CN116505543A - 一种并网逆变器及其过电压抑制方法 - Google Patents

一种并网逆变器及其过电压抑制方法 Download PDF

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CN116505543A CN202310519047.8A CN202310519047A CN116505543A CN 116505543 A CN116505543 A CN 116505543A CN 202310519047 A CN202310519047 A CN 202310519047A CN 116505543 A CN116505543 A CN 116505543A
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潘年安
张显立
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Abstract

本申请提供一种并网逆变器及其过电压抑制方法，该过电压抑制方法，在并网逆变器的交流端口电压未超过预设阈值时，控制并网逆变器以电流源模式并网工作；在该交流端口电压超过预设阈值时，控制并网逆变器以电压源模式并网工作，使该并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；直至该无功电流或无功功率大于等于相应预设无功指令值，控制并网逆变器恢复电流源模式；进而可以在电力系统发生暂态过电压时，通过构建瞬态电压源特性，利用并网逆变器的电源特性使其进行自发性的无功注入，大幅度缩短无功响应时间，使其同步于该交流端口电压的上升速度，也即可以实现瞬时无功功率支撑，进而可以实现对于瞬时过电压的快速抑制。

Description

一种并网逆变器及其过电压抑制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种并网逆变器及其过电压抑制方法。
背景技术
近年来，以风电和光伏发电为代表的新能源发电在我国电源装机中的占比逐年上升，同时，我国大型能源基地和负荷中心呈逆向分布，建设了多个大容量跨大区特高压交直流远距离输电项目。由于新能源占比的提升，导致电网的强度普遍偏低，当新能源发电系统发生交、直流故障后，其瞬时盈余无功会引发其送端所接交流系统的瞬时过电压，此过电压已经严重影响了电力系统的输电稳定性和安全性。
当前的新能源发电逆变器设备，基本都是以电流源模式并入电网，当电力系统发生暂态过电压时，逆变器一般是通过电流环响应来注入感性无功，进而抑制瞬态过电压。然而实际当中，由于逆变器的无功电流响应时间受限于检测和电流环控制环节所需的时间，因此，很难满足瞬态过电压的无功需求；当响应时间滞后较大时，可能会导致电力系统电压大幅波动，影响电力系统的安全性。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种并网逆变器及其过电压抑制方法，以提高瞬时过电压的响应速度。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种并网逆变器的过电压抑制方法，包括：
判断所述并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值；
若所述交流端口电压未超过所述预设阈值，则控制所述并网逆变器以电流源模式并网工作；
若所述交流端口电压超过所述预设阈值，则控制所述并网逆变器以电压源模式并网工作，使所述并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；直至所述并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率大于等于相应预设无功指令值，控制所述并网逆变器恢复所述电流源模式。
可选的，控制所述并网逆变器以电流源模式并网工作，包括：
控制所述并网逆变器正常工作于电流环控制模式。
可选的，控制所述并网逆变器以电压源模式并网工作，包括：
对所述并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压进行限幅。
可选的，对所述调制电压进行限幅时，限幅的大小为根据所述预设无功指令值计算得到的。
可选的，控制所述并网逆变器恢复所述电流源模式，包括：
逐步放开对所述调制电压的限幅。
可选的，在控制所述并网逆变器以电流源模式或电压源模式并网工作之前，还包括：
根据所述并网逆变器的采集信息，确定所述并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压。
可选的，所述采集信息，包括：所述并网逆变器的直流电压、交流电流和交流电压的采集结果。
可选的，所述预设阈值为：国家标准要求下所述并网逆变器交流端口的电压允许范围上限。
可选的，所述预设阈值为所述并网逆变器交流端口的额定电压的1.1倍。
可选的，所述并网逆变器交流端口输出的无功电流所对应的所述预设无功指令值为：根据国家标准要求计算得到的，使所述并网逆变器交流端口的电压频率处于电网安全频率范围内的电流值。
可选的，所述并网逆变器交流端口输出的无功电流所对应的所述预设无功指令值为：所述预设阈值减去所述并网逆变器的交流端口电压之差，与无功补偿因子之积。
本申请第二方面提供一种并网逆变器，包括：逆变电路和控制器；其中，
所述逆变电路的交流侧通过滤波器接入电网；
所述逆变电路受控于所述控制器；
所述控制器用于执行如上述第一方面任一种所述的并网逆变器的过电压抑制方法。
可选的，所述控制器包括：处理器和脉冲宽度调制PWM控制单元；其中，
所述处理器用于执行所述过电压抑制方法，并通过所述PWM控制单元实现对于所述逆变电路的控制。
可选的，所述处理器包括：处理单元、调制电压限幅单元和电流环控制单元；其中，
所述电流环控制单元用于根据所述并网逆变器的采集信息，确定所述并网逆变器的调制电压；
所述处理单元用于判断所述并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值，并控制所述调制电压限幅单元实现对所述并网逆变器的调制电压的限幅作用。
本申请提供的并网逆变器的过电压抑制方法，其在判断并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值之后，若该交流端口电压未超过预设阈值，则控制并网逆变器以电流源模式并网工作；但是，若该交流端口电压超过预设阈值，则控制并网逆变器以电压源模式并网工作，使该并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；直至并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率大于等于相应预设无功指令值，控制并网逆变器恢复电流源模式；进而可以在电力系统发生暂态过电压时，通过构建瞬态电压源特性，利用并网逆变器的电源特性使其进行自发性的无功注入，大幅度缩短无功响应时间，使其同步于该交流端口电压的上升速度，也即可以实现瞬时无功功率支撑，进而可以实现对于瞬时过电压的快速抑制。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的并网逆变器的过电压抑制方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的并网逆变器与电网之间的等效原理图；
图3为本申请实施例提供的并网逆变器的过电压抑制方法的另一流程图；
图4为本申请实施例提供的并网逆变器的过电压抑制方法的实际效果图；
图5为本申请实施例提供的并网逆变器的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的并网逆变器的具体结构示意图。
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做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。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
由于新能源发电的并网逆变器是以电流源模式并网工作的，一般情况下，其用于无功补偿的电流指令值根据电网标准的要求，当电力系统发生暂态过电压时，并网逆变器需要通过注入感性无功功率来抑制过电压；具体的，当逆变器的交流端口电压(具体是其幅值Ug)超过阈值Uth时，将利用如下公式计算得到无功补偿的电流指令值/>
其中，Kf为无功补偿因子，其取值根据相应的国家标准要求而定，比如，在中国的国家标准要求下，其取值为1.5；实际应用中，其在其他国家的国家标准要求下，还可以取值为2或者6等；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可。
由于电流控制的滞后性，当发生暂态过电压时，并网逆变器至少在10ms及以上才能注入需求的无功电流，然而此时的暂态过电压可能已经损坏设备或导致设备停机。
因此，本申请提供一种并网逆变器的过电压抑制方法，以提高瞬时过电压的响应速度。
该并网逆变器可以是接入电网的逆变器，也可以是接入微电网的逆变器，只要具有并网功能即可，此处不做具体限定。
参见图1，该并网逆变器的过电压抑制方法，包括：
S101、判断并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值。
该交流端口电压具体是指该并网逆变器可以采集到的自身交流端口的电压，也即该并网逆变器滤波器外侧的电压，或者说该并网逆变器所接并网点的电压，又或者说其并网升压变压器的低压侧电压。
实际应用中，该预设阈值Uth是国家标准要求下该并网逆变器交流端口的电压允许范围上限，比如其具体可以设置为该并网逆变器交流端口的额定电压Un的1.1倍，但并不仅限于此，只要超过预设阈值时能够说明该并网逆变器的交流端口出现电压突升也即暂态过电压即可，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
若该交流端口电压未超过预设阈值，则执行S102。若该交流端口电压超过预设阈值，则执行S103。
S102、控制并网逆变器以电流源模式并网工作。
而且，该交流端口电压未超过预设阈值，说明电力系统未发生暂态过电压，此时，并网逆变器是运行于正常情况下的电流源模式，其用于无功补偿的电流指令值
S103、控制并网逆变器以电压源模式并网工作，使并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；直至并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率大于等于相应预设无功指令值，控制并网逆变器恢复电流源模式。
也即，当电力系统发生暂态过电压时，区别于现有技术中改变电流源模式下用于无功补偿的电流指令值取值的方案，本实施例将并网逆变器改为以电压源模式并网工作，为其构建瞬态电压源特性，利用电源特性进行自发性的无功注入，类似于同步发电机通过内电势自发产生无功电流的原理，使并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；该预设时长可以根据实际应用环境而定，至少低于10ms，只要能够实现无功快速响应即可。
并且，当该并网逆变器交流端口输出的无功电流大于等于相应的预设无功指令值(也即上述用于无功补偿的电流指令值)时，或者，该并网逆变器交流端口输出的无功功率大于等于相应的预设无功指令值时，即可控制并网逆变器恢复正常情况下的电流源模式。实际应用中，该并网逆变器交流端口输出的无功电流所对应的预设无功指令值，也即该用于无功补偿的电流指令值/>是根据国家标准要求计算得到的，使该并网逆变器交流端口的电压频率处于电网安全频率范围内的电流值；其具体可以为：该预设阈值减去该交流端口电压之差，与上述无功补偿因子Kf之积，也即与现有技术中在电力系统发生暂态过电压时通过/>计算得到的用于无功补偿的电流指令值/>相同。
本实施例提供的该并网逆变器的过电压抑制方法，通过上述原理，可以在电力系统发生暂态过电压时，通过构建瞬态电压源特性，利用并网逆变器的电源特性使其进行自发性的无功注入，大幅度缩短无功响应时间，使其同步于该交流端口电压的上升速度，也即可以实现瞬时无功功率支撑，进而可以实现对于瞬时过电压的快速抑制。
在上一实施例的基础之上，本实施例对于并网逆变器并网工作的模式进行了具体介绍，比如，图1中的S102、控制并网逆变器以电流源模式并网工作，具体可以包括：控制并网逆变器正常工作于电流环控制模式。
并网逆变器正常工作于电流环控制模式时，会通过电流环控制其有功功率和无功功率的大小。当电网电压出现突然升高时，并网逆变器的交流端口电压也会超过预设阈值，本申请利用电压源模式下的无功功率产生原理，尽快注入感性无功功率。具体的，参见图2，此时，并网逆变器的调制电压，也即该并网逆变器内逆变电路流入滤波器的电压，为Um∠θm；该并网逆变器电网侧的交流端口电压为Ug∠0；并网逆变器滤波器L对应的基波阻抗为XL＝2πf0*L；其中，Um为调制电压这一输出矢量的幅值，θm为调制电压这一输出矢量的相位；Ug为该交流端口电压的幅值；f0表示基波频率，一般情况下f0取值为50Hz或60Hz；iL为流过该并网逆变器滤波器L的电流。此时，并网逆变器输出无功功率Qe的计算式为：
从上式中可以看出，通过调节调制电压幅值Um的大小，可以直接控制并网逆变器输出的无功功率Qe。因此，上一实施例S103中的控制并网逆变器以电压源模式并网工作，具体可以包括：对并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压进行限幅。也即，在电网电压的突升期间，通过快速的限制调制电压的幅值Um，达到快速的无功功率控制功能。
而且，在对调制电压进行限幅时，其限幅的大小具体是根据该预设无功指令值计算得到的；其具体过程可以根据实际应用环境而定，此处不做限定。该预设无功指令值即现有技术中通过计算得到的用于无功补偿的电流指令值/>因此，该步骤也即根据该交流端口电压或其升压后的电网电压，调节调制电压幅值Um的大小，进而使该并网逆变器呈现电压调节特性。
图3对该过电压抑制方法进行了完整示例，即：首先采集并网逆变器的交流端口电压，然后判断其幅值Ug是否超过预设阈值Uth；若该交流端口电压的幅值Ug未超过该预设阈值Uth，则该并网逆变器正常工作于电流环控制模式即可；若该交流端口电压的幅值Ug超过该预设阈值Uth，则限制调制电压幅值Um，而且，其调节原则为：按照无功电流所对应预设无功指令值计算限幅的大小。另外，当并网逆变器交流端口输出的无功电流达到或超过对应预设无功指令值后，或者，无功功率达到或超过对应预设无功指令值后，即可逐步取消对该调制电压的限幅环节，也即逐步放开对调制电压的限幅，切换为正常的电流环控制模式，进而控制无功电流至其相应预设无功指令值。
该方法实际的实施效果如图4所示，在并网逆变器的交流端口电压升高瞬间，并网逆变器通过构建瞬态电压源模式，开始快速注入无功功率，等到其交流端口输出的无功电流达到对应预设无功指令值后，逐步取消电压源模式，切换回电流源模式，保持无功功率的稳定注入。
在上述实施例的基础之上，优选的，该并网逆变器的过电压抑制方法，在S102或S103之前，还包括：根据并网逆变器的采集信息，确定并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压。
具体的，该采集信息，包括：并网逆变器的直流电压Udc、交流电流Iabc和交流电压Uabc的采集结果。
实际应用中，可以在S101之前，也即在进行交流端口电压是否超过预设阈值的判断之前，先根据上述采集信息，通过该并网逆变器中控制器的内部软件，确定并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压Um∠θm。然后再通过S101，确定交流端口电压是否超过预设阈值；并在交流端口电压未超过预设阈值时，直接根据该调制电压Um∠θm实现对于并网逆变器中逆变电路的控制，使其正常工作于电流环控制模式；而在交流端口电压超过预设阈值时，对该调制电压Um∠θm中的调制电压幅值Um进行限制后，再实现对于并网逆变器中逆变电路的控制，使其进入电压源模式。
或者，也可以先执行S101，再确定该调制电压，然后确定是否对其进行限幅；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本申请另一实施例提供了一种并网逆变器，包括图5中所示的：逆变电路20和控制器10；其中，该逆变电路20的交流侧通过滤波器L接入电网(如图5中所示的Grid)或者微电网，实际应用中该滤波器L还会通过相应的并网升压变压器(图中未展示)接入电网；该逆变电路20的直流侧可以直接连接新能源发电设备，比如光伏设备(如图中所示的PV Source)，也可以通过其他变换电路连接该光伏设备或风力发电设备，视其具体应用环境而定即可；该逆变电路20受控于控制器10；该控制器10用于执行如上述任一实施例所述的并网逆变器的过电压抑制方法。
具体的，该控制器10包括图5中所示的：处理器101和PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制单元102；其中，处理器101用于执行该过电压抑制方法，并通过PWM控制单元102实现对于逆变电路20的控制。
参见图5，该处理器101包括：处理单元111、调制电压限幅单元112和电流环控制单元113；其中，电流环控制单元113用于根据并网逆变器的采集信息，确定并网逆变器的调制电压；处理单元111用于判断并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值，并控制调制电压限幅单元112实现对并网逆变器的调制电压的限幅作用。
该电流环控制单元113的工作原理如图6中所示，其对并网逆变器的交流电流Iabc经过abc/dq转换后，得到有无功电流反馈Idq；有无功电流指令Idq_ref(包括有功电流指令值和上述用于无功补偿的电流指令值/>)减去该有无功电流反馈Idq之差，经过PI调节器后，得到有无功电流调节量Idqout；其还对并网逆变器交流端口的三相电压Ug_abc，经过锁相环PLL得到电网相角θ，同时经过abc/dq转换得到有无功电压反馈Udq；该有无功电流调节量Idqout与有无功电压反馈Udq之和Um_dq再经过dq/abc转换得到三相调制电压Um_abc(该调制电压分成三相的电压)。正常电流源模式下，调制电压限幅单元112不作用，该PWM控制单元102直接根据该三相调制电压Um_abc生成对于逆变电流20的控制信号。电压源模式下，调制电压限幅单元112对该三相调制电压Um_abc进行限幅后，再输出至PWM控制单元102，以使PWM控制单元102输出电压的幅值被限制，作为对于逆变电流20的控制信号。
本实施例通过采用虚拟电压源控制的过电压抑制方法，在外部电网由于故障产生瞬态过电压时，通过控制调制电压的幅值，构建瞬态电压源特性，利用电源特性，进行自发性的无功注入，可实现瞬时无功功率支撑，抑制瞬时过电压的幅值。并且，当无功电流达到设定值，逐步的放开电压限幅的控制，逐渐过渡到由电流环进行控制，从而可以实现准确的无功电流控制。
该过电压抑制方法利用电压源快速无功功率调节特性，实现快速的无功电流响应，无功电流响应时间可以达到VSG(virtual synchronous generator，虚拟同步机)控制下的无功影响速度；同时借用电流环控制的准确跟踪特性，既实现了快速无功电流支撑能力，又可以实现稳态时的准确无功电流补偿，按照设定值进行补偿。
本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，包括：
判断所述并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值；
若所述交流端口电压未超过所述预设阈值，则控制所述并网逆变器以电流源模式并网工作；
若所述交流端口电压超过所述预设阈值，则控制所述并网逆变器以电压源模式并网工作，使所述并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率在预设时长内实现响应；直至所述并网逆变器交流端口输出的无功电流或无功功率大于等于相应预设无功指令值，控制所述并网逆变器恢复所述电流源模式。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，控制所述并网逆变器以电流源模式并网工作，包括：
控制所述并网逆变器正常工作于电流环控制模式。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，控制所述并网逆变器以电压源模式并网工作，包括：
对所述并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压进行限幅。
4.根据权利要求3所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，对所述调制电压进行限幅时，限幅的大小为根据所述预设无功指令值计算得到的。
5.根据权利要求3所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，控制所述并网逆变器恢复所述电流源模式，包括：
逐步放开对所述调制电压的限幅。
6.根据权利要求3至5任一项所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，在控制所述并网逆变器以电流源模式或电压源模式并网工作之前，还包括：
根据所述并网逆变器的采集信息，确定所述并网逆变器在电流环控制模式下的调制电压。
7.根据权利要求6所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，所述采集信息，包括：所述并网逆变器的直流电压、交流电流和交流电压的采集结果。
8.根据权利要求1至5任一项所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，所述预设阈值为：国家标准要求下所述并网逆变器交流端口的电压允许范围上限。
9.根据权利要求8所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，所述预设阈值为：所述并网逆变器交流端口的额定电压的1.1倍。
10.根据权利要求1至5任一项所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，所述并网逆变器交流端口输出的无功电流所对应的所述预设无功指令值为：根据国家标准要求计算得到的，使所述并网逆变器交流端口的电压频率处于电网安全频率范围内的电流值。
11.根据权利要求10所述的并网逆变器的过电压抑制方法，其特征在于，所述并网逆变器交流端口输出的无功电流所对应的所述预设无功指令值为：所述预设阈值减去所述并网逆变器的交流端口电压之差，与无功补偿因子之积。
12.一种并网逆变器，其特征在于，包括：逆变电路和控制器；其中，
所述逆变电路的交流侧通过滤波器接入电网；
所述逆变电路受控于所述控制器；
所述控制器用于执行如权利要求1至11任一项所述的并网逆变器的过电压抑制方法。
13.根据权利要求12所述的并网逆变器，其特征在于，所述控制器包括：处理器和脉冲宽度调制PWM控制单元；其中，
所述处理器用于执行所述过电压抑制方法，并通过所述PWM控制单元实现对于所述逆变电路的控制。
14.根据权利要求13所述的并网逆变器，其特征在于，所述处理器包括：处理单元、调制电压限幅单元和电流环控制单元；其中，
所述电流环控制单元用于根据所述并网逆变器的采集信息，确定所述并网逆变器的调制电压；
所述处理单元用于判断所述并网逆变器的交流端口电压是否超过预设阈值，并控制所述调制电压限幅单元实现对所述并网逆变器的调制电压的限幅作用。
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