CN116505519B - 基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 - Google Patents
基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116505519B CN116505519B CN202310508179.0A CN202310508179A CN116505519B CN 116505519 B CN116505519 B CN 116505519B CN 202310508179 A CN202310508179 A CN 202310508179A CN 116505519 B CN116505519 B CN 116505519B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- power
- photovoltaic
- output
- reference value
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 description 22
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 8
- 238000011160 research Methods 0.000 description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 7
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/001—Methods to deal with contingencies, e.g. abnormalities, faults or failures
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
- H02J3/16—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load by adjustment of reactive power
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
- H02J3/466—Scheduling the operation of the generators, e.g. connecting or disconnecting generators to meet a given demand
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
- H02J3/50—Controlling the sharing of the out-of-phase component
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
- H02J2300/22—The renewable source being solar energy
- H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
- H02J2300/26—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin involving maximum power point tracking control for photovoltaic sources
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Electrical Variables (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，方法包括如下步骤：确定电网电压跌落，计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路；将最大功率点跟踪模块切换至动态电压调节模块，同时锁定最大功率点跟踪模块的电压参考值，根据电压跌落深度自适应调节光伏输出功率；升压并逆变所述光伏阵列的输出电压、输出电流，向电网提供无功电流。本技术方案采用功率前馈方式对光伏阵列的输出电压、输出电流进行调节，根据电压跌落深度自适应调整光伏输出功率，缩短电压跌落故障期间光伏阵列输出电压电流的响应过程；另外，本方法不涉及光伏特性曲线的显式求解，显著降低因环境条件变化造成的计算误差，更具环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及光伏逆变器并网控制领域，具体涉及一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法。
背景技术
随着光伏渗透率不断提高，光伏投切造成的功率波动对电网稳定性的影响不能被忽略，电网电压跌落时光伏系统应具备低电压穿越能力。两级式光伏并网系统中，电网电压跌落瞬间，由于电感的存在，逆变器输出电流保持不变，此时光伏输出功率与逆变器输功率失衡，多余功率积累在直流母线电容上，能量跳变会导致直流母线电压突然升高。系统过渡到稳态后，由于光伏电池仍工作在最大功率点，逆变器输出电流会急剧增大。直流母线电压升高和逆变器过流均会导致保护装置动作，造成光伏脱网。针对电压跌落期间的直流母线电压跳变以及逆变器过流问题，研究光伏系统低电压穿越策略具有重要工程意义。
现有研究针对光伏低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)问题已取得一定成效，本质是通过消纳电压跌落期间的不平衡功率来维持直流母线电压稳定和抑制逆变器过流。按是否添加硬件设备，解决措施可分为附加硬件电路以及改进控制策略两种方式。
《新能源发电低电压穿越的VSG实验平台研制》、《Single stage single phasesolar inverter with improved fault ride through capability》、《An improvedscheme for enhancingthe ride-through capability of grid-connectedphotovoltaic sys-tems towards meeting the recent grid codes requirements》，上述文献采用在直流母线电容附加卸荷电路的方法，当电网电压跌落时，由卸荷电阻消耗不平衡功率，维持直流母线电压恒定。
《基于超级电容的光伏并网低电压穿越控制策略研究》、《Transientreconfiguration and coordinated control for power converters to enhance theLVRT of a DFIG wind turbine with an energy storage device》、《光储微电网的低电压穿越控制策略研究》，上述文献均采用储能系统消纳不平衡功率的方式，实现故障期间冗余功率的快速平衡，进而维持直流母线电压稳定。但上述方法均存在安装维护困难以及经济性较差等缺陷，与附加硬件电路相比，通过改进控制策略实现光伏LVRT经济性更好，复杂度更低，更适用于光伏低电压穿越。
LVRT控制策略主要采用电压跌落时调节光伏输出功率的方式维持故障期间的功率平衡，按控制对象可分为两类，即被动调节和主动调节光伏工作点。文献《两级式三相并网逆变器LVRT控制策略研究》采用基于直流母线过压环的LVRT控制策略，故障期间前级BOOST电路控制模式由MPPT控制切换为定直流母线电压控制，根据故障期间直流母线电压的变化状况，光伏阵列被动调节输出电压电流，故障期间光伏阵列的动态响应较慢。在此基础上，文献《基于有功指令共享的两级式光伏并网系统低电压穿越控制策略》提出一种基于有功指令共享的LVRT控制策略，在传统定直流母线电压策略中引入有功功率前馈支路，在保证逆变器不过流以及直流母线稳定的前提下提升了故障期间光伏阵列输出电流电压的暂态性能。该方法在计算光伏输出电流参考值时对光伏P-U特性曲线进行线性化处理，与实际曲线之间存在误差。文献《光伏并网发电系统低电压穿越控制策略研究》、文献《于定功率跟踪控制的光伏DC/AC变换器低电压穿越策略研究》、文献《光伏并网系统定额控制策略及其在低电压穿越中的应用》，上述文献利用标准条件下的光伏电池参数将光伏P-U特性方程显式化，提出一种定功率控制策略，电压跌落时根据显式表达式求解新的电压参考值，通过控制BOOST电路占空比大小调整光伏阵列工作点，使光伏输出功率与逆变器输出功率平衡，实现抑制直流母线电压波动以及限制并网电流幅值的功能。这类方法在计算故障期间的光伏输出电压电流参考值时，采用了近似线性化或拟合标准状况下光伏P-U曲线的手段，准确性存在误差，在环境条件为非标准状况时，拟合曲线的准确性会进一步降低，影响LVRT效果。
两级式光伏并网系统数学模型
两级式光伏并网逆变器系统拓扑结构如图1所示，由前级BOOST电路(升压变换电路)和后级逆变器电路构成，滤波电路采用LCL型滤波器。其中C1和L0分别为BOOST回路电容和电感；C2为直流母线电容；L1为逆变器侧滤波电感，L2为网侧滤波电感，Cf为滤波电容。
通过最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法可获得最大功率点电压参考值，然后通过图1中BOOST控制回路使光伏阵列输出电压追踪至参考电压，实现最大功率输出。后级逆变器常采用双环控制策略实现对并网电流的控制。
基于dq坐标系的LCL滤波并网逆变器数学模型可近似表示为：
其中L＝L1+L2；id、iq为并网电流i2abc经派克变换后对应的直流分量；ud、uq为逆变器输出三相电压uabc经派克变换后对应的直流分量；ed、eq为并网点三相电压eabc经派克变换后对应的直流分量；ω为电网角频率。idref、iqref分别为dq轴电流参考值；ki、kp分别为PI控制器比例系数和积分系数。
光伏并网系统正常运行时，光伏阵列输出功率与电网吸收功率相等，不计开关器件及滤波电路损耗，基于电网电压定向控制的瞬时功率理论，三者功率关系可表示为：
当电网电压跌落时，功率关系为：
其中id0为电压跌落后的并网电流稳态值,UPV和IPV分别为光伏阵列实际输出电压和电流。
由式(3)可知，电压跌落幅度越大，并网电流稳态值越大，存在逆变器过流的风险。
传统定直流母线电压控制策略
根据2012年颁布的国家标准GB/T19964—2012，电压跌落期间光伏电站应具有LVRT能力。为了向公共耦合点提供电压支撑，逆变器应向电网输送无功功率，逆变器输出无功电流可表示为：
其中UPCC为并网点电压标幺值；IN为逆变器额定电流。
在保证逆变器不过流的前提下，为最大化逆变器利用效率，电压跌落期间逆变器输出有功电流参考值为：
其中imax为逆变器最大安全输出电流。
传统LVRT策略控制框图如图2所示，正常工况下前级BOOST电路占空比由MPPT模块提供，光伏阵列运行在最大功率点。电网电压跌落时，前级控制模式切换至定直流母线电压控制，后级逆变器从直流母线电压控制切换至限流控制和无功补偿控制，保证逆变器不过流的同时向电网提供一定的无功支撑，帮助电网电压的恢复。光伏阵列根据直流母线电压的变化被动调整输出功率。该策略并未直接反映故障期间前后级的不平衡功率，光伏阵列工作点基于直流母线电压变化调节，未充分发挥光伏阵列输出电压灵活性。
基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略
由前面的分析可知，逆变器过流的根本原因是电压跌落期间光伏阵列输出功率不变，仍工作在最大功率点。基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略原理可以概述为：通过对公共耦合点的电压和并网电流采样，计算出逆变器输出功率并反馈到光伏阵列模块，基于光伏阵列P-U方程显示表达式确定新的输出电压参考值，经PI控制调节BOOST电路占空比，降低光伏阵列的输出功率，从而降低并网电流大小，防止逆变器过流。
图3为该策略下光伏输出电压的变化过程，正常工况下，输出电压为Um，光伏阵列向逆变器输出最大功率Pm。电压跌落期间，光伏期望输出功率为P1，通过曲线1确定反馈功率P1所对应的输出电压U1。考虑到电压跌落期间环境可能会发生变化，光伏阵列P-U曲线变为曲线2，输出电压变为U2。理想情况下该策略仍然能调节输出电压，但环境变化后拟合的光伏阵列P-U曲线与理论曲线存在偏差，环境变化后拟合曲线为曲线3，输出电压变为U3，对应曲线2的功率P2，显然与反馈功率P1不等，导致逆变器输出电流增大，对逆变器过流的抑制效果降低。因此电压跌落期间如果环境发生变化，该策略的效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，旨在解决现有的光伏低电压穿越控制方法在环境发生变化时，存在功率调节准确性差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，包括如下步骤：
确定电网电压跌落，计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路；
将最大功率点跟踪模块切换至动态电压调节模块，同时锁定最大功率点跟踪模块的电压参考值，主动调节光伏阵列的输出电压、输出电流；
升压并逆变所述光伏阵列的输出电压、输出电流，向电网提供无功电流。
作为本发明的进一步改进：有功功率参考值的表达式如下：
其中Imax为光伏逆变器最大输出安全电流，Vrms为电网相电压有效值，电网电压跌落期间的功率因数，/>可表示为：
其中iqref为电网电压跌落期间无功电流参考值；idref为有功电流参考值。
作为本发明的进一步改进：所述电网电压跌落期间无功电流参考值的表达式如下：
其中UPCC为并网点电压标幺值；IN为逆变器额定电流。
作为本发明的进一步改进：所述有功电流参考值的表达式如下：
其中imax为光伏逆变器最大安全输出电流。
作为本发明的进一步改进：动态电压调节模块提供电压动态参考值，并根据所述输出电压动态参考值调节光伏阵列的输出功率，所述电压动态参考值的表达式如下：
其中Pref为有功功率参考值；Ipv为光伏阵列实际输出电流。
作为本发明的进一步改进：通过升压变换电路对所述光伏阵列的输出电压、输出电流进行升压。
作为本发明的进一步改进：通过光伏逆变器对所述光伏阵列的直流输出电流逆变形成交流输出电流。
作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：
在电网电压跌落期间，锁定且维持最大功率点跟踪模块的电压参考值；
在电网电压恢复之后，将所述光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制装置，包括升压变换电路，所述升压变换电路的输入端连接有最大功率点跟踪模块、动态电压调节模块，所述升压变换电路的输出端连接有光伏逆变器；其中，
所述升压变换电路用于提升光伏阵列的输出电流；
所述最大功率点跟踪模块用于提供电压参考值，在电网电压跌落期间通过所述升压变换电路使光伏阵列的输出电压追踪至所述电压参考值；
所述动态电压调节模块用于提供电压动态参考值，并根据所述电压动态参考值调节光伏阵列的输出电压、输出电流；
所述光伏逆变器用于将调节后的光伏阵列的输出电压、输出电流向电网提供无功电流。
作为本发明的进一步改进：还包括故障解耦模块，所述升压变换电路的输入端连接所述故障解耦模块，所述故障解耦模块用于电网电压跌落期间，锁定所述最大功率点跟踪模块的电压参考值，并且在电网电压恢复之后，将光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本技术方案的低电压穿越控制方法通过计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路，采用功率前馈方式对光伏阵列的输出电压、输出电流进行主动调节，实现光伏输出功率的自适应调整。与传统定直流母线电压控制方法相比，本方法缩短了电压跌落故障期间光伏阵列输出电压电流的响应过程；
本低电压穿越控制方法不涉及光伏特性曲线的显式求解，显著降低因环境条件变化造成的计算误差，与基于光伏P-U特性曲线的主动型LVRT控制方法相比，本方法更具环境适应性，在光照强度变化场景下仍具较好的低电压穿越能力；
本低电压穿越控制方法通过故障解耦模块，可解决因电压参考值偏移带来的延时问题，节省光伏阵列暂态恢复时间，提高光伏运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。
图1为两级式光伏并网逆变器系统拓扑结构图；
图2为基于定直流母线电压的LVRT策略图；
图3为不同光照强度下的光伏功率曲线及其拟合曲线图；
图4为动态电压参考值收敛原理图；
图5为光伏输出电压参考值动态变化过程图；
图6为基于功率自适应的两级式光伏LVRT控制策略图；
图7为电网电压、并网电流以及直流母线电压波形图；
图8为电网电压及并网电流波形图；
图9为直流母线电压及光伏输出电压电流波形图；
图10为有功、无功电流波形图；
图11为光照强度、电网电压以及并网电流波形图；
图12为直流母线电压及光伏输出电压电流波形图；
图13为逆变器输出有功功率及无功功率波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
根据式(3)可知功率变化直接影响光伏输出电压，当功率取电压跌落期间的期望输出功率时，光伏输出电压只受输出电流影响，根据式(6)可知光伏电池中输出电流与电压一一对应。设期望光伏输出的电压参考值为U0，满足逆变器不过流的光伏输出功率为Pref，最大功率点处光伏输出电压参考值为Um，图4为动态电压参考值收敛原理图。电压跌落瞬间，光伏仍工作在最大功率点。根据图3中光伏电池输出曲线以及式(3)可知此时光伏输出电压参考值为U1，满足U0<U1<Um，U1经PI控制调节BOOST电路的占空比，输出功率变为P1，光伏输出电流Ipv＝I1。同理可知，根据式(3)可得输出电压参考值变为U2，满足U0<U2<U1。以此类推，光伏阵列输出电压参考值以及输出功率变化如图5所示，最终光伏输出电压参考值UPVref在前级BOOST电路作用下会收敛至期望输出功率所对应的电压，即：
其中UPVref是一个动态变化量，终值是电压跌落期间光伏输出电压期望值U0。结合前级PI控制器对直流量的无差调节功能，实际光伏输出电压最终也输出U0。
电压跌落期间前馈功率参考值由电压跌落深度确定，可表示为式(6)所示。
其中Imax为逆变器最大输出安全电流，Vrms为电网相电压有效值，为电压跌落期间的功率因数，可表示为：
其中iqref为故障期间无功电流参考值，由式(4)决定；idref为有功电流参考值，由式(5)决定。
输出电压动态参考值设置为：
其中Pref为前馈功率参考值,由式(7)决定；Ipv为光伏阵列实际输出电流。
本技术方案的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法一实施例中，方法包括如下步骤：
S100：确定电网电压跌落，计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路；
S200：将最大功率点跟踪模块切换至动态电压调节模块，同时锁定最大功率点跟踪模块的电压参考值，主动调节光伏阵列的输出电压、输出电流；
S300：升压并逆变所述光伏阵列的输出电压、输出电流，向电网提供无功电流。
进一步地，有功功率参考值的表达式如下：
其中Imax为光伏逆变器最大输出安全电流，Vrms为电网相电压有效值，电网电压跌落期间的功率因数，/>可表示为：
其中iqref为电网电压跌落期间无功电流参考值；idref为有功电流参考值。
进一步地，所述电网电压跌落期间无功电流参考值的表达式如下：
其中UPCC为并网点电压标幺值；IN为逆变器额定电流。
进一步地，所述有功电流参考值的表达式如下：
其中imax为光伏逆变器最大安全输出电流。
进一步地，动态电压调节模块提供电压动态参考值，并根据所述输出电压动态参考值调节光伏阵列的输出功率，所述电压动态参考值的表达式如下：
其中Pref为有功功率参考值；Ipv为光伏阵列实际输出电流。
进一步地，通过升压变换电路对所述光伏阵列的输出电压、输出电流进行升压。
进一步地，通过光伏逆变器对所述光伏阵列的直流输出电流逆变形成交流输出电流。
进一步地，基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法还包括如下步骤：
在电网电压跌落期间，锁定且维持最大功率点跟踪模块的电压参考值；
在电网电压恢复之后，将所述光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值。
具体而言，请参考图6，图6所示为基于功率自适应的两级式光伏并网系统LVRT控制策略图。当电网电压跌落时，首先根据式(7)计算有功功率参考值并前馈至前级，BOOST电路(升压变换电路)的输入端由MPPT模块(最大功率点跟踪模块)切换至基于式(9)的动态电压调节，同时锁定MPPT模块电压参考值。
电流内环中无功电流参考值由式(4)决定，通过光伏逆变器向电网提供电压支撑。
此外，电压跌落期间，光伏阵列的输出电流及输出电压不再受最大功率点跟踪模块的MPPT算法控制，电压参考值逐渐偏离最大功率点；为解决因电压参考值偏移带来的延时问题，本控制方法在MPPT算法中引入故障解耦模块，一旦电网电压发生跌落，MPPT输出的最大功率点电压参考值将会被锁定，电压跌落期间输出值仍维持在最大功率点。
待故障恢复后，光伏输出电压能快速追踪至最大功率点，节省光伏阵列恢复时间，提高光伏运行效率。
结合故障解耦模块，本发明所提策略能加快故障时光伏响应过程以及故障后的暂态恢复过程，并且具有更强的环境适应性。
本技术方案的低电压穿越控制方法通过计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路，采用功率前馈方式对光伏阵列的输出电压、输出电流进行主动调节，实现光伏输出功率的自适应调整。与传统定直流母线电压控制方法相比，本方法缩短了电压跌落故障期间光伏阵列输出电压电流的响应过程；
本低电压穿越控制方法不涉及光伏特性曲线的显式求解，显著降低因环境条件变化造成的计算误差，与基于光伏P-U特性曲线的主动型LVRT控制方法相比本方法更具环境适应性，在光照强度变化场景下仍具较好的低电压穿越能力；
本低电压穿越控制方法通过故障解耦模块，可解决因电压参考值偏移带来的延时问题，节省光伏阵列暂态恢复时间，提高光伏运行效率。
本技术方案还提供一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制装置，装置包括升压变换电路，所述升压变换电路的输入端连接有最大功率点跟踪模块、动态电压调节模块，所述升压变换电路的输出端连接有光伏逆变器；其中，
所述升压变换电路用于提升光伏阵列的输出电流；
所述最大功率点跟踪模块用于提供电压参考值，在电网电压跌落期间通过所述升压变换电路使光伏阵列的输出电压追踪至所述电压参考值；
所述动态电压调节模块用于提供电压动态参考值，并根据所述电压动态参考值自适应调节光伏阵列的输出电压、输出电流；
所述光伏逆变器用于将调节后的光伏阵列的输出电压、输出电流向电网提供无功电流。
进一步地，装置还包括故障解耦模块，所述升压变换电路的输入端连接所述故障解耦模块，所述故障解耦模块用于电网电压跌落期间，锁定所述最大功率点跟踪模块的电压参考值，并且在电网电压恢复之后，将光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值。
通过以下试验验证本技术方案的效果
在Matlab/Simulink仿真平台搭建两级式光伏逆变器并网系统，模型拓扑结构如图1所示，部分仿真参数设置分别如表1和表2所示。
表1光伏阵列仿真主要参数Tab.1Main simulation parameters ofphotovoltaic arrays
表2逆变器仿真主要参数Tab.2Main simulation parameters of inverter
故障解耦效果仿真验证
首先对故障解耦效果进行验证，仿真总时长T1＝2s，电网电压在0.5s时刻降落至额定值的40％，1s时刻恢复至额定值。添加故障解耦模块前后的电网电压、并网电流以及直流母线电压波形分别如图7(a)和(b)所示。根据图7可以看出，未加故障解耦模块场景下，故障消失后最大功率点跟踪模块重新计算最大功率点处的电压参考值，故障消失后并网电流恢复至额定电流所用时间约0.5s；添加故障解耦模块后，故障期间对MPPT算法的输出进行了锁定，因此在故障切除后光伏阵列能快速过渡至最大功率点处，输出电压能及时追踪至最大功率点，并网电流恢复至额定电流所用时间约20ms，极大缩减了光伏系统完成低电压穿越后的暂态恢复时间。
标准条件下的低电压穿越效果验证
为验证本发明所提策略中功率自适应的控制效果，将传统定直流母线电压控制策略和所提策略进行比较。环境条件为标准状况(光照强度1000S/m2，温度25℃)，仿真时长T2＝4s，在0.3s、1.3s以及2.3s时刻设置电网电压分别跌落至额定值的30％、50％以及70％，3.3s时刻电网电压恢复至额定值。定直流母线电压策略与所提策略下的电网电压及电流波形分别如图8(a)和(b)所示。定直流母线电压策略下三个阶段的并网电流幅值分别为22.42A，22.37A及22.34A，所提策略下三个阶段的并网电流幅值分别为22.18A，21.89A及21.78A。在标准条件下，两种策略对抑制逆变器过流均有较好的效果。
定直流母线电压策略与所提策略下的直流母线电压及光伏输出电压电流波形分别如图9(a)和(b)所示。当电网电压跌落时，定直流母线电压控制下的直流母线电压稳定时间约为0.45s，所提控制下直流母线电压稳定时间约为0.1s。主要原因是后者采用主动调节光伏输出功率的方式，加快了光伏输出电压电流的响应过程。
两种策略下的有功、无功电流分别如图10(a)和(b)所示，比较两种策略下的有功电流可以看出，定直流母线电压控制下的有功电流在三个阶段的数值均比所提控制稍大，故障结束时刻定直流母线电压控制下的有功电流超调量较大。从有功电流的变化可以看出所提策略能根据电压跌落深度自适应调整光伏输出功率，所提策略在整个过程中并网电流保持在1.1倍额定电流以下，并且直流母线电压波动小，不会触发保护动作导致光伏脱网。
光照强度变化场景下的仿真验证
虽然电压跌落时间较短，温度不会发生突变，但光照强度可能变化。因此仿真模拟了电压跌落期间环境参数从标准状况变化为非标准状况(光照强度700S/m2，温度25℃)下的光伏阵列运行工况，仿真时长T3＝4s，每次光照强度变化0.5s后恢复至标准状况，持续0.5s后进行下一次变化。仿真对比了基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略以及本发明所提控制策略，光照强度以及2种策略下电网电压及并网电流波形分别如图11(a)和(b)所示，根据图11可以看出环境为非标准条件时，基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略下的并网电流幅值约为33.67A，远超逆变器最大安全电流，抑制逆变器过流效果降低；而本发明所提控制下，并网电流幅值几乎不受光照强度变化影响，电压跌落期间并网电流幅值约为22.23A。两种策略下的直流母线电压及光伏输出电压电流波形分别如图12(a)和(b)所示，光照强度变化会导致光伏功率特性曲线变化，进而导致光伏输出电压及电流变化。根据图12可以看出，光照强度变化时两种控制策略下光伏输出电压电流并不相同，都具有根据光照强度调节光伏输出的能力。两种策略下的逆变器输出有功功率及无功功率波形分别如图13(a)和(b)所示，光照强度变化期间，两种控制策略下的无功功率均保持恒定，基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略下的有功功率随光照强度变化而波动，本发明所提控制下的有功功率始终保持期望值输出。结合前文分析以及图11至13可知，由于基于光伏P-U特性曲线的LVRT控制策略在环境条件变化时存在计算误差，因此光伏实际输出功率与期望输出功率存在偏差，只能保证前后级功率平衡，维持直流母线电压恒定，但故障期间对光伏输出调整不合理，导致有功功率波动以及并网电流增大，非标准条件下抑制逆变器过流效果降低。在本发明的控制方法下，光照强度变化期间光伏系统仍能保持期望功率输出，实现了根据电压跌落深度自适应调整光伏输出功率的效果，直流母线电压恒定，抑制逆变器过流效果显著。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定电网电压跌落，计算有功功率参考值并反馈至升压变换电路；
将最大功率点跟踪模块切换至动态电压调节模块，同时锁定最大功率点跟踪模块的电压参考值，所述动态电压调节模块提供电压动态参考值，并根据所述电压动态参考值主动调节光伏阵列的输出电压、输出电流，所述电压动态参考值的表达式如下：
其中P ref为光伏阵列有功功率参考值，I pv为光伏阵列实际输出电流；
使得所述电压动态参考值在动态电压调节模块的作用下收敛至电压跌落期间光伏输出电压期望值，即：
其中，U 0是电压跌落期间光伏输出电压期望值，也是经过调节后光伏输出电压最终的实际输出值；
升压并逆变所述光伏阵列的输出电压、输出电流，向电网提供无功电流；
在电网电压恢复之后，将所述光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值。
2.根据权利要求1所述的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，有功功率参考值的表达式如下：
其中I max为光伏逆变器最大输出安全电流，V rms为电网相电压有效值，cosφ电网电压跌落期间的功率因数，cosφ可表示为：
其中i qref为电网电压跌落期间无功电流参考值；i dref为有功电流参考值。
3.根据权利要求2所述的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述电网电压跌落期间无功电流参考值的表达式如下：
其中U PCC为并网点电压标幺值；I N为逆变器额定电流。
4.根据权利要求3所述的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述有功电流参考值的表达式如下：
其中i max为光伏逆变器最大安全输出电流。
5.根据权利要求1所述的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，通过升压变换电路对所述光伏阵列的输出电流进行升压。
6.根据权利要求1所述的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，通过光伏逆变器对所述光伏阵列的直流输出电流逆变形成交流输出电流。
7.一种用于权利要求1-6之一所述控制方法的基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制装置，其特征在于，包括升压变换电路，所述升压变换电路的输入端连接有最大功率点跟踪模块、动态电压调节模块、故障解耦模块，所述升压变换电路的输出端连接有光伏逆变器；其中，
所述升压变换电路用于提升光伏阵列的输出电流；
所述最大功率点跟踪模块用于提供电压参考值，在电网电压跌落期间通过所述升压变换电路使光伏阵列的输出电压追踪至所述电压参考值；
所述动态电压调节模块用于提供电压动态参考值，并根据所述电压动态参考值调节光伏阵列的输出电压、输出电流；
所述故障解耦模块用于电网电压跌落期间，锁定所述最大功率点跟踪模块的电压参考值，并且在电网电压恢复之后，将光伏阵列输出功率追踪最大功率点跟踪模块的电压参考值；
所述光伏逆变器用于将调节后的光伏阵列的输出电压、输出电流向电网提供无功电流。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508179.0A CN116505519B (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508179.0A CN116505519B (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116505519A CN116505519A (zh) | 2023-07-28 |
| CN116505519B true CN116505519B (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=87322797
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310508179.0A Active CN116505519B (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116505519B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106340895A (zh) * | 2016-09-07 | 2017-01-18 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种两级式光伏并网逆变器控制系统及方法 |
| CN107732956A (zh) * | 2017-07-10 | 2018-02-23 | 华北电力大学（保定） | 变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网系统低电压穿越方法 |
| CN108847676A (zh) * | 2018-06-01 | 2018-11-20 | 广东电网有限责任公司 | 一种基于Boost升压电路的低电压穿越控制方法 |
| CN110581565A (zh) * | 2018-06-11 | 2019-12-17 | 香港理工大学 | 光伏发电并网系统中的控制方法和装置 |
| CN114744672A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-12 | 国网经济技术研究院有限公司 | 一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140056041A1 (en) * | 2011-05-18 | 2014-02-27 | General Electric Company | Power generation system, power converter system, and methods of operating a power converter system |
-
2023
- 2023-05-06 CN CN202310508179.0A patent/CN116505519B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106340895A (zh) * | 2016-09-07 | 2017-01-18 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种两级式光伏并网逆变器控制系统及方法 |
| CN107732956A (zh) * | 2017-07-10 | 2018-02-23 | 华北电力大学（保定） | 变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网系统低电压穿越方法 |
| CN108847676A (zh) * | 2018-06-01 | 2018-11-20 | 广东电网有限责任公司 | 一种基于Boost升压电路的低电压穿越控制方法 |
| CN110581565A (zh) * | 2018-06-11 | 2019-12-17 | 香港理工大学 | 光伏发电并网系统中的控制方法和装置 |
| CN114744672A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-12 | 国网经济技术研究院有限公司 | 一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于有功指令共享的两级式光伏并网系统低电压穿越控制策略;王诗雯等;《电力自动化设备》;第2-4页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116505519A (zh) | 2023-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107732956B (zh) | 变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网系统低电压穿越方法 | |
| CN110581565B (zh) | 光伏发电并网系统中的控制方法和装置 | |
| He et al. | A DC-link voltage control scheme for single-phase grid-connected PV inverters | |
| CN104734191A (zh) | 一种基于无功电流注入的光伏并网逆变器低电压穿越方法 | |
| CN112398167B (zh) | 一种提高微网储能一次调频性能的方法 | |
| CN113346507B (zh) | 基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法及系统 | |
| CN113991755B (zh) | 一种新能源发电单元自同步电压源控制方法 | |
| CN110957763A (zh) | 一种两级式光伏并网发电系统及其控制方法 | |
| Hota et al. | Modeling & simulation of photovoltaic system connected to grid using Matlab | |
| CN114744672A (zh) | 一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统 | |
| Khan et al. | Droop based Low voltage ride through implementation for grid integrated photovoltaic system | |
| CN111525605B (zh) | 基于变功率输出控制的光伏系统低电压穿越方法及系统 | |
| He et al. | A novel control scheme for enhancing low voltage ride through capability of solar generation | |
| CN116505519B (zh) | 基于功率自适应的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法 | |
| Phap et al. | Modeling and experimental test of grid-tied photovoltaic cell emulating system in the stand-alone mode | |
| Yaoyuan et al. | Research on a new method to achieve low voltage ride through of PV | |
| KR101281079B1 (ko) | 전력 품질이 개선된 태양광 발전시스템 및 그 운용 방법 | |
| Kadir et al. | Reactive power analysis at solar power plant | |
| Gao et al. | Impedance Reshaping Control Method to Improve Weak Grid Stability of Grid-Connected Inverters | |
| Yang et al. | Two-stage power decoupling for a single-phase photovoltaic inverter by controlling the DC-link voltage ripple in the dq frame | |
| Farsadi et al. | Photovoltaic based DVR for improving the operation of wind farm | |
| Moutaki et al. | Improved Lyapunov function based control approach for single-stage inverter grid interfacing solar photovoltaic system | |
| Wang et al. | Power adaptive low-voltage ride-through control strategy of two-stage photovoltaic inverter with improved disturbance observation algorithm | |
| Alonso-Martinez et al. | Control of a three-phase grid-connected inverter for photovoltaic applications with a fuzzy MPPT under unbalanced conditions | |
| Raj et al. | Performance Analysis of a Modified Direct Power Controlled Photovoltaic System Connected to a Weak AC Grid |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |