基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法與流程

本發明涉及電力系統暫態穩定性研究領域技術領域，具體地，涉及基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法。

背景技術：

光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，其原理是使用太陽能電板將接受的光能轉化成為電能。由于光能相對于其他傳統能源具有永不枯竭特性，因此光伏發電具有運行成本小，來源永不枯竭等特點，隨著技術和制作工藝水平的提高，它具有廣闊的發展前景。

目前光伏發電一般有兩種利用方式。一種是分布式光伏發電方式，另外一種是并入電網的光伏發電方式，即并網光伏發電。分布式發電系統容量小，主要是為用戶自己提供電能；并網光伏發電是指中大型光伏電站把發出的電能輸送到電力系統里。

并網光伏系統通常由光伏陣列，逆變器和電網三部分組成。光伏陣列是由單個光伏電池經串并聯組成，其功能是把太陽輻射的光能轉換為電能。光伏陣列與并網逆變器直接相連或者經過穩壓電路與逆變器相連。逆變器既可將光伏產生的直流電能轉化為與電網電壓同頻率的正弦波電流，又可以作為光伏發電系統連入交流電網的接口，同時在沒有穩壓電路的系統里可以實現對光伏陣列的最大功率跟蹤控制和對輸入電力系統的電流進行控制。

在光伏電站出力穩定時，如果系統發生故障，由于光伏電站的接入可能會對電力系統穩定性產生巨大影響。電力系統運行過程中時常會發生故障，其中大多數故障為短路故障。短路故障會引起系統電壓降落，使系統一些設備的電壓過低。設備電壓過低將對其產生不利影響。

發電機機端電壓過低時，其電流將因功角的增大而增大，引起定子繞組發熱，為使其不至于過熱，不得不減少發電機發出的功率，相應的，也不得不減少負荷。

電壓較低如果是因為無功不足引起時，在某些樞紐變電所母線電壓在微小的擾動下有可能會大幅下降，發生“電壓崩潰”現象，成為一個瓦解系統的災難性事故，系統失去穩定。

綜上所述，在電壓出現較大幅度下跌時有必要對電壓進行控制和調整。補償無功功率是一種常用的調節電壓的措施。因為國內的大中型光伏電站中無功補償裝置建設落后甚至不具備補償要求，目前無功和電壓控制方法的研究主要集中在分布式光伏發電領域，并網光伏電站有關無功和電壓控制的研究還不廣泛，所以研究適用于大中型光伏電站的無功和電壓控制策略是很有必要的。對于并網光伏電站的無功補償研究大多集中在并聯電容器、靜止無功功率補償器(SVC)和靜止調相機(STATCOM)等柔性輸電設備(FACTS)上，而忽視了光伏并網逆變器本身所具有的發出無功功率而調節電壓的功能，這對光伏電站來說是一種浪費。

技術實現要素：

本發明的目的在于，針對上述問題，提出基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法，以實現改善系統暫態電壓，提高系統的暫態穩定性的優點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法，包括以下步驟：

步驟1：在基于電網電壓定向的控制策略的兩級式并網逆變器中引入電容電流控制環構成雙電流環控制；

步驟2：通過給定電流參考值，分別對正常運行情況和暫態運行情況進行控制。

進一步地，所述兩級式并網逆變器使用前級Boost電路實現光伏電站電壓控制，使用后級逆變器實現輸入系統電流的控制。

進一步地，步驟1具體為對并網逆變器的控制采用基于電網電壓定向的控制策略，實現有功無功的解耦控制，得到在逆變器允許運行范圍內所能達到的最大無功功率，經過解耦過程，各量的d軸分量和q軸分量之間沒有了耦合關系，在此基礎上引入電容電流控制環構成雙電流環控制，這種情況下，系統的開環傳遞函數為：

其中L₁，L₂，C₂為LCL濾波器中的電感和電容的參數，k_p，k_i為PI調節器比例系數。

進一步地，所述解耦過程具體為，引入狀態反饋解耦控制，當電流控制器為PI控制器時，u_d，u_q的控制方程為

其中G_c(s)為PI控制器開環傳遞函數，i_1d i_1q分別為轉換器輸出電流的d軸,q軸分量，i_2d i_2q分別為濾波器輸出電流的d軸,q軸分量，結合上式和逆變器的數學模型，進行解耦。

進一步地，正常運行情況下為了充分利用太陽能，光伏電站運行于最大功率點，此時向系統提供的無功功率為零，設這種情況下提供的有功功率為P_M，則輸送有功功率的參考值為P_ref＝P_M，無功功率參考值Q_ref＝0，給定的電流參考值為

暫態運行情況下，充分利用逆變器的無功調節功能緩解電壓降落的過程，即當電網發生短路時，逆變器向電網提供足夠的無功電流支持電網電壓恢復，具體為通過電壓控制器將測量到的母線電壓U_g經過測量環節與系統給定的電網電壓參考值U_ref進行比較，兩者的差值經PI控制器控制后，作為無功電流大小參考值，無功電流大小參考值除以母線電壓即為調節注入系統的無功電流參考值i_qref，所述u_ref為穩態時并網點電壓的大小；

向電網傳輸功率為Q＝u_gdi_q，有功功率取值范圍為，得到調節注入系統的有功電流參考值i_dref。

進一步地，所述調節注入系統的無功電流參考值的上限值為i_qmax，調節注入系統的無功電流參考值的下限值i_qmin，根據其中，i_qref受限幅環節限制，有

本發明各實施例的基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法，由于主要包括：在基于電網電壓定向的控制策略的兩級式并網逆變器中引入電容電流控制環構成雙電流環控制；通過給定電流參考值，分別對正常運行情況和暫態運行情況進行控制；從而可以實現改善系統暫態電壓，提高系統的暫態穩定性的優點。

本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的兩級式光伏并網逆變器控制結構圖；

圖2為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的引入電容電流反饋的雙環控制圖；

圖3為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的并網逆變器內環控制模型；

圖4為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的光伏逆變器的低電壓穿越要求；

圖5為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的有功電流i_qref的控制圖；

圖6為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的無功電流i_dref的控制圖；

圖7為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的三機九節點測試系統單線結構圖；

圖8為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的光伏電站接入7號節點支路1-4發生故障節點7電壓幅值波形圖；

圖9為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的光伏電站接入6號節點支路1-4發生故障節點7電壓幅值波形圖；

圖10為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的兩種控制方式下發電機的功角差圖；

圖11為本發明實施例中基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法的光伏電站接入節點4支路5-7發生故障5號節點電壓幅值波形圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

具體地，基于有功無功電流協調控制的光伏并網逆變器控制方法，包括以下步驟：

步驟1：在基于電網電壓定向的控制策略的兩級式并網逆變器中引入電容電流控制環構成雙電流環控制；

步驟2：通過給定電流參考值，分別對正常運行情況和暫態運行情況進行控制。

所述兩級式并網逆變器使用前級Boost電路實現光伏電站電壓控制，使用后級逆變器實現輸入系統電流的控制。

步驟1具體為對并網逆變器的控制采用基于電網電壓定向的控制策略，實現有功無功的解耦控制，得到在逆變器允許運行范圍內所能達到的最大無功功率，經過解耦過程，各量的d軸分量和q軸分量之間沒有了耦合關系，在此基礎上引入電容電流控制環構成雙電流環控制，這種情況下，系統的開環傳遞函數為：

其中L₁，L₂，C₂為LCL濾波器中的電感和電容的參數，k_p，k_i為PI調節器比例系數。

所述解耦過程具體為，引入狀態反饋解耦控制，當電流控制器為PI控制器時，u_d，u_q的控制方程為

其中G_c(s)為PI控制器開環傳遞函數，i_1d i_1q分別為轉換器輸出電流的d軸,q軸分量，i_2d i_2q分別為濾波器輸出電流的d軸,q軸分量，結合式(2)和逆變器的數學模型，進行解耦。

正常運行情況下為了充分利用太陽能，光伏電站運行于最大功率點，此時向系統提供的無功功率為零，設這種情況下提供的有功功率為P_M，則輸送有功功率的參考值為P_ref＝P_M，無功功率參考值Q_ref＝0，給定的電流參考值為

暫態運行情況下，充分利用逆變器的無功調節功能緩解電壓降落的過程，即當電網發生短路時，逆變器向電網提供足夠的無功電流支持電網電壓恢復，具體為通過電壓控制器將測量到的母線電壓U_g經過測量環節與系統給定的電網電壓參考值U_ref進行比較，兩者的差值經PI控制器控制后，作為無功電流大小參考值，無功電流大小參考值除以母線電壓即為調節注入系統的無功電流參考值i_qref，所述u_ref為穩態時并網點電壓的大小；

向電網傳輸功率為Q＝u_gdi_q，有功功率取值范圍為，得到調節注入系統的有功電流參考值i_dref。

所述調節注入系統的無功電流參考值的上限值為i_qmax，調節注入系統的無功電流參考值的下限值i_qmin，根據其中，i_qref受限幅環節限制，有

結合圖7，三機九節點測試系統單線結構圖，其中系統一共有9條支路，3個節點連有發電機、3個節點連有負荷，忽略變壓器損耗。結合研究需要，選擇基于改進歐拉法和迭代解法的暫態分析方法完成暫態程序的設計。該方法采用改進歐拉法求解微分方程，采用迭代解法求解網絡方程。為方便程序編寫，發電機使用雙繞組模型，負荷使用恒功率模型，網絡線性用節點導納方程表示，機電暫態仿真時步取10ms。

在基于電網電壓定向的控制策略的兩級式并網逆變器中引入了電容電流控制環構成雙電流環控制，能夠通過給定電流參考值，對正常運行情況和暫態穩定情況給出相應的控制策略，步驟如下：

步驟一：兩級式并網逆變器結構使用前級Boost電路達到光伏電站電壓控制，使用后級逆變器達到控制輸入系統電流的目的。基本思想示意圖如圖1所示。對并網逆變器的控制采用的是基于電網電壓定向的控制策略，以此來實現有功無功的解耦控制，從理論上得到在逆變器允許運行范圍內所能達到的最大無功功率。

圖1中，從光伏電池出口側引入電壓和電流分量作為MPPT的輸入量，輸入至最大功率算法單元，把計算出來的電壓值輸入至DC/DC變換器，即可實現最大功率跟蹤。根據電網電壓與正常運行時比較的結果確定逆變器的工作狀態(是否發出無功功率)，得到有功電流和無功電流的參考值，然后輸入至逆變器。

同步旋轉坐標系下逆變器的數學模型如下：

從式(1)可看出，i_1d不僅和u_rd，u_cd有關，而且還與i_1q有關，同樣的i_1q也和i_1d有關，也就是說，Park變換過程中引入了耦合。同樣的，式(2)，式(3)也有耦合項存在。這里引入狀態反饋解耦控制，當電流控制器為PI控制器時，u_d，u_q的控制方程為

結合式(4)和逆變器的數學模型，經過解耦，其中各量的d軸分量和q軸分量之間沒有了耦合關系，使控制器設計更為方便。在此基礎上引入電容電流控制環構成雙電流環控制，控制方法如圖2所示。這種情況下，系統的開環傳遞函數為：

雙閉環控制性能好，系統穩定性更強。

電流控制如圖3所示，圖中解耦只列出了對i_1d和i_1q解耦部分，其他部分未畫出。引入電容電流i_cd，i_cq作為反饋變量，不僅構成雙電流環控制，還構成了基于陷波器校正的有源阻尼控制方案。i_dref和i_qref分別代表有功電流和無功電流的參考值；i_2d，i_2q分別是逆變器輸出電流的有功分量和無功分量；i_cd，i_cq分別是濾波器中電容電流的有功分量和無功分量；解耦時電流需要除以K_pwm是因為它是逆變器的調制比。

步驟二：電流參考值的給定

1)正常運行情況：

正常運行情況下，為了充分利用太陽能，光伏電站運行于最大功率點，此時向系統提供的無功功率為零。設這種情況下提供的有功為P_M，則輸送有功功率的參考值為P_ref＝P_M，無功功率參考值Q_ref＝0，參考電流為

2)暫態運行情況：

在短路情況下發生低電壓穿越時，根據國家電網公司2011年頒布的《光伏電站接入電網技術規定》，低電壓穿越要求如圖4所示。

圖4中可以看出，當系統發生短路時，電壓在曲線1以上時，光伏電站不能脫網運行，在曲線1以下時可以脫網運行。電壓過低會對電力系統各元件產生不利的影響，充分利用逆變器的無功調節功能可以緩解電壓降落的過程。即當電網發生短路時，逆變器向電網提供足夠的無功電流以支持電網電壓恢復。因此，無功注入采用的是如圖5的控制策略。通過電壓控制器將測量到的母線電壓U_g經過測量環節與系統給定的電網電壓參考值U_ref進行比較，兩者的差值差值經過PI控制器作為無功電流大小的參考值，此值除以母線電壓即為調節注入系統的無功電流參考值i_qref。u_ref在這里可以用穩態時并網點電壓的大小。

圖5中i_qmax主要是受逆變器容量的制約；i_qmin一般取0。

式(7)中，i_qref受限幅環節限制，有

有功電流參考值(i_dref)的控制策略如圖6所示。此時，向電網傳輸的功率為Q＝u_gdi_q，則有功功率取值范圍為

則

新型控制方法與傳統控制方法仿真結果對比與分析如下：

1)故障設置為支路1-4的末端即4節點在1s時發生故障，0.1s后故障清除，本線路兩端斷路器跳開，1.6s時斷路器重合閘成功。光伏電站分別接入7號節點和6號節點前后電壓幅值變化圖如圖8和圖9所示。

外界環境按照表1中1～10號逆變器運行環境設置并且不發生變化時，從圖8中可看出，光伏電站使用傳統控制方法時，電壓幅值出現振蕩，然而使用本文建立的控制方法后，電壓能逐漸恢復至穩定水平。圖9顯示，使用本文所建立的控制方法時，故障清除后沒有出現電壓幅值大幅下降的情況，這是因為電壓下降時光伏電站向電網提供了大量的無功功率，保證了電力系統安全穩定運行。

2)光伏電站接入節點4，支路5-7發生故障時，使用傳統的控制方法和本方法發電機功角差和節點電壓(以5號節點為例)波形如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11可看出，在傳統的控制方式下，發電機間的功角差不斷增大，節點電壓幅值也產生了劇烈的振蕩，說明故障清除后系統未能穩定運行。而在本控制方式下，功角差逐漸趨近于恒定值，電壓幅值也逐漸達到穩定的水平，說明此情況是暫態穩定的。這也說明了提出的新型控制方法有利于暫態電壓的恢復，有利于系統的暫態穩定。

至少可以達到以下有益效果：與傳統的逆變器控制方式相比能夠有效的改善系統暫態電壓，故障清除后不會出現電壓幅值大幅下降的情況，與傳統的逆變器控制方式相比更能夠使發電機相對功角逐漸趨近于恒定值，提高系統的暫態穩定性。

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。