电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法

摘要

一种电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法，属于光伏发电控制技术领域。步骤包括：基于瞬时功率理论，计算不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流参考值；计算光伏逆变器输出电流峰值和可能出现的最大电流峰值；根据电流峰值表达式，提出输出电流峰值的限制措施；设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。优点在于，能够有效的实现电压不对称暂降时光伏逆变器的并网电流控制，能够保证不对称电压暂降条件下光伏逆变器输出电流不会超出最大电流限值，从而消除了电流峰值的增大给光伏系统运行带来安全隐患。

权利要求

1.一种电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流参考值；逆变器输出电流参考值表达式为：其中，D1、D2表达式为：

分别为电网电压d轴和q轴的正、负序分量；在电压不对称暂降情况下，该输出电流参考值能够使得光伏逆变器输出恒定的有功功率，完全消除有功功率波动，避免了直流侧电压波动和光伏系统的不稳定；

逆变器输出电流参考值能够在电压不对称暂降情况下使得逆变器输出一定的无功功率以帮助系统恢复电压，提高光伏逆变器的低电压穿越能力和并网运行能力；

步骤2：根据步骤1中的输出电流参考值，计算光伏逆变器输出电流峰值和可能出现的最大电流峰值；

根据步骤1中的输出电流参考值，计算光伏逆变器输出三相电流表达式；

输出电流的正、负序分量经过dq/abc变换、相加和化简后得到逆变器输出三相电流表达式：- + + -

式中，ε为电压不平衡度且ε＝U/U,其中U、U分别为电压正、负序分量的幅值；

其中 分别为电压正、负序分量的初相角； 分别为：计算得三相输出电流峰值表达式：

步骤3：根据步骤2中的电流峰值表达式，提出光伏逆变器输出电流峰值的限制措施；

由最大电流峰值表达式可知，光伏逆变器通过限制输出功率以减小输出电流峰值，即按逆变器所允许的最大电流峰值运行；设定光伏逆变器所允许的瞬时最大电流峰值为Imax，根据步骤2所得的最大峰值表达式，功率给定值P0和Q0应满足：+

式中，U为电压正序分量的幅值，通过对功率给定值P0和Q0的控制能有效地将光伏逆变器输出电流峰值控制在逆变器所允许的范围之内；

步骤4：设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值表达式， 分别取180°、60°和-60°时，A、B和C相分别会出现最大电流峰值：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构如下：使用双同步旋转电流控制结构，根据有功、无功功率参考值P、Q和电网电压正、负序分量 参考电流计算模块得到输出电流参考值d轴和q轴的正、负序分量电流参考值正序分量 与电流实际值正序分量 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值正序分量，之后再经过dq/abc变换，得到输出正序电压在abc坐标系上的分量；

电流参考值负序分量 与电流实际值负序分量 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值负序分量，之后再经过dq/abc变换，得到输出负序电压在abc坐标系上的分量；

输出电压正、负序分量相加之后经过SPWM调制得到逆变器开关器件的触发信号。

说明书

电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于光伏发电控制技术领域，特别是提供了一种电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法。

背景技术

[0002] 电网实际运行中电压总会出现一定程度的不对称，特别是发生故障时，可能出现不对称较为严重的电压暂降，此时负序分量在正向同步旋转坐标系下为两倍频脉动量，若仍采用电压对称时的控制算法，由于缺乏对负序分量的控制光伏逆变器会出现直流侧电压波动、输出功率波动等问题，严重影响光伏逆变器的稳定性。针对电压不对称情况下逆变器控制的研究始于20世纪90年代，绝大多数的研究面向的是逆变器输出电流参考值的计算和电流控制结构的设计。系统不对称故障时，电网电压的降低和负序电压的出现使得光伏逆变器输出电流峰值增大且三相电流不对称。此时，逆变器输出电流的峰值可达到电网电压对称时的数倍，给逆变器中的电力电子开关和整个光伏系统带来很大的安全隐患，甚至导致逆变器过电流保护动作。因此，需采取有效措施进行不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流峰值的控制。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种电压不对称暂降时光伏逆变器输出电流峰值的控制方法，消除不对称电压暂降时光伏逆变器输出电流过大而带来的安全隐患，满足实际工程的需要。

[0004] 本发明在目前研究最广泛的不对称电压暂降条件下光伏逆变器控制策略的基础上，着重研究了基于该控制策略下光伏逆变器的三相输出电流，给出了三相电流峰值和可能出现的最大电流峰值的计算方法，进而提出了限制电流峰值的方法，能够保证不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流不会超出最大电流限值，本发明包括：不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流参考值的计算、输出电流峰值计算、输出电流峰值的限制和电流控制结构的设计。包括以下步骤

[0005] 步骤1：为抑制逆变器输出有功功率波动，计算不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流参考值；

[0006] 步骤2：根据步骤1中的输出电流参考值，计算输出电流峰值和可能出现的最大电流峰值；

[0007] 步骤3：根据步骤2中的电流峰值表达式，提出光伏逆变器输出电流峰值的限制措施；

[0008] 步骤4：设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。

[0009] 在所述步骤1中，在不对称电网电压暂降情况下，由于负序分量的存在，光伏逆变器会出现输出有功功率波动、输出无功功率波动和输出电流含较多谐波和负序分量等问题。根据不同的控制目标可获得不同的光伏逆变器输出电流参考值。由于有功功率波动会影响直流侧电压甚至整个光伏系统稳定性，该发明中以抑制有功功率2倍频波动和输出恒定的有功功率为控制目标。采用瞬时功率理论，由已知的电网条件可得到光伏逆变器的输出电流参考值：

[0010]

[0011] 式中，P0、Q0分别为有功无功功率指令值， 分别为逆变器输出电压的dq轴正负序分量， 分别为逆变器输出电流的dq轴正负序分量的参考指令值，D1、D2表达式为：

[0012] 在所述步骤2中，基于步骤1所给出的电流参考值，可进一步计算出光伏逆变器输出电流峰值和可能出现的最大电流峰值。

[0013] 将输出电流的正、负序分量经过dq/abc变换和化简后，可得到逆变器输出三相电流表达式为：

[0014]

[0015] 式中，K1＝2P0/3D1，K2＝2Q0/3D2，

[0016] 由此可得三相输出电流峰值：

[0017]+ - - +

[0018] 式中U、U分别为输出电压正序分量的幅值，ε为电压不平衡度且ε＝U /U。

[0019] 分别取180°、60°和-60°时，A、B和C相分别会出现最大电流峰值：

[0020]

[0021] 在所述步骤3中，根据电流峰值表达式，提出光伏逆变器输出电流峰值的限制措施。

[0022] 由三相输出电流峰值表达式可知，以输出恒定有功功率为控制目标的控制策略使+得光伏逆变器输出电流不对称且其峰值受到功率给定值P0和Q0、电压正序幅值U、不平衡+
度ε和相位角 的影响。其中，电压正序幅值U、不平衡度ε和相位 由光伏系统本身所决定，无法进行调节，只有通过调节输出功率给定值P0和Q0来控制输出电流峰值，以防止逆变器过电流保护动作。此时光伏逆变器可通过限制输出功率以减小输出电流峰值，即按逆变器所允许的最大电流峰值运行。

[0023] 设定光伏逆变器所允许的瞬时最大电流峰值为Imax，根据步骤2中的电流最大峰值表达式，功率给定值P0和Q0应满足：

[0024]

[0025] 在所述步骤4中，设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。为实现对输出电流在dq轴上正负序分量的准确控制，本发明使用的是双同步旋转电流控制结构。在该电流控制结构中，在正向同步旋转参考坐标系中实现对输出电流的正序分量的控制，在反向同步旋转参考坐标系中实现对输出电流的负序分量的控制，以此实现电压不对称暂降情况下光伏逆变器输出电流的准确控制。

[0026] 为实现对输出电流正、负序分量的准确控制，本发明使用的是双同步旋转电流控制结构，如图3所示。根据有功、无功功率参考值P、Q和电网电压正、负序分量参考电流计算模块可得到输出电流参考值正、负序分量

[0027] 电流参考值正序分量 与电流实际值正序分量 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值正序分量，之后再经过dq/abc变换，可得到输出正序电压在abc坐标系上的分量。

[0028] 电流参考值负序分量 与电流实际值负序分量 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值负序分量，之后再经过dq/abc变换，可得到输出负序电压在abc坐标系上的分量。

[0029] 输出电压正、负序分量相加之后经过SPWM调制可得到逆变器开关器件的触发信号。

[0030] 本发明对电网电压不对称情况下光伏逆变器控制方法进行了分析，着重研究了光伏逆变器的三相输出电流，给出了三相电流峰值和可能出现的最大电流峰值的计算方法，进而提出了限制电流峰值的方法，以保证不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流不会超出最大电流限值。本发明的益处在于采用该控制策略的光伏逆变器能够有效的实现电网电压不对称的并网运行控制，而且能够保证输出电流峰值不会越限，消除了电压不对称时光伏逆变器输出电流峰值过大而带来的安全隐患。

附图说明

[0031] 图1电压不对称暂降时光伏并网系统。

[0032] 图2光伏逆变器的拓扑结构。

[0033] 图3不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1、2、3，对其进行详细描述。

[0035] 电网电压不对称暂降时的光伏并网系统如图1所示，其中光伏逆变器的拓扑结构如图2所示。此时，光伏逆变器的控制策略对光伏系统的输出有着决定性的影响。在不对称电网电压暂降情况下，由于负序分量的存在，光伏逆变器会出现输出有功功率波动、输出无功功率波动和输出电流含较多谐波和负序分量等问题。

[0036] 步骤1：为抑制逆变器输出有功功率波动，计算不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流参考值；

[0037] 基于瞬时功率理论，由已知的电网条件可得到光伏逆变器的输出电流参考值，推导过程如下：

[0038] 电网电压不对称时，光伏逆变器的输出复功率表达式为：

[0039]

[0040] 其中，u、i分别为光伏逆变器输出电压、电流向量, 分别为u在dq同步旋转坐标系下的正、负序分量, 分别为i在dq同步旋转坐标系下的正、负序分量。

[0041] 可进一步求得光伏逆变器输出瞬时有功功率P、无功功率Q为：

[0042]

[0043] 式中：P0、Q0分别为P、Q的平均值；Pc2、Ps2分别为P的2倍频波动分量幅值；Qc2、Qs2分别为Q的2倍频波动分量幅值。其表达式分别如下式所示:

[0044]

[0045] 式中， 分别为逆变器输出电压的dq轴正负序分量，分别为逆变器输出电流的dq轴正负序分量。

[0046] 由式(3)可知，在不对称电网电压条件下，根据不同的控制目标可获得不同的光伏逆变器输出电流参考值。由于有功功率波动对光伏系统的直流侧电压、最大功率点追踪MPPT和系统的转换效率及整个系统的稳定性有着重要的影响。该发明中设定控制目标为输出恒定的有功功率，消除输出有功功率的2倍频脉动。

[0047] 为输出恒定的有功功率，设定P0、Q0为给定值且Pc2＝Ps2＝0，由式(3)可得光伏逆变器输出电流参考值为：

[0048]

[0049] 式中， 分别为逆变器输出电流的dq轴正负序分量的参考指令值，D1、D2的表达式分别为：

[0050] 步骤2：推导光伏逆变器输出电流峰值和可能出现的最大电流峰值表达式，推导过程如下：

[0051] 式(4)可进一步表示为：

[0052]

[0053] 将输出电流的正、负序分量经过dq/abc变换后，可得到逆变器输出三相电流正、负序分量为：

[0054]

[0055]

[0056] 式中，K1＝2P0/3D1，K2＝2Q0/3D2； θ+、θ分别使得

[0057] 由式(6)、(7)可得：

[0058]

[0059] 又：

[0060]

[0061] 其中，

[0062]

[0063] 式中，U+、U-分别为电压正、负序分量的幅值。

[0064] 式(9)可简化为：

[0065]

[0066] 同理可得到：

[0067]

[0068] 又：

[0069]

[0070] 式中，ε为电压不平衡度，其表达式如下：

[0071]

[0072] 将式(11)、(12)、(13)、(14)代入式(8)中，可得：

[0073] 由于 则：

[0074]

[0075] 则上式可进一步化简为：

[0076]

[0077] 式中， 分别为：

[0078]

[0079] 由式(17)可得三相并网电流峰值：

[0080]

[0081] 分别取180°、60°和-60°时，A、B和C相分别会出现最大电流峰值：

[0082]

[0083] 步骤3：根据电流峰值表达式，提出光伏逆变器输出电流峰值的限制措施。

[0084] 由式(18)可见，以输出恒定有功功率为控制目标的控制策略使得光伏逆变器输出电流不对称且其峰值受到功率给定值P0和Q0、电压正序幅值U+、不平衡度ε和相位角+的影响。其中，电压正序幅值U、不平衡度ε和相位角 由光伏系统本身所决定，无法进行调节，只有通过调节输出功率给定值P0和Q0来控制输出电流峰值，以防止逆变器过电流保护动作。

[0085] 由式(19)可知，电网电压不对称暂降时光伏逆变器的输出电流最大峰值远大于电压对称时的最大峰值，此时光伏逆变器可通过限制输出功率以减小输出电流峰值，即按逆变器所允许的最大电流峰值运行。设定光伏逆变器所允许的瞬时最大电流峰值为Imax，根据式(19)，功率给定值P0和Q0应满足：

[0086]

[0087] 步骤4：设计不对称电压暂降条件下光伏逆变器的输出电流控制结构。

[0088] 为实现对输出电流正、负序分量的准确控制，本发明使用的是双同步旋转电流控制结构，如图3所示。根据有功、无功功率参考值P、Q和电网电压正、负序分量参考电流计算模块可得到输出电流参考值正、负序分量

[0089] 电流参考值正序分量 与电流实际值正序分 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值正序分量，之后再经过dq/abc变换，可得到输出正序电压在abc坐标系上的分量。

[0090] 电流参考值负序分量 与电流实际值负序分量 的差值经过PI调节和解耦后得到输出电压参考值负序分量，之后再经过dq/abc变换，可得到输出负序电压在abc坐标系上的分量。

[0091] 输出电压正、负序分量相加之后经过SPWM调制可得到逆变器开关器件的触发信号。

[0092] 上述的电流控制结构在传统的电流控制结构上增加了负序控制部分，即正序和负序电流分量分开调节。在正向同步旋转参考坐标系中实现对输出电流的正序分量的控制，在反向同步旋转参考坐标系中实现对输出电流的负序分量的控制，以此实现电压不对称暂降情况下光伏逆变器输出电流的准确控制。

[0093] 综上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。