CN102170142A - 一种光伏逆变器的低电压穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种光伏逆变器的低电压穿越方法，如下：通过电压传感器采集电网母线侧电压经过调理电路，送至数字信号处理器中；数字信号处理器通过捕获与计算电压幅值标准值；判断电压幅值标准值是否小于低电压设定底限；如果小于低电压设定底限，逆变器与电网的接触器断开；反之判断在底限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；判断电网电压标幺值是否小于低电压设定上限；如果大于低电压设定底限，逆变器正常并网；反之判断在上限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；采用数字信号处理器内部设定的电压参考幅值；电压参考幅值作为逆变器参考电压实现逆变。

Description

一种光伏逆变器的低电压穿越方法

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器的低电压穿越，本发明涉及一种提高光伏逆变器并网稳定性，本发明涉及一种提高光伏逆变器并网可靠性，本发明涉及一种防止电网***电压短暂偏低而解列。

背景技术

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础，随着社会的高速发展，能源和资源的需求越来越大，众所周知，不可再生能源在不久的将来会被用尽，一些新的能源会应运而生。光伏发电是一种公认的技术含量高、很有发展前途的新能源技术，这是由于太阳能取之不尽、用之不竭，不产生任何废弃物，没有噪音等污染，对环境不会产生不良影响，是理想的清洁能源。

光伏发电如何健康、安全地并入现有的电网，是一项世界性的难题。据介绍，电网发生故障导致电压跌落时，如果光伏电站也立即切除，将引起整个***的剧烈变化，导致大面积停电。如在微电网中，当微电网中大型电机或者负载启动时，电网电压会暂降，此时我们不希望光伏或者其他新能源***从电网中脱离，所谓低电压穿越是指在电力***发生此类问题时，光伏电站能够保持并网，支撑电网故障恢复，从而“穿越”这个低电压时间，避免引起电网故障的扩大化，提高供电可靠性。

对于逆变器低电压穿越，明显表现为电压跌落(sags，又可称dips)，它是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。目前，多数文献都用跌落的幅值和持续时间来描述电压跌落的特征量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一的标准。例如，在IEEE电能质量标准中对电压跌落特征量的界定范围是幅值标么值在0.1～0.9之间，持续时间为半个周期至1分钟；而IEC标准则用跌落前后电压的差值与正常电压的百分比来描述电压跌落的深度，持续时间限定为半个周期至几十秒。此外，有的文献把电压相位偏移角和发生频率也作为描述电压跌落的特征量。

恶劣的天气条件是引起电压跌落的主要原因，统计表明60％以上的电压跌落和恶劣的天气(如雷击、暴风雨)有关。***故障，尤其是***单相对地故障是造成电压跌落的另一个重要原因。当电力***输电线路发生故障时，该线路上甚至几百米开外的电力用户依然会受到影响，其正常工作状态受到干扰。此外，一些大负荷(如大电机、炼钢电弧炉等)突然启动时伴随的电流严重畸变现象也会导致该负荷所连接的母线电压发生跌落。

可见，由于一些非人力所能及的因素的存在，电压跌落现象是不可能从根本上加以消除的。因此，要想较好的解决电压跌落问题，则必须从***和负荷两方面考虑，一方面要防患于未然，抑制不利因素对***的影响，尽可能的降低***电压跌落发生的可能性，提高电网的供电质量；另一方面是当供电电压跌落现象发生后积极采取补救措施，把电压跌落的持续时间限制在几个周期之内，避免或减少其对敏感电力用户的干扰。

在新能源非孤岛情况并网***中，怎样防止电压跌落导致逆变器与电网断开，而是让新能源并网***能够保持并网，支撑电网故障恢复，从而“穿越”这个低电压时间，避免引起电网故障的扩大化，提高供电可靠性。

对于逆变器低电压穿越(LVRT：Low Voltage Ride Through)，现在提得较多的是风能并网逆变器，当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。

《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》中对风电场低电压穿越的要求如下：

a)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20％额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；

b)风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90％时，风电场内的风电机组保持并网运行。

相对于光伏发电***而言，光伏发电***本身无旋转设备，不具备传统电源的机电暂态特性。分布式电源在***侧故障时不脱网，是分布式电源并网的基本要求。光伏电站由于其分布式电源的共性，并不具备水电厂、火电厂的电磁暂态和机电暂态特性，不具备调频、调压能力，逆变器输出电压在***发生故障后迅速降低，不能提供瞬间无功电压支撑，因此，光伏电站必须装设动态无功补偿设备。对于大型风电、光伏电站基地，必须有相应容量的水电厂和火电厂配合才能保证电力***的安全运行。因此，研究光伏发电***公网侧发生瞬时故障时低电压穿越能力具有非常重要的现实意义。

《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定(试行)》中对光伏并网***低电压的要求如下：

大型和中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电源的损失。当并网点电压在图1中电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断并网运行；并网点电压在图1中电压轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电。

图1中，U_L0为正常运行的最低电压限值，一般取0.9倍额定电压。U_L1为需要耐受的电压下限，T1为电压跌落到U_L1时需要保持并网的时间，T2为电压跌落到U_L0时需要保持并网的时间。U_L1、T1、T2数值的确定需考虑保护和重合闸动作时间等实际情况。推荐U_L1设定为0.2倍额定电压，T1设定为1秒、T2设定为3秒。

对于光伏并网逆变器电压标准而言，还需要满足下列标准：

1)GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差；

2)GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变；

供电电压偏差只指光伏电站接入电网后，公共连接点的电压偏差应满足GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》的规定，即：

35kV及以上公共连接点电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10％。

20kV及以下三相公共连接点电压偏差为标称电压的±7％。

注：如公共连接点电压上下偏差同号(均为正或负)时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。

电压波动和闪变只指光伏电站接入电网后，公共连接点处的电压波动和闪变应满足GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》的规定。

光伏电站单独引起公共连接点处的电压变动限值与变动频度、电压等级有关。

对于光伏并网逆变器低电压穿越，现在国内、国际上都有研究：

2010年12月21日，我国首套用于光伏电站低电压穿越现场测试的检测平台国家能源太阳能发电研发(实验)中心，在国网电力科学研究院建成。该平台拥有完全自主知识产权，是目前世界上最先进的用于光伏电站现场测试低电压穿越性能的装置。

低电压穿越测试平台是用来检验光伏电站低电压穿越能力的大型测试装置，能够现场测试光伏电站在电网异常情况下的不间断并网能力。

在国际标准UL1741文件第76章异常测试第四节低电压关断测试中也明确规定，光伏并网逆变器应该具有一定低电压穿越能力。

在德国，由于兆瓦级光伏并网逆变器投入到电网中，因此，德国对光伏并网逆变器低电压穿越提出如下要求：

1)当电网电压下降到额定电压的20％时且持续时间小于150毫秒，光伏并网逆变器不得断开电网连接；

2)如果150毫秒后，电压没有恢复到额定电压的30％，那么光伏并网逆变器应该断开电网连接。

通过背景技术资料可以知道，目前光伏逆变器的低电压穿越能力有待提高，如提高光伏逆变器并网稳定性、防止电网***电压偏低而解列等。本专利实现一种光伏逆变器的低电压穿越方法，可以解决现有低电压停止供电的一些问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种光伏逆变器的低电压穿越方法，通过对***电压幅值检测，提供不同电压参考值，从而实现光伏并网逆变器低电压穿越。

本发明的技术方案如下：

一种光伏逆变器的低电压穿越方法包括如下步骤：

第一步：通过电压传感器采集电网母线侧电压，将采集到的电压经过调理电路，送至数字信号处理器中；

第二步：数字信号处理器通过捕获与计算，提取电网电压的幅值，计算电压幅值标准值；

第三步：判断电压幅值标准值是否小于低电压设定底限；

第四步：如果小于低电压设定底限，逆变器与电网的接触器断开；反之判断在底限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；

第五步：判断电网电压标幺值是否小于低电压设定上限；

第六步：如果大于低电压设定底限，逆变器正常并网；反之判断在上限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；

第七步：在电压低于低电压设定上限后，采用数字信号处理器内部设定的电压参考幅值；

第八步：电压参考幅值作为逆变器参考电压实现逆变。

本发明具有以下有益效果：本发明基于光伏逆变器的低电压穿越方法采用电网电压幅值与跌落时间来判断是否为低电压，通过对其设置不同参考电压幅值实现低电压穿越而不影响新能源并网发电，提高光伏逆变器并网稳定性与可靠性，同时防止电网***电压短暂偏低而解列。

附图说明

图1为国标中大型和中型光伏电站的低电压耐受能力要求。

图2为光伏逆变器的低电压穿越方法流程图。

图3为光伏逆变器的低电压穿越方法参考电压选择流程图。

图4为本发明光伏逆变器的低电压穿越方法***示意图，图4中：1-光伏电池板、2-DC-DC变换电路、3-DC-AC逆变电路、4-滤波电路、5-最大功率跟踪(MPPT)、6-逆变器控制电路、7-孤岛检测、8-滤波电路、9-交流电网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明：

如图2、3所示，本发明光伏逆变器的低电压穿越方法具体实施如下：

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于采集电网电压，在芯片中对电压幅值进行判断，通过对不同电压幅值采用不同参考电压幅值，将该电压幅值作为电流幅值参考值，通过逆变器实现光伏发电并网。用跌落的幅值和持续时间来衡量光伏并网***的电压跌落情况，从而实现低电压穿越。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的采样单元由电压传感器，电压传感器直接连接电网母线侧与电压调理电路连接。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的控制单元由数字信号处理器(Digital Signal Processor简称DSP)组成。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的电网电压通过采集单元、电压调理电路，最后输入到控制单元的数字信号处理器(DSP)，然后通过对采集的电压进行修正，控制PWM输出。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的数字信号处理器(DSP)输出控制信号有驱动来放大。

本发明的基本原理：

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于采集电网电压，在芯片中对电压幅值进行判断，通过判断，给出不同电压参考幅值，将给电压幅值调整后作为电流参考幅值，通过逆变器实现光伏发电并网。当电压发生跌落时，如果跌落范围超出我们设定范围，***采用设定参考电压幅值。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的采样单元由电压传感器，电压传感器直接连接电网母线侧与电压调理电路连接。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的控制单元由数字信号处理器(Digital Signal Processor简称DSP)组成。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的电网电压通过采集单元、电压调理电路，最后输入到控制单元的数字信号处理器(DSP)，然后通过对采集的电压进行修正，控制PWM输出。

本发明光伏逆变器的低电压穿越方法的特征在于所述的数字信号处理器(DSP)输出控制信号有驱动来放大。

本发明的基本原理是：通过采集电网侧电压，在数字信号处理器(DSP)进行电压幅值测量操作，提取电压幅值，通过对***采集到的电压幅值进行判断，判断电压幅值是否小于0.2P.U(P.U为标幺值)，如果***电压幅值小于0.2P.U，光伏逆变器认定为故障，直接断开并网；如果***电压幅值等于0.2P.U，让光伏并网***持续运行，如果能持续时间大于1s，光伏并网***认定为故障，直接断开并网；如果能持续时间不大于1s，***需要进行下一步判断。判断***电压幅值是否小于0.85P.U(P.U为标幺值)，如果***电压幅值大于0.85P.U，则***正常运行；如果***电压幅值不大于0.85P.U，需要对光伏并网***低电压时间进行判断，如果能持续时间大于2s，光伏逆变器认定为故障，直接断开并网；如果***电压幅值不大于0.2P.U，让光伏并网***持续运行。在发明中，采用了两路电压作为参考，一路来自电网，通过电压传感器来获得，该路电压幅值作为正常情况下的电压参考值；另一路来至数字信号处理器(DSP)内部设定，该路电压幅值作为电压跌落情况下的电压参考值，两路电压切换通过电压幅值来实现，低电压穿越能力通过时间来反映。

本发明中，控制单元由数字信号处理器(DSP)组成，它根据由采样单元、电压调理电路来实现电网电压的检测。以DSP为核心的控制单元，其实现的基本思想是：由算法控制与检测逆变器并网来实现低电压穿越。具体地实现过程如下：

(1)通过电压传感器采集电压，DSP捕获采样电压最大值，将采集捕获的最大值除以***设定电压最大值得到电压标幺值U′_rms。

(2)判断电网电压幅值标幺值

U′_rms＜0.2P.U            ①

式①中，U′_rms为实际电网电压幅值标幺值，0.2P.U为电网电压标幺值0.2倍。

(3)如果式①成立，说明现在光伏并网***低于国标设定底限，逆变器与电网之间的接触器断开；如果式①不成立，继续判断电压幅值标幺值情况。

(4)判断

U′_rms＝0.2P.U            ②

如果式②成立，说明此时***在低电压底限运行，故需要继续判断持续时间，跳转至步骤(5)执行。

如果式②不成立，说明此时***在低电压底限上运行，故需要继续判断持续时间，跳转至步骤(6)执行。

(5)***在低电压底限运行，判断时间

Period1≤500              ③

式③中，Period1实际电网电压幅值标幺值为0.2P.U下持续周期数。

如果式③成立，说明此时***在低电压底限运行，持续时间在许可范围内，电压参考值选择***设定值U′_set＝1.0P.U。

注：U′_set表示为电网正常情况下标幺值为1。

如果式③不成立，说明此时***在低电压底限上运行，持续时间不在许可范围内，逆变器与电网之间的接触器断开。

(6)***在低电压底限上运行，判断时间

Period2≤1000             ④

式④中，Period2实际电网电压幅值标幺值为0.2P.U～0.85P.U下持续周期数。

如果式④成立，说明此时***在低电压底限上运行，持续时间在许可范围内，电压参考值选择***设定值U′_set＝1.0P.U。

注：U′_set表示为电网正常情况下标幺值为1。

如果式④不成立，说明此时***在低电压底限上运行，持续时间不在许可范围内，逆变器与电网之间的接触器断开。

(7)将得到的电压幅值参考值作为逆变器参考幅值，实现逆变并网。

如图4所示，本发明光伏逆变器的低电压穿越方法***，主要由光伏电池板、DC-DC变换电路、DC-AC逆变电路、滤波电路、最大功率跟踪(MPPT)、逆变器控制电路、滤波电路和交流电网。

通过采样单元、电流调理电路传送过来光伏电池板电流和电压，在数字信号处理器(DSP)中实现最大功率跟踪算法，控制PWM输出波形来实现功率调节。通过采用单元、调理电路传送过来交流电网母线侧电压，在数字信号处理器(DSP)中实现逆变算法、孤岛检测和低电压穿越。

在实施时，电网母线侧输出电压为交流，采样单元使用电压传感器检测出电网母线侧的电压。由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0～3.3V的电压信号，因此采集电压需要进行转换，这样才能和控制单元的DSP相连接。在DSP中实现光伏逆变器的低电压穿越算法，同与光伏逆变算法相结合来控制逆变器输出，实现光伏逆变器的低电压穿越。

Claims (1)

1.一种光伏逆变器的低电压穿越方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

第一步：通过电压传感器采集电网母线侧电压，将采集到的电压经过调理电路，送至数字信号处理器中；

第二步：数字信号处理器通过捕获与计算，提取电网电压的幅值，计算电压幅值标准值；

第三步：判断电压幅值标准值是否小于低电压设定底限；

第四步：如果小于低电压设定底限，逆变器与电网的接触器断开；反之判断在底限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；

第五步：判断电网电压标幺值是否小于低电压设定上限；

第六步：如果大于低电压设定底限，逆变器正常并网；反之判断在上限持续时间，如果持续时间小于标准要求，让逆变器与电网保持连接，反之断开连接；

第七步：在电压低于低电压设定上限后，采用数字信号处理器内部设定的电压参考幅值；

第八步：电压参考幅值作为逆变器参考电压实现逆变。

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