光伏并網逆變器的補償方法和裝置與流程
本發明涉及電網技術領域，具體而言，涉及一種光伏并網逆變器的補償方法和裝置。
背景技術：
自20世紀90年代以來，太陽能發電技術得到了持續高速發展，光伏并網發電已經成為當今太陽能主要利用形式之一。并網逆變器作為并網發電系統的核心環節，已經成為該領域的研究熱點。
目前，單相光伏逆變系統的控制一般集中在使逆變器可以輸出單位功率因數，從而最大幅度地提高并網效率。即，單相光伏逆變器的功能相對單一。
針對上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。
技術實現要素：
本發明實施例提供了一種光伏并網逆變器的補償方法，以有效擴展單相光伏逆變器的作用，該方法包括：
確定電網電壓是否發生跌落；
如果所述電網電壓發生跌落，通過無功補償確定有功功率和無功功率；
根據所述有功功率和所述無功功率，對所述電網進行有功補償和無功補償。
在一個實施方式中，根據以下公式計算有功功率和無功功率：
其中，P表示有功功率，Q表示無功功率，Vd表示旋轉坐標下的對應的d軸電壓，Vq表示旋轉坐標下的對應的q軸電壓，Id表示d軸有功電流，Iq＝k(1-Vg)In，其中，Vg表示標幺瞬時電網電壓，In表示電網正常時的電流，k表示在低電壓穿越時，電網電壓與無功補償電流關系式，k≥2。
在一個實施方式中，對所述電網進行無功補償，包括：對所述電網進行電流內環控制和電壓外環控制。
在一個實施方式中，按照以下公式進行電流內環控制：
其中，Gi(s)表示比例諧振控制及諧波補償控制器，kp為比例增益，kr為基準諧振增益，krh為諧振控制增益系數(h＝3，5，7)，w0為電網基準頻率，s表示拉普拉斯變換因子。
在一個實施方式中，按照以下公式進行電壓外環控制：
其中，表示電網參考電流，vgα、vgβ分別為電網電壓的正交分量，GP(s)表示有功功率的PI控制器、GQ(s)表示無功功率的PI控制器，P表示有功功率，Q表示無功功率，P*表示給定參考有功功率，Q*表示給定參考無功功率。
本發明實施例還提供了一種光伏并網逆變器的補償裝置，以有效擴展單相光伏逆變器的作用，該裝置包括：
判斷模塊，用于確定電網電壓是否發生跌落；
確定模塊，用于在確定所述電網電壓發生跌落的情況，通過無功補償確定有功功率和無功功率；
補償模塊，用于根據所述有功功率和所述無功功率，對所述電網進行有功補償和無功補償。
在一個實施方式中，所述確定模塊，具體用于根據以下公式計算有功功率和無功功率：
其中，P表示有功功率，Q表示無功功率，Vd表示旋轉坐標下的對應的d軸電壓，Vq表示旋轉坐標下的對應的q軸電壓，Id表示d軸有功電流，Iq＝k(1-Vg)In，其中，Vg表示標幺瞬時電網電壓，In表示電網正常時的電流，k表示在低電壓穿越時，電網電壓與無功補償電流關系式，k≥2。
在一個實施方式中，所述補償模塊對所述電網進行無功補償，包括：對所述電網進行電流內環控制和電壓外環控制。
在一個實施方式中，所述補償模塊具體用于按照以下公式進行電流內環控制：
其中，Gi(s)表示比例諧振控制及諧波補償控制器，kp為比例增益，kr為基準諧振增益，krh為諧振控制增益系數(h＝3，5，7)，w0為電網基準頻率，s表示拉普拉斯變換因子。
在一個實施方式中，所述補償模塊具體用于按照以下公式進行電壓外環控制：
其中，表示電網參考電流，vgα、vgβ分別為電網電壓的正交分量，GP(s)表示有功功率的PI控制器、GQ(s)表示無功功率的PI控制器，P表示有功功率，Q表示無功功率，P*表示給定參考有功功率，Q*表示給定參考無功功率。
在上述實施例中，提供了一種光伏并網逆變器的補償方法，在光伏電網發生電壓跌落的情況下，進行無功補償，從而解決了現有的單相光伏逆變器僅可以實現有功輸出而導致的單相光伏逆變器作用過于單一的技術問題，達到了有效擴展單相光伏逆變器的作用的技術效果。
附圖說明
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1是光伏并網逆變系統功率及控制結構框圖；
圖2是根據本發明實施例的光伏并網逆變器的補償方法的方法流程圖；
圖3是根據本發明實施例的光伏并網功率調節系統的控制框圖；
圖4是根據本發明實施例的光伏并網逆變系統的控制框圖；
圖5是根據本發明實施例的光伏并網逆變器的補償裝置的結構框圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施方式和附圖，對本發明做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施方式及其說明用于解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。
發明人考慮到為了擴展單相光伏逆變器的功能，使得電網更大限度地接納光伏逆變器，可以通過單相光伏逆變器實現例如：低電壓穿越，無功補償等輔助功能，即，拓展單相光伏并網無功補償功能，實現單相并網系統的無功和諧波電流的精確檢測和補償，使單相光伏并網系統同時兼備無功與諧波補償功能。將三相無功功率理論算法擴展到單相系統中，實現單相光伏并網逆變系統的無功補償。
如圖1所示，目前單相光伏逆變系統的控制集中在使逆變器輸出單位功率因數，從而最大幅度地提高并網效率。為了使得電網更大限度地接納光伏逆變器，可以使得光伏逆變器具有如：低電壓穿越，無功補償等輔助功能。其中，單相光伏并網逆變系統的無功補償理論由三相無功功率理論擴展而來，而三相檢測算法主要應用于三相平衡電路，單相檢測算法既可應用于單相電路，也可應用于三相平衡或不平衡電路，因而適用范圍更廣。
為此，在本例中，提供了一種光伏并網逆變器的補償方法，如圖2所示，可以包括以下步驟：
步驟201：確定電網電壓是否發生跌落；
步驟202：如果所述電網電壓發生跌落，通過無功補償確定有功功率和無功功率；
對于光伏并網逆變器而言，控制目標是向電網注入最大有功功率，在電壓跌落期間，逆變器輸出到電網的功率急劇減小，而此時逆變器輸入功率將超過輸出功率，能量在直流母線上積聚，將會使直流母線電壓升高，損壞電氣元件。
為了解決上述問題，可以采用無功補償的方式。如圖3所示，正常情況下，逆變器BOOST電路工作在MPPT模式，光伏陣列發出最大功率經BOOST電路提升電壓后，由逆變器經濾波后到電網，此時的主要控制目標為向電網注入最大有功功率，即控制功率因數為1或無限接近1。當電網電壓跌落時，可以計算有功功率輸出值來決定BOOST電路是否放棄MPPT功能。
由功率平衡，通過控制光伏電流和電壓大小，可以進行功率調節輸出有功及無功指令電壓。電壓調節輸出指令電流，通過檢測電網上的電流，進行無功補償和諧波補償電流調節得到并網參考電壓，即可實現無功補償和并網發電。
具體的，可以通過以下公式計算有功功率和無功功率：
其中，其中，P表示有功功率，Q表示無功功率，Vd表示旋轉坐標下的對應的d軸電壓，Vq表示旋轉坐標下的對應的q軸電壓，Id表示d軸有功電流，Iq＝k(1-Vg)In，其中，Vg表示標幺瞬時電網電壓，In表示電網正常時的電流，k表示在低電壓穿越時，電網電壓與無功補償電流關系式，即通過判斷電網電壓來決定無功補償電流大小，依據標準，通常k≥2。
步驟103：根據所述有功功率和所述無功功率，對所述電網進行有功補償和無功補償。
其中，無功補償控制可以包含電流內環和電壓外環控制，其中，電流內環用于電能質量及電流保護控制，電壓外環用于提供內環所需給定電流。
具體的，可以按照以下公式進行電流內環控制：
其中，Gi(s)表示比例諧振控制及諧波補償控制器，kp為比例增益，kr為基準諧振增益，krh為諧振控制增益系數(h＝3，5，7)，w0為電網基準頻率，s表示拉普拉斯變換因子。
可以按照以下公式進行電壓外環控制：
其中，表示電網參考電流，vgα、vgβ分別為電網電壓的正交分量，GP(s)表示有功功率的PI控制器、GQ(s)表示無功功率的PI控制器，P表示有功功率，Q表示無功功率，P*表示給定參考有功功率，Q*表示給定參考無功功率。
下面結合一具體實施例對上述光伏并網逆變器的補償方法進行說明，然而值得注意的是，該具體實施例僅是為了更好地說明本發明，并不構成對本發明的不當限定
光伏并網逆變器的控制目標是向電網注入最大有功功率，在電壓跌落期間，逆變器輸出到電網的功率急劇減小，而此時逆變器輸入功率將超過輸出功率，能量在直流母線上積聚，將會使直流母線電壓升高，損壞電氣元件，解決該問題最直接的方法是采用無功補償策略。
如圖3所示，正常情況下，逆變器BOOST電路工作在MPPT模式，光伏陣列發出最大功率經BOOST電路提升電壓后，由逆變器經濾波后到電網，此時的主要控制目標為向電網注入最大有功功率，即控制功率因數為1或無限接近1。當電網電壓跌落時，計算有功功率輸出值來決定BOOST電路是否放棄MPPT功能。
由功率平衡，通過控制光伏電流和電壓大小，可以進行功率調節輸出有功及無功指令電壓。電壓調節輸出指令電流，通過檢測電網上的電流，進行無功補償和諧波補償電流調節得到并網參考電壓，即可實現無功補償和并網發電。
光伏并網功率調節系統控制框圖可以如圖3和圖4所示，為了得到電網無功電流，將瞬時無功功率理論運用到單相系統，可以構造正交兩相電流和電壓，Vgα、Vgβ和igα、igβ。圖中LVRT(Low Voltage Ride-Through)為低電壓穿越，OSG(Orthogonal Signal Generation)為正交算法，RPC(Reactive Power Compensator)為無功補償，Sag Detection為電壓跌落檢測。其中，無功補償控制包含電流內環和電壓外環控制，電流內環用于電能質量及電流保護控制，而電壓外環用于提供內環所需給定電流。
當電網電壓正常時，給定有功功率P*和無功功率Q*分別為PMPP(最大功率跟蹤)和0，當電壓發生跌落時，由無功補償來計算得出P*和Q*。
在本例中，可以采用恒定有功功率控制的無功補償策略，根據正交算法，有功功率為：
P＝VgId/2
其中，Vg為電網電壓，Id為d軸有功電流，在電網正常時Id＝In，Vgn、In分別為電網正常時的電壓及電流，此時有功功率為P＝Pn＝VgnIn/2。
由無功電流補償可以得出：
其中，(1-1/k)p.u≤Vg≤0.9p.u，p.u為標幺值。為了在低電壓穿越期間正常并網，需滿足以下關系式：
其中，Imax為逆變器允許的最大電流，有功功率及無功功率分別為：
外環電壓控制環節為：
其中，vgα、vgβ分別為電網電壓的正交分量，GP(s)、GQ(s)分別為有功功率及無功功率的PI控制器。
內環電流控制環節為：
內環采用比例諧振控制及諧波補償控制，其中，kp為比例增益，kr為基準諧振增益，krh為諧振控制增益系數(其中，h＝3，5，7)，w0為電網基準頻率。
針對光伏并網逆變器在電壓跌落時可以采用光伏逆變器恒定有功功率的控制策略來實現無功補償及諧波補償，減少在此期間浪費MPPT輸出電流，且MPPT和最大電流輸出能達到協調控制，在電壓恢復時刻可以有效減小電壓波動。
基于同一發明構思，本發明實施例中還提供了一種光伏并網逆變器的補償裝置，如下面的實施例所述。由于光伏并網逆變器的補償裝置解決問題的原理與光伏并網逆變器的補償方法相似，因此光伏并網逆變器的補償裝置的實施可以參見光伏并網逆變器的補償方法的實施，重復之處不再贅述。以下所使用的，術語“單元”或者“模塊”可以實現預定功能的軟件和/或硬件的組合。盡管以下實施例所描述的裝置較佳地以軟件來實現，但是硬件，或者軟件和硬件的組合的實現也是可能并被構想的。圖5是本發明實施例的光伏并網逆變器的補償裝置的一種結構框圖，如圖5所示，可以包括：判斷模塊501、確定模塊502和補償模塊503，下面對該結構進行說明。
判斷模塊501，用于確定電網電壓是否發生跌落；
確定模塊502，用于在確定所述電網電壓發生跌落的情況，通過無功補償確定有功功率和無功功率；
補償模塊503，用于根據所述有功功率和所述無功功率，對所述電網進行有功補償和無功補償。
在一個實施方式中，確定模塊502，具體可以用于根據以下公式計算有功功率和無功功率：
其中，P表示有功功率，Q表示無功功率，Vd表示旋轉坐標下的對應的d軸電壓，Vq表示旋轉坐標下的對應的q軸電壓，Id表示d軸有功電流，Iq＝k(1-Vg)In，其中，Vg表示標幺瞬時電網電壓，In表示電網正常時的電流，k表示在低電壓穿越時，電網電壓與無功補償電流關系式，k≥2。
在一個實施方式中，補償模塊503可以對所述電網進行無功補償，包括：對所述電網進行電流內環控制和電壓外環控制。
在一個實施方式中，補償模塊503具體可以用于按照以下公式進行電流內環控制：
其中，Gi(s)表示比例諧振控制及諧波補償控制器，kp為比例增益，kr為基準諧振增益，krh為諧振控制增益系數(h＝3，5，7)，w0為電網基準頻率，s表示拉普拉斯變換因子。
在一個實施方式中，補償模塊503具體可以用于按照以下公式進行電壓外環控制：
其中，表示電網參考電流，vgα、vgβ分別為電網電壓的正交分量，GP(s)表示有功功率的PI控制器、GQ(s)表示無功功率的PI控制器，P表示有功功率，Q表示無功功率，P*表示給定參考有功功率，Q*表示給定參考無功功率。
從以上的描述中，可以看出，本發明實施例實現了如下技術效果：提供了一種光伏并網逆變器的補償方法，在光伏電網發生電壓跌落的情況下，進行無功補償，從而解決了現有的單相光伏逆變器僅可以實現有功輸出而導致的單相光伏逆變器作用過于單一的技術問題，達到了有效擴展單相光伏逆變器的技術效果。
顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明實施例的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明實施例不限制于任何特定的硬件和軟件結合。
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，對于本領域的技術人員來說，本發明實施例可以有各種更改和變化。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。
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