CN116054205A - 一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法、系统及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，涉及电力系统技术领域，包括相位角平滑切换步骤、电流参考值平滑切换步骤以及功率修正平滑切换步骤。在保持并网逆变器外特性与外部控制性能不变的前提下实现跟网型控制和构网型控制的平滑切换，并且通过校正有功功率的参考值，能够保持全过程频率支撑的连续性，进一步削弱了切换过程中频率和功率的突变，提高了光伏参与系统调频的能力。

Description

一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法、系统及逆变器

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法、系统及逆变器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光伏发电作为近年来增长最为显著的可再生能源之一，在环境保护和温室气体减排等方面具有很多优势，但是它存在诸多弊端。与传统电源不同，光伏发电由于其工作原理而不可避免地受到自然条件的影响，所以其出力存在间歇性和随机性，这将导致电力系统的不确定性随着光伏渗透率的升高而增大。此外，分布式光伏常连接于低压配电端，而由于配电系统调节装置较少，导致配电网抗扰能力减弱，具有较高比例的光伏发电集成的电网将遭遇频繁的、更大范围的系统强度波动，进而严重威胁系统运行安全。

目前大多数光伏通过跟网型控制的逆变器并入电网，可能会出现无法主动响应系统频率的变化的情况，且在交流系统强度变弱时，锁相环会恶化系统的动态特性，导致稳定裕度下降甚至失稳。为此，有学者提出了构网型控制，使并网逆变器能够稳定运行在弱交流系统的条件下，并可以通过预留一定的功率储备使光伏能够在系统发生事故时实现出力的上调与下调以调节系统频率，提供频率支撑作用。然而，基于构网型控制的并网逆变器在交流系统强度很高时可能会引起阻尼比减小，从而导致运行稳定性降低的问题。因此，对于强度波动较大的电网，单一的控制策略无法满足不同强度下的稳定运行需求，需要对光伏并网逆变器的控制模式进行调整与切换以提高其稳定性。

发明人发现，目前虽然已有针对于双模式平滑切换控制策略的研究，但跟网型与构网型控制的平滑切换技术仍处于起步阶段，考虑到系统强度的波动大都是由电网的事故引起，在切换控制策略以适应电网运行工况的同时，如何提高事故全过程中系统可靠性服务水平，仍然有待进一步研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法、系统及逆变器，能够在保持并网逆变器外特性与外部控制性能不变的前提下实现跟网型控制和构网型控制的平滑切换，并且通过校正有功功率的参考值，能够保持全过程频率支撑的连续性，进一步削弱了切换过程中频率和功率的突变，提高了光伏参与系统调频的能力。

基于上述目的，本发明的第一方面，提出了一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，采用如下技术方案：

一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，包括：

相位角平滑切换步骤：并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，先将锁相环的角频率输出切换为功率同步环的角频率输出,再经过积分器积分；

电流参考值平滑切换步骤：并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，使功率同步控制的电流参考值跟踪电流矢量控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变；及

功率修正平滑切换步骤：并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

进一步的技术方案，所述相位角平滑切换步骤还包括：

并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，基于锁相环跟踪电网相位使得锁相环与功率同步环处于同步运行状态，模式切换前后相位角保持不变。

进一步的技术方案，所述电流参考值平滑切换步骤还包括：

并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，电流矢量控制的电流参考值跟踪功率同步控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变。

进一步的技术方案，所述电流参考值包括d轴电流参考值和q轴电流参考值。

进一步的技术方案，还包括：

功率修正平滑切换步骤：并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

进一步的技术方案，所述并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，包括：

获取功率同步控制和电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线；

若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率大于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，

当负载增加，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载增加，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向上平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向上平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向下平移。

进一步的技术方案，若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率大于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

式中，k_cvc和k_psc分别是电流矢量控制和功率同步控制特性的斜率；f₀为稳态系统频率；f₁为运行在电流矢量控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₁为当系统频率下降至f₁时，抬升后的有功功率；f₂为运行在功率同步控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₂为当系统频率下降至f₂时，抬升后的有功功率；P_cvc和P_psc分别是修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值。

进一步的技术方案，所述并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，包括：

获取功率同步控制和电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线；

若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率小于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，当负载增加，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下上移，

或者，

当负载增加，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向上平移。

进一步的技术方案，若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率小于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

式中，k_cvc和k_psc分别是电流矢量控制和功率同步控制特性的斜率；f₀为稳态系统频率；f₃为运行在电流矢量控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₃为当系统频率下降至f₃时，抬升后的有功功率；f₄为运行在功率同步控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₄为当系统频率下降至f₄时，抬升后的有功功率；P_cvc和P_psc分别是修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值。

本发明的第二方面，提出了一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统，包括：

相位角平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，先将锁相环的输出角频率切换为功率同步环的输出角频率,再经过积分器积分；

电流参考值平滑切换模块：被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，使功率同步控制的电流参考值跟踪电流矢量控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变；

功率修正平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

本发明的第三方面，提出了一种光伏并网逆变器，采用如上所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法或包括如上所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明能够在保持并网逆变器外特性与外部控制性能不变的前提下实现跟网型控制和构网型控制的平滑切换，并且通过校正有功功率的参考值，能够保持全过程频率支撑的连续性，进一步削弱了切换过程中频率和功率的突变，提高了光伏参与系统调频的能力。

2、在系统强度大幅波动时，采用本发明提出的方法对光伏并网逆变器的控制模式进行调整，可以大大提高光伏并网的稳定性和可靠性，且该方法具有很高的普适性，不仅可以用于光伏并网逆变器，也适用于其余场景下的VSC(电压源型换流器)控制模式切换。

3、本发明不仅可以进一步改善切换性能，而且能够保证切换全过程频率支撑效果的连续性，对光伏在发生事故时向系统提供调频服务的可靠性提高具有良好的效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为基于电流矢量控制的光伏并网结构示意图；

图2为基于功率同步控制的光伏并网结构示意图；

图3为相位角平滑切换结构框图；

图4为电流参考值平滑切换结构框图；

图5为切换过程中不同控制模式下的有功功率-频率特性(功率同步控制特性斜率大于电流矢量控制)；

图6为切换过程中不同控制模式下的有功功率-频率特性(电流矢量控制特性斜率大于功率同步控制)；

图7为当功率同步控制特性斜率大于电流矢量控制时的功率修正部分控制框图；

图8为光伏发电系统仿真模型图；

图9为直接切换与平滑切换效果对比图；

图10为功率修正的平滑切换与未修正的平滑切换效果对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

名词解释：电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)，短路比(ShortCircuit Ratio,SCR)，锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)，功率同步环(PowerSynchronization Loop,PSL)，电流矢量控制(Current Vector Control,CVC)，功率同步控制(Power Synchronization Control,PSC)。

本发明旨在解决在交流系统强度大范围连续波动条件下光伏并网逆变器的稳定运行问题的同时，实现全过程中光伏对系统频率支撑的连续性。由于系统强度的波动主要由电网中的事件引起，需要进行控制模式的切换来适应变化的运行工况，但切换过程将导致光伏的频率调节输出改变，进而可能引起系统频率的二次下降或二次上升。因此，在合理地调整和切换并网逆变器控制方法以适应电网运行条件的变化的基础上，更重要的是在切换过程中保证频率支持的连续性。针对这一问题，本发明提出了一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法、系统及逆变器，在跟网型控制与构网型控制的切换过程中保持连续的频率支撑，提高光伏为电网提供可靠性服务的能力。

目前，光伏并网逆变器的通用控制方法可以分为跟网型控制和构网型控制，其中跟网型控制的典型控制方法为电流矢量控制，是目前应用最广泛的基本控制方法之一；而功率同步控制作为构网型控制的代表性控制方法之一，因其结构简单、鲁棒性强等特点受到了越来越广泛的关注。

电流矢量控制：

基于锁相环的电流矢量控制的控制框图如图1所示。图中R_s和L_s为系统阻抗，v_{a ref}、v_{b ref}和v_{c ref}为abc三相电压参考值，v_{s abc}是并网点处的电压，i_{c abc}是并网逆变器出口电流。电流矢量控制主要可以分为三个部分：在外环部分，P_ref和P分别为并网换流器传输有功功率的参考值和实际值，Q_ref和Q分别为并网换流器传输无功功率的参考值和实际值，PI_cvc_outer代表外环控制的PI环节，i_{d ref}和i_{q ref}分别是d、q轴电流的参考值；在内环中，v_d、v_q和i_d、i_q分别是交流电压和交流电流的d、q轴分量，PI_cvc_inner代表内环控制的PI环节；在锁相环中，v_{q ref}为q轴电压参考值，PI_pll为电网锁相环PI环节，Δω为角频率偏差，ω₀和f₀分别为额定角频率和额定频率，θ_pll为锁相环输出的相角。

本发明采用通用的两级光伏并网系统，并使光伏运行在减载模式，使光伏预留一定的电力储备运行。此时，并网逆变器控制光伏的输出有功功率，则外环有功类控制采用定有功功率控制，而外环无功类控制采用定无功功率控制。外环控制可以根据有功量和无功量的d、q解耦特性实现其独立控制，其输出的d、q轴电流参考值作为内环的输入，而内环的作用是使i_d和i_q快速跟踪其参考值。此外，锁相环用于跟踪电网的电压相位，并为坐标变换提供相位角。

虽然电流矢量控制能够在强电网条件下保证更高的输出效率和电能质量，但锁相环与电网阻抗之间存在耦合关系，在电网强度很弱时该耦合关系会加剧，另外弱电网条件下锁相环将恶化系统的动态特性，引起系统稳定性的降低。

功率同步控制：

作为构网型控制的代表性控制方法之一，功率同步控制具有类似于同步发电机的外部特性，并可以为系统提供惯量支撑。功率同步控制的核心是基于同步发电机的摇摆方程来设计有功功率控制器，并将其转子角度作为功率同步环的输出。同步发电机的运动方程为：

式中，T_J为发电机惯性时间常数，D为阻尼系数，Δω是转速偏差标幺值，P_m和P_e分别为机械功率和电磁功率标幺值，θ为发电机转子电角度，ω为实际角频率标幺值，ω_N为角频率基准值。分别用功率参考值P_ref和实际值P来代替式中的P_m和P_e，即可获得图2所示的控制框图。如图2所示，功率同步控制包括功率同步环、内环、外环三个主要部分。在外环中，Q_ref和Q分别为并网换流器传输无功功率的参考值和实际值，v_d ref和v_q ref分别是d、q轴电压的参考值，U_sm0为输出无功功率为0时的空载电压，PI_psc_outer1代表外环无功功率控制的PI环节，PI_psc_outer2代表外环v_d控制的PI环节，PI_psc_outer3代表外环v_q控制的PI环节；在内环中，PI_cvc_inner代表内环控制的PI环节；功率同步环中，θ_psl为功率同步环输出的相角。功率同步控制的内环与电流矢量控制具有相同的结构，功率同步环通过模拟同步发电机特性在控制有功功率的同时产生相位角θ，即实现了两个功能，一个是有功类的控制，另一个是锁相环的功能，而外环只需完成无功类控制，即i_{d ref}通过跟踪无功功率或交流电压的参考值来获得，当采用定无功功率时，v_{d ref}包括两部分，一部分是空载电压U_sm0，另一部分是调节无功功率带来的电压偏移量，而i_{q ref}通过跟踪q轴电压参考值v_{q ref}来获得。

功率同步控制不需通过锁相环实现与系统的同步，因而能够有效地规避锁相环引起的弱电网下的不稳定问题。然而，由于在强电网条件下该控制模式会降低系统阻尼比，基于功率同步控制的并网逆变器在交流系统强度较高时可能存在调节速度慢和交流故障穿越能力降低等问题。因此，两种控制模式的适用范围有很大的区别，合理地调整和切换其控制模式以提高不同运行工况下光伏并网逆变器的适应性和稳定性，具有十分重要的意义。

正常运行工况下的系统的电网强度一般是稳定的，无需进行控制方法的调整。但如果电网发生事故，可能导致联络开关的动作进而引起电网结构的变化，使电网强度发生大幅波动。因此，需要基于电流矢量控制和功率同步控制的适用范围，考虑在交流系统强度变化时对光伏并网逆变器的控制进行切换，以提高并网逆变器的通用性。然而，由于两种控制方法原理上存在的差异，直接切换可能导致切换失败。因此，需要分析切换过程中造成扰动甚至切换失败的关键因素，并在此基础上实现平滑切换控制，能够在保证并网逆变器的外特性不变的同时切换内部控制模式。

首先，电流矢量控制和功率同步控制最明显的区别之一在于锁相环与功率同步环，对于一个给定的系统，二者处于并行状态。若并网逆变器在某一时刻采用的电流矢量控制，则功率同步环的控制变量将不能形成闭环，且由于积分器的积分作用，功率同步环输出的相位角θ_psl将与当前并网逆变器的输出相角存在偏差，反之亦然。因此，如果在某一时刻进行锁相环与功率同步环之间的切换，相位角势必会发生突变，进而引起功率的大幅波动。

其次，两种控制的外环也存在一定的差异。由于其内环结构相同，可以通过切换dq轴电流参考值来实现两种控制的直接切换，但这将存在一个问题，即无论并网逆变器工作于哪种控制模式，另一种控制模式将无法形成闭环，因此非运行控制模式输出的dq轴电流参考值与当前运行状态无法对应，这必将引起切换瞬间i_{d ref}和i_{q ref}的突变，进而导致功率的大幅波动甚至切换失败。

因此，基于上述区别，需要抑制切换过程中相位角和d、q轴电流参考值的突变及其引起的扰动。

首先，针对相位角的突变，本发明提出了如图3所示的控制方法，即将切换开关置于积分器之前，利用积分器输出的连续性和非突变性来实现系统相位角θ的平滑切换。具体而言，在电流矢量控制的锁相环和功率同步控制的功率同步环之间设置了第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关设置于锁相环的输出角频率ω_pll和功率同步环的输出角频率ω_psl之间，第一切换开关的S11端连接锁相环的输出角频率，第一切换开关的S12端连接功率同步环的输出角频率，同时锁相环的输出角频率正常输入至其积分器中；第二切换开关设置于锁相环的dq变换前，其S21端与系统输出的相位角θ相连，S22端与锁相环的积分器输出相连。第一切换开关与第二切换开关的切换同步控制，即S11端与S21端同时连通或S12端与S22端同时连通。

相位角平滑切换的具体控制逻辑如下：

(1)若并网逆变器运行在电流矢量控制下，第一切换开关处于S11端，第二切换开关处于S21端，且系统的相位角θ＝θ_pll，此时稳定运行状态下有P＝P_ref，因此ω_psl＝ω₀。当切换控制模式时，第一切换开关由S11端切换至S12端，同时第二切换开关由S21端切换至S22端，由于第一切换开关之后积分器的存在及其输出连续的特性，切换瞬间有θ＝θ_pll＝θ_psl。

(2)若并网逆变器运行在功率同步控制下，第一切换开关处于S12端，第二切换开关处于S22端，且系统的相位角θ＝θ_psl，由于锁相环能够跟踪电网相位，即当锁相环实现锁相同步时，θ_pll就等于v_sa的相位(余弦形式)，其中vsa为a相交流电压，此时锁相环与功率同步环依然处于同步运行状态，因此有θ_pll＝θ_psl和ω_pll＝ω_psl。当控制模式切换时，第一切换开关由S12端切换至S11端，同时第二切换开关由S22端切换至S21端，切换时θ不会存在突变。

其次，针对切换过程中d、q轴电流参考值的突变，本发明构建了如图4所示的用于平滑切换i_{d ref}和i_{q ref}的控制结构。具体而言，对于d轴的控制，分别设置了三个切换开关：第三切换开关设置于有功功率控制的PI环节PI_cvc_outer之前，其Sd_11端连接正常具有下垂功能的电流矢量控制下的有功功率参考值，Sd_12端连接P_{ref_switch}，代表功率同步控制模式下电流矢量控制外环的有功功率参考值；第四切换开关设置于无功功率控制的PI环节PI_psc_outer1之前，其Sd_21端连接Q_{ref_switch_psc}，代表电流矢量控制模式下功率同步控制外环的无功功率参考值，Sd_22端连接正常功率同步控制下的Q_ref；第五切换开关设置于系统输出的i_{d ref}之前，其Sd_31端和Sd_32端分别连接电流矢量控制模式下的d轴电流参考值i_{d ref_cvc}和功率同步控制模式下的d轴电流参考值i_{d ref_psc}，实现i_{d ref}在两种控制模式之间的切换。同理，对于q轴的控制也设置了三个开关：第六切换开关设置于无功功率控制的PI环节PI_cvc_outer之前，其Sq_11端连接正常电流矢量控制下的Q_ref，Sq_12端连接Q_{ref_switch_cvc}，代表功率同步控制模式下电流矢量控制外环的无功功率参考值；第七切换开关设置于q轴电压控制的PI环节PI_psc_outer3之前，其Sq_21端连接v_{q ref_switch}，代表电流矢量控制模式下功率同步控制外环的q轴电压参考值，Sq_22端连接正常功率同步控制下的v_{q ref}；第八切换开关位于系统输出的i_{q ref}之前，其Sq_31端和Sq_32端分别连接电流矢量控制模式下的q轴电流参考值i_{q ref_cvc}和功率同步控制模式下的q轴电流参考值i_{q ref_psc}，实现i_q ref在两种控制模式之间的切换。PI_switch1、PI_switch2、PI_switch3、PI_switch4均为切换控制的PI环节，所有切换开关均同步控制，即第三切换开关的Sd_11端、第四切换开关的Sd_21端、第五切换开关的Sd_31端、第六切换开关的Sq_11端、第七切换开关的Sq_21端、第八切换开关的Sq_31端(以下简称1位置)同时连通或第三切换开关的Sd_12端、第四切换开关的Sd_22端、第五切换开关的Sd_32端、第六切换开关的Sq_12端、第七切换开关的Sq_22端、第八切换开关的Sq_32端(以下简称2位置)同时连通。

电流参考值平滑切换的具体控制逻辑如下：

(1)若并网逆变器运行在电流矢量控制下，开关均处于1位置，且有i_d ref＝i_{d ref_cvc}和i_q ref＝i_{q ref_cvc}。外环设置了有功-频率下垂控制，并经过PI环节输出i_{d ref_cvc}，同时令无功功率Q跟踪其参考值Q_ref以获得i_{q ref_cvc}。功率同步控制的d轴和q轴也将独立运行，使i_{d ref_psc}和i_{q ref_psc}分别跟踪i_{d ref_cvc}和i_{q ref_cvc},以实现功率同步控制模式的dq轴电流参考值与电流矢量控制模式的dq轴电流参考值的同步。当控制模式切换时，开关从1位置切换至2位置，切换瞬间有i_{d ref_cvc}＝i_{d ref_psc}和i_{q ref_cvc}＝i_{q ref_psc}，因此i_d ref和i_q ref均不会突变。

(2)若并网逆变器运行在功率同步控制下，开关均处于2位置，且有i_d ref＝i_{d ref_psc}和i_q ref＝i_{q ref_psc}。外环令无功功率Q跟踪其参考值Q_ref以获得i_{d ref_psc}，并使q轴电压v_q跟踪其参考值v_{q ref}以获得i_{q ref_psc}。同理，此时电流矢量控制的d轴和q轴也将独立运行，使i_{d ref_cvc}和i_{q ref_cvc}分别跟踪i_{d ref_psc}和i_{q ref_psc}。当控制模式切换时，开关从2位置切换至1位置，显然切换瞬间也有i_{d ref_psc}＝i_{d ref_cvc}和i_{q ref_psc}＝i_{q ref_cvc}。

需要指出的是，上述方法虽然是以定有功功率/定无功功率控制为例设计的，但其原理也适用于其他控制方法的平滑切换，如定有功功率/定交流电压控制等。

前述平滑切换控制方法解决了单一的控制方法无法适应交流系统强度变化的问题，实现了在光伏并网逆变器外特性不变的前提下切换控制模式，能够有效地提高光伏并网稳定性。然而，由于电网强度大幅波动大都是由电网事故引起的，而上述平滑切换控制方法虽然能够实现两种控制模式的平滑切换以保证系统的稳定运行，但无法避免切换过程对光伏的频率支撑作用产生的不利影响。事实上，在事故期间保持光伏频率主动支撑效果的连续性不仅是未来电网发展对光伏提出的迫切需求，更是光伏向电网提供可靠性服务的具体体现。因此，为了实现切换全过程中的连续频率支撑，本发明创造性地在上述方法的基础上添加了功率修正部分，进一步削弱了切换瞬间功率和频率的波动。

光伏发电系统在不同控制模式下的有功功率-频率特性如图5所示，图中P₀对应光伏减载运行点，f₀为稳态系统频率，电流矢量控制特性的斜率为下垂系数k，功率同步控制特性的斜率可由前述同步发电机的运动方程确定，设稳态时有Δω的导数为0，则有：

ΔP_*＝-DΔf_*

则可以认为功率同步控制特性的斜率即为其阻尼系数D，式中ΔP_*和Δf_*分别是功率偏差和频率偏差的标幺值。此处假设功率同步控制特性的斜率大于电流矢量控制，即对于相同的频率变化量，基于功率同步控制的光伏发电系统可以提供比基于具备下垂特性的电流矢量控制的光伏发电系统更多的出力以用于频率调节。

图5的(a)和(b)分别对应于从电流矢量控制切换到功率同步控制和从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况：

(a)考虑初始阶段运行在电流矢量控制的情况，如(a)中代表电流矢量控制的实线所示，稳定状态下的工作点为A₁。假设某一时刻负荷突增，系统频率下降至f₁，且由于下垂特性的存在，有功功率抬升至P₁以提供频率支撑。在系统达到新的稳态后，运行点变为B₁，若此时切换控制模式，则切换时运行点将突变至C₁，这将导致功率和频率的突然变化。由于C₁点对应的功率值P₁'大于P₁，在切换之后原本的调频出力无法保持，即光伏将会提供更多的有功功率，可能会引起功率裕度的降低甚至在下一次事故发生时无法提供足够的支撑。

(b)考虑初始阶段运行在功率同步控制的情况，如(b)中代表功率同步控制的实线所示，稳定状态下的工作点为A₂。假设某一时刻负荷突增，系统频率下降至f₂，运行点变为B₂，若此时切换控制模式，则切换时运行点将突变至C₂，而由于P₂'小于P₂，切换后原本的调频出力也无法保持，光伏提供的频率支撑降低，可能导致系统频率二次下降。

上述只分析了负载增加的情况，负载减少的情况同理。

为了解决控制模式切换引起的上述问题，应考虑使切换瞬间的运行点不突变。对于从电流矢量控制切换到功率同步控制的情况，将功率同步控制的特性曲线向下平移，直至C₁与B₁重合，如(a)中虚线所示，则在切换瞬间运行点将保持在B₁而不会造成扰动。类似的，对于从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况，将电流矢量控制特性曲线向上平移，如(b)中虚线所示，在切换瞬间运行点将保持在B₂。

同理，当负载减少时，对于从电流矢量控制切换到功率同步控制的情况，需要将功率同步控制的特性曲线向上平移，以使得切换瞬间运行点不变；对于从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况，将电流矢量控制特性曲线向下平移，保证切换瞬间运行点不变。

在特性平移之后，功率参考值也将相应改变，在此情况下修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

式中k_cvc和k_psc分别是电流矢量控制和功率同步控制特性的斜率。由上式可以获得图7所示的功率修正部分的控制框图：当控制模式由电流矢量控制切换到功率同步控制时，开关由S1切至S2，切换后有功功率参考值为P_psc；反之，当控制模式由功率同步控制切换到电流矢量控制时，开关由S2切至S1，切换后有功功率参考值为P_cvc。通过功率修正，可以进一步削弱切换时功率和频率的波动，进而实现能保持全过程频率支撑连续性的平滑切换控制。

下面分析电流矢量控制特性的斜率大于功率同步控制的情况。

图6的(a)和(b)分别对应于从电流矢量控制切换到功率同步控制和从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况：

(a)若初始阶段运行在电流矢量控制，如(a)中代表电流矢量控制的实线所示，稳态工作点为A₃。某一时刻负荷突增使系统频率下降至f₃，有功功率抬升至P₃以提供频率支撑。在系统达到新的稳态后，运行点变为B₃，若此时切换控制模式，运行点将突变至C₃，导致功率和频率的突然变化。由于C₃点对应的功率值P₃'小于P₃，在切换之后光伏提供的频率支撑降低，可能导致系统频率二次下降。

(b)若初始阶段运行在功率同步控制，如(b)中代表功率同步控制的实线所示，稳态工作点为A₄。某一时刻负荷突增使系统频率下降至f₄，运行点变为B₄，若此时切换控制模式，运行点将突变至C₄，而由于P₄'大于P₄，切换后光伏将会提供更多的有功功率，可能会引起功率裕度的降低。

上述分析为负载增加的情况，负载减少的情况同理。

对于从电流矢量控制切换到功率同步控制的情况，应将功率同步控制的特性曲线向上平移，直至C₃与B₃重合，如(a)中虚线所示，则在切换瞬间运行点将保持在B₃而不会造成扰动。类似的，对于从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况，将电流矢量控制特性曲线向下平移，如(b)中虚线所示，在切换瞬间运行点将保持在B₄。

同理，当负载减少时，对于从电流矢量控制切换到功率同步控制的情况，需要将功率同步控制的特性曲线向下平移，以使得切换瞬间运行点不变；对于从功率同步控制切换到电流矢量控制的情况，将电流矢量控制特性曲线向上平移，保证切换瞬间运行点不变。

在特性平移之后，功率参考值也将相应改变，在此情况下修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

功率修正部分的控制框图和原理与图7基本相同，在此不再赘述。

为更直观地验证本发明所述方法的效果，在系统强度变化的条件下比较直接切换、相位角和电流参考值的平滑切换及进行了功率修正的平滑切换的切换效果，其中直接切换为直接在θ、i_{d ref}和i_{q ref}处进行切换，而不附加任何切换控制措施，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图8所示的连接IEEE 33节点配电网的光伏发电系统，并对IEEE 33节点系统进行了改进，即将电压等级由12.66千伏变更为10千伏。具体的系统参数如表1所示。

表1系统各模块参数

(1)相位角和电流参考值的平滑切换有效性分析

由于电网发生事故时可能导致联络开关动作，从而导致系统强度的大幅波动，因此考虑联络开关动作向失电区域进行转供电的场景来验证所提切换方法的有效性。假定并网逆变器连接至母线27，此时交流系统强度为SCR＝3.2。若线路6-26在45秒时因故障而断开，应急措施为将线路25-29之间的联络开关闭合以向失电区域的负载供电,此时交流系统强度变为SCR＝1.4，过低的短路比使电流矢量控制很可能已经无法满足系统稳定运行的需求，因此，将并网逆变器的控制模式切换至功率同步控制。假设线路故障在75秒时被清除，则线路5-29之间的联络开关断开，线路6-26恢复运行，系统短路比恢复至原始状态，控制模式切换回电流矢量控制。另考虑到检测到系统强度变化后控制模式的切换需要时间，将通讯时延设置为20毫秒。

由图9可以看出，若采用直接切换方法，由于SCR的变化以及切换瞬间θ、i_{d ref}和i_{q ref}的突变，当控制模式切换时会出现很大的功率和频率波动，尤其是i_{d ref}和i_{q ref}会达到其限值，引起切换失败。相比之下，抑制了相位角和dq轴电流参考值的平滑切换控制方法只会受到SCR变化的影响，因而其功率和频率波动非常小，具有更加稳定和平滑的切换性能。

由上述可见，在系统强度大幅波动时，采用本发明提出的平滑切换控制方法对光伏并网逆变器的控制模式进行调整，可以大大提高光伏并网的稳定性和可靠性。必须指出该平滑切换控制方法具有很高的普适性，不仅可以用于光伏并网逆变器，也适用于其余场景下的VSC控制模式切换。

(2)频率支撑连续性验证

在相同的场景下对添加了功率修正后的平滑切换控制方法的频率支撑连续性进行验证，但联络开关的动作时间改为80秒和130秒。另外在50秒时设置一次2MW的负荷突增，在100秒时再设置一次2MW的负荷突增，负荷增加的设置是为了体现光伏频率支撑效果的对比。系统有功功率和频率的响应如图10所示。

由图10可见，功率修正部分的添加对切换性能具有有益效果。无论从电流矢量控制切换至功率同步控制还是反之，添加功率修正后的波动幅度都更小。根据前文中的分析，在80秒切换控制模式后，没有修正的平滑切换控制方法下光伏有功功率输出的抬升幅度高于添加功率修正后的平滑切换控制方法，因而其功率和频率的波动也会更加明显。同理，在130秒切换时也存在功率和频率的波动差异。因此，本发明提出的平滑切换控制方法不仅可以进一步改善切换性能，而且能够保证切换全过程频率支撑效果的连续性，对光伏在发生事故时向系统提供调频服务的可靠性提高具有良好的效果。

本发明还提供了以下产品实施例：

一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统，包括：

相位角平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，先将锁相环的输出角频率切换为功率同步环的输出角频率,再经过积分器积分；

电流参考值平滑切换模块：被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，使功率同步控制的电流参考值跟踪电流矢量控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变；

功率修正平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

一种光伏并网逆变器，采用如上所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法或包括如上所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征是，包括：

相位角平滑切换步骤：并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，先将锁相环的角频率输出切换为功率同步环的角频率输出,再经过积分器积分；

电流参考值平滑切换步骤：并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，使功率同步控制的电流参考值跟踪电流矢量控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变；及

功率修正平滑切换步骤：并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

2.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征是，所述相位角平滑切换步骤还包括：

并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，基于锁相环跟踪电网相位使得锁相环与功率同步环处于同步运行状态，模式切换前后相位角保持不变。

3.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征是，所述电流参考值平滑切换步骤还包括：

并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，电流矢量控制的电流参考值跟踪功率同步控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变。

4.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征是，所述电流参考值包括d轴电流参考值和q轴电流参考值。

5.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征在于，所述并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，包括：

获取功率同步控制和电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线；

若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率大于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，当负载增加，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载增加，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向上平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向上平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向下平移。

6.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征在于，若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率大于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

式中，k_cvc和k_psc分别是电流矢量控制和功率同步控制特性的斜率；f₀为稳态系统频率；f₁为运行在电流矢量控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₁为当系统频率下降至f₁时，抬升后的有功功率；f₂为运行在功率同步控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₂为当系统频率下降至f₂时，抬升后的有功功率；P_cvc和P_psc分别是修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值。

7.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征在于，所述并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，包括：

获取功率同步控制和电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线；

若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率小于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，当负载增加，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下上移，

或者，

当负载增加，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，将功率同步控制的有功功率-频率特性曲线向下平移，

或者，

当负载减少，且并网逆变器运行模式从功率同步控制模式向电流矢量控制模式切换时，将电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线向上平移。

8.如权利要求1所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法，其特征在于，若功率同步控制的有功功率-频率特性曲线的斜率小于电流矢量控制的有功功率-频率特性曲线的斜率，修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值为：

式中，k_cvc和k_psc分别是电流矢量控制和功率同步控制特性的斜率；f₀为稳态系统频率；f₃为运行在电流矢量控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₃为当系统频率下降至f₃时，抬升后的有功功率；f₄为运行在功率同步控制下，当负荷突增时，下降后的系统频率；P₄为当系统频率下降至f₄时，抬升后的有功功率；P_cvc和P_psc分别是修正后的电流矢量控制和功率同步控制的有功功率参考值。

9.一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统，其特征在于，包括：

相位角平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，先将锁相环的输出角频率切换为功率同步环的输出角频率,再经过积分器积分；

电流参考值平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式从电流矢量控制模式向功率同步控制模式切换时，使功率同步控制的电流参考值跟踪电流矢量控制的电流参考值,模式切换前后的电流参考值保持不变；

功率修正平滑切换模块，被配置为并网逆变器运行模式切换时，平移有功功率-频率特性曲线，修正有功功率参考值，使模式切换前后的运行点不变。

10.一种光伏并网逆变器，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制方法或包括如权利要求9所述的一种光伏并网逆变器平滑切换控制系统。

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