点电压骤升情况调整后级并网逆变器直流网侧无功电流的参考值，以改变后级并网逆变器输出的无功功率以降低并网点电压。本发明提供的控制方法为有功/无功功率联合策略，在高电压故障穿越期间，仍控制后级并网逆变器保持与未出现并网点电压骤变时输出的有功功率基本相等的有功功率，不以牺牲有功功率为代价提高了光伏并网系统的高电压穿越能力，并且无需增加额外的硬件电路。

Description

一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法
技术领域
本发明属于新能源并网发电领域，具体涉及一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法。
背景技术
为推动能源绿色转型，以风力发电和光伏发电为代表的新能源发电装机比例不断提高。光伏电站的增加使其功率的波动在并网点的影响不断增大，造成电网电压骤升进而导致大规模新能源脱网的事件频发。因此研究高电压穿越控制策略增加并网系统高电压期间的故障穿越能力，降低脱网频率，对于电网的稳定运行来说尤为重要。
单级式光伏并网系统的光伏阵列通过并网逆变器将直流转换为交流直接并入电网，拓扑结构简单，能量转换效率较高，但是光伏阵列与并网逆变器的控制互相耦合，控制系统较为复杂。与单级式并网系统相比，两级式并网系统在并网逆变器前增加了DC/DC升压环节，使得光伏阵列的MPPT控制与并网逆变器的控制各自独立，控制系统设计更简单。目前，光伏系统大多采用两级式结构并网。
相比于较成熟的低电压穿越控制策略的研究，有关光伏并网系统高电压穿越的控制策略的研究较少。现有的高电压穿越控制策略主要有两种。一类是在并网点增加辅助硬件设备如静止同步补偿器、超导储能器等，可缓解并网点处电压的故障程度以完成高电压穿越，但是经济成本和协调控制的难度将会增加。另一类是通过改进控制策略，可分为调整有功、无功电流参考值以及直流母线电压参考值。正是在这一背景下，提出了本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，该控制方法在高电压故障穿越期间，不以牺牲有功功率为代价提高光伏并网发电系统的高电压穿越能力，并且无需增加额外的硬件电路。
本发明提供的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法在并网点电压出现电压骤升时，控制后级并网逆变器持续输出与并网点未出现电压骤升时的有功功率相等的有功功率，以维持直流母线电压的稳定；同时，根据并网点电压骤升情况调整后级并网逆变器直流网侧无功电流的参考值，以改变后级并网逆变器输出的无功功率以降低并网点电压。
在一些实施方式中，当并网点电压出现骤升时，无功电流的参考值iqref满足以下关系：
1)当0.9p.u.<Ug≤1.1p.u.时，iqref＝0；
2)当1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.时，
Figure BDA0003747516290000021
3)当1.2p.u.<Ug≤1.3p.u.时，
Figure BDA0003747516290000022
其中，Ug为并网点电压标幺值，IN为电网额定电流，idref为后级并网逆变器的有功电流的参考值,k为并网点电压骤升幅度。
在一些实施方式中，当并网点电压出现骤升，且1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.时，
Figure BDA0003747516290000023
且满足
Figure BDA0003747516290000024
在一些实施方式中，该控制方法在并网处电压处于正常状态时，前级boost电路采用最大功率点跟踪控制，后级并网逆变器采用直流电压控制和单位功率因数控制。
在一些实施方式中，该控制方法适用的两级光伏并网系统包括前级boost电路、后级并网逆变器和控制电路，所述控制电路包括用于控制前级boost电路输出的第一控制电路和用于控制后级并网逆变器输出的第二控制电路；
所述第一控制电路基于最大功率点跟踪方法生成控制前级boost电路的控制信号D；所述第二控制电路采用直流电压方式和单位功率因数方式控制后级并网逆变器。
在一些实施方式中，所述第一控制电路包括：
第一模块，基于最大功率点跟踪方法生成作为控制信号的uref；
第二模块，用于uref与光伏阵列输出的电压uPV运算后经PI调节器处理后生成控制前级boost电路的控制信号D。
在一些实施方式中，所述第二控制电路包括：
第一模块，用于根据直流电压控制外环输出的电压udcref和直流母线电压udc得到直流电压控制外环输出的电流参考值idref0；
第二模块，根据并网点电压骤升情况输出对应的无功电流的参考值iqref，并输出与所述电流参考值idref0相等的有功电流的参考值idref；
第三模块，根据有功电流的参考值idref、后级并网逆变器实际输出电流iabc的d轴分量id、后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq及并网点实际电压Ugi的d轴分量ugd输出控制量ud；同时根据无功电流的参考值iqref、后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq、后级并网逆变器输出电流iabc的d轴分量id及并网点实际电压Ugi的q轴分量ugq输出控制量uq；
第四模块，用于将第三模块产生的控制量ud和控制量uq进行dq/abc转换，输出uabc用于控制后级并网逆变器实际输出。
采用本发明的技术方案，可以达到的有益效果至少包括：
1)本发明提供的控制方法为有功/无功功率联合策略，在高电压故障穿越期间，仍控制后级并网逆变器保持与未出现并网点电压骤变时输出的有功功率基本相等的有功功率，不以牺牲有功功率为代价提高了光伏并网系统的高电压穿越能力，并且无需增加额外的硬件电路。
2)本发明提供的控制方法实现了在并网点电压骤变情况下维持了直流母线电压的稳定，保证了两级光伏并网系统在高电压期间能够吸收无功功率以降低并网点电压，有效地避免了并网点电压骤变造成的影响。
3)在系统容量范围内可根据电压骤升幅度通过调整电流指令来动态调整暂态功率，降低并网点电压。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明所应用的两级光伏并网系统的拓扑结构图。
图2为本发明记载的光伏并网系统的结构及控制策略原理图。
图3为本发明记载的光伏电站高电压穿越要求图。
图4为本发明记载的高电压穿越控制流程图。
图5-7分别为在电网由额定电压上升至1.2倍额定电压时，未采用本发明提供的控制策略和采用本发明提供的高电压穿越控制策略两种情况下并网点电压标幺值和并网点电流标幺值对比，以及采用本发明提供的高电压穿越控制策略时的直流母线电压波形。
图8-10分别为在电网由额定电压上升至1.3倍额定电压时，未采用本发明提供的控制策略和采用本发明提供的高电压穿越控制策略两种情况下并网点电压标幺值和并网点电流标幺值对比，以及采用本发明提供的高电压穿越控制策略时的直流母线电压波形。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
图1示出了两级光伏并网系统的示例性拓扑结构，包括前级boost电路和后级并网逆变器GCI；其中，前级boost电路用于将光伏阵列输出进行DC-DC升压处理，包括电容C、电感、二极管、直流母线电容C1和晶体管；后级并网逆变器GCI，包括三相逆变桥。
通过控制前级boost电路中晶体管实现DC-DC升压形成直流母线电压udc和直流母线电压idc；再控制三相逆变桥导通输出实现并网。
本公开中，前级boost采用最大功率点跟踪方法(MPPT)控制，请参照图2所示，光伏阵列输出的电压uPV和电流iPV输入第一控制电路的第一模块中，该第一模块包括MPPT单元，对输入的电压uPV和电流iPV进行最大功率点跟踪处理生成作用控制信号的uref输入第二模块，该第二模块包括第一运算器和第一PI调节器，uref输入第一运算器与输入该运算器的电压uPV进行作差运算后输入第一PI调节器，经第一PI调节器调节后生成控制前级boost电路的控制信号D。
后级并网逆变器GCI采用直流电压控制和无功功率控制，通过第二控制电路实现。请继续参照图2所示，该第二控制电路包括第一模块、第二模块、第三模块以及第四模块，各模块功能：
第一模块，用于根据直流电压控制外环输出的电压udcref和直流母线电压udc得到直流电压控制外环输出的电流参考值idref0；该模块配置有第二运算器和第二PI调节器，电压udcref和直流母线电压udc分别输入第二运算器处理后输入第二PI调节器处理得到直流电压控制外环输出的电流参考值idref0；其中，电压udcref为直流母线电压的参考值。
第二模块，根据并网点电压骤升情况输出对应的无功电流的参考值iqref，并输出与电流参考值idref0相等的有功电流的参考值idref。
第三模块，配置有第三运算器、第三PI调节器、第四运算器、第五运算器、第六运算器、第四PI调节器、第七运算器和第八运算器，有功电流的参考值idref、后级并网逆变器实际输出电流iabc的d轴分量id输入第三运算器后输入第三PI调节器，后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq经第五运算器输入第四运算器，并网点实际电压Ugi的d轴分量ugd和第三PI调节器的输出分别输入第四运算器，生成控制量ud；无功电流的参考值iqref和后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq输入第六运算器后输入第四PI调节器，后级并网逆变器实际输出电流iabc的d轴分量id经第八运算器输入第七运算器，并网点实际电压Ugi的q轴分量ugq和第四PI调节的输出分别输入第七运算器，生成控制量uq。
第四模块，用于将第三模块产生的控制量ud和控制量uq进行dq/abc转换，输出uabc用于控制后级并网逆变器动作。
本公开中，正常运行时，两级光伏并网系统的前级boost电路通过电导增量法采用MPPT控制，后级并网逆变器GCI采用直流电压控制和无功功率控制，结合图2所示，后级并网逆变器GCI在dq坐标轴下的数学模型为：
Figure BDA0003747516290000071
其中，ud1和uq1分别为GCI交流侧实际输出电压uabc的d轴和q轴分量，ugd和ugq分别为并网点实际电压Ugi的d轴和q轴分量，id和iq分别为GCI实际输出电流iabc的d轴和q轴分量，分别为有功电流和无功电流，ω为额定频率；由于d轴与并网点电压ug同向，故有ugd＝ug,ugq＝0。
dq坐标系下后级并网逆变器GCI的输出功率可表示为：
Figure BDA0003747516290000072
其中，Pg和Qg分别为GCI输出的有功功率和无功功率。
由上式可知，后级并网逆变器GCI向电网输出的有功功率和无功功率可以分别通过有功电流id和无功电流iq进行控制。
后级并网逆变器GCI进行直流电压控制和单位功率因数控制，设置其外环为直流电压环，输出作为后级并网逆变器GCI有功电流的参考值idref0。根据式(2)逆变器单位功率因数并网即Qg＝0时，后级并网逆变器GCI的控制方程为：
Figure BDA0003747516290000081
其中，ud和uq分别为经反馈信号、给定的无功电流的参考值及有功电流的参考值构成的控制量，udc和Udcref分别为直流母线电压及其参考值；idref和iqref分别为后级并网逆变器GCI的有功电流的参考值和无功电流的参考值；idref0为后级并网逆变器GCI直流电压控制外环输出的电流参考值，由直流电压控制外环输出的电压udcref和直流母线电压udc的偏差经PI调节得到。
对于两级式光伏并网系统，如果电网电压出现变化，直流母线电容两端会出现功率差，会使得电容电压变化，如式(4)所示，故高电压故障期间后级并网逆变器GCI仍采用直流电压控制，在高电压穿越期间稳定直流母线电压。且如果后级并网逆变器GCI的有功电流参考值不采用直流电压环输出值，直流母线电容两端会出现功率差，导致直流电压不能被稳定控制。
Figure BDA0003747516290000082
其中，PC为直流母线电容吸收的功率，PPV为光伏阵列的输出功率，PGrid为电网侧消耗的有功功率，C为直流母线电容，udc为直流母线电压。
当电网电压骤升时，两级光伏并网系统负载功率保持不变则后级并网逆变器GCI输出的功率也基本不变，那么并网点电压升高，后级并网逆变器GCI的输出电流则会下降。滤波电感吸收的无功功率也会下降(滤波电感吸收的无功功率Q＝I2X，电流降低功率也会降低)，而安装在并网点附近的滤波电容(附图中中所示的Cg)在电压升高时会发出更多无功功率，后级并网逆变器交流网侧出现无功冗余进一步抬升并网点电压。如果减少后级并网逆变器GCI输出的有功功率，会造成后级并网逆变器交流网侧电流进一步降低，使得直流母线电压升高。因此要实现高电压穿越，需要后级并网逆变器GCI维持有功功率的输出，同时吸收足够的无功功率来降低并网点电压。
当并网点电压从UN升高到kUN(k>1)，则滤波电容输出的无功为：
Figure BDA0003747516290000091
其中，容抗XC＝1/(jωC)，UC0为滤波电容正常运行时的电压，QC和QC0分别为滤波电容高电压期间和正常运行时输出的无功功率。
因此高电压期间滤波电容多输出的无功ΔQC为：
ΔQC≈(k2-1)QC0 (6)
要降低并网点电压就要吸收后级并网逆变器交流网侧多余的无功功率，由式(2)中Qg＝-1.5Ugiq可知控制无功功率输出的关键是控制无功电流，无功电流的参考值指令(标幺值)为：
Figure BDA0003747516290000092
结合式(3)，uq是根据无功电流的参考值与后级并网逆变器GCI实际输出值的差值(iqref-iq)输入到PI控制器，PI控制将此偏差的比例和积分通过线性组合构成的控制量，该控制量用于对后级并网逆变器GCI实际输出的无功电流进行控制。通过给定无功电流的参考值iqref即可控制无功电流的实际值，以消除稳态误差。
结合图1所示的两级光伏并网系统，后级并网逆变器GCI输出电压与并网点电压的电压差可表示为
Figure BDA0003747516290000093
(R+jX为线路阻抗，P和Q为线路上输送的有功和无功，Ugi为并网点实际电压)，改变无功功率的输出可以降低并网点电压。结合式(3)，改变给定无功电流的参考值可以对后级并网逆变器GCI实际输出的无功电流进行控制以改变后级并网逆变器GCI无功功率的输出以调节并网点电压。
为保证后级并网逆变器GCI输出的有功功率不变且维持直流母线电压，高电压期间前级boost电路和控制策略不变，仍采用MPPT控制，后级并网逆变器GCI的有功电流参考值idref仍取自直流电压外环。
本公开中，该控制方法获取并网点实际电压Ugi，根据该电压判断并网点电压是否骤升，如无骤升，判定为正常运行，两级光伏并网系统的前级boost电路采用MPPT控制，后级并网逆变器GCI采用直流电压控制和无功功率控制；如并网点电压骤升时，前级boost电路仍采用MPPT控制，后级GCI网侧有功电流参考值idref仍取自直流电压外环输出值，根据光伏电站高电压穿越要求以及电网电压骤升幅度，给定高电压期间后级并网逆变器直流网侧无功电流的参考值iqref以满足并网要求且能够使两级光伏并网系统在并网点电压骤升成功穿越；穿越过程中实时获取并网点实际电压Ugi以判断并网点电压是否骤升，当并网点实际电压Ugi骤升在一定范围内时，通过调整后级并网逆变器输出的无功功率实现光伏并网系统吸收并网点无功功率，完成高压穿越；超过一定范围后脱网，待故障解除后，两级光伏并网系统恢复正常运行，前级boost电路采用MPPT控制，后级GCI电路采用直流电压控制和无功功率控制。
本公开中，根据光伏电站高电压穿越要求(如图3所示)以及电网电压骤升幅度，高电压期间后级并网逆变器直流网侧有功电流和无功电流的参考值满足以下关系：
当0.9p.u.<Ug≤1.1p.u.时，光伏系统正常运行，后级并网逆变器GCI进行直流电压控制和单位功率因数控制。
Figure BDA0003747516290000111
当1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.时，并网点电压升高幅度较低，无功电流的参考值满足以下关系且满足
Figure BDA0003747516290000112
此情况下，电压升高幅度较低，将系统在额定范围内运行即可，避免增大器件损耗；
Figure BDA0003747516290000113
当1.2p.u.<Ug≤1.3p.u.时，光伏电站有较高脱网风险，需要进一步提高无功电流以吸收更多无功功率，此时将网侧电流提高至1.1倍额定电流。由于有功电流参考值取自直流电压外环，无功电流参考值由有功电流参考值决定(有功电流参考值已确定，在GCI的控制极限范围内取最大的无功电流参考值以尽可能多吸收无功功率)，满足以下关系：
Figure BDA0003747516290000114
式(8)—式(10)中p.u.为表示标幺值，是一种数值表示方法，Ug为并网点电压标幺值，为：
Figure BDA0003747516290000115
Ugi为并网点实际电压，UgN为并网点额定电压；IN为电网额定电流，idref为后级并网逆变器的有功电流的参考值,k为并网点电压骤升幅度，根据并网点电压从UN升高到kUN(k>1)可确定；或者根据并网点电压骤升时所获取得到的电压与并网点额定电压之比确定。
本公开中，0.9-1.1都属于正常运行范围,对于电压骤升幅度较高脱网风险较大的情况，需要光伏逆变器运行在极限值来完成故障穿越。
结合图4，更为详细的，本公开的控制方法获取并网点实际电压Ugi，根据该并网点实际电压Ugi计算并网点电压标幺值(以表示并网点电压骤升幅度)进行以下控制：
1)判断Ug是否满足0.9p.u.<Ug≤1.1p.u.，满足，调整无功电流的参考值iqref为：iqref＝0，idref＝idref0；光伏系统正常运行，后级并网逆变器GCI进行直流电压控制和单位功率因数控制，前级boost进行MPPT控制；
2)判断Ug是否满足1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.，满足，调整无功电流的参考值iqref为：
Figure BDA0003747516290000121
idref＝idref0，且满足
Figure BDA0003747516290000122
3)判断Ug是否满足1.2p.u.<Ug≤1.3p.u.，满足，调整无功电流的参考值iqref为：
Figure BDA0003747516290000123
idref＝idref0；
4)判断Ug是否满足1.3p.u.<Ug，满足，控制两级光伏并网系统脱网；
5)判断Ug是否满足Ug<0.9p.u.，满足，采用低电压穿越控制。
本公开根据并网点电压情况给定无功电流的参考值iqref，从而改变控制量uq,以调整后级并网逆变器GCI输出的无功电流，改变后级并网逆变器GCI输出的无功功率，实现了根据并网点电压骤变情况调整无功电流的参考值iqref以吸收因并网点电压骤升所产生的多余无功功率，降低并网点电压，避免了因并网点电压骤升而对两级光伏并网系统及电网所造成的影响。
在本实施例中，利用Matlab/Simulink搭建如图1所示的两级光伏并网系统的仿真模型，其中光伏阵列在温度T＝25℃和光强I＝1000W/m2的标准条件下运行。MPPT控制采用电导增量法，最大功率点电压VMPP为348V，对应电流IMPP为285A，最大输出功率为99.75kW。
光伏系统初始运行在额定工况，设置电网电压在0.5s～0.8s骤升到额定值的1.2倍和1.3倍。
如图5-7所示，当电网电压从额定值骤升到1.2p.u.，未采取控制策略时并网点电压标幺值从1.0升高到1.214，并网点电流标幺值从1.0降低到0.831。采用本公开的高电压穿越控制方法后，高电压期间并网点电压下降到1.128，并网点电流升高到0.973，光伏电站可持续运行更长时间，且此期间直流母线电压保持稳定，波动较小。
如图8-10所示，当电网电压从额定值骤升到1.3p.u.，未采取控制策略时并网点电压标幺值从1.0升高到1.319，并网点电流标幺值从1.0降低到0.727。采用本公开的高电压穿越控制方法后，高电压期间并网点电压下降到1.171，并网点电流升高到1.1，光伏电站无需从电网上切除，且此期间直流母线电压保持稳定，波动较小。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，该控制方法在并网点电压出现电压骤升时，控制后级并网逆变器持续输出与并网点未出现电压骤升时的有功功率相等的有功功率，以维持直流母线电压的稳定；同时，根据并网点电压骤升情况调整后级并网逆变器直流网侧无功电流的参考值，以改变后级并网逆变器输出的无功功率以降低并网点电压。
2.根据权利要求1所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，当并网点电压出现骤升时，无功电流的参考值iqref满足以下关系：
1)当0.9p.u.<ug≤1.1p.u.时，iqref＝0；
2)当1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.时，
Figure FDA0003747516280000011
3)当1.2p.u.<Ug≤1.3p.u.时，
Figure FDA0003747516280000012
其中，Ug为并网点电压标幺值，IN为电网额定电流，idref为后级并网逆变器的有功电流的参考值,k为并网点电压骤升幅度。
3.根据权利要求2所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，当并网点电压出现骤升，且1.1p.u.<Ug≤1.2p.u.时，
Figure FDA0003747516280000013
Figure FDA0003747516280000014
且满足
Figure FDA0003747516280000015
4.根据权利要求1所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，该控制方法在并网处电压处于正常状态时，前级boost电路采用最大功率点跟踪控制，后级并网逆变器采用直流电压控制和单位功率因数控制。
5.根据权利要求1所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，该控制方法适用的两级光伏并网系统包括前级boost电路、后级并网逆变器和控制电路，所述控制电路包括用于控制前级boost电路输出的第一控制电路和用于控制后级并网逆变器输出的第二控制电路；
所述第一控制电路基于最大功率点跟踪方法生成控制前级boost电路的控制信号D；所述第二控制电路采用直流电压方式和单位功率因数方式控制后级并网逆变器。
6.根据权利要求5所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，所述第一控制电路包括：
第一模块，基于最大功率点跟踪方法生成作为控制信号的uref；
第二模块，用于uref与光伏阵列输出的电压uPV运算后经PI调节器处理后生成控制前级boost电路的控制信号D。
7.根据权利要求5所述的适用于两级光伏并网系统的高电压穿越控制方法，其特征在于，所述第二控制电路包括：
第一模块，用于根据直流电压控制外环输出的电压udcref和直流母线电压udc得到直流电压控制外环输出的电流参考值idref0；
第二模块，根据并网点电压骤升情况输出对应的无功电流的参考值iqref，并输出与所述电流参考值idref0相等的有功电流的参考值idref；
第三模块，根据有功电流的参考值idref、后级并网逆变器实际输出电流iabc的d轴分量id、后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq及并网点实际电压Ugi的d轴分量ugd输出控制量ud；同时根据无功电流的参考值iqref、后级并网逆变器实际输出电流iabc的q轴分量iq、后级并网逆变器输出电流iabc的d轴分量id及并网点实际电压Ugi的q轴分量ugq输出控制量uq；
第四模块，用于将第三模块产生的控制量ud和控制量uq进行dq/abc转换，输出uabc用于控制后级并网逆变器实际输出。
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