一種具有電網電壓支撐能力的光伏并網控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有電網電壓支撐能力的光伏并網控制方法。
【背景技術】
[0002] 由于光伏發電固有的不穩定特性，在其連接到電網時，需要先穩定光伏陣列隨著 溫度和光照變化的輸出電壓。同時，在光伏接入電網時，電網電壓也存在波動現象，因此穩 定電網電壓成為三相光伏并網領域亟待解決的問題。
[0003] 目前，電壓源型逆變器由于其結構簡單，控制策略成熟，在現階段已成為應用最為 廣泛的一種逆變器拓撲結構。此外在光伏并網系統中，光伏電池的利用率除了與光伏電池 的內部特性有關外，還要受外界環境的影響，如光照強度、負載以及溫度等。在不同的外界 環境條件下，光伏陣列輸出的工作電壓值不同，但只有當輸出在某一電壓值時，其輸出功率 才會達到最大值。光伏發電最大功率點跟蹤原理就是通過控制光伏逆變器，對光伏陣列的 輸出功率進行實時的檢測，來預測光伏方陣在當前工況下可能的最大功率輸出，從而改變 當前的阻抗情況使系統輸出功率最大。實現最大功率點跟蹤主要方法有：電導增量法，爬山 法，擾動觀察法等。本發明專利主要采用電導增量法實現最大功率點跟蹤。
[0004] 值得注意的是，最大功率點跟蹤(MPPT)技術僅可以調節光伏陣列并網的電壓，而 在實際并網系統中，不僅光伏陣列輸出電壓會實時變化，電網電壓也會波動。因此可以通過 控制光伏并網逆變器，來使得光伏陣列接入電網的電壓穩定，從而解決了光伏接入地區電 網的電壓不穩定等電能質量問題。
【發明內容】
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[0005] 本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種具有電網電壓支撐 能力的光伏并網控制方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種具有電網電壓支撐能力 的光伏并網控制方法，適用于光伏并網系統，所述光伏并網系統包括光伏陣列;所述光伏陣 列與光伏并網逆變器連接;所述光伏逆變器與變壓器連接;該方法包括以下步驟：
[0007] 1)將多個光伏電池通過串聯和并聯連接在一起，形成光伏發電陣列；
[0008] 2)穩定光伏陣列輸出的電壓，根據最大功率點跟蹤要求控制光伏逆變器開關管的 開斷，穩定光伏逆變器的輸出電壓，形成電流的內環控制，電流內環控制的最大功率點跟蹤 滿足以下條件：
[0009] dP = IdU+UdI
[0010] dP/dU=I+UdI/dU
[0011] 令dP/dU = 0,得到：
[0012] dI/dU = -I/U
[0013] P為光伏陣列輸出功率，U為光伏陣列輸出電壓，！為光伏陣列輸出電流；
[0014] 3)將光伏并網逆變器輸出的電壓、無功功率與已知的標準無功-電壓補償曲線進 行比較，得到光伏逆變器輸出的無功偏差，將無功偏差經過PI調節后生成光伏逆變器的控 制信號，調節光伏逆變器的開關器件，通過光伏并網逆變器修正開關頻率，補充無功偏差， 使得在電網電壓發生波動的時候穩定電網電壓，實現無功的外環控制;無功外環控制的穩 定性滿足以下公式：
[0015]
[0016] Gq(S)為無功控制回路增益，KQ(s)代表無功外環控制系統的比例積分系數；Ilq(S) 為逆變器輸出電流的q軸增益，= 1，QpvW為無功增益。
[0017] 與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明光伏陣列與電壓源型逆變 器相連，利用最大功率點跟蹤(MPPT)技術，控制光伏并網逆變器達到控制光伏輸出電壓穩 定的目的；同時根據將測量得到的電網電壓反饋到光伏逆變器的控制系統中，與設定的電 網中的電壓一無功補償曲線對比，最終得出一系列的控制信號，并將該控制信號輸入到光 伏并網逆變器中，使得逆變器發出相應的無功功率，從而達到支撐電網電壓的目的。本發明 與傳統控制方法相比，不僅可以使光伏輸出的電壓穩定在合理的范圍內，同時還能夠支撐 并網點電壓；因此該發明提高了光伏發電的電能質量，提高了新能源發電業主的經濟效益， 同時由于該發明還可以穩定電網電壓，增加了電力運營商使用新能源設備的積極性，因此 具有良好的社會和經濟效益。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明的系統結構框圖；
[0019] 圖2是光伏電池的內部結構；
[0020] 圖3是三相電壓型逆變器拓撲結構圖；
[0021]圖4是MPPT控制方法的流程圖；
[0022]圖5是逆變器控制原理圖；
[0023] 其中：
[0024] 1:光伏陣列；2:光伏并網逆變器及其控制系統;3:并網變壓器;4:控制系統設定的 標準電壓-無功補償曲線;5: PI控制器;6:光電感應電池;7:鎖相環;8:空間矢量脈寬調制。
【具體實施方式】
[0025] 本發明系統結構圖如圖1所示。其中，光伏陣列1的輸出側通過并聯電容器連接光 伏并網逆變器2,光伏并網逆變器輸出端連接LCL濾波器，用于濾除電力電子器件產生的紋 波。之后再通過升壓變壓器3接入電網。光伏并網逆變器2的控制系統主要包括兩個部分，第 一部分主要利用最大功率點跟蹤技術控制光伏并網逆變器的電力電子器件的開通與關斷， 從而實現穩定光伏陣列輸出電壓的目的；第二部分為:將測量到的電網電壓輸入到光伏并 網逆變器的控制系統中，通過與設定的標準電壓-無功補償曲線比較，得到光伏并網逆變器 輸出的電壓無功偏差，之后再采用PWM調制方式輸出光伏并網逆變器的控制信號，從而達到 穩定并網點電壓的作用。因此與傳統光伏系統相比，本發明提出的控制方法在光伏陣列輸 出電壓穩定的基礎上，可以更好的跟蹤電網電壓變化，并且在電網電壓波動時對電網電壓 進行實時調節，實現支撐電網電壓的作用。
[0026] 下面介紹本發明的支撐電網電壓原理。圖2為所示光伏電池工作原理圖，在日光照 射下，光伏電池發出光電流1〇, Id為反向二極管的電流，I和U為單塊光伏電池的輸出電流和 電壓。在特定的溫度和光照條件下，光伏電池板輸出的電壓和電流值是可以通過相關計算 得到的。
[0027]
( 1 )
[0028] 其中，IQ，Id的值隨著光照和溫度的變化而變化，在實際工程應用中，一般采用并聯 和串聯的方式將多個光伏電池組組成光伏陣列，對公式（1)來說，光伏陣列輸出總電流為并 聯光伏電池的電流值之和，光伏陣列輸出總電壓為串聯光伏電池的電壓之和。
[0029] 如圖3所示為三相電壓源型光伏并網逆變器拓撲結構圖。如圖4所示為MPPT(最大 功率點跟蹤)技術采用電導增量法的工作原理圖。電導增量法在下一時刻的變化方向完全 取決于在該時刻的電導的變化率和瞬時負電導值的大小關系，而與前一時刻的工作點電壓 以及功率的大小無關，因而能夠適應日照強度地快速變化，其控制精度較高。
[0030] 如圖5所示逆變器控制原理圖。鎖相環的作用是通過相位捕捉模塊，獲得電網頻率 及相位信息，實現系統并網控制。將采集到的相關信息進行Clark變換，可得從ABC坐標系到 αβ坐標系。
[0031]
〇)
[0032]再經過park變換，將兩相靜止坐標系下的交流量變換成同步坐標系下的恒定直流 量。
[0033]并網逆變器的控制策略是光伏系統并網技術的關鍵。控制過程中需要實現兩個基 本控制要求:其一，是保持直流側電壓穩定;其二，是實現并網電流控制或者根據功率指令 控制來實現無功功率調節。首先對三相電壓型并網逆變器主電路拓撲結構進行分析，選定 合適的拓撲結構作為并網系統的主電路;其次根據MPPT最大功率點跟蹤技術，控制逆變器 電力開關元件的開斷，穩定逆變器的輸出電壓;然后通過基爾霍夫電流電壓定律建立交流 側回路方程及三相靜止坐標系下的逆變器數學模型，并根據Clark變化及park變換的矢量 關系建立兩相靜止、旋轉坐標系下的數學模型。最后考慮到交流側并網過程中電壓震蕩情 況，根據相關電壓一無功補償曲線，及時調整逆變器的電力開關元件控制，補償電網中的無 功，實現對電網電壓的支撐。
【主權項】
1. 一種具有電網電壓支撐能力的光伏并網控制方法，適用于光伏并網系統，所述光伏 并網系統包括光伏陣列;所述光伏陣列與光伏并網逆變器連接;所述光伏逆變器與變壓器 連接;其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 將多個光伏電池通過串聯和并聯連接在一起，形成光伏發電陣列； 2) 穩定光伏陣列輸出的電壓，根據最大功率點跟蹤要求控制光伏逆變器開關管的開 斷，穩定光伏逆變器的輸出電壓，形成電流的內環控制，電流內環控制的最大功率點跟蹤滿 足以下條件： dP=IdU+UdI dP/dU=I+UdI/dU 令dP/dU = 0,得到： dI/dU = -I/U P為光伏陣列輸出功率，U為光伏陣列輸出電壓，I為光伏陣列輸出電流； 3) 將光伏并網逆變器輸出的電壓、無功功率與已知的標準無功-電壓補償曲線進行比 較，得到光伏逆變器輸出的無功偏差，將無功偏差經過PI調節后生成光伏逆變器的控制信 號，調節光伏逆變器的開關器件，通過光伏并網逆變器修正開關頻率，補充無功偏差，使得 在電網電壓發生波動的時候穩定電網電壓，實現無功的外環控制;無功外環控制的穩定性 滿足以下公式： ~。、r, ,"入(娘廠⑷* Gq ( s) - ^-~~ 5 ~ ' 心:⑷/W(S) Gq(s)為無功控制回路增益，KQ(s)代表無功外環控制系統的比例積分系數;Ilq(s)為逆 L ? 變器輸出電流的q軸增益，，Qpv(^為無功增益。
【專利摘要】本發明公開了一種具有電網電壓支撐能力的光伏并網控制方法。本發明可以能夠根據最大功率點跟蹤技術控制光伏陣列輸出電壓維持穩定。同時，在電網電壓發生跌落時，根據并網逆變器控制系統設定的電壓-無功曲線與實際測量的電壓-無功值進行比較，從而可以控制并網逆變器發出所需要的無功功率，達到了穩定電網電壓的目的。本發明與傳統控制方法相比，不僅可以使光伏輸出的電壓穩定在合理的范圍內，而且還可以在電網電壓發生跌落時支撐并網點電壓。因此該發明提高了光伏發電的電能質量，也提高了新能源發電業主的經濟效益，同時由于該發明還可以維持并網點電壓的穩定，增加了電力運營商使用新能源設備的積極性，具有良好的社會和經濟效益。
【IPC分類】H02J3/38, H02J3/16
【公開號】CN105610186
【申請號】CN201610004281
【發明人】李勇, 田旦瑜, 彭衍建, 譚益, 曹一家
【申請人】湖南大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月5日