CN107732956A - 变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于新能源电力***与微电网技术领域的一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法。在不改变两级三相光伏并网***原有配置和不添加附加设备的前提下,通过电压跌落幅度的前馈控制对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，实现逆变器两侧功率的平衡；同时通过与并网逆变器的协同控制，保证逆变器并网输出电流不越限的前提下，为电网提供尽可能多的有功功率和无功功率，最大限度地支持电网电压的恢复，实现了光伏并网***的零电压穿越。与传统控制方法相比，采用该方法不需要添加额外的设备，不仅实现了***的安全、稳定运行，而且降低了光伏发电***的成本，更具实用性。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力***与微电网技术领域，特别涉及一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法。
背景技术
随着光伏并网发电规模的不断扩大，光伏发电***的安全稳定运行对电网的影响已不容忽视。当电网发生短时故障时，机组的大规模脱网会严重影响电网电压和频率的稳定性，威胁电网安全、稳定运行，甚至可能使局部电网崩溃，引起较大面积供电中断，由此电网要求光伏发电机组像传统常规机组一样具备一定的低电压穿越(LVRT)能力。国家标准《光伏发电站接入电力***技术规定》中指出光伏发电站应满足的低电压穿越要求：a)并网点电压跌至0时，光伏发电站应能不脱网连续运行0.15秒；b)并网点电压跌至如附图1中实线以下时，光伏发电站可以从电网切出。此外，该规定还要求光伏电站应充分利用并网逆变器的无功容量及其调节能力，发挥其动态无功支持能力。
当电网电压发生暂降时，往往导致并网电流突增，若正常情况下电流被限制在电流上限运行，则有功功率输出会受限，而光伏电池发出的能量仍然保持在最大功率点不变，多余的能量堆积在直流母线电容上，会导致直流母线电压突增，如何处理这部分多余的能量成为能否实现低电压穿越的一个关键。此外，如何调节逆变器无功功率控制，帮助电网电压的快速恢复也是其中不可忽视的一部分。
在现有的低电压穿越策略中，在直流母线处并联卸荷电阻是最常用的一种方法。在故障期间，卸荷电阻消耗光伏电池发出的多余的能量来保持逆变器两侧功率的平衡，限制直流侧电压的升高以及交流侧并网电流的过流，满足了低电压穿越的要求，但这种方法并没有考虑逆变器无功电流对电压恢复的支持作用，而且添加并联卸荷电阻不仅增加了成本，其产生的大量热量也会影响并网***的安全稳定。之后有的学者又提出了基于超级电容储能的低电压穿越策略，利用超级电容固有的快速充放电特点，实现低电压故障过程中有功功率的控制，在直流母线电压超过给定值时吸收多余的能量，平衡逆变器两侧的能量，抑制直流侧电压上升。但增加超级电容会大大增加装置的硬件成本，使***控制变得复杂，增大了不确定性，而且超级电容设备体积巨大，给其安装带来了很多不便。有的学者针对单级光伏***提出了一些低电压穿越方法，实验验证了这些方法的有效性,但此方法只适用于单级光伏***,而不能应用在目前比较普遍的两级三相光伏***，因为这些策略并没有考虑到前面所说的直流母线过电压的问题。由于光伏发电***的运行特性与环境变化以及电网电压的跌落幅度密切相关，上述所有方法均没有验证在不同环境条件和不同跌落幅度下策略的可行性，以及在面对零电压穿越这种最严重的情况时***的运行情况。传统的低电压穿越策略通常保持光伏电池始终工作在最大功率点处，而只对光伏***的拓扑结构进行改进或增加辅助设备来消耗故障期间多余的有功功率，不仅花费巨大，对***稳定性也有一定的影响。
因此希望有一种新型的针对两级三相光伏发电***的低电压穿越方法，对现有技术中的光伏***的控制进行改进，在保证***能实现低电压穿越的同时，避免以往方法中出现的问题，保障未来光伏发电***稳定运行，是现有技术研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过在故障期间对光伏电池的功率跟踪轨迹进行调节，即在电压跌落幅度的前馈控制对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，从源头上减少了多余能量的产生，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，实现逆变器两侧功率的平衡；避免了直流母线过电压和并网电流过流，在不改变拓扑结构且不增加辅助设备的前提下，实现变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越，大大降低了***的成本；
2)通过并网逆变器的控制，在保证并网输出电流不越限的前提下，为电网提供尽可能多的有功功率和无功功率，最大限度地支持电网电压的恢复；
3)当电网侧发生低电压故障时，为了实现能量平衡，光伏电池的端电压就不能维持在原有值处不变，通过在最大功率点追踪过程中加入一个与电压跌落深度相关的电网电压前馈调节量UPV＿LVRT来改变最大功率点追踪过程，进而改变光伏电池端电压，主动地减少光伏电池发出的能量，实现能量平衡；从而将功率点追踪的目标由最大功率点变为更有助于实现低电压穿越的最佳功率点。
所述步骤1)中，在电压跌落幅度的前馈控制对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，调节功率跟踪轨迹由Boost电路控制，首先定义光伏电池端电压给定值为
其中UPV-MPPT为最大功率点对应的光伏电池端电压，UPV-LVRT为电网电压前馈调节量；
当电网正常运行或电网电压波动值不超过10％额定电压时，此时***为正常工作状态，此时不考虑电网电压影响，光伏电池运行在最大功率点处，UPV_LVRT＝0，当电网电压低于90％额定电压，超出正常运行范围，则认为发生电压跌落故障，电网电压前馈调节量UPV＿LVRT为正，与电压跌落幅度成正比关系，此时光伏电池端电压给定值减少，光伏电池端电压也随之降低，发出的能量也随之减少，由此快速实现光伏电池输入功率和流入电网功率的平衡；
当低电压穿越过程结束后，由于光伏电池端电压处于一个较低值，需要花费一定的时间重新进行最大功率点追踪，使电池重新运行在最大功率点，
当电压暂降结束时，即使电压暂降只持续了很少个周期的时间；光伏电池端电压为此前维持的最大功率点时的端电压，而不用从暂降过程中较小的值处重新进行最大功率点追踪，节省了转换时间，提高了***的稳定性。
所述步骤2)，通过并网逆变器的控制，并网光伏逆变器需要在电网电压跌落时为电网提供无功电流，支持电网电压的恢复，无功电流的产生便成为满足低电压穿越要求的另一个关键。根据国家标准规定，对于不同程度的电压跌落，所需无功电流与逆变器额定电流的比例系数Qratio通过下式计算可得，
其中Ugrms和Unor分别为此时和正常情况下电网电压的有效值，所需无功电流参考值为
式中irated为逆变器并网电流的额定值。电网电压正常时，逆变器运行在单位功率因数下，Qratio为零，输出无功功率为零；电压跌落期间，为了提供电压电压恢复所需的无功能量，Qratio的值与电压跌落深度相关，按式(3)输出无功电流。
为了提高光伏阵列的能量捕获，最好在电压跌落期间来生成尽可能多的有功功率；在同步旋转dq坐标系下，***正常工作时运行在单位功率因数，有功电流参考值idref与额定电流值irated基本保持相同；在低电压穿越时，由于逆变器两侧功率平衡，并网电流仍保持在额定值，直流母线电压也与正常时相似，基本保持在给定值附近，不会有太大的波动，此时的idref与正常情况时基本相同，考虑到故障期间逆变器对电网电压的无功电流支持以及有功电流与无功电流之间的关系，故障时并网逆变器d轴有功电流给定值应为
其中有功电流与逆变器额定电流的比例系数可以由公式(2)计算可得。
本发明的有益效果是通过电压跌落幅度的前馈对功率跟踪轨迹进行调节来改变光伏电池端电压，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，保证逆变器两侧功率的平衡，准确有效地抑制直流母线电压升高，稳定住直流母线电压，在不改变两级三相光伏并网***原有配置和不添加并联卸荷电阻或储能装置等附属设备的前提下，通过改变功率跟踪轨迹进而改变光伏电池输出功率，最终实现光伏并网***的低电压穿越,在保证***的安全、稳定运行的同时降低光伏发电***的成本，提高了光伏发电***的经济性。
附图说明
图1为两级三相光伏并网***结构图；
图2为变功率跟踪轨迹的Boost电路控制示意图；
图3为逆变器控制策略示意图；
图4为在标准环境条件下.仿真结果示意图；其中(a)-(c)为光伏***面对不同程度电压降落时的仿真结果；
图5为在非标准环境条件下仿真结果示意图。其中(a)-(b)为光伏***面对不同程度电压降落时的仿真结果。
具体实施方式
本发明提供一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法，下面将结合实施例和附图，对本发明进行更加详细的描述。
通过电压跌落幅度的前馈对功率跟踪轨迹进行调节来改变光伏电池端电压，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，保证逆变器两侧功率的平衡，准确有效地抑制直流母线电压升高，稳定住直流母线电压，在不改变两级三相光伏并网***原有配置和不添加并联卸荷电阻或储能装置等附属设备的前提下，通过改变功率跟踪轨迹进而改变光伏电池输出功率，最终实现光伏并网***的低电压穿越。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于图1、图2所示的方位或位置关系，
当电网侧发生低电压故障时，为了实现能量平衡，光伏电池的端电压就不能维持在原有值处不变，通过在最大功率点追踪过程中加入一个与电压跌落深度相关的电网电压前馈调节量UPV＿LVRT来改变最大功率点追踪过程，进而改变光伏电池端电压，主动地减少光伏电池发出的能量，实现能量平衡。将功率点追踪的目标由最大功率点变为更有助于实现低电压穿越的最佳功率点，
一个完整的两级三相光伏并网***应如图1所示,包括光伏电池，Boost升压电路，逆变器和控制***等部分。控制***由Boost电路控制和逆变器控制两部分组成，Boost部分控制光伏电池的输出功率并将电压升到一个合适的数值以便逆变器能够正常的工作；逆变器部分通过电压电流双闭环控制直流母线电压并向电网侧输送所需的电流。为本发明针对两级三相光伏并网***在电网电压发生三相对称跌落时的低电压穿越过程，在不改变两级三相光伏并网***原有配置和不添加附加设备的前提下，通过电压跌落幅度的前馈对功率跟踪轨迹进行调节来改变光伏电池端电压，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，保证逆变器两侧功率的平衡，准确有效地抑制直流母线电压升高，稳定住直流母线电压。并通过与并网逆变器的协同控制，在使并网输出电流不越限的前提下，为电网提供尽可能多的有功功率支撑的同时，还会发出一定的无功功率，最大限度地支持电网电压的恢复，最终实现了光伏并网***的低电压穿越过程，甚至零电压穿越过程。
一般情况下当低电压穿越过程结束后，由于光伏电池端电压处于一个较低值，需要花费一定的时间重新进行最大功率点追踪，使电池重新运行在最大功率点，即使电压暂降只持续了很少个周期的时间。本策略设计了解耦模块和改进型的扰动观测MPPT法，将最大功率点追踪过程控制器和低电压穿越控制器进行解耦，并定义扰动观测法中判断条件Pin(k)＝Vpv(k)Iin(k)Spv(k),增加了解耦系数Spv。当低电压穿越控制器的输出为正时，说明此时发生了电压暂降，解耦系数模块的输出Spv为0，MPPT控制器的输出将持续保持在最大功率点处不变；当低电压穿越控制器的输出为负时，说明此时电网运行在正常范围内，解耦系数模块的输出Spv为1，解耦系数对功率跟踪过程没有影响。当电压暂降结束时，光伏电池端电压为此前维持的最大功率点时的端电压，而不用从暂降过程中较小的值处重新进行最大功率点追踪，节省了转换时间，提高了光伏发电***的稳定性、经济性。
如图2所示为变功率跟踪轨迹的Boost电路控制流程示意图；
定义光伏电池端电压给定值为
其中UPV-MPPT为最大功率点对应的光伏电池端电压，UPV-LVRT为电网电压前馈调节量。
当电网正常运行或电网电压波动值不超过10％额定电压时，此时电网***为正常工作状态，此时不考虑电网电压影响，光伏电池运行在最大功率点处，UPV_LVRT＝0，当电网电压低于90％额定电压，超出正常运行范围，则认为发生电压跌落故障，电网电压前馈调节量UPV＿LVRT为正，与电压跌落幅度成正比关系，此时光伏电池端电压给定值减少，光伏电池端电压也随之降低，发出的能量也随之减少，可以快速实现光伏电池输入功率和流入电网功率的平衡。
图3为逆变器控制策略示意图,并网光伏逆变器需要在电网电压跌落时为电网提供无功电流，支持电网电压的恢复，无功电流的产生便成为满足低电压穿越要求的另一个关键。根据国家标准规定，对于不同程度的电压跌落，所需无功电流与逆变器额定电流的比例系数Qratio通过下式计算可得。
其中Ugrms和Unor分别为此时和正常情况下电网电压的有效值，所需无功电流参考值为
式中irated为逆变器并网电流的额定值。电网电压正常时，逆变器运行在单位功率因数下，Qratio为零，输出无功功率为零；电压跌落期间，为了提供电压电压恢复所需的无功能量，Qratio的值与电压跌落深度相关，按式(3)输出无功电流。
除此之外,为了提高光伏阵列的能量捕获，最好在电压跌落期间来生成尽可能多的有功功率。在同步旋转dq坐标系下，***正常工作时运行在单位功率因数，有功电流参考值idref与额定电流值irated基本保持相同。由于逆变器两侧功率平衡，并网电流仍保持在额定值，直流母线电压也与正常时相似，基本保持在给定值附近，不会有太大的波动，此时的idref与正常情况时基本相同，考虑到故障期间逆变器对电网电压的无功电流支持以及有功电流与无功电流之间的关系，故障时并网逆变器d轴有功电流给定值应为
其中有功电流与逆变器额定电流的比例系数可以由公式(2)计算可得。
在Matlab/Simulink中建立一个容量为5kW的两极三相光伏并网***的仿真模型，验证所设计控制策略的可行性。仿真模拟了在光伏测试标准环境条件(光照度S为1000W/m2，温度T为25℃)和非标准环境条件(光照度S为700W/m2，温度T为20℃)两种不同环境条件下，电网电压发生不同幅度降落时，采用本文提出的变功率跟踪轨迹的低电压穿越策略时***的工作情况。
为了充分验证变功率跟踪轨迹的低电压穿越方法的可行性，仿真结果从并网电压、并网电流、输出有功功率、输出无功功率、直流母线电压以及光伏电池端电压这6个关键观测量展示了低电压穿越过程中并网***运行状态的动态变化过程。
图4反映的是在光伏测量标准条件情况下，电网电压发生不同幅度跌落时，光伏发电***运行情况的变化。图4(a)显示的是0.6s-0.8s电压跌落至额定电压的70％时的仿真结果，可以看出并网输出电流只在跌落开始或跌落结束时有抖动，但其幅值未超出限定电流的1.1倍，在标准范围之内，因此不会因为并网电流过流而损坏器件或触动保护使断路器关断。在跌落开始或结束的状态转换过程里直流母线电压有少许波动，但在整个故障过程中基本保持在参考电压800V附近。在电压跌落期间***发出的有功功率由额定功率5000W降低为现在的约2800W，无功功率由0Var增长至2050Var，和利用标准中要求提供的无功电流值与此时的电网电压计算出的值基本相同。在故障阶段，光伏电池的端电压降低至约230V，光伏电池发出的功率值减少，跌落状态结束时，光伏电池端电压又迅速恢复到跌落前的值。
图4(b)为0.6s-0.8s当电网电压降落至20％额定电压时的情况，此时并网电流仍然可以保证不过流，直流母线电压不过压。根据低电压穿越要求中规定的对无功电流的需求，当故障时的电网电压低于正常值的50％时，并网电流应全部为无功电流，即100％无功电流。此时，由于有功电流与无功电流的关系，有功电流应为0，***只输出无功功率，不输出有功功率。电网电压跌落至20％额定电压，并网电流幅值与正常值基本相同，此时无功功率值应约为正常输出有功功率值的20％。从图4(b)我们可以看到此时有功功率降至0W，无功功率约为1000Var，满足了规定中对无功电流的要求，有助于电网电压的恢复。此时光伏电池端电压约降至100V，并网电压和并网电流相位差90度。
图4(c)为0.6s-0.75s当电网电压降至0时的情况，可以看出在本策略的帮助下，光伏***可以保持150ms不脱网，此时并网电流除了在状态转换时有所抖动，基本仍然保持在额定值，直流母线电压也没有越限，实现了零电压穿越，满足了国家电网的要求。此时并网电流100％为无功电流，有功电流降至0，但由于此时电网电压为0，因此此时有功功率和无功功率均为0。
考虑到光照度和温度等环境因素对光伏电池运行状态的影响，在非标准环境条件下(光照度S为700W/m2，温度T为20℃)下的仿真结果分别如图5所示。
图5(a)为0.6s至0.8s电网电压跌落至70％额定电压时***的运行情况。光伏***在非标准环境下仍然可以很好地实现低电压穿越，并可以按前文所述的需求提供一定的无功功率来帮助电网电压的恢复。图5(b)为电网电压跌落至0时***运行状态，此时***可以保持150ms不脱网连续运行，实现零电压穿越，并能为电网提供100％的无功电流。
仿真结果验证了不同环境因素和不同跌落幅度时本发明的可行性，在不需要添加附加设备的情况下便可以很好地实现光伏***的低电压穿越，甚至零电压穿越。
Claims (3)
1.一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过在故障期间对光伏电池的功率跟踪轨迹进行调节，即在电压跌落幅度的前馈控制对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，从源头上减少了多余能量的产生，进而快速有效地控制光伏电池功率的输出，实现逆变器两侧功率的平衡；避免了直流母线过电压和并网电流过流，在不改变拓扑结构且不增加辅助设备的前提下，实现变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越，大大降低了***的成本；
2)通过并网逆变器的控制，在保证并网输出电流不越限的前提下，为电网提供尽可能多的有功功率和无功功率，最大限度地支持电网电压的恢复；
3)当电网侧发生低电压故障时，为了实现能量平衡，光伏电池的端电压就不能维持在原有值处不变，通过在最大功率点追踪过程中加入一个与电压跌落深度相关的电网电压前馈调节量UPV＿LVRT来改变最大功率点追踪过程，进而改变光伏电池端电压，主动地减少光伏电池发出的能量，实现能量平衡；从而将功率点追踪的目标由最大功率点变为更有助于实现低电压穿越的最佳功率点。
2.根据权利要求1所述一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤1)中，在电压跌落幅度的前馈控制对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，调节功率跟踪轨迹由Boost电路控制，首先定义光伏电池端电压给定值为
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其中UPV-MPPT为最大功率点对应的光伏电池端电压，UPV-LVRT为电网电压前馈调节量；
当电网正常运行或电网电压波动值不超过10％额定电压时，此时***为正常工作状态，此时不考虑电网电压影响，光伏电池运行在最大功率点处，UPV_LVRT＝0，当电网电压低于90％额定电压，超出正常运行范围，则认为发生电压跌落故障，电网电压前馈调节量UPV＿LVRT为正，与电压跌落幅度成正比关系，此时光伏电池端电压给定值减少，光伏电池端电压也随之降低，发出的能量也随之减少，由此快速实现光伏电池输入功率和流入电网功率的平衡；
当低电压穿越过程结束后，由于光伏电池端电压处于一个较低值，需要花费一定的时间重新进行最大功率点追踪，使电池重新运行在最大功率点，
当电压暂降结束时，即使电压暂降只持续了很少个周期的时间；光伏电池端电压为此前维持的最大功率点时的端电压，而不用从暂降过程中较小的值处重新进行最大功率点追踪，节省了转换时间，提高了***的稳定性。
3.根据权利要求1所述一种变功率跟踪轨迹的两级式光伏并网***低电压穿越方法，其特征在于，所述步骤2)，通过并网逆变器的控制，并网光伏逆变器需要在电网电压跌落时为电网提供无功电流，支持电网电压的恢复，无功电流的产生便成为满足低电压穿越要求的另一个关键。根据国家标准规定，对于不同程度的电压跌落，所需无功电流与逆变器额定电流的比例系数Qratio通过下式计算可得，
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其中Ugrms和Unor分别为此时和正常情况下电网电压的有效值，所需无功电流参考值为
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式中irated为逆变器并网电流的额定值；电网电压正常时，逆变器运行在单位功率因数下，Qratio为零，输出无功功率为零；电压跌落期间，为了提供电压电压恢复所需的无功能量，Qratio的值与电压跌落深度相关，按式(3)输出无功电流。
为了提高光伏阵列的能量捕获，最好在电压跌落期间来生成尽可能多的有功功率；在同步旋转dq坐标系下，***正常工作时运行在单位功率因数，有功电流参考值idref与额定电流值irated基本保持相同；在低电压穿越时，由于逆变器两侧功率平衡，并网电流仍保持在额定值，直流母线电压也与正常时相似，基本保持在给定值附近，不会有太大的波动，此时的idref与正常情况时基本相同，考虑到故障期间逆变器对电网电压的无功电流支持以及有功电流与无功电流之间的关系，故障时并网逆变器d轴有功电流给定值应为
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其中有功电流与逆变器额定电流的比例系数可以由公式(2)计算可得。
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